CN112747775A - 多应变传感的带状电阻应变片组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多应变传感的带状电阻应变片组件，其中，电阻应变传感单元与处理电路分别设置于基底上，电阻应变传感单元包括三组电阻应变片，每组中的电阻应变片分别相对于试件对称设置；第一电阻应变片组和第二电阻应变片组均沿试件轴向方向设置，第三电阻应变片组沿与试件轴向45°夹角方向设置，第一电阻应变片组接入处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，第二电阻应变片组接入处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，第三电阻应变片组构建形成惠斯通全桥电路并接入处理电路或接入处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路。通过本发明的技术方案，提高了测量效率，减小了误差，减少了导线数量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种多应变传感的带状电阻应变片组件。
背景技术
应变片是一种应用十分广泛的测量元件，常用于机械和结构的实验应力分析以及构造力、力矩、压力、流量和加速度等传感器。应变片结构形式大多是单方向敏感的单轴应变片、或者为双片式、三片式的应变花，存在多个电阻应变传感单元的应变片并不多见。在不同的工况下，电阻应变片测量方法不同，传统的测量方法是将应变片一个一个的贴在被测试件表面，然而此方法需要粘贴多次应变片，这就给实验结果带来了误差，降低了测量效率。当试件表面是平面时，应变片逐个粘贴时引起的误差较小，但试件表面是曲面而且需粘贴得应变片较多时逐个粘贴将给测量结果带来较大的误差。
另外，在应变测量中，利用应变片构成惠斯通电桥进行测量是最常用的方式，但在一些工程实际中很难将处理电路安装在应变片附近，这就造成了应变片与处理电路之间只能用很长的导线连接，测量时势必会引起不可忽略的测量误差，目前常用的矫正手段是采用四线制连接，但上述方式存在一些缺点，比如连线较多布线比较麻烦。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种多应变传感的带状电阻应变片组件，通过自身构造多组电阻应变片分别使用轴向应变、弯曲应变及剪切应变的测量，无需逐次粘贴单轴应变片，提高了测量效率，减小了逐次粘贴应变片所引起的实验误差，设置于基底上的处理电路减小了数据传输线长度，避免了导线误差校正的问题，减少了导线数量，便于布线。
为实现上述目的，本发明提供了一种多应变传感的带状电阻应变片组件，包括：基底、电阻应变传感单元、覆盖层和处理电路；所述基底为柔性材料制成，所述电阻应变传感单元与所述处理电路分别设置于所述基底上，所述覆盖层覆盖于所述电阻应变传感单元与所述处理电路上方，所述基底贴附于所要检测的试件表面；所述电阻应变传感单元包括三组电阻应变片，三组电阻应变片处于同一水平位置，每组中的电阻应变片分别相对于所述试件对称设置；第一电阻应变片组和第二电阻应变片组均沿所述试件轴向方向设置，第三电阻应变片组沿与所述试件轴向45°夹角方向设置，所述第一电阻应变片组接入所述处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，所述第二电阻应变片组接入所述处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，所述第三电阻应变片组构建形成惠斯通全桥电路并接入所述处理电路或接入所述处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路。
在上述技术方案中，优选地，所述第一电阻应变片组包括第四电阻应变片和第八电阻应变片，所述第二电阻应变片组包括第二电阻应变片和第六电阻应变片，所述第三电阻应变片组包括第一电阻应变片、第三电阻应变片、第五电阻应变片和第七电阻应变片；所述第二电阻应变片、所述第四电阻应变片、所述第六电阻应变片和所述第八电阻应变片沿所述试件轴向方向设置，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片沿与所述试件轴向-45°夹角方向设置，所述第三电阻应变片和所述第七电阻应变片沿与所述试件轴向45°夹角方向设置；所述第四电阻应变片和所述第八电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第二电阻应变片和所述第六电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第一电阻应变片、所述第三电阻应变片、所述第五电阻应变片和所述第七电阻应变片构建形成惠斯通全桥电路并与所述处理电路相连接。
