袁航周++徐海俠

摘 要：設(shè)計(jì)了一款應(yīng)變測(cè)量傳感器，該應(yīng)變測(cè)量傳感器由安裝在同一印制板上的三個(gè)專用芯片組成，每一個(gè)專用芯片上的CMOS感光器用于測(cè)量所在位置上的平面位移量。通過對(duì)傳感器的建模分析，確定了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)設(shè)計(jì)傳感器的誤差來源，研究了傳感器與被測(cè)表面的粘貼方式和誤差修正方法。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)形變范圍內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的傳感器可以作為一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用于無線傳感的應(yīng)變監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。

關(guān)鍵詞：非接觸傳感器 平面應(yīng)變測(cè)量 誤差修正

中圖分類號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

凡是由材料構(gòu)筑起來的物體，在外力作用下都會(huì)發(fā)生應(yīng)變、變形甚至斷裂。目前，應(yīng)變測(cè)量已成為監(jiān)測(cè)飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩等使用條件和使用狀態(tài)的一種有效的手段[1]。應(yīng)變監(jiān)測(cè)離不開應(yīng)變傳感器。目前已有的應(yīng)變傳感器，按測(cè)量維度分為兩類：（1）單維度傳感器，如電阻應(yīng)變片、振弦傳感器、光纖光柵傳感器。這類傳感器為接觸式測(cè)量，主要測(cè)量一個(gè)維度方向上的應(yīng)變量。（2）多維度傳感器，如基于散斑測(cè)量原理的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。這類傳感器為非接觸式測(cè)量，但測(cè)量系統(tǒng)體積龐大、測(cè)量復(fù)雜且安裝條件苛刻，不適應(yīng)飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩等多節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[3～4]。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器小型化，并滿足多維度應(yīng)變測(cè)量的要求，提出了一種非接觸式平面應(yīng)變測(cè)量方法，其中的傳感器由三個(gè)帶有CMOS感光器的專用芯片構(gòu)成，通過讀取三個(gè)CMOS感光器中的平面坐標(biāo)值，再經(jīng)過坐標(biāo)值變換和計(jì)算，來獲取被測(cè)件的平面應(yīng)變測(cè)量值及變形量。由于傳感器具有小型化的特點(diǎn)，且測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而可以通過多傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，構(gòu)建飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩、壓力容器等的在線應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5～6]。

1 應(yīng)變傳感器的測(cè)量模型

式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分別為三個(gè)專用芯片的CMOS感光器感知的平面坐標(biāo)值，Lx和Ly為三個(gè)專用芯片的CMOS感光器中心點(diǎn)在x和y方向上的距離，θ1和θ2為三個(gè)專用芯片測(cè)量時(shí)所在物理坐標(biāo)軸不一致的偏轉(zhuǎn)角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需標(biāo)定，以便通過誤差修正得到正確的平面應(yīng)變測(cè)量值。

2 θ1和θ2的測(cè)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(diǎn)上的光學(xué)感應(yīng)器攝像頭的某一坐標(biāo)軸方向進(jìn)行平動(dòng)測(cè)量。把傳感器安裝在移動(dòng)工作臺(tái)面上，比對(duì)傳感器選用的是光柵位移傳感器，其測(cè)量分辨率為1 nm，量程為50 mm。選擇x坐標(biāo)軸正方向進(jìn)行平行移動(dòng)，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(duì)三個(gè)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)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?yàn)楣鈱W(xué)鼠標(biāo)芯片的分辨率低于光柵式位移傳感器；三個(gè)光學(xué)感應(yīng)器的x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸方向上的數(shù)據(jù)不相等，因此三個(gè)坐標(biāo)軸之間存在一定的偏轉(zhuǎn)角。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理可以得到各組實(shí)驗(yàn)中的坐標(biāo)軸相對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ1和θ2，如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以得出偏轉(zhuǎn)角θ1的值約為9.7度，偏轉(zhuǎn)角θ2的約為10.2度。把θ1和θ2的值代入到應(yīng)變計(jì)算公式（1）和（2）中，就可進(jìn)行對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 傳感器的標(biāo)定

