[发明专利]一种弯曲式应变放大机构及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于工程测量领域、传感器领域，具体为一种将直线形变应变值按比例放大为弯曲形变应变值并且使信噪比不变，但系统误差减小的弯曲式应变放大机构及其使用方法。

背景技术

缩略语和关键术语定义：

(1)弯曲式应变放大机构(Bending Strain Amplification Mechanism，可简写为BSAM)。

(2)相对误差(relative error)：相对误差指的是测量所造成的绝对误差与被测量〔约定〕真值之比。乘以100％所得的数值，以百分数表示。一般来说，相对误差更能反映测量的可信程度。相对误差等于测量值减去真值的差的绝对值除以真值，再乘以百分之一百。

(3)系统误差(system error，简称SE)：系统误差是在一定的测量条件下，对同一个被测尺寸进行多次重复测量时，误差值的大小和符号保持不变；或者在条件变化时，按一定规律变化的误差。系统误差是与分析过程中某些固定的原因引起的一类误差，它具有重复性、单向性、可测性。系统误差的特点是测量结果向一个方向偏离，其数值按一定规律变化。

(4)应变(strain)：物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。应变有正应变(线应变)，切应变(角应变)及体应变。本文所说的是正应变，即单位长度的伸长，用ε表示，计算公式为δ＝L_b-L₀，式中L₀是物体变形前的长度，L_b是物体变形后的长度，δ是变形后的伸长量，ε单位为1,AD方向产生应变大小为ε₀，D点测点(放在最左端或者最右端均可)产生应变大小为ε₁。

(5)δ是变形后的伸长量,参见(4)，单位同长度单位。

(6)推导实例示意图中：L₁:A、D的距离；L₂：BC梁长度；2y为BC梁宽度；粗箭头表示被测物体变形方向(测点A、D的连线方向)。

(7)k为本弯曲式应变放大机构的应变放大系数，表示本机构测量应变值相对实际结构测点发生应变值大小的放大倍数，单位为1，θ：由刚性杆和弹性梁连接方式决定的系数，固定连接为24，简支连接为12，其余连接方式在12～24之间，通过实验测定标定θ,进而确定应变放大系数k。

在工程测量领域，需要测量各个方向的力与力矩，而传统方法通过应变片测得弹性梁的拉压、弯凹和扭转三种变形方式下的应变值，来获得所需的应力数据。但当机构刚度很大，机构发生的应变很小，若直接在机构测点上粘贴应变片来测量应变大小，由于现有的应变片的灵敏度不够，会导致测量值准确度不高。而应变放大机构可解决这一问题，该机构原理是指在不影响被测试件应变的条件下，通过变形传递使某部位(一般为弹性体)机械应变以一定比例放大被测试件应变，从而满足应变片的灵敏度要求。

应变放大的应用领域包括称重传感器、机械机构变形监测、各种大型工程机构疲劳损伤监测。采用应变放大技术对工程机构表面应变测量时，应变放大机构需要满足大型工程机构具有长寿命、低应力应变的工程特点。

现有的应变放大机构主要包括中间收缩变截面放大机构、位移集中放大机构、槽形放大机构、弓形应变放大机构、单分量应变放大机构。中间收缩变截面放大机构使该截面缩小处产生应变集中而起到应变放大作用；位移集中应变放大机构两端为大刚度金属片,中间是软质填充材料，填充材料是疲劳设计重点，其两端粘贴在金属上；槽形变形元件应变放大机构,中间部分腐蚀加工成机构槽沟,应变片贯穿在槽沟的上面；单分量应变放大机构四周是刚度很大的梁，中间设置弹性应变梁用以放大框架上指定方向测点的应变。

变截面倍增器机构刚度过大,放大系数小,容易发生疲劳破坏；位移集中放大机构的机构复杂，可靠性和整体性差,制造工艺难以控制，易损坏；槽形变形元件应变放大机构放大倍数与寿命受槽沟数量的多少与尺寸加工精度、连接出的应力集中等因素影响，放大倍数的范围仅是2-10倍，加工难度大,成本高,结构本身容易产生疲劳破坏；单分量应变放大机构整体笨重，安装制作不便，限制了其使用范围，由于周围竖向干扰力众多，其受噪声影响很大，会增大测量值的系统误差。