在上述技术方案中，优选地，所述第一电阻应变片组包括第四电阻应变片和第八电阻应变片，所述第二电阻应变片组包括第二电阻应变片和第六电阻应变片，所述第三电阻应变片组包括第一电阻应变片和第五电阻应变片；所述第二电阻应变片、所述第四电阻应变片、所述第六电阻应变片和所述第八电阻应变片沿所述试件轴向方向设置，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片沿与所述试件轴向-45°或45°夹角方向设置；所述第四电阻应变片和所述第八电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第二电阻应变片和所述第六电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路。
在上述技术方案中，优选地，所述第四电阻应变片和所述第八电阻应变片在惠斯通半桥电路中相邻布置并连接，所述第二电阻应变片和所述第六电阻应变片在惠斯通半桥电路中相对布置并连接，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片在惠斯通全桥电路或惠斯通半桥电路中相对布置并连接。
在上述技术方案中，优选地，所述电阻应变传感单元中的三组电阻应变片为采用应变胶黏剂将相应的电阻丝贴附于所述基底的上表面构成，或者，所述电阻应变传感单元中的三组电阻应变片为将相应的电阻丝刻制于所述基底的上表面构成，或者，所述基底上的对应位置设置上下完全贯穿的开槽，将相应的电阻应变片成品安装于所述开槽中。
在上述技术方案中，优选地，所述处理电路包括放大电路、AD/DA转换电路和单片机，所述惠斯通半桥电路和/或所述惠斯通全桥电路与所述放大电路相连接，所述放大电路与所述AD/DA转换电路相连接，所述AD/DA转换电路与所述单片机相连接。
在上述技术方案中，优选地，所述基底上的所述电阻应变传感单元位置的边缘外侧设置有定位刻度线。
在上述技术方案中，优选地，所述处理电路刻制于所述基底上，或者，所述处理电路制成柔性电路板安装于所述基底上。
在上述技术方案中，优选地，所述基底为带状结构，所述基底的尺寸与所述试件的尺寸相适配使得所述电阻应变传感单元中每组中的电阻应变片相对于所述试件对称设置，所述试件为圆柱体或棱柱体结构。
在上述技术方案中，优选地，所述电阻应变传感单元的三组电阻应变片均设置有接线端子，通过所述接线端子实现电阻应变片之间的连接以及与所述处理电路之间的连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过自身构造多组电阻应变片分别使用轴向应变、弯曲应变及剪切应变的测量，无需逐次粘贴单轴应变片，提高了测量效率，减小了逐次粘贴应变片所引起的实验误差，设置于基底上的处理电路减小了数据传输线长度，避免了导线误差校正的问题，减少了导线数量，便于布线。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的多应变传感的带状电阻应变片组件的截面结构示意图；
图2为本发明一种实施例公开的多应变传感的带状电阻应变片组件的平面结构示意图；
图3为本发明一种实施例公开的惠斯通电桥电路的原理示意图；
图4为本发明一种实施例公开的处理电路的流程示意图；
图5为本发明一种实施例公开的多应变传感的带状电阻应变片组件的安装于试件的示意图。
图中，各组件与附图标记之间的对应关系为：
1、第一电阻应变片；2、第二电阻应变片；3、第三电阻应变片；4、第四电阻应变片；5、第五电阻应变片；6、第六电阻应变片；7、第七电阻应变片；8、第八电阻应变片；9、定位刻度线；10、接线端子；11、基底；12、处理电路；13、覆盖层；14、试件。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1和图2所示，根据本发明提供的一种多应变传感的带状电阻应变片组件，包括：基底11、电阻应变传感单元、覆盖层13和处理电路12；基底11为柔性材料制成，电阻应变传感单元与处理电路12分别设置于基底11上，覆盖层13覆盖于电阻应变传感单元与处理电路12上方，基底11贴附于所要检测的试件14表面；电阻应变传感单元包括三组电阻应变片，三组电阻应变片处于同一水平位置，每组中的电阻应变片分别相对于试件14对称设置；第一电阻应变片组和第二电阻应变片组均沿试件14轴向方向设置，第三电阻应变片组沿与试件14轴向45°夹角方向设置，第一电阻应变片组接入处理电路12并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，第二电阻应变片组接入处理电路12并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，第三电阻应变片组构建形成惠斯通全桥电路并接入处理电路12或接入处理电路12并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路。
