系統特性對傳感器系統產生重要影響
2013-04-20
系統特性對傳感器系統產生重要影響的是位敏探測器噪聲引起的誤差和A/D轉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誤差。
1、無規噪聲誤差傳感器系統的無規噪聲限制了系統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與光源有關的強度噪聲； ②放大器電壓噪聲； ③反饋電阻產生的熱噪聲； 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轉換器噪聲方差為D2/12，式中D是數字化值，12是所用轉換器為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，對應于光斑中心坐標為-5mm~+5mm。12位A/D轉換器只能分辨2.4mm，考慮到位敏探測器噪聲的影響，整個傳感器系統的位置分辨率約為0.3mm。
3、應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。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，作為常數處理， 和 是傳感器加壓后光斑的中心位置，是對1000次讀數平均的最后結果。由于無規噪聲引起的應變誤差為： (8) 因此，應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的相關系數，兩個信道測量的相關系數r=0.4，該數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：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，該數值取作應變靈敏度，它隨距離L的變化如表1所示。表1 應變靈敏度ss隨L的變化 L(mm)150200250300350400450500 ss (me)0.90.70.60.50.40.40.30.3 4、系統誤差 當入射激光束與試樣法線方向有偏離時，出現系統誤差。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)，得應變誤差為： (16) 5、空間分辨率測量應變的空間分辨率由入射激光束的直徑確定。實際應用的激光束未經任何處理時原始直徑為1~2mm，提高空間分辨率的方法是將入射光束用透鏡會聚后入射到待測試樣上。在傳感器系統中可利用焦距為10cm的低耗塑料透鏡，可將原來直徑為1.5mm的入射光束減小到0.1mm。
二、傳感器系統技術參數和特性傳感器系統的技術參數和特性如下： ①靈敏度為1me； ②空間分辨率是可變的，其范圍是0.1~2mm； ③應變大小高達15%； ④測量位置靈活，光柵平面上任一點均可測量； ⑤可進行動態和連續應變測量； ⑥數據采集和處理都是自動化的； ⑦用戶易于觀察系統接口； ⑧結構緊湊，體積小。
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