传感器技能之光电子
应变丈量在力学、材料科学和工程范畴是非常重要的。在许多光学丈量技能中，衍射法可直接供给应变信息。Ball[1]首要运用了衍射光栅应变规，这种应变丈量技能一直在开展，现在已得到广泛使用。本文以光栅衍射法为根底，运用位敏探测器和衍射光栅提出一种可代替电阻应变规的新式有用光学应变传感器，所用仪器规划原理和数据处理技能都不同于传统的办法。这种新式传感器可进行动态应变丈量，丈量规模大，传感器的灵敏度为1me，空间分辩率为0.1mm，优于以往的一切应变传感器。新式光学应变传感器的杰出特点是： ①非触摸丈量（读出），应变信息用光学办法由光栅传送到信号处理单元； ②应变规长度是可变的，由激光束直径确认，而激光束巨细是可调的； ③应变丈量规模大，从小的应变到较大的应变可接连地丈量； ④可对待测试样的各不同点进行应变丈量，能以极高的空间分辩率监测整个待测物体。
一、作业原理
图1表明运用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变丈量原理。衍射光栅粘附在试样的外表，当单色准直光束笔直入射到线性光栅（>40line/mm）平面上时，照亮了光栅平面上的一个点，而在平行于光栅平面的屏上可调查到一组衍射光斑。在图1中，激光束笔直于试样外表入射到反射型衍射光栅上。关于高频衍射光栅只能调查到实践用于应变丈量的±1衍射级的衍射光束。这种衍射光束由距光栅L的高分辩率敏位探测器接纳。当光栅跟从试样形变时，平面内的形变和平面外沿光束入射方向的位移将引起衍射光束的移动。关于笔直于试样外表的入射激光束，±1级衍射光束沿传感器长度的位移由下式给出： (1) 式中，p—光栅的空间频率。 b—±1级衍射光束的衍射角； l—激光波长；假如试样发作小的形变，光栅线距（空间频率）将改动Dp，依照方程(1)，衍射角改动Db，因而可得： (2) 这就是说： (3) 式中，ex是沿x方向的正应变。 假定衍射光束笔直于位敏传感器平面，沿传感器1的位移为： (4) 关于传感器2，只要将b换成-b，可得： (5) 因而，由方程(4)和方程(5)可得根本应变丈量方程。
二、传感器体系和丈量办法
1、传感器体系硬件图2所示为传感器体系配置，可使用于实验室和工业现场，，由激光源、2个位敏传感器、2个633nm带通滤波器、集聚透镜和光栅组成。光栅的空间频率为1200line/mm，粘附于试样的外表。直径约1mm的He-Ne激光束(632.8mm)入射到光栅平面上的任一点。位敏探测器是根据单片光电二极管的光电子器材。该体系的首要特点是： ①空间分辩率高于其它器材（如CCD）； ②运用两个电压信号确认传感面积上光束的方位，便于信号的快速处理； ③体积小； ④相对方位分辩率高(1/5000)； ⑤不受光强度改动的影响，因而即便光强改动时也能精确地丈量方位； ⑥光谱灵敏度宽（300到1100nm），因而可运用不同波长的激光束； ⑦呼应时刻快（<20ms），适于动态应变丈量。两个位敏传感器的输出电压信号经过A/D转换器送到核算机，最大数据采样速率可达105次/s。两个633nm的滤光器可消除布景光，削减噪声影响。 2、调理办法假如激光束不能笔直入射到试样外表，将引起严峻的丈量差错。这种激光束的误准直是难以消除的，除非光栅到激光器的反射零级光束与入射光束重合。这种光束的重合有必要沿笔直方向，保证±1级衍射光束对称散布。体系调理的关键是使入射激光束笔直于试样外表，有必要仔细检查光栅是否牢固地粘附于试样外表，试样是否彻底定位。此外还可调理位敏传感器使衍射±1级光束正好坐落两个位敏传感器平面的中心。 3、丈量办法首要丈量过程如下： ①试样与衍射光栅的准备作业类似于莫尔干涉仪； ②在100~500mm之间确认位敏传感器到光栅的间隔L，并输入到核算机软件。不能挑选L=250mm； ③加负荷前的初始实验是丈量x10和x20的均匀值； ④对试样加压，丈量新的x1和x2的均匀值； ⑤运用方程(6)核算应变。一切的核算都是由核算机软件主动完结的。 4、接口软件流程是用LabVIEW完结的，包含数据采样、滤波、核算、读出和写入存储器、显现屏等。数据处理速度很高，整个处理周期约0.1s。一切的信号处理和数据收集都是主动的。应变丈量成果以数字和图线的方式接连地显现在PC屏上。