由于任何傳感器在生產(chǎn)制造和裝配過程中都存在不可避免的誤差，這會(huì)使得傳感器的測(cè)量值與被測(cè)量的真實(shí)值存在一定的偏差。為了保證傳感器的測(cè)量值更好的反應(yīng)被測(cè)件的情況，我們一般會(huì)選擇更高精度的測(cè)量裝置并將其與待標(biāo)定傳感器同步獲得的測(cè)量值進(jìn)行處理比較，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步改進(jìn)傳感器，使得被測(cè)量得以更為準(zhǔn)確的傳遞。

本課題中的二維應(yīng)變傳感器在測(cè)量被測(cè)件的應(yīng)變時(shí)由于多種因素的影響必然也存在著無法避免的測(cè)量誤差，所以我們也需要對(duì)大形變應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用的是傳感器測(cè)量分辨率實(shí)驗(yàn)的裝置，在傳感器測(cè)量范圍內(nèi)任選一個(gè)比對(duì)點(diǎn)，連續(xù)調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓，同步測(cè)量獲得比對(duì)傳感器測(cè)量值和設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量值，比對(duì)曲線如圖2所示，位移測(cè)量比對(duì)曲線最大誤差小于20 um。比較二維應(yīng)變傳感器的測(cè)量值與比對(duì)傳感器的測(cè)量值，分析二者之間的關(guān)系，進(jìn)而得到一系列能夠表征兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，得出二維應(yīng)變傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)情況。通過綜合上述傳感器的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)得出傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)為：傳感器的分辨率小于10 um，線性誤差為3.74%，最大測(cè)量行程為3 mm。

4 誤差分析

從傳感器的設(shè)計(jì)和組裝到安裝測(cè)量過程中，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。這些誤差對(duì)傳感器的性能和測(cè)量精度造成一定的影響。在試驗(yàn)的過程中，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，試驗(yàn)平臺(tái)搭建存在一定的結(jié)構(gòu)誤差，在測(cè)量操作中不可避免引入人為誤差。通過大量試驗(yàn)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(chǎn)生的誤差。

5 結(jié)語

本文根據(jù)光學(xué)鼠標(biāo)芯片的工作原理進(jìn)行對(duì)平面二維應(yīng)變測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，本傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維平面的非接觸式測(cè)量。本設(shè)計(jì)的測(cè)量方法對(duì)國(guó)際上測(cè)量應(yīng)變方法的研究提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 林健富，程瀛，黃建亮，等.大型建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)研究[A].振動(dòng)與沖擊，2010-12.

[2] 張紅冉.紡織機(jī)紗線張力與速度檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[3] 唐偉.基于CMOS光電傳感器的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[J].硅谷，2012.

[4] 劉冬冬，姜煒，張?zhí)旌?基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008.

[5] 張洪偉，姬升紅.光電鼠標(biāo)芯片在無接觸測(cè)距中的應(yīng)用[J].中國(guó)電子商務(wù)，2009（8）.endprint

摘 要：設(shè)計(jì)了一款應(yīng)變測(cè)量傳感器，該應(yīng)變測(cè)量傳感器由安裝在同一印制板上的三個(gè)專用芯片組成，每一個(gè)專用芯片上的CMOS感光器用于測(cè)量所在位置上的平面位移量。通過對(duì)傳感器的建模分析，確定了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)設(shè)計(jì)傳感器的誤差來源，研究了傳感器與被測(cè)表面的粘貼方式和誤差修正方法。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)形變范圍內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的傳感器可以作為一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用于無線傳感的應(yīng)變監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。

