圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识(精)
第１８卷第８期２０１０年８月
光学精密工程
ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．１８Ｎｏ．８
Ａｕｇ．２０１０
文章编号１００４—９２４Ｘ（２０１０）０８—１７６６—０７
圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识
高贯斌，王
文，林
铿，陈子辰
（浙江大学现代制造工程研究所，浙江杭州３１００２７）
摘要：基于正弦函数和粒子群算法提出了一种误差补偿及参数辨识方法，用于提高圆光栅角度传感器的测量精度。使用光电自准育仪和金属多面体对圆光栅角度传感器的测量误差进行了离散标定，通过对标定数据的频谱分析，发现传感器测量误差主要由儿种不同频率的正弦函数信号组成，由此提出了一种基于正弦函数的圆光栅角度传感器误差补偿模型。补偿模型中包含７个待定常量，本文采用粒子群算法求解这７个待定常量以克服最小二乘法无法收敛的问题。以待定常量为粒子位置坐标，以平均误差为适值函数，建澎了一种基于粒子群算法的参数辨识模型，并根据参数辨识模型求出最优的待定常量。应用补偿模型对关节臂式坐标测量机的６个圆光栅角度传感器测量误差进行了补偿，结果表明：补偿
后各角度传感器的平均测量误差减小了约３９８～ｌ１０２．５倍，大大地提高ｒ传感器的测量精度。
关键词：圆光栅角度传感器；测量误差；频谱分析；补偿模型；粒子群算法
中图分类号：ＴＰ２１２．１２；ＴＨ７１２
文献标识码：Ａ
ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１０１８０８．１７６６
Ｅｒｒｏｒ
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ
ａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｃｉｒｃｕｌａｒｇｒａｔｉｎｇａｎｇｌｅ
ＧＡｏ
Ｇｕａｎ—ｂｉｎ，ＷＡＮＧＷｅｎ，ＬＩＮ
Ｋｅｎｇ，ＣＨＥＮＺｉ—ｃｈｅｎ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ
３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ
ｅｒｒｏｒ
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄ
ｔｏ
ｏｎ
ｓｉｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｐａｒｔｉ—
ｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｍａｔｏｒａｎｄ
ａ
ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｇｒａｔｉｎｇａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒｓ
ｅｒｒｏｒｓ
ｏｆｔｈｅ
ｗｅｒｅｃａｌｉｂｒａｔｅｄｄｉｓｃｒｅｔｅｌｙｂｙ
ｄａｔａｗｉｔｈｔｈｅ
ａｒｅ
ａ
ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｕｔｏｃｏｌｌｉ—
ｍｅｔａｌｐｏｌｙｈｅｄｒｏｎ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇ
ｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
ｏｆｔｈｅ
ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ
（ＦＦＴ），ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｇｎａｌｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ．Ｔｈｕｓｂｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂａｓｅｄ
ｏｎ
ａｎ
ｅｒｒｏｒｓｓｅｎｓｏｒｓ
ｃｏｍｐｏｓｅｄｍａｉｎｌｙｏｆｔｈｅｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ
ｓｅｖｅｎ
ｃｏｎｓｔａｎｔｓｔｏ
ａｓ
ｅｒｒｏｒ
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇｏｆ
ｓｉｎｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｂｙｔａｋｉｎｇｔｈｅｓｅ
ｅｒｒｏｒｔｏ
ａｓ
ｃｏｎｓｔａｎｔｓ
ｔｈｅｌｏ—
ｃａｔｉｏｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅｆｉｔｎｅｓｓｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｏｎｅｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ
ｃｏｎｓｔａｎｔｓｅｒｒｏｒｓ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＷａｓｂｕｉｌｔ
ｔｏ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅ
ｉｎｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ．
ｓｅｎｓｏｒｓ
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅ
ｏｆｔｈｅｉｎ
ａｎ
ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄｏｆｔｈｅ
ｓｅｎ—
ａｒｍｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅ
ｓｏｒｓ
ａｒｅ
ｅｒｒｏｒｓ
ｒｅｄｕｃｅｄａｂｏｕｔ３９８～１１０２．５ｔｉｍｅｓａｆｔｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．
收稿日期：２００９一１１—０６：修订日期：２００９—１２一１５．
基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５０８７５２４１）；浙江省自然科学基金重点资助项目（Ｎｏ．Ｚ１０９０５９０）
万方数据
第８期高贯斌，等：圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｌａｒｇｒａｔｉｎｇａｎｇｌｅｓｅｎｓｏｒ；ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒｒｏｒ；ｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ；
ＰａｒｔｉｃｌｅＳｗａｒｍＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（ＰＳＯ）
１
引言
圆光栅角度传感器是一种精密的测角器件，主要应用在雷达、自动化仪表、精密仪器、机器人等领域，具有体积小、测量范围大、精度高等特点。在应用时，圆光栅角度传感器的指示光栅和标尺光栅需要分别安装在两个相对旋转的部件上，安装和调整过程中的偏差对传感器测量精度有着很大的影响。如果安装不当或达不到安装技术要求，圆光栅角度传感器的测量精度就会受到较大影响，有时甚至与目标精度相差很大。
目前工程上常采用ＪｏｈａｎｎｅｓＨｅｉｄｅｎｈａｉｎ公司发明的双读数头对径读数的方法来消除安装偏心问题，这种方法是在光栅盘对径位置安装两个读数头（读数信号相位相差兀），其原理为：由于偏心在某一位置造成的读数误差和在其对径方向读数所产生的误差数值大小相等、符号相反，只要将两个读数相加除以２即可消除偏心误差。但这种方法对读数头安装要求非常严格，而且会增大传感器的体积、增加成本。
除对径读数法外还有一些其它补偿圆光栅角度传感器误差的方法，例如Ｏｒｔｏｎ等Ⅲ提出一种多读数头自动补偿圆光栅变形、制造缺陷和安装误差的方法可以消除圆光栅角度传感器的大部分误差，但存在与对径读数法同样的缺点；Ｗａｔａｎ—ａｂｅ等［２１设计了一种角度传感器自动标定系统，可自动消除转轴和圆光栅的偏心误差，并对角度传感器进行标定和补偿；洪喜等∞］提出了一种基于径向基函数网络模型的编码器误差修正技术，以高精度检测仪器的检测值为学习目标，建立一种具有良好学习能力和泛化能力的神经网络，有效地改善了编码器的测量精度，并且很好地解决了非线性误差对系统的影响；张礼松等［４３用非线性最小二乘法对柱面圆光栅误差进行修正；郭阳宽等［５］分析了运动偏心对一种新型柱面圆光栅副测量精度的影响，并提出一种补偿方法。
本文提出一种不增加任何硬件的圆光栅角度
万方数据
传感器误差实时补偿的方法，以解决关节圆光栅
角度传感器精度较低的问题。首先采用光电自准直仪和金属多面体对圆光栅角度传感器的测量误
差进行标定，得到圆光栅角度传感器误差分布曲线；运用快速傅里叶变换对误差分布曲线进行频谱分析后发现：圆光栅角度传感器的误差曲线主要由几种频率的正弦函数曲线构成，根据分析结果提出了一种误差补偿模型。由于最小二乘法无法求解误差补偿模型中的待定参数，本文采用粒子群算法对误差补偿模型的待定参数进行辨识。最后应用本文所述方法对关节臂式坐标测量机的六个关节圆光栅角度传感器分别进行了误差补偿。
２
关节圆光栅角度传感器的误差标定
光电自准直仪是利用光学自准直原理工作
