光柵式大應(yīng)變傳感器的線性特點(diǎn)及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉武青

（浙江泰林生物技術(shù)股份有限公司，上饒 300052）

所謂光柵其實(shí)就是一條條在光學(xué)玻璃上的長(zhǎng)方形的刻線，這些刻線是等間距的，一般來說刻線的密度大約為10～100線/mm[1]。光柵式大應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是以光柵莫爾條紋測(cè)量位移距離的原理為依據(jù)，它將光電二極管陳列當(dāng)做傳感器的光電探測(cè)器，利用這個(gè)光電探測(cè)器對(duì)莫爾信號(hào)進(jìn)行接收，然后再經(jīng)過一定的分析和處理的過程將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖的輸出。這種光柵式大應(yīng)變傳感器可以廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼的拉伸、土工織物、TOC儀器等，相比于只能測(cè)量小應(yīng)變的、傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式電測(cè)法，這種傳感器成本低、精度高、應(yīng)變量范圍廣。本文將主要就幾種大應(yīng)變傳感器的比較、光柵式大應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及光柵式大應(yīng)變傳感器電的線性特點(diǎn)等幾方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和探討。

1 幾種大應(yīng)變傳感器的比較

近幾年，隨著科技的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了以下幾種可以應(yīng)用于大應(yīng)變測(cè)量的傳感器。

第一，光纖光柵應(yīng)變傳感器。這類傳感器是是近年來應(yīng)用較廣泛的一種傳感器，但這種光纖光柵應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測(cè)量范圍并不是很廣，一般來說，它測(cè)量的最大的應(yīng)變不超過9000με[2]。

第二，柔性材料電阻式應(yīng)變傳感器。這種傳感器通常使用的是導(dǎo)電復(fù)合材料，但這種材料的價(jià)格一般比較昂貴。

第三，光柵式大應(yīng)變傳感器。相對(duì)于上述傳感器，這類傳感器的性能較為優(yōu)異，具有較廣的測(cè)量范圍、響應(yīng)迅速、測(cè)量準(zhǔn)確度高、分辨率高且不容易受溫度影響，是一種性能優(yōu)良的測(cè)定大應(yīng)變的傳感器。

2 光柵式大應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 光柵式大應(yīng)變傳感器工作原理

所謂應(yīng)變就是指物體受到應(yīng)力后，對(duì)它的形狀發(fā)生變化的程度進(jìn)行度量的一個(gè)物理量，一般來說是通過對(duì)位移的測(cè)量對(duì)大應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)中主要是基于光柵式大應(yīng)變傳感器的莫爾條紋光強(qiáng)的變化來對(duì)大應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。這里所說的莫爾條紋是測(cè)量位移的主要依據(jù)，在實(shí)際測(cè)量當(dāng)中兩條光柵以一小夾角相互重疊所形成的就是莫爾條紋，每當(dāng)長(zhǎng)光柵不動(dòng)時(shí)，指示光柵就移動(dòng)一個(gè)位置，相應(yīng)的莫爾條紋就變化一個(gè)周期。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，工作臺(tái)是和指示光柵在一起的，所以可以通過光柵所形成的莫爾條紋來對(duì)工作臺(tái)的位移進(jìn)行精準(zhǔn)確定。前面說過，因?yàn)樵陂L(zhǎng)光柵不動(dòng)的情況下，指示光柵每移動(dòng)一個(gè)單位，莫爾條紋就變化一個(gè)周期，由此我們可以得到相應(yīng)的指示光柵的位移公式：X=NW+a，其中，N指的是光柵在進(jìn)行移動(dòng)時(shí)所涵蓋的光柵線的數(shù)量，W指的是光柵常數(shù)，a指的是光柵在進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，它的位移不夠一個(gè)周期的部分[3]。

3 光柵式大應(yīng)變傳感器電的線性特點(diǎn)

為進(jìn)一步了解光柵式大應(yīng)變傳感器的線性特點(diǎn)，我們做了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，在每隔0.5mm就改變一次位移，測(cè)試的范圍在0～5mm，這時(shí)對(duì)應(yīng)的最大變量為0～0.2ε。對(duì)上述實(shí)驗(yàn)反復(fù)做三次，就可以得出相應(yīng)的輸出數(shù)字脈沖和應(yīng)變的關(guān)系，如圖1、圖2所示。

圖1 第一次測(cè)試

圖2 重復(fù)性測(cè)試

通過圖1和圖2我們可以對(duì)測(cè)試曲線進(jìn)行擬合，然后可以得出其線性度可以達(dá)到1.5%，曲線擬合度可以達(dá)到99.9%。這個(gè)結(jié)果和要求相符合，且通過上面的實(shí)驗(yàn)可以得出位移和應(yīng)變是線性關(guān)系，所以，我們可以知道脈沖輸出和應(yīng)變具有較好的線性關(guān)系，且從圖3中可以看出這個(gè)光柵式大應(yīng)變傳感器具有較好的重復(fù)性，其重復(fù)性的γR是5.77%FS，表1是這個(gè)光柵式大應(yīng)變傳感器主要特性的參數(shù)。

由上述的實(shí)驗(yàn)我們可以看出這個(gè)光柵式大應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度較好，可以達(dá)到620ε-1，能夠測(cè)量到的最小的應(yīng)變是0.004ε。

表1 光柵式大應(yīng)變傳感器主要特性的參數(shù)

綜上所述，我們可以看出光柵式大應(yīng)變傳感器具有良好的線性特征，其靈敏度和重復(fù)性都較好，且具有較大的應(yīng)變測(cè)試范圍。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出基于光柵莫爾條紋測(cè)定原理的大應(yīng)變傳感器的線性度可以達(dá)到1.5%，與莫爾條紋測(cè)量理論向符合；傳感器的重復(fù)性為5.77%FS，可以實(shí)現(xiàn)在工程中的有效應(yīng)用。通過本次對(duì)光柵式大應(yīng)變傳感器的線性特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究，我們可以看出如果將類傳感器廣泛應(yīng)用于大應(yīng)變測(cè)量可以得到較好的效果，因此，它具有廣泛的發(fā)展前景。