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光電子技術(shù)在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2011-03-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
一、引言應(yīng)變測量在力學(xué)、材料科學(xué)和工程領(lǐng)域是非常重要的。在許多光學(xué)測量技術(shù)中,衍射法可直接提供應(yīng)變信息。Ball[1]首先使用了衍射光柵應(yīng)變規(guī),這種應(yīng)變測量技術(shù)一直在發(fā)展,目前已得到廣泛應(yīng)用。本文以光柵衍射法為基礎(chǔ),利用位敏探測器和衍射光柵提出一種可替代電阻應(yīng)變規(guī)的新型實(shí)用光學(xué)應(yīng)變傳感器,所用儀器設(shè)計(jì)原理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)都不同于傳統(tǒng)的方法。這種新型傳感器可進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量,測量范圍大,傳感器的靈敏度為1me,空間分辨率為 0.1mm,優(yōu)于以往的所有應(yīng)變傳感器。新型光學(xué)應(yīng)變傳感器的突出特點(diǎn)是: ①非接觸測量(讀出),應(yīng)變信息用光學(xué)方法由光柵傳送到信號(hào)處理單元; ②應(yīng)變規(guī)長度是可變的,由激光束直徑確定,而激光束大小是可調(diào)的; ③應(yīng)變測量范圍大,從小的應(yīng)變到較大的應(yīng)變可連續(xù)地測量; ④可對(duì)待測試樣的各不同點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)變測量,能以極高的空間分辨率監(jiān)測整個(gè)待測物體。


  二、工作原理圖1表示利用衍射光柵和位敏探測器的光學(xué)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測量原理。衍射光柵粘附在試樣的表面,當(dāng)單色準(zhǔn)直光束垂直入射到線性光柵(>40line/mm)平面上時(shí),照亮了光柵平面上的一個(gè)點(diǎn),而在平行于光柵平面的屏上可觀察到一組衍射光斑。在圖1中,激光束垂直于試樣表面入射到反射型衍射光柵上。對(duì)于高頻衍射光柵只能觀察到實(shí)際用于應(yīng)變測量的±1衍射級(jí)的衍射光束。這種衍射光束由距光柵L的高分辨率敏位探測器接收。當(dāng)光柵跟隨試樣形變時(shí),平面內(nèi)的形變和平面外沿光束入射方向的位移將引起衍射光束的移動(dòng)。對(duì)于垂直于試樣表面的入射激光束,±1級(jí)衍射光束沿傳感器長度的位移由下式給出: (1) 式中,p—光柵的空間頻率。 b—±1級(jí)衍射光束的衍射角; l—激光波長;如果試樣發(fā)生小的形變,光柵線距(空間頻率)將改變Dp,按照方程(1),衍射角改變Db,因此可得: (2) 這就是說: (3) 式中,ex是沿x方向的正應(yīng)變。 假定衍射光束垂直于位敏傳感器平面,沿傳感器1的位移為: (4) 對(duì)于傳感器2,只要將b換成-b,可得: (5) 因此,由方程(4)和方程(5)可得基本應(yīng)變測量方程為:


   三、傳感器系統(tǒng)和測量方法


1、傳感器系統(tǒng)硬件圖2所示為傳感器系統(tǒng)配置,可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)現(xiàn)場,,由激光源、2個(gè)位敏傳感器、2個(gè)633nm帶通濾波器、會(huì)聚透鏡和光柵組成。光柵的空間頻率為1200line/mm,粘附于試樣的表面。直徑約1mm的He-Ne激光束(632.8mm)入射到光柵平面上的任一點(diǎn)。位敏探測器是基于單片光電二極管的器件。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是: ①空間分辨率高于其它器件(如CCD); ②利用兩個(gè)電壓信號(hào)確定傳感面積上光束的位置,便于信號(hào)的快速處理; ③體積??; ④相對(duì)位置分辨率高(1/5000); ⑤不受光強(qiáng)度變化的影響,因而即使光強(qiáng)變化時(shí)也能精確地測量位置; ⑥光譜靈敏度寬(300到1100nm),因而可利用不同波長的激光束; ⑦響應(yīng)時(shí)間快(20ms),適于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量。兩個(gè)位敏傳感器的輸出電壓信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器送到計(jì)算機(jī),最大數(shù)據(jù)采樣速率可達(dá)105次/s。兩個(gè)633nm的濾光器可消除背景光,減少噪聲影響。


2、調(diào)節(jié)方法如果激光束不能垂直入射到試樣表面,將引起嚴(yán)重的測量誤差。這種激光束的誤準(zhǔn)直是難以消除的,除非光柵到激光器的反射零級(jí)光束與入射光束重合。這種光束的重合必須沿垂直方向,確?!?級(jí)衍射光束對(duì)稱分布。系統(tǒng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是使入射激光束垂直于試樣表面,必須仔細(xì)檢查光柵是否牢固地粘附于試樣表面,試樣是否完全定位。此外還可調(diào)節(jié)位敏傳感器使衍射±1級(jí)光束正好位于兩個(gè)位敏傳感器平面的中心。