在该实施例中，通过自身构造多组电阻应变片分别使用轴向应变、弯曲应变及剪切应变的测量，无需逐次粘贴单轴应变片，提高了测量效率，减小了逐次粘贴应变片所引起的实验误差，设置于基底11上的处理电路12减小了数据传输线长度，避免了导线误差校正的问题，减少了导线数量，便于布线。其中，基底11采用如聚酰亚胺、环氧树脂等柔性材料制成，基底11的柔性性能使得本发明提供的带状电阻应变片组件既能贴附于简单平面也可贴附于复杂曲面上。覆盖层13覆盖在电阻应变传感单元以及处理电路12上，用于对电阻应变传感单元以及处理电路12进行隔离保护。
在上述实施例中，优选地，第一电阻应变片组包括第四电阻应变片4和第八电阻应变片8，第二电阻应变片组包括第二电阻应变片2和第六电阻应变片6，第三电阻应变片组包括第一电阻应变片1、第三电阻应变片3、第五电阻应变片5和第七电阻应变片7；第二电阻应变片2、第四电阻应变片4、第六电阻应变片6和第八电阻应变片8沿试件14轴向方向设置，第一电阻应变片1和第五电阻应变片5沿与试件14轴向-45°夹角方向设置，第三电阻应变片3和第七电阻应变片7沿与试件14轴向45°夹角方向设置。
第四电阻应变片4和第八电阻应变片8与处理电路12的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路a，用于测量试件14的弯曲应变；第二电阻应变片2和第六电阻应变片6与处理电路12的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路b，用于测量试件14的轴向应变；第一电阻应变片1、第三电阻应变片3、第五电阻应变片5和第七电阻应变片7构建形成惠斯通全桥电路c并与处理电路12相连接，不仅用于检测仅受扭转时剪切应变的测量，也适用于受到弯扭组合的力时只得到扭转引起的剪切应变，由于自身构建形成的惠斯通全桥电路，既实现了应变片温度补偿，又保证了输出电压的灵敏度，提高了测量效率。
其中，第一电阻应变片1、第三电阻应变片3、第五电阻应变片5和第七电阻应变片7构建形成的惠斯通全桥电路c，使得输出增大，增加了带状电阻应变片组件的灵敏度，还可实现温度补偿。
具体地，由材料力学知识可知，在弹性体表面沿轴向方向应变片测得弯曲应变以及轴向应变最大，沿45°方向应变片测得的剪切应变最大，故第一电阻应变片1、第五电阻应变片5沿-45°方向贴附，第三电阻应变片3、第七电阻应变片7沿45°方向贴附，第二电阻应变片2、第四电阻应变片4、第六电阻应变片6、第八电阻应变片8沿轴向贴附，使得在同一点测得的应变是最大的，增大了输出，提高了灵敏度。此外，三组电阻应变片处于同一水平位置，是指电阻应变片的中心处于同一水平位置，处于同一水平位置主要是为了后续计算方便，也可不处于同一水平位置，但用于测量同一个应变参数的电阻应变片应处于同一位置，例如第二电阻应变片2、第六电阻应变片6共同用以测量轴向应变，则这两个电阻应变片应处于同一水平位置。
与上述实施例不同的，在本实施例中，采用第一电阻应变片1和第五电阻应变片5构建形成的惠斯通半桥电路来检测剪切应变。
具体地，第一电阻应变片组包括第四电阻应变片4和第八电阻应变片8，第二电阻应变片组包括第二电阻应变片2和第六电阻应变片6，第三电阻应变片3组包括第一电阻应变片1和第五电阻应变片5；第二电阻应变片2、第四电阻应变片4、第六电阻应变片6和第八电阻应变片8沿试件14轴向方向设置，第一电阻应变片1和第五电阻应变片5沿与试件14轴向-45°或45°夹角方向设置；第四电阻应变片4和第八电阻应变片8与处理电路12的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，第二电阻应变片2和第六电阻应变片6与处理电路12的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，第一电阻应变片1和第五电阻应变片5与处理电路12的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路。