三、体系特性
对传感器体系发生重要影响的是位敏探测器噪声引起的差错和A/D转换器噪声差错以及入射激光束与试样法线方向的违背引起的体系差错。 1、无规噪声差错传感器体系的无规噪声约束了体系的丈量灵敏度和空间分辩率。位敏探测器的4个首要噪声源是： ①与光源有关的强度噪声； ②放大器电压噪声； ③反应电阻发生的热噪声； ④直流光电流引起的散粒噪声，其巨细随光斑方位在位敏探测器接纳面上方位的改动而改动，中心的噪声最小，边际的噪声最大。 A/D转换器噪声方差为D2/12，式中D是数字化值，12是所用转换器为12位。 2、方位分辩率假如运用记载仪，位敏探测器的相对分辩率为1/5000。位敏探测器的双端输出电压信号为-5V~+5V，对应于光斑中心坐标为-5mm~+5mm。12位A/D转换器只能分辩2.4mm，考虑到位敏探测器噪声的影响，整个传感器体系的方位分辩率约为0.3mm。 3、应变灵敏度均匀剩余噪声与光斑在位敏探测器平面上的方位无关。用x表明噪声，x是记载方位信号，x*是具有噪声的方位信号，则x*=x+x，这时方程(6)成为： (7) 式中， 和 是衍射光束的初始中心方位，作为常数处理， 和 是传感器加压后光斑的中心方位，是对1000次读数均匀的最终成果。因为无规噪声引起的应变差错为： (8) 因而，应变差错的规范差错为： (9) 式中， sx—规范噪声差错（约为0.3mm）； r—别离来自位敏传感器1和2的噪声x1和x2的相关系数，两个信道丈量的相关系数r=0.4，该数值是对两个信道进行1000次采样而未加均匀得到的。运用实践参数：光栅频率为1200line/mm，激光波长l=632.8mm，b=49.4°，tanb=0.9492，L=150mm，最大噪声差错为ss=0.9me，该数值取作应变灵敏度，它随间隔L的改动如表1所示。表1 应变灵敏度ss随L的改动 L(mm)150200250300350400450500 ss (me)0.90.70.60.50.40.40.30.3 4、体系差错 当入射激光束与试样法线方向有违背时，呈现体系差错。假如入射激光束与试样法线的违背角为q，由方程(3)得（参阅图3）： (10) 式中，Db1和Db2是因为试样形变和违背q引起的衍射角的改动，因而，方程(6)可写为： (11) 假如没有其它差错源，只考虑q引起的差错，则Db1可由下述方程确认： (12) 保留到二阶q，可得： (13) 用相同的办法可得： (14) 由此可得： (15) 将方程(13)和方程(15)代入方程(11)，得应变差错为： (16) 5、空间分辩率丈量应变的空间分辩率由入射激光束的直径确认。实践使用的激光束未经任何处理时原始直径为1~2mm，进步空间分辩率的办法是将入射光束用透镜集聚后入射到待测试样上。在传感器体系中可运用焦距为10cm的低耗塑料透镜，可将本来直径为1.5mm的入射光束减小到0.1mm。
四、传感器体系技能参数和特性
传感器体系的技能参数和特性如下： ①灵敏度为1me； ②空间分辩率是可变的，其规模是0.1~2mm； ③应变巨细高达15%； ④丈量方位灵敏，光栅平面就任一点均可丈量； ⑤可进行动态和接连应变丈量； ⑥数据收集和处理都是主动化的； ⑦用户易于调查体系接口； ⑧结构紧凑，体积小。六、定论 新式有用的应变传感器体系能够只运用一个位敏探测器，这时可用下式核算应变： (17) 无规噪声引起的应变差错的规范差错为： (18) 比照方程(18)和方程(9)可知：运用两个位敏探测器可大大削减无规噪声差错，也可显著地减小因为激光束与试样法线方向的违背所引起的体系差错。因而，运用两个位敏探测器不只可增加应变丈量灵敏度和精度，并且可消除无规噪声差错和体系噪声差错。这种新式应变传感器优于现有的同类仪器，是精细丈量范畴的一种有用传感器体系，可使用于微电子学、高级材料力学、微米力学和纳米力学等范畴。