的，主要应用于机床和仪器仪表导轨的直线度及垂直度测量，各种零部件相对位置角度偏差测量，大平台的平面度测量等，具有较高的精度和分辨
力。
光电自准直仪在较小范围内（一般为±１００”）可实现高精度的角度测量，与金属多面体（相邻面夹角相等的正多面体，具有很高精度）联合使用可用于角度传感器测量误差的标定。如图１所示，装有圆光栅角度传感器的关节一端固定，另一端可自由转动，金属多面体固定在关节的自由端，与关节一起转动。
金属多面体各面转过的角度与关节转过的角度相同，且不受金属多面体与关节安装偏心的影响，因此，可以用光电自准直仪通过测量金属多面体转过的角度口来标定圆光栅角度传感器的读数误差Ａ０，即：
△口一卢一日，
（１）
其中０为角度传感器的读数，ｐ为：
ｐ＝ｉＸ—３矿６０＋￡，
（２）
其中，Ｎ为多面体的面数，一般为１２、２４、３６等；ｉ
光学精密工程
第１８卷
图１用光电自准直仪和金属多面体标定关节圆光栅
角度传感器误差
Ｆｉｇ．１
Ｅｒｒｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆ
ａ
ｃｉｒｃｕｌａｒｇｒａｔｉｎｇａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
ｗｉｔｈ
ａ
ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ
ａｕｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ
ａｎｄ
ａ
ｍｅｔａｌｐｏｌｙｈｅｄｒｏｎ
为多面体转过的面数；￡为光电自准直仪的数值。
本文实验中采用的双轴光电自准直仪在±１００”内测量精度为±０．２５”，金属多面体是２４面体，相邻面夹角为１５。，精度为ｌ”。
标定从ｏ。开始，每隔１５。对角度传感器的读数和光电自准直仪的读数各记录一次，并计算出传感器相应的误差值。第１关节角度传感器误差的标定结果如图２所示，其它关节的标定结果与关节１类似，此处不一一列出。
，一、‘ｏ
≮
ｏ
叫
匕
Ｒｏｔａｔｉｏｎ
ａｎｇｌｅ／（。）
图２关节ｌ的角度传感器误差分布图
Ｆｉｇ．２
Ｅｒｒｏｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
１
图２表明关节角度传感器误差分布与正弦曲线非常类似，这一现象主要是由于光栅莫尔条
纹的基本性质——正弦性造成的，这里用傅里叶
万方数据
变换对标定结果做了进一步的频谱分析。
３
角度传感器误差补偿模型
傅里叶变换是信号分析领域常用的技术手
段［６］，广泛应用在故障诊断、图像处理等领域，本文应用快速傅里叶变换（Ｆａｓｔ
ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓ—
ｆｏｒｍ，ＦＦＴ）对各关节圆光栅角度传感器的标定结果进行分析，得到了误差信号的频谱图，图３所示为关节１的频谱图。
等
昱＝△
ｇ《
Ａｎｇｕｌａｒｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／（ｒａｄ／ｓ）
图３关节１的角度传感器转角误差频谱图
Ｆｉｇ．３
Ａｎｇｌｅ
ｅｒｒｏｒ
ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｍｏｆａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒ
１
由图中可知标定结果中主要存在角频率为０，ｌ，２，３的正弦信号，其余信号较弱。为简化数学模型，将角频率为４及其后的正弦信号忽略不计，因此，误差分布曲线可用下式来表示：
Ｅ（口）一Ａｏｓｉｎ（Ｏ＋Ｐ。）＋Ａ１ｓｉｎ（０＋Ｐ１）＋
Ａ２ｓｉｎ（２０＋Ｐ２）＋Ａ３ｓｉｎ（３０＋Ｐ３），
（３）
令Ｃ＝Ａ。ｓｉｎ（Ｐ。），则有：
Ｅ（口）一Ｃ＋Ａ１ｓｉｎ（０＋Ｐ１）＋
Ａ２ｓｉｎ（２０＋Ｐ２）＋Ａ３ｓｉｎ（３０＋Ｐ３）．（４）
由式（４）可知对于每个转角０都对应有一个误差Ｅ（曰），且计算并不复杂，因此可以用式（４）对
角度传感器的误差进行在线实时补偿，以提高传感器精度。式（４）中含有７个待定参数，必须先求出这７个参数才能确定传感器的补偿模型，目前
一般利用实验数据来求解待定参数。
第８期
高贯斌，等：圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识
１７６９
粒子群算法是Ｋｅｎｎｅｄｙ和Ｅｂｅｒｈａｒｔ受鸟类
４基于粒子群算法的模型参数求解
最小二乘法是由实验数据进行参数估计的主要手段之一［７］，即求出使实际测量值与计算值间的误差平方和达到最小的参数值作为估计值。最小二乘法在噪声为零均值和白噪声的条件下进行的参数估计是无偏且一致收敛，否则就可能不是无偏的甚至不收敛。由于本文标定结果非线性较强且式（４）中的参数较多，在采用最小二乘法对式（４）中的待定参数进行估计时，由于算法不收敛，故得不到正确的参数估计值。因此，本文采用处理非线性问题能力更强的粒子群算法来求解式（４）中的待定参数。