關(guān)鍵詞：非接觸傳感器 平面應(yīng)變測(cè)量 誤差修正

中圖分類號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

凡是由材料構(gòu)筑起來的物體，在外力作用下都會(huì)發(fā)生應(yīng)變、變形甚至斷裂。目前，應(yīng)變測(cè)量已成為監(jiān)測(cè)飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩等使用條件和使用狀態(tài)的一種有效的手段[1]。應(yīng)變監(jiān)測(cè)離不開應(yīng)變傳感器。目前已有的應(yīng)變傳感器，按測(cè)量維度分為兩類：（1）單維度傳感器，如電阻應(yīng)變片、振弦傳感器、光纖光柵傳感器。這類傳感器為接觸式測(cè)量，主要測(cè)量一個(gè)維度方向上的應(yīng)變量。（2）多維度傳感器，如基于散斑測(cè)量原理的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。這類傳感器為非接觸式測(cè)量，但測(cè)量系統(tǒng)體積龐大、測(cè)量復(fù)雜且安裝條件苛刻，不適應(yīng)飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩等多節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[3～4]。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器小型化，并滿足多維度應(yīng)變測(cè)量的要求，提出了一種非接觸式平面應(yīng)變測(cè)量方法，其中的傳感器由三個(gè)帶有CMOS感光器的專用芯片構(gòu)成，通過讀取三個(gè)CMOS感光器中的平面坐標(biāo)值，再經(jīng)過坐標(biāo)值變換和計(jì)算，來獲取被測(cè)件的平面應(yīng)變測(cè)量值及變形量。由于傳感器具有小型化的特點(diǎn)，且測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而可以通過多傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，構(gòu)建飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩、壓力容器等的在線應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5～6]。

1 應(yīng)變傳感器的測(cè)量模型

式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分別為三個(gè)專用芯片的CMOS感光器感知的平面坐標(biāo)值，Lx和Ly為三個(gè)專用芯片的CMOS感光器中心點(diǎn)在x和y方向上的距離，θ1和θ2為三個(gè)專用芯片測(cè)量時(shí)所在物理坐標(biāo)軸不一致的偏轉(zhuǎn)角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需標(biāo)定，以便通過誤差修正得到正確的平面應(yīng)變測(cè)量值。

2 θ1和θ2的測(cè)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(diǎn)上的光學(xué)感應(yīng)器攝像頭的某一坐標(biāo)軸方向進(jìn)行平動(dòng)測(cè)量。把傳感器安裝在移動(dòng)工作臺(tái)面上，比對(duì)傳感器選用的是光柵位移傳感器，其測(cè)量分辨率為1 nm，量程為50 mm。選擇x坐標(biāo)軸正方向進(jìn)行平行移動(dòng)，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(duì)三個(gè)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)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?yàn)楣鈱W(xué)鼠標(biāo)芯片的分辨率低于光柵式位移傳感器；三個(gè)光學(xué)感應(yīng)器的x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸方向上的數(shù)據(jù)不相等，因此三個(gè)坐標(biāo)軸之間存在一定的偏轉(zhuǎn)角。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理可以得到各組實(shí)驗(yàn)中的坐標(biāo)軸相對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ1和θ2，如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以得出偏轉(zhuǎn)角θ1的值約為9.7度，偏轉(zhuǎn)角θ2的約為10.2度。把θ1和θ2的值代入到應(yīng)變計(jì)算公式（1）和（2）中，就可進(jìn)行對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 傳感器的標(biāo)定

由于任何傳感器在生產(chǎn)制造和裝配過程中都存在不可避免的誤差，這會(huì)使得傳感器的測(cè)量值與被測(cè)量的真實(shí)值存在一定的偏差。為了保證傳感器的測(cè)量值更好的反應(yīng)被測(cè)件的情況，我們一般會(huì)選擇更高精度的測(cè)量裝置并將其與待標(biāo)定傳感器同步獲得的測(cè)量值進(jìn)行處理比較，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步改進(jìn)傳感器，使得被測(cè)量得以更為準(zhǔn)確的傳遞。

本課題中的二維應(yīng)變傳感器在測(cè)量被測(cè)件的應(yīng)變時(shí)由于多種因素的影響必然也存在著無法避免的測(cè)量誤差，所以我們也需要對(duì)大形變應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用的是傳感器測(cè)量分辨率實(shí)驗(yàn)的裝置，在傳感器測(cè)量范圍內(nèi)任選一個(gè)比對(duì)點(diǎn)，連續(xù)調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓，同步測(cè)量獲得比對(duì)傳感器測(cè)量值和設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量值，比對(duì)曲線如圖2所示，位移測(cè)量比對(duì)曲線最大誤差小于20 um。比較二維應(yīng)變傳感器的測(cè)量值與比對(duì)傳感器的測(cè)量值，分析二者之間的關(guān)系，進(jìn)而得到一系列能夠表征兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，得出二維應(yīng)變傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)情況。通過綜合上述傳感器的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)得出傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)為：傳感器的分辨率小于10 um，線性誤差為3.74%，最大測(cè)量行程為3 mm。

