一種非接觸式平面應變測量傳感器的設計

袁航周++徐海俠

摘 要：設計了一款應變測量傳感器，該應變測量傳感器由安裝在同一印制板上的三個專用芯片組成，每一個專用芯片上的CMOS感光器用于測量所在位置上的平面位移量。通過對傳感器的建模分析，確定了傳感器的結構設計，并針對設計傳感器的誤差來源，研究了傳感器與被測表面的粘貼方式和誤差修正方法。實驗表明，設計的傳感器能夠實現毫米級形變范圍內的應變測量要求，同時設計的傳感器可以作為一個傳感器節點，應用于無線傳感的應變監測網絡中。

關鍵詞：非接觸傳感器 平面應變測量 誤差修正

中圖分類號：TH741 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

凡是由材料構筑起來的物體，在外力作用下都會發生應變、變形甚至斷裂。目前，應變測量已成為監測飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩等使用條件和使用狀態的一種有效的手段[1]。應變監測離不開應變傳感器。目前已有的應變傳感器，按測量維度分為兩類：（1）單維度傳感器，如電阻應變片、振弦傳感器、光纖光柵傳感器。這類傳感器為接觸式測量，主要測量一個維度方向上的應變量。（2）多維度傳感器，如基于散斑測量原理的光學測量系統。這類傳感器為非接觸式測量，但測量系統體積龐大、測量復雜且安裝條件苛刻，不適應飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩等多節點的現場測量[3～4]。

為了實現傳感器小型化，并滿足多維度應變測量的要求，提出了一種非接觸式平面應變測量方法，其中的傳感器由三個帶有CMOS感光器的專用芯片構成，通過讀取三個CMOS感光器中的平面坐標值，再經過坐標值變換和計算，來獲取被測件的平面應變測量值及變形量。由于傳感器具有小型化的特點，且測量數據可以通過無線網絡傳輸，因而可以通過多傳感器測量節點組網，構建飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩、壓力容器等的在線應變監測系統[5～6]。

1 應變傳感器的測量模型

式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分別為三個專用芯片的CMOS感光器感知的平面坐標值，Lx和Ly為三個專用芯片的CMOS感光器中心點在x和y方向上的距離，θ1和θ2為三個專用芯片測量時所在物理坐標軸不一致的偏轉角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需標定，以便通過誤差修正得到正確的平面應變測量值。

2 θ1和θ2的測量

為了得到θ1和θ2的值，使傳感器在未受力的平面上沿三角形直角頂點上的光學感應器攝像頭的某一坐標軸方向進行平動測量。把傳感器安裝在移動工作臺面上，比對傳感器選用的是光柵位移傳感器，其測量分辨率為1 nm，量程為50 mm。選擇x坐標軸正方向進行平行移動，分別在光柵位移傳感器的位移值為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm處分別對三個光學鼠標傳感器的輸出數據進行記錄。數據如表1所示。

從表1中的數據可以得出：x2的位移值并沒有與光柵傳感器的位移值完全一致，這是因為光學鼠標芯片的分辨率低于光柵式位移傳感器；三個光學感應器的x坐標軸和y坐標軸方向上的數據不相等，因此三個坐標軸之間存在一定的偏轉角。對表中數據進行分析處理可以得到各組實驗中的坐標軸相對偏轉角θ1和θ2，如表2所示。

從表2的數據可以得出偏轉角θ1的值約為9.7度，偏轉角θ2的約為10.2度。把θ1和θ2的值代入到應變計算公式（1）和（2）中，就可進行對測量數據進行分析。

3 傳感器的標定

由于任何傳感器在生產制造和裝配過程中都存在不可避免的誤差，這會使得傳感器的測量值與被測量的真實值存在一定的偏差。為了保證傳感器的測量值更好的反應被測件的情況，我們一般會選擇更高精度的測量裝置并將其與待標定傳感器同步獲得的測量值進行處理比較，對傳感器進行標定實驗，從而進一步改進傳感器，使得被測量得以更為準確的傳遞。

本課題中的二維應變傳感器在測量被測件的應變時由于多種因素的影響必然也存在著無法避免的測量誤差，所以我們也需要對大形變應變傳感器進行標定實驗。標定實驗采用的是傳感器測量分辨率實驗的裝置，在傳感器測量范圍內任選一個比對點，連續調節壓電陶瓷驅動電壓，同步測量獲得比對傳感器測量值和設計傳感器測量值，比對曲線如圖2所示，位移測量比對曲線最大誤差小于20 um。比較二維應變傳感器的測量值與比對傳感器的測量值，分析二者之間的關系，進而得到一系列能夠表征兩者之間對應關系的標定曲線，得出二維應變傳感器性能指標的實測情況。通過綜合上述傳感器的各項實驗得出傳感器的各項性能指標為：傳感器的分辨率小于10 um，線性誤差為3.74%，最大測量行程為3 mm。

