本發(fā)明涉及應力測定領域，特別涉及一種變形測定裝置。

背景技術：

變形測定裝置通常包括變形測定元件即變形應變計單元，變形測定元件通常固定在需要被測試變形的彈性體之上，將變形測定元件設置到彈性體的表面上后，能夠測試彈性體的變形。變形測定元件將測得的彈性體的變形轉(zhuǎn)換為測試信號如機械性、電氣性、磁性或光學性的信號輸出。

變形測定元件包括將變形轉(zhuǎn)化為信號的敏感柵以及電氣絕緣的基材，敏感柵通常采用電阻薄片。現(xiàn)有技術中，彈性體通常為導電的金屬(鋁、合金鋼、不銹鋼)，與檢測變形的電阻薄片之間必須有電氣絕緣的基材，而這種基材通常是有機材料、是柔性的。

將電阻薄片和基材做成一體稱為應變計或稱變形應變計，變形應變計由一個以上的變形應變計單元即變形測定元件組成。將變形應變計固定到彈性體的表面上后，能夠測試彈性體的變形。在制造稱重傳感器時，將變形應變計與彈性體使用膠黏劑進行貼合，這樣，將需要被稱重的負載放置在彈性體上，使彈性體產(chǎn)生變形，該變形通過變形應變計進行測量，根據(jù)測量結(jié)果能夠換算得到負載的重量，從而實現(xiàn)稱重。

采用上述稱重傳感器做秤時，秤體除了稱重傳感器之外，還需要采用承重架、稱重平臺等承重結(jié)構(gòu)體，承重結(jié)構(gòu)體與稱重傳感器中的彈性體是不同的部件，其間需要有力的傳遞機構(gòu)。

由上可知，變形測定裝置包括了由敏感柵以及基材組成的變形測定元件，變形測定元件固定在彈性體上之后能夠測試彈性體的變形；將變形測定元件和彈性體進行組合后能夠形成稱重傳感器；而稱重傳感器結(jié)合承重結(jié)構(gòu)體則能形成日常生活中可直接使用的秤。

上述變形測定裝置中，敏感柵的材料在彈性體發(fā)生變形后也會發(fā)生變形，敏感柵根據(jù)其材料本身的變形轉(zhuǎn)換為相應的能夠輸出的測試信號如機械性、電氣性、磁性或光學性的信號。

敏感柵測試變形的原理是基于胡克定律，目前以秤重為中心得到了廣泛的應用。在彈性變形范圍內(nèi)，固體的變形與外力的比例呈線性，這一原理已得到普遍公認，被應用于彈簧等許多實際領域。

應用于變形檢測和測定的變形應變計有多種實現(xiàn)方式，所有這些都是以胡克定律為基礎，將變形產(chǎn)生的變化轉(zhuǎn)換為機械性、電氣性、磁性或光學性變化，并以此作為檢測器來加以應用。

但是，胡克定律只在有限的應力范圍內(nèi)成立，絕大多數(shù)用于彈性體的材料在高應力下會發(fā)生塑性變形，脫離胡克定律，顯示出非線性響應。

由于傳統(tǒng)變形應變計基材的材料是塑性的，也會追隨彈性體發(fā)生塑性變形，使得變形應變計失去線性，會發(fā)生所謂的履歷效果引起誤差。同時超出彈性極限導致復原力喪失，從而降低了重復性。若繼續(xù)承受應力則最終導致破壞。

另一方面，作為幾乎沒有塑性變形或事實上完全沒有塑性變形的材料，為人熟知的有玻璃和陶瓷等。這些材料，即所謂的脆性材料幾乎不顯示塑性變形之特性。所以，根據(jù)胡克定律加載負載后，脆性材料會發(fā)生與應力成比例的變形，材料達到可承受最大應力以上后會引起脆性破壞。這表明以玻璃或陶瓷作為檢測變形的彈性體或基材時，在達到脆性破壞之前，將始終具有優(yōu)良的應力—變形的線性和重復性。

玻璃和陶瓷長期以來由于其彈性變形極限過小(一般小于10-3)，因此現(xiàn)有技術認為玻璃和陶瓷不適合應用于秤量等通用的變形測定。

電阻應變計檢測法即采用金屬電阻作為敏感柵實現(xiàn)變形信號轉(zhuǎn)換的方法是大家所熟知的將變形轉(zhuǎn)換成電氣信號的測定方法，通過檢測由金屬電阻體的體積變化導致的電阻變化來檢測變形。該方法的典型實例如下：將金屬電阻線或被加工為線路狀的金屬電阻薄片固定于環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺樹脂等電氣絕緣的有機基材上構(gòu)成變形應變計，將其用膠黏劑貼合在需要檢測變形的彈性體上。這類變形應變計成本相對比較低廉，在稱重傳感器上得到了廣泛的應用。