4 誤差分析

從傳感器的設(shè)計(jì)和組裝到安裝測(cè)量過程中，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。這些誤差對(duì)傳感器的性能和測(cè)量精度造成一定的影響。在試驗(yàn)的過程中，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，試驗(yàn)平臺(tái)搭建存在一定的結(jié)構(gòu)誤差，在測(cè)量操作中不可避免引入人為誤差。通過大量試驗(yàn)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(chǎn)生的誤差。

5 結(jié)語

本文根據(jù)光學(xué)鼠標(biāo)芯片的工作原理進(jìn)行對(duì)平面二維應(yīng)變測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，本傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維平面的非接觸式測(cè)量。本設(shè)計(jì)的測(cè)量方法對(duì)國(guó)際上測(cè)量應(yīng)變方法的研究提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 林健富，程瀛，黃建亮，等.大型建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)研究[A].振動(dòng)與沖擊，2010-12.

[2] 張紅冉.紡織機(jī)紗線張力與速度檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[3] 唐偉.基于CMOS光電傳感器的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[J].硅谷，2012.

[4] 劉冬冬，姜煒，張?zhí)旌?基于光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008.

[5] 張洪偉，姬升紅.光電鼠標(biāo)芯片在無接觸測(cè)距中的應(yīng)用[J].中國(guó)電子商務(wù)，2009（8）.endprint

摘 要：設(shè)計(jì)了一款應(yīng)變測(cè)量傳感器，該應(yīng)變測(cè)量傳感器由安裝在同一印制板上的三個(gè)專用芯片組成，每一個(gè)專用芯片上的CMOS感光器用于測(cè)量所在位置上的平面位移量。通過對(duì)傳感器的建模分析，確定了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對(duì)設(shè)計(jì)傳感器的誤差來源，研究了傳感器與被測(cè)表面的粘貼方式和誤差修正方法。實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)形變范圍內(nèi)的應(yīng)變測(cè)量要求，同時(shí)設(shè)計(jì)的傳感器可以作為一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用于無線傳感的應(yīng)變監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中。

關(guān)鍵詞：非接觸傳感器 平面應(yīng)變測(cè)量 誤差修正

中圖分類號(hào)：TH741 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

凡是由材料構(gòu)筑起來的物體，在外力作用下都會(huì)發(fā)生應(yīng)變、變形甚至斷裂。目前，應(yīng)變測(cè)量已成為監(jiān)測(cè)飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩等使用條件和使用狀態(tài)的一種有效的手段[1]。應(yīng)變監(jiān)測(cè)離不開應(yīng)變傳感器。目前已有的應(yīng)變傳感器，按測(cè)量維度分為兩類：（1）單維度傳感器，如電阻應(yīng)變片、振弦傳感器、光纖光柵傳感器。這類傳感器為接觸式測(cè)量，主要測(cè)量一個(gè)維度方向上的應(yīng)變量。（2）多維度傳感器，如基于散斑測(cè)量原理的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。這類傳感器為非接觸式測(cè)量，但測(cè)量系統(tǒng)體積龐大、測(cè)量復(fù)雜且安裝條件苛刻，不適應(yīng)飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩等多節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量[3～4]。

為了實(shí)現(xiàn)傳感器小型化，并滿足多維度應(yīng)變測(cè)量的要求，提出了一種非接觸式平面應(yīng)變測(cè)量方法，其中的傳感器由三個(gè)帶有CMOS感光器的專用芯片構(gòu)成，通過讀取三個(gè)CMOS感光器中的平面坐標(biāo)值，再經(jīng)過坐標(biāo)值變換和計(jì)算，來獲取被測(cè)件的平面應(yīng)變測(cè)量值及變形量。由于傳感器具有小型化的特點(diǎn)，且測(cè)量數(shù)據(jù)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，因而可以通過多傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，構(gòu)建飛行器、水下探測(cè)器、石油平臺(tái)、橋梁、水壩、壓力容器等的在線應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[5～6]。