4 誤差分析

從傳感器的設計和組裝到安裝測量過程中，都會產生相應的誤差。這些誤差對傳感器的性能和測量精度造成一定的影響。在試驗的過程中，由于實驗室條件有限，試驗平臺搭建存在一定的結構誤差，在測量操作中不可避免引入人為誤差。通過大量試驗可以得出主要影響因素為傳感器的安裝誤差和傳感器本身產生的誤差。

5 結語

本文根據光學鼠標芯片的工作原理進行對平面二維應變測量傳感器的設計，對傳感器的標定實驗及數據分析，本傳感器實現了對二維平面的非接觸式測量。本設計的測量方法對國際上測量應變方法的研究提供了一定的參考。

參考文獻

[1] 林健富，程瀛，黃建亮，等.大型建筑結構健康監測的海量數據處理與數據庫開發研究[A].振動與沖擊，2010-12.

[2] 張紅冉.紡織機紗線張力與速度檢測系統的研究與設計[D].武漢理工大學，2010.

[3] 唐偉.基于CMOS光電傳感器的運動捕捉系統[J].硅谷，2012.

[4] 劉冬冬，姜煒，張天宏.基于光學鼠標傳感器的轉速測量方法研究[J].傳感器與微系統，2008.

[5] 張洪偉，姬升紅.光電鼠標芯片在無接觸測距中的應用[J].中國電子商務，2009（8）.endprint

摘 要：設計了一款應變測量傳感器，該應變測量傳感器由安裝在同一印制板上的三個專用芯片組成，每一個專用芯片上的CMOS感光器用于測量所在位置上的平面位移量。通過對傳感器的建模分析，確定了傳感器的結構設計，并針對設計傳感器的誤差來源，研究了傳感器與被測表面的粘貼方式和誤差修正方法。實驗表明，設計的傳感器能夠實現毫米級形變范圍內的應變測量要求，同時設計的傳感器可以作為一個傳感器節點，應用于無線傳感的應變監測網絡中。

關鍵詞：非接觸傳感器 平面應變測量 誤差修正

中圖分類號：TH741 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

凡是由材料構筑起來的物體，在外力作用下都會發生應變、變形甚至斷裂。目前，應變測量已成為監測飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩等使用條件和使用狀態的一種有效的手段[1]。應變監測離不開應變傳感器。目前已有的應變傳感器，按測量維度分為兩類：（1）單維度傳感器，如電阻應變片、振弦傳感器、光纖光柵傳感器。這類傳感器為接觸式測量，主要測量一個維度方向上的應變量。（2）多維度傳感器，如基于散斑測量原理的光學測量系統。這類傳感器為非接觸式測量，但測量系統體積龐大、測量復雜且安裝條件苛刻，不適應飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩等多節點的現場測量[3～4]。

為了實現傳感器小型化，并滿足多維度應變測量的要求，提出了一種非接觸式平面應變測量方法，其中的傳感器由三個帶有CMOS感光器的專用芯片構成，通過讀取三個CMOS感光器中的平面坐標值，再經過坐標值變換和計算，來獲取被測件的平面應變測量值及變形量。由于傳感器具有小型化的特點，且測量數據可以通過無線網絡傳輸，因而可以通過多傳感器測量節點組網，構建飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩、壓力容器等的在線應變監測系統[5～6]。

1 應變傳感器的測量模型

式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分別為三個專用芯片的CMOS感光器感知的平面坐標值，Lx和Ly為三個專用芯片的CMOS感光器中心點在x和y方向上的距離，θ1和θ2為三個專用芯片測量時所在物理坐標軸不一致的偏轉角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需標定，以便通過誤差修正得到正確的平面應變測量值。

2 θ1和θ2的測量

為了得到θ1和θ2的值，使傳感器在未受力的平面上沿三角形直角頂點上的光學感應器攝像頭的某一坐標軸方向進行平動測量。把傳感器安裝在移動工作臺面上，比對傳感器選用的是光柵位移傳感器，其測量分辨率為1 nm，量程為50 mm。選擇x坐標軸正方向進行平行移動，分別在光柵位移傳感器的位移值為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm處分別對三個光學鼠標傳感器的輸出數據進行記錄。數據如表1所示。

從表1中的數據可以得出：x2的位移值并沒有與光柵傳感器的位移值完全一致，這是因為光學鼠標芯片的分辨率低于光柵式位移傳感器；三個光學感應器的x坐標軸和y坐標軸方向上的數據不相等，因此三個坐標軸之間存在一定的偏轉角。對表中數據進行分析處理可以得到各組實驗中的坐標軸相對偏轉角θ1和θ2，如表2所示。

