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系統(tǒng)特性對傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響
2013-04-20
系統(tǒng)特性對傳感器系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響的是位敏探測器噪聲引起的誤差和A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)誤差。
1、無規(guī)噪聲誤差傳感器系統(tǒng)的無規(guī)噪聲限制了系統(tǒng)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(guān)的強(qiáng)度噪聲； ②放大器電壓噪聲； ③反饋電阻產(chǎn)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(zhuǎn)換器噪聲方差為D2/12，式中D是數(shù)字化值，12是所用轉(zhuǎn)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(yīng)于光斑中心坐標(biāo)為-5mm~+5mm。12位A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)的位置分辨率約為0.3mm。
3、應(yīng)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(guān)。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(shù)處理， 和 是傳感器加壓后光斑的中心位置，是對1000次讀數(shù)平均的最后結(jié)果。由于無規(guī)噪聲引起的應(yīng)變誤差為： (8) 因此，應(yīng)變誤差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為： (9) 式中， sx—標(biāo)準(zhǔn)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(guān)系數(shù)，兩個信道測量的相關(guān)系數(shù)r=0.4，該數(shù)值是對兩個信道進(jìn)行1000次采樣而未加平均得到的。利用實際參數(shù)：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(shù)值取作應(yīng)變靈敏度，它隨距離L的變化如表1所示。表1 應(yīng)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(tǒng)誤差 當(dāng)入射激光束與試樣法線方向有偏離時，出現(xiàn)系統(tǒng)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(yīng)變誤差為： (16) 5、空間分辨率測量應(yīng)變的空間分辨率由入射激光束的直徑確定。實際應(yīng)用的激光束未經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)技術(shù)參數(shù)和特性傳感器系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)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(yīng)變大小高達(dá)15%； ④測量位置靈活，光柵平面上任一點均可測量； ⑤可進(jìn)行動態(tài)和連續(xù)應(yīng)變測量； ⑥數(shù)據(jù)采集和處理都是自動化的； ⑦用戶易于觀察系統(tǒng)接口； ⑧結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。
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