如图3所示，在上述实施例中，优选地，第四电阻应变片4和第八电阻应变片8在惠斯通半桥电路a中相邻布置并连接，第二电阻应变片2和第六电阻应变片6在惠斯通半桥电路b中相对布置并连接，第一电阻应变片1和第五电阻应变片5在惠斯通全桥电路c或惠斯通半桥电路中相对布置并连接。以第二电阻应变片2和第六电阻应变片6所构成的惠斯通半桥电路b为例，用以测量轴向应变，轴向力一般为拉伸或者压缩，此时第二电阻应变片2和第六电阻应变片6的电阻值同时增大或缩小，变化量大小相等，增大为正值，缩小负值，记第二电阻应变片2和第六电阻应变片6处产生的应变分别为ε2、ε6，通过该惠斯通半桥电路的输出端测得轴向应变为ε2+ε6，如果应变片对称粘贴，理论上ε2、ε6相等。如果采用第四电阻应变片和第八电阻应变片所构建的惠斯通半桥电路，也就是相邻连接的方式，则测得轴向应变为ε2-ε6，输出为零，根本检测不到轴向应变。而用于检测弯曲应变的第四电阻应变片4和第八电阻应变片8所构建的惠斯通半桥电路a不一样，当试件弯曲时一边受拉一边受压，所以两个应变片电阻值一个变大，一个变小，则需要采用相邻连接的方式。
在上述实施例中，优选地，电阻应变传感单元与基底11之间的安装方式包括三种，即为：
电阻应变传感单元中的三组电阻应变片为采用应变胶黏剂将相应的电阻丝贴附于基底11的上表面构成，或者，
电阻应变传感单元中的三组电阻应变片为将相应的电阻丝刻制于基底11的上表面构成，或者，
基底11上的对应位置设置上下完全贯穿的开槽，将市场上相应规格的电阻应变片成品安装于开槽中。
如图4所示，在上述实施例中，优选地，处理电路12包括放大电路、AD/DA转换电路和单片机，惠斯通半桥电路和/或惠斯通全桥电路与放大电路相连接，放大电路与AD/DA转换电路相连接，AD/DA转换电路与单片机相连接。具体地，采用惠斯通桥式电路测量，将电阻应变传感单元电阻的变化之差转化为电压信号，通过放大电路将小信号进行放大，然后进行AD转换，数据传输给单片机进行数字调零和消除失调误差的计算，最后单片机将校对后的数据转化成模拟电压值输出。处理电路12可根据实际需要增加或者减少模块。
在上述实施例中，优选地，基底11上的电阻应变传感单元位置的边缘外侧设置有定位刻度线9，便于粘贴应变片时的定位工作以及检查粘贴位置是否出现位移错位。
在上述实施例中，优选地，处理电路12刻制于基底11上，或者，处理电路12制成柔性电路板安装于基底11上，减小了应变片与处理电路12之间导线的长度，大大减小了由于导线电阻引起的测量误差，可用于工程实际测量中应变片与处理电路12之间不可避免存在较长数据传输线的问题，避免了后续导线误差校正的问题，也减少了导线的数量，为布线提供了便利。
如图5所示，在上述实施例中，优选地，基底11为带状结构，基底11的尺寸与试件14的尺寸相适配使得电阻应变传感单元中每组中的电阻应变片相对于试件14对称设置，试件14为圆柱体或棱柱体结构，优选圆柱体结构。将带状电阻应变片组件贴附在被测的试件14表面，被测试件14表面为曲面，工作时受到轴向拉伸、弯曲、弯扭组合的力，且很难将处理电路12安装在应变片附近。因此，采用本发明的带状电阻应变片组件，第四电阻应变片4和第八电阻应变片8构建形成惠斯通半桥电路a，用于测量试件14的弯曲应变；第二电阻应变片2和第六电阻应变片6构建形成惠斯通半桥电路b，用于测量试件14的轴向应变；第一电阻应变片1、第三电阻应变片3、第五电阻应变片5和第七电阻应变片7构建形成惠斯通全桥电路c，用于测量试件14在仅受扭转及受到弯扭组合力时的剪切应变。
在上述实施例中，优选地，电阻应变传感单元的三组电阻应变片均设置有接线端子10，通过接线端子10实现电阻应变片之间的连接以及与处理电路12之间的连接。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，包括：基底、电阻应变传感单元、覆盖层和处理电路；
所述基底为柔性材料制成，所述电阻应变传感单元与所述处理电路分别设置于所述基底上，所述覆盖层覆盖于所述电阻应变传感单元与所述处理电路上方，所述基底贴附于所要检测的试件表面；
所述电阻应变传感单元包括三组电阻应变片，三组电阻应变片处于同一水平位置，每组中的电阻应变片分别相对于所述试件对称设置；
第一电阻应变片组和第二电阻应变片组均沿所述试件轴向方向设置，第三电阻应变片组沿与所述试件轴向45°夹角方向设置，所述第一电阻应变片组接入所述处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，所述第二电阻应变片组接入所述处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路，所述第三电阻应变片组构建形成惠斯通全桥电路并接入所述处理电路或接入所述处理电路并与内置标准电阻构建形成惠斯通半桥电路。