從表2的數據可以得出偏轉角θ1的值約為9.7度，偏轉角θ2的約為10.2度。把θ1和θ2的值代入到應變計算公式（1）和（2）中，就可進行對測量數據進行分析。

3 傳感器的標定

由于任何傳感器在生產制造和裝配過程中都存在不可避免的誤差，這會使得傳感器的測量值與被測量的真實值存在一定的偏差。為了保證傳感器的測量值更好的反應被測件的情況，我們一般會選擇更高精度的測量裝置并將其與待標定傳感器同步獲得的測量值進行處理比較，對傳感器進行標定實驗，從而進一步改進傳感器，使得被測量得以更為準確的傳遞。

本課題中的二維應變傳感器在測量被測件的應變時由于多種因素的影響必然也存在著無法避免的測量誤差，所以我們也需要對大形變應變傳感器進行標定實驗。標定實驗采用的是傳感器測量分辨率實驗的裝置，在傳感器測量范圍內任選一個比對點，連續調節壓電陶瓷驅動電壓，同步測量獲得比對傳感器測量值和設計傳感器測量值，比對曲線如圖2所示，位移測量比對曲線最大誤差小于20 um。比較二維應變傳感器的測量值與比對傳感器的測量值，分析二者之間的關系，進而得到一系列能夠表征兩者之間對應關系的標定曲線，得出二維應變傳感器性能指標的實測情況。通過綜合上述傳感器的各項實驗得出傳感器的各項性能指標為：傳感器的分辨率小于10 um，線性誤差為3.74%，最大測量行程為3 mm。

4 誤差分析

從傳感器的設計和組裝到安裝測量過程中，都會產生相應的誤差。這些誤差對傳感器的性能和測量精度造成一定的影響。在試驗的過程中，由于實驗室條件有限，試驗平臺搭建存在一定的結構誤差，在測量操作中不可避免引入人為誤差。通過大量試驗可以得出主要影響因素為傳感器的安裝誤差和傳感器本身產生的誤差。

5 結語

本文根據光學鼠標芯片的工作原理進行對平面二維應變測量傳感器的設計，對傳感器的標定實驗及數據分析，本傳感器實現了對二維平面的非接觸式測量。本設計的測量方法對國際上測量應變方法的研究提供了一定的參考。

參考文獻

[1] 林健富，程瀛，黃建亮，等.大型建筑結構健康監測的海量數據處理與數據庫開發研究[A].振動與沖擊，2010-12.

[2] 張紅冉.紡織機紗線張力與速度檢測系統的研究與設計[D].武漢理工大學，2010.

[3] 唐偉.基于CMOS光電傳感器的運動捕捉系統[J].硅谷，2012.

[4] 劉冬冬，姜煒，張天宏.基于光學鼠標傳感器的轉速測量方法研究[J].傳感器與微系統，2008.

[5] 張洪偉，姬升紅.光電鼠標芯片在無接觸測距中的應用[J].中國電子商務，2009（8）.endprint

摘 要：設計了一款應變測量傳感器，該應變測量傳感器由安裝在同一印制板上的三個專用芯片組成，每一個專用芯片上的CMOS感光器用于測量所在位置上的平面位移量。通過對傳感器的建模分析，確定了傳感器的結構設計，并針對設計傳感器的誤差來源，研究了傳感器與被測表面的粘貼方式和誤差修正方法。實驗表明，設計的傳感器能夠實現毫米級形變范圍內的應變測量要求，同時設計的傳感器可以作為一個傳感器節點，應用于無線傳感的應變監測網絡中。

關鍵詞：非接觸傳感器 平面應變測量 誤差修正

中圖分類號：TH741 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

凡是由材料構筑起來的物體，在外力作用下都會發生應變、變形甚至斷裂。目前，應變測量已成為監測飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩等使用條件和使用狀態的一種有效的手段[1]。應變監測離不開應變傳感器。目前已有的應變傳感器，按測量維度分為兩類：（1）單維度傳感器，如電阻應變片、振弦傳感器、光纖光柵傳感器。這類傳感器為接觸式測量，主要測量一個維度方向上的應變量。（2）多維度傳感器，如基于散斑測量原理的光學測量系統。這類傳感器為非接觸式測量，但測量系統體積龐大、測量復雜且安裝條件苛刻，不適應飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩等多節點的現場測量[3～4]。