但這種技術依然存在下述局限：

1)、在采用金屬電阻作為敏感柵的變形應變計中，由于敏感柵需要固定于環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺樹脂等電氣絕緣的有機基材上，而這些電氣絕緣的基材是柔性的、沒有彈性。當彈性體的負載過大，超過其屈服點，從而發(fā)生柔性變形時，基材會隨之發(fā)生塑性變形。這時電阻薄片會依然工作，輸出非線性的信號，造成誤差。由于現(xiàn)有變形應變計中的柔性基材不可避免具有塑性變形特性，無法消除塑性變形帶來的誤差。

2)、將變形應變計做進一步的應用形成稱重傳感器時，由上面描述可知，需要變形應變計貼合到彈性體上，不僅耗費人工，而且由于人工作業(yè)的局限，應變計不能做得太小，從而也限制了稱重傳感器的小型化。

3)、將稱重傳感器做進一步的應用形成秤時，還需要采用承重結(jié)構(gòu)體，稱重傳感器和承重結(jié)構(gòu)體之間無法一體化而且二者之間需要有力的傳遞機構(gòu)，這對縮小體積、降低成本、提高可靠性和測量精度都是不利的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種變形測定裝置，能消除塑性變形的影響，具有高精度、高重復性和高可靠性，還能減少人工、簡化和縮小秤體結(jié)構(gòu)。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的變形測定裝置包括一個以上的變形測定元件，所述變形測定元件包括：

基材，由具有脆性材料特性的彈性體材料組成。

敏感柵，固定結(jié)合于所述基材表面并形成一體化結(jié)構(gòu)，所述敏感柵根據(jù)變形按比例輸出檢測值，利用所述基材和所述敏感柵的一體化結(jié)構(gòu)以及所述基材具有脆性材料特性來消除塑性變形帶來的誤差。脆性材料幾乎不顯示塑性變形之特性，故也稱沒有實質(zhì)性塑性變形的材料。

進一步的改進是，所述敏感柵的材料比所述基材的材料具有更高的彈性極限。

進一步的改進是，所述基材呈立體結(jié)構(gòu)，所述敏感柵設置在所述基材的立體六面中的一面或多面。

進一步的改進是，變形測定裝置還包括金屬彈性體，所述變形測定元件固定在所述金屬彈性體上，所述基材的材料的彈性極限小于所述金屬彈性體的彈性極限，所述基材和所述金屬彈性體的表面結(jié)合，所述基材位于所述金屬彈性體和所述敏感柵之間。

