傳感器工作原理及系統和測量方法

　　 利用衍射光柵和位敏探測器的光學應變傳感器的應變測量原理。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)可得基本應變測量方程。
傳感器系統和測量方法
　　1、傳感器系統硬件圖2所示為傳感器系統配置，可應用于實驗室和工業現場，，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體積小； 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響應時間快（<20ms），適于動態應變測量。兩個位敏傳感器的輸出電壓信號通過A/D轉換器送到計算機，最大數據采樣速率可達105次/s。兩個633nm的濾光器可消除背景光，減少噪聲影響。 2、調節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。系統調節的關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。此外還可調節位敏傳感器使衍射±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，包括數據采樣、濾波、計算、讀出和寫入存儲器、顯示屏等。數據處理速度很高，整個處理周期約0.1s。所有的信號處理和數據采集都是自動的。應變測量結果以數字和圖線的形式連續地顯示在PC屏上。