一种非接触式平面应变测量传感器的设计

　　摘 要：设计了一款应变测量传感器，该应变测量传感器由安装在同一印制板上的三个专用芯片组成，每一个专用芯片上的CMOS感光器用于测量所在位置上的平面位移量。通过对传感器的建模分析，确定了传感器的结构设计，并针对设计传感器的误差来源，研究了传感器与被测表面的粘贴方式和误差修正方法。实验表明，设计的传感器能够实现毫米级形变范围内的应变测量要求，同时设计的传感器可以作为一个传感器节点，应用于无线传感的应变监测网络中。

　　关键词：非接触传感器 平面应变测量 误差修正

　　中图分类号：TH741 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0021-02

　　凡是由材料构筑起来的物体，在外力作用下都会发生应变、变形甚至断裂。目前，应变测量已成为监测飞行器、水下探测器、石油平台、桥梁、水坝等使用条件和使用状态的一种有效的手段[1]。应变监测离不开应变传感器。目前已有的应变传感器，按测量维度分为两类：（1）单维度传感器，如电阻应变片、振弦传感器、光纤光栅传感器。这类传感器为接触式测量，主要测量一个维度方向上的应变量。（2）多维度传感器，如基于散斑测量原理的光学测量系统。这类传感器为非接触式测量，但测量系统体积庞大、测量复杂且安装条件苛刻，不适应飞行器、水下探测器、石油平台、桥梁、水坝等多节点的现场测量[3～4]。

　　为了实现传感器小型化，并满足多维度应变测量的要求，提出了一种非接触式平面应变测量方法，其中的传感器由三个带有CMOS感光器的专用芯片构成，通过读取三个CMOS感光器中的平面坐标值，再经过坐标值变换和计算，来获取被测件的平面应变测量值及变形量。由于传感器具有小型化的特点，且测量数据可以通过无线网络传输，因而可以通过多传感器测量节点组网，构建飞行器、水下探测器、石油平台、桥梁、水坝、压力容器等的在线应变监测系统[5～6]。

　　1 应变传感器的测量模型

　　式（1）和式（2）中的x1、y1，x2、y2，x3、y3分别为三个专用芯片的CMOS感光器感知的平面坐标值，Lx和Ly为三个专用芯片的CMOS感光器中心点在x和y方向上的距离，θ1和θ2为三个专用芯片测量时所在物理坐标轴不一致的偏转角。Lx和Ly以及θ1和θ2均需标定，以便通过误差修正得到正确的平面应变测量值。

　　2 θ1和θ2的测量

　　为了得到θ1和θ2的值，使传感器在未受力的平面上沿三角形直角顶点上的光学感应器摄像头的某一坐标轴方向进行平动测量。把传感器安装在移动工作台面上，比对传感器选用的是光栅位移传感器，其测量分辨率为1 nm，量程为50 mm。选择x坐标轴正方向进行平行移动，分别在光栅位移传感器的位移值为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm处分别对三个光学鼠标传感器的输出数据进行记录。数据如表1所示。

　　从表1中的数据可以得出：x2的位移值并没有与光栅传感器的位移值完全一致，这是因为光学鼠标芯片的分辨率低于光栅式位移传感器；三个光学感应器的x坐标轴和y坐标轴方向上的数据不相等，因此三个坐标轴之间存在一定的偏转角。对表中数据进行分析处理可以得到各组实验中的坐标轴相对偏转角θ1和θ2，如表2所示。

　　从表2的数据可以得出偏转角θ1的值约为9.7度，偏转角θ2的约为10.2度。把θ1和θ2的值代入到应变计算公式（1）和（2）中，就可进行对测量数据进行分析。

　　3 传感器的标定

　　由于任何传感器在生产制造和装配过程中都存在不可避免的误差，这会使得传感器的测量值与被测量的真实值存在一定的偏差。为了保证传感器的测量值更好的反应被测件的情况，我们一般会选择更高精度的测量装置并将其与待标定传感器同步获得的测量值进行处理比较，对传感器进行标定实验，从而进一步改进传感器，使得被测量得以更为准确的传递。

　　本课题中的二维应变传感器在测量被测件的应变时由于多种因素的影响必然也存在着无法避免的测量误差，所以我们也需要对大形变应变传感器进行标定实验。标定实验采用的是传感器测量分辨率实验的装置，在传感器测量范围内任选一个比对点，连续调节压电陶瓷驱动电压，同步测量获得比对传感器测量值和设计传感器测量值，比对曲线如图2所示，位移测量比对曲线最大误差小于20 um。比较二维应变传感器的测量值与比对传感器的测量值，分析二者之间的关系，进而得到一系列能够表征两者之间对应关系的标定曲线，得出二维应变传感器性能指标的实测情况。通过综合上述传感器的各项实验得出传感器的各项性能指标为：传感器的分辨率小于10 um，线性误差为3.74%，最大测量行程为3 mm。

　　4 误差分析

　　从传感器的设计和组装到安装测量过程中，都会产生相应的误差。这些误差对传感器的性能和测量精度造成一定的影响。在试验的过程中，由于实验室条件有限，试验平台搭建存在一定的结构误差，在测量操作中不可避免引入人为误差。通过大量试验可以得出主要影响因素为传感器的安装误差和传感器本身产生的误差。

　　5 结语

　　本文根据光学鼠标芯片的工作原理进行对平面二维应变测量传感器的设计，对传感器的标定实验及数据分析，本传感器实现了对二维平面的非接触式测量。本设计的测量方法对国际上测量应变方法的研究提供了一定的参考。

　　参考文献

　　[1] 林健富，程瀛，黄建亮，等.大型建筑结构健康监测的海量数据处理与数据库开发研究[A].振动与冲击，2010-12.

　　[2] 张红冉.纺织机纱线张力与速度检测系统的研究与设计[D].武汉理工大学，2010.

　　[3] 唐伟.基于CMOS光电传感器的运动捕捉系统[J].硅谷，2012.

　　[4] 刘冬冬，姜炜，张天宏.基于光学鼠标传感器的转速测量方法研究[J].传感器与微系统，2008.

　　[5] 张洪伟，姬升红.光电鼠标芯片在无接触测距中的应用[J].中国电子商务，2009（8）.