進一步的改進是，變形測定裝置還包括彈性體，所述彈性體和所述基材是同一部件。

進一步的改進是，所述變形測定裝置和承重結(jié)構(gòu)體構(gòu)成秤，所述承重結(jié)構(gòu)體、所述彈性體和所述基材是同一部件。

進一步的改進是，所述承重結(jié)構(gòu)體、所述第二彈性體和所述基材為平板結(jié)構(gòu)，用于加載外部載荷。

進一步的改進是，所述變形測定元件為薄膜變形測定元件，所述敏感柵的材料為薄膜結(jié)構(gòu)并通過薄膜工藝形成于所述基材的表面。

進一步的改進是，所述基材的材料為玻璃。

進一步的改進是，所述基材的玻璃的厚度為0.1mm以上。

進一步的改進是，所述基材的材料為陶瓷。

進一步的改進是，所述基材的陶瓷的厚度為0.01mm以上。

進一步的改進是，所述敏感柵的材料為金屬電阻體薄膜。

進一步的改進是，所述敏感柵的金屬電阻體薄膜的厚度為10nm以上5μm以下。

進一步的改進是，所述變形測定裝置包括多層重疊的所述變形測定元件，各所述變形測定元件組成多軸測試結(jié)構(gòu)。

進一步的改進是，所述變形測定裝置包括多個排列于同一平面內(nèi)的所述變形測定元件，各所述變形測定元件組成多軸測試結(jié)構(gòu)。

進一步的改進是，所述變形測定元件還包括由設置在所述基材表面的具備特性補償功能的材料組成的補償元件。

進一步的改進是，所述敏感柵的材料的薄膜結(jié)構(gòu)對應的薄膜工藝包括物理成膜工藝和化學成膜工藝。

進一步的改進是，所述物理成膜工藝包括MBE或濺射；所述化學成膜工藝包括電鍍和CVD。

進一步的改進是，在所述基材和所述敏感柵之間插入有緩沖層，用于增強所述基材和所述敏感柵的結(jié)合強度。

進一步的改進是，所述敏感柵的材料為半導體薄膜。

本發(fā)明對變形測定元件做了特別設計，將敏感柵直接固定結(jié)合于由具有脆性材料特性的彈性體材料組成的基材上，這樣就消除了現(xiàn)有技術中需要將敏感柵固定在由柔性材料組成的基材上時由柔性材料所帶來的塑性變形誤差，所以本發(fā)明能夠消除塑性變形的影響，從而使變形測定元件具有高精度、高重復性和高可靠性的優(yōu)點。

通過將本發(fā)明的變形測定元件的基材的材料直接作為彈性體，能實現(xiàn)彈性體和變形測定元件的一體化，消除了現(xiàn)有技術中稱重傳感器中的變形測定元件需要手工貼合到彈性體上的缺陷，不僅能節(jié)省人工所帶來的時間和費用消耗，還能實現(xiàn)變形測定元件和稱重傳感器的小型化，還能消除貼合工藝中的膠水所帶來的可靠性的問題，從而能進一步提高可靠性。

本發(fā)明還能很方便的將變形測定元件的基材作為彈性體，并將其設計成能夠直接支撐負載的承重結(jié)構(gòu)體，也即能實現(xiàn)承重結(jié)構(gòu)體和彈性體以及變形測定元件的基材采用同一部件組成的一體化結(jié)構(gòu)。不需要另外再設置承重體結(jié)構(gòu)也不需要在承重體結(jié)構(gòu)和彈性體之間設置力的傳遞結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且能夠進一步提高測試精度和可靠性。

結(jié)合基材結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的敏感柵能夠通過薄膜工藝直接形成于基材表面，不僅能實現(xiàn)敏感柵和基材的牢固結(jié)合，而且敏感柵薄膜的厚度相對于基材非常之薄，對基板的彈性變形幾乎沒有影響；而且敏感柵薄膜牢固結(jié)合在基材上之后，敏感柵薄膜的體積變化受到基材的抑制，這種狀態(tài)下，敏感柵薄膜幾乎不會有塑性變形，從而具有較高的重復性。

另外，本發(fā)明擯棄了現(xiàn)有技術認為玻璃和陶瓷不適合應用于秤量等通用的變形測定的偏見，利用了近年來的工藝進步，如玻璃制造技術的進步，新型強化玻璃的彈性變形極限有了大幅度的提高的特點，實現(xiàn)了將玻璃和陶瓷等脆性材料應用于變形測定中，從而取得了上述將脆性材料應用于變形測定后所帶來的技術效果。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明：

圖1是本發(fā)明實施例變形測定裝置的具有單個變形測定元件的示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例變形測定裝置的具有多個變形測定元件的多軸器件示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例變形測定裝置的單軸式變形測定元件特性曲線測試圖。

具體實施方式

如圖1所示，是本發(fā)明實施例變形測定裝置的具有單個變形測定元件的示意圖；本發(fā)明實施例變形測定裝置包括一個以上的變形測定元件，圖1中顯示了一個所述變形測定元件，所述變形測定元件包括：

基材1，由具有脆性材料特性的彈性體材料組成。

敏感柵2，固定結(jié)合于所述基材1表面并形成一體化結(jié)構(gòu)，所述敏感柵2根據(jù)變形按比例輸出檢測值，利用所述基材1和所述敏感柵2的一體化結(jié)構(gòu)以及所述基材1具有脆性材料特性來消除塑性變形帶來的誤差。

較佳為，所述敏感柵2的材料比所述基材1的材料具有更高的彈性極限。

所述基材1呈立體結(jié)構(gòu)，所述敏感柵2設置在所述基材1的立體六面中的一面或多面。圖1中，僅顯示所述敏感柵2設置在所述基材1的一個面上，在其它實施例中，所述敏感柵2能夠設置在所述基材1的立體六面中的任意一面或多面上，包括在所述基材1的立體的六面上全部設置所述敏感柵2。