1 應(yīng)變傳感器的測(cè)量模型

式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分別為三個(gè)專用芯片的CMOS感光器感知的平面坐標(biāo)值，Lx和Ly為三個(gè)專用芯片的CMOS感光器中心點(diǎn)在x和y方向上的距離，θ1和θ2為三個(gè)專用芯片測(cè)量時(shí)所在物理坐標(biāo)軸不一致的偏轉(zhuǎn)角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需標(biāo)定，以便通過誤差修正得到正確的平面應(yīng)變測(cè)量值。

2 θ1和θ2的測(cè)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(diǎn)上的光學(xué)感應(yīng)器攝像頭的某一坐標(biāo)軸方向進(jìn)行平動(dòng)測(cè)量。把傳感器安裝在移動(dòng)工作臺(tái)面上，比對(duì)傳感器選用的是光柵位移傳感器，其測(cè)量分辨率為1 nm，量程為50 mm。選擇x坐標(biāo)軸正方向進(jìn)行平行移動(dòng)，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(duì)三個(gè)光學(xué)鼠標(biāo)傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1中的數(shù)據(jù)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?yàn)楣鈱W(xué)鼠標(biāo)芯片的分辨率低于光柵式位移傳感器；三個(gè)光學(xué)感應(yīng)器的x坐標(biāo)軸和y坐標(biāo)軸方向上的數(shù)據(jù)不相等，因此三個(gè)坐標(biāo)軸之間存在一定的偏轉(zhuǎn)角。對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理可以得到各組實(shí)驗(yàn)中的坐標(biāo)軸相對(duì)偏轉(zhuǎn)角θ1和θ2，如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以得出偏轉(zhuǎn)角θ1的值約為9.7度，偏轉(zhuǎn)角θ2的約為10.2度。把θ1和θ2的值代入到應(yīng)變計(jì)算公式（1）和（2）中，就可進(jìn)行對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 傳感器的標(biāo)定

由于任何傳感器在生產(chǎn)制造和裝配過程中都存在不可避免的誤差，這會(huì)使得傳感器的測(cè)量值與被測(cè)量的真實(shí)值存在一定的偏差。為了保證傳感器的測(cè)量值更好的反應(yīng)被測(cè)件的情況，我們一般會(huì)選擇更高精度的測(cè)量裝置并將其與待標(biāo)定傳感器同步獲得的測(cè)量值進(jìn)行處理比較，對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步改進(jìn)傳感器，使得被測(cè)量得以更為準(zhǔn)確的傳遞。

本課題中的二維應(yīng)變傳感器在測(cè)量被測(cè)件的應(yīng)變時(shí)由于多種因素的影響必然也存在著無法避免的測(cè)量誤差，所以我們也需要對(duì)大形變應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用的是傳感器測(cè)量分辨率實(shí)驗(yàn)的裝置，在傳感器測(cè)量范圍內(nèi)任選一個(gè)比對(duì)點(diǎn)，連續(xù)調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓，同步測(cè)量獲得比對(duì)傳感器測(cè)量值和設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量值，比對(duì)曲線如圖2所示，位移測(cè)量比對(duì)曲線最大誤差小于20 um。比較二維應(yīng)變傳感器的測(cè)量值與比對(duì)傳感器的測(cè)量值，分析二者之間的關(guān)系，進(jìn)而得到一系列能夠表征兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)定曲線，得出二維應(yīng)變傳感器性能指標(biāo)的實(shí)測(cè)情況。通過綜合上述傳感器的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)得出傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)為：傳感器的分辨率小于10 um，線性誤差為3.74%，最大測(cè)量行程為3 mm。

4 誤差分析

從傳感器的設(shè)計(jì)和組裝到安裝測(cè)量過程中，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差。這些誤差對(duì)傳感器的性能和測(cè)量精度造成一定的影響。在試驗(yàn)的過程中，由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，試驗(yàn)平臺(tái)搭建存在一定的結(jié)構(gòu)誤差，在測(cè)量操作中不可避免引入人為誤差。通過大量試驗(yàn)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(chǎn)生的誤差。

5 結(jié)語

本文根據(jù)光學(xué)鼠標(biāo)芯片的工作原理進(jìn)行對(duì)平面二維應(yīng)變測(cè)量傳感器的設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，本傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)二維平面的非接觸式測(cè)量。本設(shè)計(jì)的測(cè)量方法對(duì)國(guó)際上測(cè)量應(yīng)變方法的研究提供了一定的參考。

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