3、測量方法主要測量步驟如下: ①試樣與衍射光柵的準(zhǔn)備工作類似于莫爾干涉儀; ②在100~500mm之間確定位敏傳感器到光柵的距離L,并輸入到計(jì)算機(jī)軟件。不能選擇L=250mm; ③加負(fù)荷前的初始試驗(yàn)是測量x10和x20的平均值; ④對(duì)試樣加壓,測量新的x1和x2的平均值; ⑤利用方程(6)計(jì)算應(yīng)變。所有的計(jì)算都是由計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)完成的。


4、接口軟件流程是用LabVIEW完成的,包括數(shù)據(jù)采樣、濾波、計(jì)算、讀出和寫入存儲(chǔ)器、顯示屏等。數(shù)據(jù)處理速度很高,整個(gè)處理周期約0.1s。所有的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集都是自動(dòng)的。應(yīng)變測量結(jié)果以數(shù)字和圖線的形式連續(xù)地顯示在PC屏上。


  四、系統(tǒng)特性對(duì)傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的是位敏探測器噪聲引起的誤差和A/D轉(zhuǎn)換器噪聲誤差以及入射激光束與試樣法線方向的偏離引起的系統(tǒng)誤差。


1、無規(guī)噪聲誤差傳感器系統(tǒng)的無規(guī)噪聲限制了系統(tǒng)的測量靈敏度和空間分辨率。位敏探測器的4個(gè)主要噪聲源是: ①與光源有關(guān)的強(qiáng)度噪聲; ②放大器電壓噪聲; ③反饋電阻產(chǎn)生的熱噪聲; ④直流光電流引起的散粒噪聲,其大小隨光斑位置在位敏探測器接收面上位置的變化而改變,中心的噪聲最小,邊緣的噪聲最大。 A/D轉(zhuǎn)換器噪聲方差為D2/12,式中D是數(shù)字化值,12是所用轉(zhuǎn)換器為12位。


2、位置分辨率如果使用記錄儀,位敏探測器的相對(duì)分辨率為1/5000。位敏探測器的雙端輸出電壓信號(hào)為-5V~+5V,對(duì)應(yīng)于光斑中心坐標(biāo)為 -5mm~+5mm。12位A/D轉(zhuǎn)換器只能分辨2.4mm,考慮到位敏探測器噪聲的影響,整個(gè)傳感器系統(tǒng)的位置分辨率約為0.3mm。


3、應(yīng)變靈敏度平均殘余噪聲與光斑在位敏探測器平面上的位置無關(guān)。用x表示噪聲,x是記錄位置信號(hào),x*是具有噪聲的位置信號(hào),則x*=x+x,這時(shí)方程 (6)成為: (7) 式中, 和 是衍射光束的初始中心位置,作為常數(shù)處理, 和是傳感器加壓后光斑的中心位置,是對(duì)1000次讀數(shù)平均的最后結(jié)果。由于無規(guī)噪聲引起的應(yīng)變誤差為: (8) 因此,應(yīng)變誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為: (9) 式中, sx—標(biāo)準(zhǔn)噪聲偏差(約為0.3mm); r—分別來自位敏傳感器1和2的噪聲x1和x2的相關(guān)系數(shù),兩個(gè)信道測量的相關(guān)系數(shù)r=0.4,該數(shù)值是對(duì)兩個(gè)信道進(jìn)行1000次采樣而未加平均得到的。利用實(shí)際參數(shù):光柵頻率為1200line/mm,激光波長l=632.8mm,b=49.4°,tanb=0.9492,L=150mm,最大噪聲誤差為ss=0.9me,該數(shù)值取作應(yīng)變靈敏度,它隨距離L的變化如表1所示。表1 應(yīng)變靈敏度ss隨L的變化 L(mm)150200250300350400450500 ss (me)0.90.70.60.50.40.40.30.3 4、系統(tǒng)誤差當(dāng)入射激光束與試樣法線方向有偏離時(shí),出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。如果入射激光束與試樣法線的偏離角為q,由方程(3)得(參考圖3): (10) 式中,Db1和Db2是由于試樣形變和偏離q引起的衍射角的變化,因此,方程(6)可寫為: (11) 如果沒有其它誤差源,只考慮q引起的誤差,則Db1可由下述方程確定: (12) 保留到二階q,可得: (13) 用同樣的方法可得: (14) 由此可得: (15) 將方程(13)和方程(15)代入方程(11),得應(yīng)變誤差為: (16

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