本發(fā)明實施例中，所述變形測定元件為薄膜變形測定元件，所述敏感柵2的材料為薄膜結(jié)構(gòu)并通過薄膜工藝形成于所述基材1的表面。較佳為，所述敏感柵2的材料為金屬電阻體薄膜；所述敏感柵2的金屬電阻體薄膜的厚度為10nm以上5μm以下。在其它實施例中，也能為：所述敏感柵2的材料為半導體薄膜。

所述敏感柵2的材料的薄膜結(jié)構(gòu)對應的薄膜工藝包括物理成膜工藝如MBE或濺射和化學成膜工藝如電鍍和CVD。

較佳為，在所述基材1和所述敏感柵2之間插入有緩沖層3，用于增強所述基材1和所述敏感柵2的結(jié)合強度。在所述敏感柵2的表面形成有保護層4。所述敏感柵2還形成有和接線5連接的輸出端，通過接線5將檢測的變形信號輸出。圖1中，L1表示所述基材1的長度，W1表示所述基材1的寬度。

變形測定裝置還包括彈性體6，所述變形測定元件固定在所述彈性體6上。所述彈性體6和所述基材1可以是同一部件。

變形測定裝置和承重結(jié)構(gòu)體構(gòu)成秤。所述承重結(jié)構(gòu)體、所述彈性體6和所述基材1可以是同一部件。較佳為，所述承重結(jié)構(gòu)體為平板結(jié)構(gòu)，用于加載外部載荷。

在其它實施例中，圖1中的彈性體6也可以是金屬彈性體，所述變形測定元件設置在所述金屬彈性體上，所述基材1的材料的彈性極限小于所述金屬彈性體的彈性極限，所述基材1和所述金屬彈性體的表面結(jié)合，所述基材1位于所述金屬彈性體和所述敏感柵2之間。

本發(fā)明實施例中，所述基材1的材料為玻璃；所述基材1的玻璃的厚度為0.1mm以上。所述基材1的材料的玻璃可選擇離子交換化學強化玻璃，離子交換化學強化玻璃同時作為所述基材1和所述彈性體6。下面根據(jù)玻璃的具體參數(shù)做進一步的詳細說明如下：所述基材1的材料的玻璃采用的化學強化鈉鈣玻璃，通過化學強化，其彎曲強度可達到約200MPa左右。如果其破壞極限以變形來表示，可達0.3％左右，是普通鈉鈣玻璃的3倍左右。

本發(fā)明實施例中可以使用的離子交換化學強化玻璃的品種繁多，并不一定僅局限于鈉鈣玻璃。比如K置換型的鋁硅酸鹽類的離子交換化學玻璃以及Li置換型的離子交換化學強化玻璃等均可采用。

在這些離子交換化學強化玻璃中，尤其是K置換型鋁硅酸鹽類玻璃，彎曲強度較大，可達800MPa以上。但由于縱向彈性系數(shù)與鈉鈣玻璃幾乎相等，所以最大允許變形量達1％左右。該數(shù)值是未經(jīng)過強化的鈉鈣玻璃的10倍。這種玻璃離子交換層的深度和彎曲強度的關系已被掌握，通過恰當選擇離子交換層的深度就可以適應不同的用途。

在其它實施例中，也可變?yōu)椋核龌?的材料為陶瓷；所述基材1的陶瓷的厚度為0.01mm以上。所述基材1的材料的陶瓷可采用以高強度陶瓷材料而聞名的氧化鋯，其縱向彈性率很大，彎曲強度可達1000MPa左右。

本發(fā)明實施例中，為提高化學強化玻璃的基材1和金屬電阻體薄膜傳感器材料即所述敏感柵2的結(jié)合強度而插入緩沖層3，如有必要，該緩沖層3還可對基材1中堿性金屬等的析出具有抑制作用。二氧化硅和氮化硅等絕緣體較好，但也可根據(jù)需要使該緩沖層3構(gòu)成導電體。在本發(fā)明實例中，化學強化玻璃的基材1和金屬電阻體薄膜2具有足夠的結(jié)合強度，并且不需要考慮堿性金屬的影響，所以可以省略該緩沖層3。

本發(fā)明實施例中，所述敏感柵2的金屬電阻體薄膜可使用具有足夠體積電阻率的單金屬，也可使用鎳鉻或康銅等合金，可根據(jù)所要求的變形應變元件的特性進行廣泛選擇。其厚度相對于基材1非常之薄，對基材1的彈性變形幾乎沒有影響。

而且在作為所述敏感柵2之一的金屬電阻體薄膜被牢固地結(jié)合于基材1的玻璃上，因此該金屬電阻體薄膜的體積變化受到基材1的抑制。這種狀態(tài)下，金屬電阻體薄膜幾乎不會有塑性變形，使得較高的重復性變得可能。

