系统特性对传感器系统产生重要影响
2013-04-20
系统特性对传感器系统产生重要影响的是位敏探测器噪声引起的误差和A/D转换器噪声误差以及入射激光束与试样法线方向的偏离引起的系统误差。
1、无规噪声误差传感器系统的无规噪声限制了系统的测量灵敏度和空间分辨率。位敏探测器的4个主要噪声源是： ①与光源有关的强度噪声； ②放大器电压噪声； ③反馈电阻产生的热噪声； ④直流光电流引起的散粒噪声，其大小随光斑位置在位敏探测器接收面上位置的变化而改变，中心的噪声最小，边缘的噪声最大。 A/D转换器噪声方差为D2/12，式中D是数字化值，12是所用转换器为12位。
2、位置分辨率如果使用记录仪，位敏探测器的相对分辨率为1/5000。位敏探测器的双端输出电压信号为-5V~+5V，对应于光斑中心坐标为-5mm~+5mm。12位A/D转换器只能分辨2.4mm，考虑到位敏探测器噪声的影响，整个传感器系统的位置分辨率约为0.3mm。
3、应变灵敏度平均残余噪声与光斑在位敏探测器平面上的位置无关。用x表示噪声，x是记录位置信号，x*是具有噪声的位置信号，则x*=x+x，这时方程(6)成为： (7) 式中， 和 是衍射光束的初始中心位置，作为常数处理， 和 是传感器加压后光斑的中心位置，是对1000次读数平均的最后结果。由于无规噪声引起的应变误差为： (8) 因此，应变误差的标准偏差为： (9) 式中， sx—标准噪声偏差（约为0.3mm）； r—分别来自位敏传感器1和2的噪声x1和x2的相关系数，两个信道测量的相关系数r=0.4，该数值是对两个信道进行1000次采样而未加平均得到的。利用实际参数：光栅频率为1200line/mm，激光波长l=632.8mm，b=49.4°，tanb=0.9492，L=150mm，最大噪声误差为ss=0.9me，该数值取作应变灵敏度，它随距离L的变化如表1所示。表1 应变灵敏度ss随L的变化 L(mm)150200250300350400450500 ss (me)0.90.70.60.50.40.40.30.3 4、系统误差 当入射激光束与试样法线方向有偏离时，出现系统误差。如果入射激光束与试样法线的偏离角为q，由方程(3)得（参考图3）： (10) 式中，Db1和Db2是由于试样形变和偏离q引起的衍射角的变化，因此，方程(6)可写为： (11) 如果没有其它误差源，只考虑q引起的误差，则Db1可由下述方程确定： (12) 保留到二阶q，可得： (13) 用同样的方法可得： (14) 由此可得： (15) 将方程(13)和方程(15)代入方程(11)，得应变误差为： (16) 5、空间分辨率测量应变的空间分辨率由入射激光束的直径确定。实际应用的激光束未经任何处理时原始直径为1~2mm，提高空间分辨率的方法是将入射光束用透镜会聚后入射到待测试样上。在传感器系统中可利用焦距为10cm的低耗塑料透镜，可将原来直径为1.5mm的入射光束减小到0.1mm。
二、传感器系统技术参数和特性传感器系统的技术参数和特性如下： ①灵敏度为1me； ②空间分辨率是可变的，其范围是0.1~2mm； ③应变大小高达15%； ④测量位置灵活，光栅平面上任一点均可测量； ⑤可进行动态和连续应变测量； ⑥数据采集和处理都是自动化的； ⑦用户易于观察系统接口； ⑧结构紧凑，体积小。
