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光电子在传感器技术中的应用  
作者:admin    发表时间:2008/7/25 16:17:08

 
     一、引言应变测量在力学、材料科学和工程领域是非常重要的。在许多光学测量技术中,衍射法可直接提供应变信息。Ball[1]首先使用了衍射光栅应变规,这种应变测量技术一直在发展,目前已得到广泛应用。本文以光栅衍射法为基础,利用位敏探测器和衍射光栅提出一种可替代电阻应变规的新型实用光学应变传感器,所用仪器设计原理和数据处理技术都不同于传统的方法。这种新型传感器可进行动态应变测量,测量范围大,传感器的灵敏度为1me,空间分辨率为0.1mm,优于以往的所有应变传感器。新型光学应变传感器的突出特点是: ①非接触测量(读出),应变信息用光学方法由光栅传送到信号处理单元; ②应变规长度是可变的,由激光束直径确定,而激光束大小是可调的; ③应变测量范围大,从小的应变到较大的应变可连续地测量; ④可对待测试样的各不同点进行应变测量,能以极高的空间分辨率监测整个待测物体。
  二、工作原理图1表示利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测量原理。衍射光栅粘附在试样的表面,当单色准直光束垂直入射到线性光栅(>40line/mm)平面上时,照亮了光栅平面上的一个点,而在平行于光栅平面的屏上可观察到一组衍射光斑。在图1中,激光束垂直于试样表面入射到反射型衍射光栅上。对于高频衍射光栅只能观察到实际用于应变测量的±1衍射级的衍射光束。这种衍射光束由距光栅L的高分辨率敏位探测器接收。当光栅跟随试样形变时,平面内的形变和平面外沿光束入射方向的位移将引起衍射光束的移动。对于垂直于试样表面的入射激光束,±1级衍射光束沿传感器长度的位移由下式给出: (1) 式中,p—光栅的空间频率。 b—±1级衍射光束的衍射角; l—激光波长;如果试样发生小的形变,光栅线距(空间频率)将改变Dp,按照方程(1),衍射角改变Db,因此可得: (2) 这就是说: (3) 式中,ex是沿x方向的正应变。 假定衍射光束垂直于位敏传感器平面,沿传感器1的位移为: (4) 对于传感器2,只要将b换成-b,可得: (5) 因此,由方程(4)和方程(5)可得基本应变测量方程为:
 
 

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