接線5是金屬電阻體薄膜的連接部分，是與外部測定裝置如與橋式電路進行電氣連接所設的端子部，該連接部位應根據(jù)連接條件使用合適的材料。

本發(fā)明實施例中，所述敏感柵2的金屬電阻體薄膜在基材1上進行成膜的方法有MBE、濺射等物理成膜法，也有電鍍或CVD等化學成膜法，結(jié)合各自材料選擇最合適的成膜法即可。為避免膜從基材1剝離，應采用高強度的結(jié)合方法，一般來說采用濺射法和離子加壓法較為適宜?？傊灰阉雒舾袞?的金屬電阻體薄膜在所用范圍內(nèi)均勻且堅固地成膜，具體方法并無限制。

采用離子交換化學強度玻璃作為基板即基材1使用時，其厚度只要達到0.1mm以上即可，并無其他特別要求。

所述敏感柵2的金屬電阻體薄膜的厚度只要能達到均質(zhì)且不要因為堆積時的膜內(nèi)應力累積等理由發(fā)生破損的厚度即可。所述敏感柵2的金屬電阻體薄膜的厚度因采用材料和成膜方法而有所不同，選用10nm以上5μm以下的厚度較好。

金屬電阻體也即金屬電阻體薄膜組成的所述敏感柵2的俯視圖形狀可為角形的梳子狀或其它種形狀。圖1中標記了長度L1和寬度W1的部分為俯視圖，俯視圖的底部為剖面圖。金屬電阻體的圖形成形可使用金屬模板法、光腐蝕法、腐蝕法等一般電極圖形成形技術，可根據(jù)成形的元件大小來選擇。

在圖1中僅顯示了包括一個所述變形測定元件的單軸測試結(jié)構(gòu)。在其它實施例中，也可為：所述變形測定裝置包括多個排列于同一平面內(nèi)的所述變形測定元件，如，其它各所述變形測定元件可設定在圖1所示的變形測定元件的前后左右，各所述變形測定元件組成多軸測試結(jié)構(gòu)。各所述變形測定元件的位置和方向設置不同；各所述變形測定元件的結(jié)構(gòu)可完全相同；當然，也可根據(jù)變形應變計元件的靈敏度和連接電極的配置，對各所述變形測定元件的圖形進行相應的更改。

另外，如圖2所示，是本發(fā)明實施例變形測定裝置的具有多個變形測定元件的多軸器件示意圖；所述變形測定裝置包括多層重疊的所述變形測定元件，如圖2中的標記101a、101b和101c所示，各所述變形測定元件組成多軸測試結(jié)構(gòu)，圖2所示結(jié)構(gòu)擁有交叉軸的3軸3層堆積層型變形應變計元件即變形測定元件。各層所述變形測定元件之間隔離有SiO2等不產(chǎn)生塑性變形的絕緣膜，如在最底層的所述變形測定元件101a形成后，在所述變形測定元件101a上經(jīng)由SiO2等不產(chǎn)生塑性變形的絕緣膜，可以容易的以任意交叉角形成所述變形測定元件，如圖2中顯示的所述變形測定元件101b。這樣能把多個變形應變計元件進行多層次制作形成多軸的變形應變計元件，檢測相應方向的應變，從而制造多分力傳感器。

本發(fā)明實施例中，所述變形測定元件還包括由設置在所述基材1表面的具備特性補償功能的材料組成的補償元件，如：在上述的變形應變計元件的近旁也能形成由溫度補償薄膜構(gòu)成的測溫元件。

如圖3所示，是本發(fā)明實施例變形測定裝置的單軸式變形測定元件特性曲線測試圖；橫軸為負荷即應力，縱軸為輸出電壓即電阻值變化形成的電壓，標記201對應的點表示負荷逐漸增加得到的各測試值，標記202對應的點表示負荷逐漸減少得到的各測試值，可以看出標記201和202對應的點基本都重合，二者的擬合線也基本一致，二者的擬合線在圖3中為同一根線203；可以看出，從空載開始至接近破壞應力為止，該變形測定裝置表現(xiàn)出優(yōu)良的線性指標。從圖3顯示可知，與負荷的增減有關的履歷基本沒有變化。

以上通過具體實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，但這些并非構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，本領域的技術人員還可做出許多變形和改進，這些也應視為本發(fā)明的保護范圍。