2.根据权利要求1所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述第一电阻应变片组包括第四电阻应变片和第八电阻应变片，所述第二电阻应变片组包括第二电阻应变片和第六电阻应变片，所述第三电阻应变片组包括第一电阻应变片、第三电阻应变片、第五电阻应变片和第七电阻应变片；
所述第二电阻应变片、所述第四电阻应变片、所述第六电阻应变片和所述第八电阻应变片沿所述试件轴向方向设置，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片沿与所述试件轴向-45°夹角方向设置，所述第三电阻应变片和所述第七电阻应变片沿与所述试件轴向45°夹角方向设置；
所述第四电阻应变片和所述第八电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第二电阻应变片和所述第六电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第一电阻应变片、所述第三电阻应变片、所述第五电阻应变片和所述第七电阻应变片构建形成惠斯通全桥电路并与所述处理电路相连接。
3.根据权利要求1所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述第一电阻应变片组包括第四电阻应变片和第八电阻应变片，所述第二电阻应变片组包括第二电阻应变片和第六电阻应变片，所述第三电阻应变片组包括第一电阻应变片和第五电阻应变片；
所述第二电阻应变片、所述第四电阻应变片、所述第六电阻应变片和所述第八电阻应变片沿所述试件轴向方向设置，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片沿与所述试件轴向-45°或45°夹角方向设置；
所述第四电阻应变片和所述第八电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第二电阻应变片和所述第六电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片与所述处理电路的内置标准电路构建形成惠斯通半桥电路。
4.根据权利要求2或3所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述第四电阻应变片和所述第八电阻应变片在惠斯通半桥电路中相邻布置并连接，所述第二电阻应变片和所述第六电阻应变片在惠斯通半桥电路中相对布置并连接，所述第一电阻应变片和所述第五电阻应变片在惠斯通全桥电路或惠斯通半桥电路中相对布置并连接。
5.根据权利要求4所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述电阻应变传感单元中的三组电阻应变片为采用应变胶黏剂将相应的电阻丝贴附于所述基底的上表面构成，或者，
所述电阻应变传感单元中的三组电阻应变片为将相应的电阻丝刻制于所述基底的上表面构成，或者，
所述基底上的对应位置设置上下完全贯穿的开槽，将相应的电阻应变片成品安装于所述开槽中。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述处理电路包括放大电路、AD/DA转换电路和单片机，所述惠斯通半桥电路和/或所述惠斯通全桥电路与所述放大电路相连接，所述放大电路与所述AD/DA转换电路相连接，所述AD/DA转换电路与所述单片机相连接。
7.根据权利要求1所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述基底上的所述电阻应变传感单元位置的边缘外侧设置有定位刻度线。
8.根据权利要求1所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述处理电路刻制于所述基底上，或者，
所述处理电路制成柔性电路板安装于所述基底上。
9.根据权利要求1所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述基底为带状结构，所述基底的尺寸与所述试件的尺寸相适配使得所述电阻应变传感单元中每组中的电阻应变片相对于所述试件对称设置，所述试件为圆柱体或棱柱体结构。
10.根据权利要求1所述的多应变传感的带状电阻应变片组件，其特征在于，所述电阻应变传感单元的三组电阻应变片均设置有接线端子，通过所述接线端子实现电阻应变片之间的连接以及与所述处理电路之间的连接。
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