傳感器工作原理及系統(tǒng)和測量方法

　　 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。
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光電子器件。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體積小； ④相對位置分辨率高(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(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。