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。

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