為了實現傳感器小型化，并滿足多維度應變測量的要求，提出了一種非接觸式平面應變測量方法，其中的傳感器由三個帶有CMOS感光器的專用芯片構成，通過讀取三個CMOS感光器中的平面坐標值，再經過坐標值變換和計算，來獲取被測件的平面應變測量值及變形量。由于傳感器具有小型化的特點，且測量數據可以通過無線網絡傳輸，因而可以通過多傳感器測量節點組網，構建飛行器、水下探測器、石油平臺、橋梁、水壩、壓力容器等的在線應變監測系統[5～6]。

1 應變傳感器的測量模型

式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分別為三個專用芯片的CMOS感光器感知的平面坐標值，Lx和Ly為三個專用芯片的CMOS感光器中心點在x和y方向上的距離，θ1和θ2為三個專用芯片測量時所在物理坐標軸不一致的偏轉角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需標定，以便通過誤差修正得到正確的平面應變測量值。

2 θ1和θ2的測量

為了得到θ1和θ2的值，使傳感器在未受力的平面上沿三角形直角頂點上的光學感應器攝像頭的某一坐標軸方向進行平動測量。把傳感器安裝在移動工作臺面上，比對傳感器選用的是光柵位移傳感器，其測量分辨率為1 nm，量程為50 mm。選擇x坐標軸正方向進行平行移動，分別在光柵位移傳感器的位移值為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm處分別對三個光學鼠標傳感器的輸出數據進行記錄。數據如表1所示。

從表1中的數據可以得出：x2的位移值并沒有與光柵傳感器的位移值完全一致，這是因為光學鼠標芯片的分辨率低于光柵式位移傳感器；三個光學感應器的x坐標軸和y坐標軸方向上的數據不相等，因此三個坐標軸之間存在一定的偏轉角。對表中數據進行分析處理可以得到各組實驗中的坐標軸相對偏轉角θ1和θ2，如表2所示。

從表2的數據可以得出偏轉角θ1的值約為9.7度，偏轉角θ2的約為10.2度。把θ1和θ2的值代入到應變計算公式（1）和（2）中，就可進行對測量數據進行分析。

3 傳感器的標定

由于任何傳感器在生產制造和裝配過程中都存在不可避免的誤差，這會使得傳感器的測量值與被測量的真實值存在一定的偏差。為了保證傳感器的測量值更好的反應被測件的情況，我們一般會選擇更高精度的測量裝置并將其與待標定傳感器同步獲得的測量值進行處理比較，對傳感器進行標定實驗，從而進一步改進傳感器，使得被測量得以更為準確的傳遞。

本課題中的二維應變傳感器在測量被測件的應變時由于多種因素的影響必然也存在著無法避免的測量誤差，所以我們也需要對大形變應變傳感器進行標定實驗。標定實驗采用的是傳感器測量分辨率實驗的裝置，在傳感器測量范圍內任選一個比對點，連續調節壓電陶瓷驅動電壓，同步測量獲得比對傳感器測量值和設計傳感器測量值，比對曲線如圖2所示，位移測量比對曲線最大誤差小于20 um。比較二維應變傳感器的測量值與比對傳感器的測量值，分析二者之間的關系，進而得到一系列能夠表征兩者之間對應關系的標定曲線，得出二維應變傳感器性能指標的實測情況。通過綜合上述傳感器的各項實驗得出傳感器的各項性能指標為：傳感器的分辨率小于10 um，線性誤差為3.74%，最大測量行程為3 mm。

4 誤差分析

從傳感器的設計和組裝到安裝測量過程中，都會產生相應的誤差。這些誤差對傳感器的性能和測量精度造成一定的影響。在試驗的過程中，由于實驗室條件有限，試驗平臺搭建存在一定的結構誤差，在測量操作中不可避免引入人為誤差。通過大量試驗可以得出主要影響因素為傳感器的安裝誤差和傳感器本身產生的誤差。

5 結語

本文根據光學鼠標芯片的工作原理進行對平面二維應變測量傳感器的設計，對傳感器的標定實驗及數據分析，本傳感器實現了對二維平面的非接觸式測量。本設計的測量方法對國際上測量應變方法的研究提供了一定的參考。

參考文獻

[1] 林健富，程瀛，黃建亮，等.大型建筑結構健康監測的海量數據處理與數據庫開發研究[A].振動與沖擊，2010-12.

[2] 張紅冉.紡織機紗線張力與速度檢測系統的研究與設計[D].武漢理工大學，2010.

[3] 唐偉.基于CMOS光電傳感器的運動捕捉系統[J].硅谷，2012.

[4] 劉冬冬，姜煒，張天宏.基于光學鼠標傳感器的轉速測量方法研究[J].傳感器與微系統，2008.

[5] 張洪偉，姬升紅.光電鼠標芯片在無接觸測距中的應用[J].中國電子商務，2009（8）.endprint