叶武青

（浙江泰林生物技术股份有限公司，上饶 300052）

所谓光栅其实就是一条条在光学玻璃上的长方形的刻线，这些刻线是等间距的，一般来说刻线的密度大约为10～100线/mm[1]。光栅式大应变传感器的结构设计主要是以光栅莫尔条纹测量位移距离的原理为依据，它将光电二极管陈列当做传感器的光电探测器，利用这个光电探测器对莫尔信号进行接收，然后再经过一定的分析和处理的过程将信号转化为数字脉冲的输出。这种光栅式大应变传感器可以广泛应用于飞机机翼的拉伸、土工织物、TOC仪器等，相比于只能测量小应变的、传统的电阻应变式电测法，这种传感器成本低、精度高、应变量范围广。本文将主要就几种大应变传感器的比较、光栅式大应变传感器的结构设计以及光栅式大应变传感器电的线性特点等几方面进行详细的研究和探讨。

1 几种大应变传感器的比较

近几年，随着科技的发展，逐渐出现了以下几种可以应用于大应变测量的传感器。

第一，光纤光栅应变传感器。这类传感器是是近年来应用较广泛的一种传感器，但这种光纤光栅应变传感器的应变测量范围并不是很广，一般来说，它测量的最大的应变不超过9000με[2]。

第二，柔性材料电阻式应变传感器。这种传感器通常使用的是导电复合材料，但这种材料的价格一般比较昂贵。

第三，光栅式大应变传感器。相对于上述传感器，这类传感器的性能较为优异，具有较广的测量范围、响应迅速、测量准确度高、分辨率高且不容易受温度影响，是一种性能优良的测定大应变的传感器。

2 光栅式大应变传感器的结构设计

2.1 光栅式大应变传感器工作原理

所谓应变就是指物体受到应力后，对它的形状发生变化的程度进行度量的一个物理量，一般来说是通过对位移的测量对大应变进行检测。本实验中主要是基于光栅式大应变传感器的莫尔条纹光强的变化来对大应变进行测定。这里所说的莫尔条纹是测量位移的主要依据，在实际测量当中两条光栅以一小夹角相互重叠所形成的就是莫尔条纹，每当长光栅不动时，指示光栅就移动一个位置，相应的莫尔条纹就变化一个周期。在进行测量时，工作台是和指示光栅在一起的，所以可以通过光栅所形成的莫尔条纹来对工作台的位移进行精准确定。前面说过，因为在长光栅不动的情况下，指示光栅每移动一个单位，莫尔条纹就变化一个周期，由此我们可以得到相应的指示光栅的位移公式：X=NW+a，其中，N指的是光栅在进行移动时所涵盖的光栅线的数量，W指的是光栅常数，a指的是光栅在进行移动时，它的位移不够一个周期的部分[3]。

3 光栅式大应变传感器电的线性特点

为进一步了解光栅式大应变传感器的线性特点，我们做了相应实验。在实验中，在每隔0.5mm就改变一次位移，测试的范围在0～5mm，这时对应的最大变量为0～0.2ε。对上述实验反复做三次，就可以得出相应的输出数字脉冲和应变的关系，如图1、图2所示。

图1 第一次测试

图2 重复性测试

通过图1和图2我们可以对测试曲线进行拟合，然后可以得出其线性度可以达到1.5%，曲线拟合度可以达到99.9%。这个结果和要求相符合，且通过上面的实验可以得出位移和应变是线性关系，所以，我们可以知道脉冲输出和应变具有较好的线性关系，且从图3中可以看出这个光栅式大应变传感器具有较好的重复性，其重复性的γR是5.77%FS，表1是这个光栅式大应变传感器主要特性的参数。

由上述的实验我们可以看出这个光栅式大应变传感器的应变灵敏度较好，可以达到620ε-1，能够测量到的最小的应变是0.004ε。

表1 光栅式大应变传感器主要特性的参数

综上所述，我们可以看出光栅式大应变传感器具有良好的线性特征，其灵敏度和重复性都较好，且具有较大的应变测试范围。经过实验得出基于光栅莫尔条纹测定原理的大应变传感器的线性度可以达到1.5%，与莫尔条纹测量理论向符合；传感器的重复性为5.77%FS，可以实现在工程中的有效应用。通过本次对光栅式大应变传感器的线性特点和结构设计的研究，我们可以看出如果将类传感器广泛应用于大应变测量可以得到较好的效果，因此，它具有广泛的发展前景。