光電子技術(shù)在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用

　　二、工作原理圖1表示利用衍射光柵和位敏探測器的光學應(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，當單色準直光束垂直入射到線性光柵（>40line/mm）平面上時，照亮了光柵平面上的一個點，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。對于高頻衍射光柵只能觀察到實際用于應(yīng)變測量的±1衍射級的衍射光束。這種衍射光束由距光柵L的高分辨率敏位探測器接收。當光柵跟隨試樣形變時，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。對于垂直于試樣表面的入射激光束，±1級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)用于實驗室和工業(yè)現(xiàn)場，，由激光源、2個位敏傳感器、2個633nm帶通濾波器、會聚透鏡和光柵組成。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。位敏探測器是基于單片光電二極管的光電子器件。該系統(tǒng)的主要特點是： ①空間分辨率高于其它器件（如CCD）； ②利用兩個電壓信號確定傳感面積上光束的位置，便于信號的快速處理； ③體積??； ④相對位置分辨率高(1/5000)； ⑤不受光強度變化的影響，因而即使光強變化時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)時間快（20ms），適于動態(tài)應(yīng)變測量。兩個位敏傳感器的輸出電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器送到計算機，最大數(shù)據(jù)采樣速率可達105次/s。兩個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，將引起嚴重的測量誤差。這種激光束的誤準直是難以消除的，除非光柵到激光器的反射零級光束與入射光束重合。這種光束的重合必須沿垂直方向，確保±1級衍射光束對稱分布。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級光束正好位于兩個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，并輸入到計算機軟件。不能選擇L=250mm； ③加負荷前的初始試驗是測量x10和x20的平均值； ④對試樣加壓，測量新的x1和x2的平均值； ⑤利用方程(6)計算應(yīng)變。所有的計算都是由計算機軟件自動完成的。

4、接口軟件流程是用LabVIEW完成的，包括數(shù)據(jù)采樣、濾波、計算、讀出和寫入存儲器、顯示屏等。數(shù)據(jù)處理速度很高，整個處理周期約0.1s。所有的信號處理和數(shù)據(jù)采集都是自動的。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個主要噪聲源是： ①與光源有關(guān)的強度噪聲； 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，位敏探測器的相對分辨率為1/5000。位敏探測器的雙端輸出電壓信號為-5V~+5V，對應(yīng)于光斑中心坐標為 -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，x*是具有噪聲的位置信號，則x*=x+x，這時方程 (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)變誤差的標準偏差為： (9) 式中， sx—標準噪聲偏差（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)，兩個信道測量的相關(guān)系數(shù)r=0.4，該數(shù)值是對兩個信道進行1000次采樣而未加平均得到的。利用實際參數(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)誤差當入射激光束與試樣法線方向有偏離時，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