捕食原理启发而提出的一种进化算法，该算法模拟鸟群觅食行为，通过个体之间的相互协作使群体达到最优‘８｛］。粒子群由一群粒子组成，每个粒子代表问题的一个潜在解，粒子在问题空间中的初始位置随机产生，然后通过不断地学习和进化来改变自身位置，直到达到最佳位置ｍ１１。。
粒子群算法采用适值函数来评价粒子位置的优劣，在搜索过程中每个粒子都向着自身最佳位置Ｐ。和群体最佳位置ｇ。两个方向飞翔，粒子位置用式（５）更新。
ｚｄ（七＋１）＝ｚ甜（走）＋ｕ甜（ｋ＋１），
（５）
其中：
ｆ口“（忌＋１）
１口ｄ
ｃ矗＋?，一兰鱼二｝尝ｉ粉
ＷＶ甜（ｋ）＋ｆｌｒ１（ｐ甜——ｚ村（点））＋Ｃ２，．２（ｇ甜——ｚ甜（七））（Ｉ可甜（忌＋１）Ｉ≤≤ｕｄ。。。。）
ｃｌ可“ｃ志＋?，Ｊ＞铆。．。。。，’‘６’
式中Ｘｉ一（ｘｉｌ，ｚｉ２，ｚｉ３，ｚｉ４，ｚ，５，Ｘｉ６，ｚｆ７）一（ＣＩ，
Ａｆ川ＡⅢ，Ａ川Ｐ¨，Ｐ珊，Ｐ∽）为粒子ｉ的位置，分别表示式（４）中的７个参数；７３ｉ＝（耽，，７３ｆ’’口＿『：Ｉ，７３¨口”钉＂ｕｉ，）为粒子ｉ当前速度；ｋ表示迭代序号；ｒ１、ｒ２是取值在［ｏ，１］内的随机数；Ｖｄ。。是粒子第ｄ维分量的最大速度；Ｃ。、Ｃ。是学习因子，分别用来调节粒子朝着Ｐ西和ｇ。的方向移动的速度，一般均取值为２［１
２１。
Ｗ为惯性权重系数，是影响收敛速度的重要参数，Ｗ过大可能导致算法早熟而不能收敛于全局最优点，而Ｗ过小可能导致算法在局部最优解处“振荡－ＤＺ］。为增强算法的全局探索和局部搜索能力，本文采用自适应惯性权重系数改变策略，如式（７）所示，即算法在刚开始的时候具有较高的收敛速度，离最优解越近（９６越小）速度越小。
Ｗ一－－－０．９—０．４ｅ一妒．
（７）
图４
Ｆｉｇ．４
根据粒子群算法的原理编写了补偿模型参数辨识程序，程序的流程如图４所示。自适应粒子群算法流程
Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆａｄａｐｔｉｖｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ
万方数据
光学精密工程
第１８卷
数不尽相同，下面利用前文所述的粒子群算法，根
５
５．１
实验
据各关节的转角误差标定结果，分别对各关节角度传感器补偿模型中的待定参数进行辨识，辨识结果如表１所示。
参数辨识
每个关节圆光栅角度传感器补偿模型中的参
表１
Ｔａｂ．１
补偿模型参数辨识结果
Ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ
５．２误差补偿及验证势，说明已经基本消除了系统误差。
表２各关节传感器补偿前后的平均误差
Ｔａｂ．２
Ａｖｅｒａｇｅ
ｅｒｒｏｒｓ
各关节补偿模型的参数确定之后，就可以直接对圆光栅角度传感器的测量结果进行补偿。为验证补偿的效果，按照前文所述方法，从７。５。左右开始，每隔１５。对关节转角补偿前和补偿后的误差进行记录，补偿前的误差分布与图２相同，补偿后的误差分布如图５所示，补偿前后的平均误差如表２所示。对表２中数据计算之后发现，补偿后各关节圆光栅角度传感器平均误差分别减小
了９１７．７５，３９８，１１０２．５，４２９．２，７７４．３，５６２．２倍。
ｏｆ
ｊｏｉｎｔａｎｇｌｅ
ｓｅｎｓｏｒｓ
６
，＿、
结论
署
山
本文提出一种不增加硬件、无需安装调整的圆光栅角度传感器误差补偿模型，并应用粒子群算法对补偿模型的待定参数进行辨识。
首先通过标定关节圆光栅角度传感器的测量误差，绘制出传感器的误差分布图。利用ＦＦＴ对
Ｒｏｔａｔｉｏｎ
呈
ａｎｇｌｅ／（。）
误差数据进行频谱分析后发现，传感器的测量误差主要由几种不同频率的正弦函数信号组成，据
图５补偿后关节１的转角误差分布图
Ｆｉｇ．５
Ａｎｇｌｅ
ｅｒＦｏｒ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆ
ｊｏｉｎｔ１ａｆｔｅｒｅｏｍ
此，提出一种圆光栅角度传感器误差补偿模型，补偿模型中每个转角都对应一个确定的误差值，因此可以方便地在传感器测量中用软件的方法进行
ｐｅｎｓａｔｉｏｎ
从图２中数据可以看出补偿之前传感器的误差分布为正弦分布，说明有很大的系统误差，而图５表明补偿之后，传感器误差分布没有明显的趋
在线补偿。使用粒子群算法对误差补偿模型中的７个待定参数进行辨识，最后应用补偿模型对６个关节的圆光栅角度传感器进行了补偿。实验结
万方数据
第８期高贯斌，等：圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识
１７７１
果表明：未补偿之前的各关节圆光栅角度传感器平均误差为亚度级，而补偿之后圆光栅角度传感
参考文献：ＣＩ］
ｏＲＴｏＮＰＡ，ＰＯＬＩＡＫＯＦＦＪＦ，ＨＡＴｌＲＩＳＥ，ｅｔ口Ｚ．．Ａｕｔｏｍａｔｉｃｓｅｌｆ－ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ
ｏｆ
ａｎ
ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ
ｍｏｔｉｏｎ
ｅｎｃｏｄｅｒ［ｃ］．ＩＥＥＥ
Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｂｕｄａｐｅｓｔ，
Ｈｕｎｇａｒｙ，２００１：１６１４—１６１８．
［２３ＷＡＴＡＮＡＢＥＴ，ＦＵＪｌＭｏＴ０Ｈ，ＮＡＫＡＹＡＭＡ
Ｋ，以ａ１．．Ａｕｔｏｍａｔｉｃｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓ—
ｔｅｍｆｏｒａｎｇｌｅｅｎｃｏｄｅｒＣＣ］．Ｒｅｃｅｎｔ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ
ｉｎ
Ｔｒｎｃｅａｂｌｅ
Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ。Ｍｕｎｉｃｈ。
Ｇｅｒｍａｎｙ，２００３：４００—４０９．
［３３洪喜，续志军，杨宁．基于径向基函数网络的光电编码器误差补偿法［Ｊ］．光学精密工程，２００８，１６
（４）：５９８－６０４．
ＨＯＮＧＸ，ＸＵＺＨＪ，ＹＡＮＧＮ．Ｅｒｒｏｒｃｏｍｐｅｎｓａ—ｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｅｎｃｏｄｅｒｂａｓｅｄｏｎ
ＲＢＦ
ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．
Ｏｐｔ．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇ．，２００８，１６（４）：５９８－６０４．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
［４］张礼松，管炳良．关节坐标测景机研制中圆光栅误差修正技术［Ｊ］．计测技术，２００７，２７（４）：４１—４４．
ＺＨＡＮＧＩ。Ｓ，ＧＵＡＮＢＬ．Ｅｒｒｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
ｔｏ
ｍｕｌｔｉ－ｊｏｉｎｔＣＭＭｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．Ｍｅ—
ｔｒｏｌｏｇｙ＆ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，２７（４）：
４卜４４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［５］郭阳宽，李玉和，李庆祥，等．运动偏心对圆光栅副测量的影响及误差补偿［Ｊ］．清华大学学报（自然
科学版），２００５，４５（２）：１７８—１８１．
ＧＵ（）ＹＫ，ＬＩＹＨ，Ｉ。１
ＱＸ，以口Ｚ．．Ｅｒｒｏｒｃｏｍｐｅｎ－
ｓａｔｉｏｎｆｏｒｅｃｃｅｎｔｒｉｃｍｏｔｉｏｎｓｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｇｒａｔｉｎｇｓＣＪ－］．
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｓｃｉ＆Ｔｅｃｈ），
２００５，４５（２）：１７８－１８１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
［６］
ＰＯＴＴＳＤ，ＴＡＳＣＨＥ
Ｍ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆ
万方数据
器平均误差分别达到秒级，比补偿前分别提高
３９８～１１０２．５倍。
ｎｏｎｅｑｕｉｓｐａｃｅｄｆａｓｔｆｏｕｒｉｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍｓＣＪｌ．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ
ａｎｄ
Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，
２００８，２２２（２）：６５５—６７４．
［７３
ＢＡＩＥＷ．Ａ
ｒａｎｄｏｍｌｅａｓｔ—ｔｒｉｍｍｅｄ—ｓｑｕａｒｅｓｉｄｅｎｔｉｆｉ—
ｃａｔｉｏｎ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ａｕｔｏｍａｔｉｃａ，２００３，３９（９）：１６５Ｉ－１６５９．
ＬＥＥ
ＷＳ。ＣＨＥＮＹＴ，ｗｕＴＨ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒ
ｉｃｅ－ｓｔｏｒａｇｅａｉｒ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
ｕｓｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅ
ｓｗａｒｍ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ
Ｅｎｅｒｇｙ，２００９，８６
（９）：１５８９—１５９５．
ＣＨＥＮＤ，ＺＨＡＯＣ．Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｗｉｔｈ
ａｄａｐｔｉｖｅ
ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ
ｓｉｚｅ
ａｎｄｉｔｓ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＳｏｆｔ
Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００９，９（１）：３９—
４８．
ＤＯＦ并联坐标测量机的测量建模［Ｊ］．光学精密
工程，２００８，１６（１）：７６—８１．
ＬＩＵＤＪ，ＬＩＵＣ
Ｐ，ＷＥＩＲＦ．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｏｏｄ—
ｃｌｉｎｇｆｏｒ６－ＤＯＦｐａｒａｌｌｅｌ—ｌｉｎｋｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｂａｓｅｄｏｎ
ｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．
Ｏｐｔ．ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇ．，２００８，１６（１）：７６—８１．（ｉｎ
Ｃｈｉｎｅｓｅ）
行粒子群优化目标跟踪［Ｊ］．光学精密工程，
２００９，１７（９）：２２３６—２２４０．
ＸＵＴＦ，ＺＨＡ０ＳＨ，ＺＨＯＵＳＨＢ，ｅｔａ１．．Ｐａｒ—ｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉｚｅｒｔｒａｃｋｉｎｇｂａｓｅｄｏｎ
ＤＳＰｐａｒａｌ—
ｌｅｌ
ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ
Ｅｎｇ．，２００９，１７（９）：
２２３６—２２４０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
ＥＢＥＲＨＡＲＴＲＣ，ＳＨＩＹ．Ｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｍｏｐｔｉｍｉ—ｚａｔｉｏｎ：ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄ
ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ
［ｃ］．Ｃｏｎｇｒｅｓｓ
ｏｎ
ＥｖｏｌｕｔｉｏｎａｒｙＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ
２００１，Ｓｏｕｌ。Ｋｏｒｅａ，２００１：８１—８６．
［８３
［９］［１０］刘得军，刘彩平，韦荣方．基于粒子群算法的６一
［１１］许廷发，赵思宏，周生兵，等．ＤＳＰ并行系统的并
［１２３
１７７２光学精密工程第１８卷●下期预告
大口径积分球方向辐射特性自动测试系统
谢萍，吴浩宇，郑小兵，邹鹏
（中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室，安徽合肥２３００３１）研制了一套用于快速、高精度检测大口径积分球方向辐射特性的全自动测量系统。测量系统由扫描机构、陷阱探测器和总控系统组成，总控系统控制安装有陷阱探测器的扫描机构按设定的位置进行位移，并控制数据采集器进行数据采集，最后进行数据显示、分析及保存。该系统能实现面均匀性扫描范围１ｍＸ１ｍ，角度特性扫描范围±６０。。利用该测量系统对自行研制的２．５ｍ直径积分球进行了测量，实现了全自动控制，证实了该测量系统的离精度和高效率，得到该积分球的面均匀性为０。１９％，水平方向角度特性为０．０１０３，垂直方向角度特性为０．００６
８。
万方数据
圆光栅角度传感器的误差补偿及参数辨识
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：高贯斌，王文，林铿，陈子辰， GAO Guan-bin， WANG Wen，LIN Keng， CHEN Zi-chen浙江大学,现代制造工程研究所,浙江,杭州,310027光学精密工程OPTICS AND PRECISION ENGINEERING2010,18(8)
参考文献(12条)
1.郭阳宽;李玉和;李庆祥运动偏心对圆光栅副测量的影响及误差补偿[期刊论文]-
清华大学学报(自然科学版)2005(02)
2.张礼松;管炳良关节坐标测量机研制中圆光栅误差修正技术[期刊论文]-计测技术2007(04)
3.洪喜;续志军;杨宁基于径向基函数网络的光电编码器误差补偿法[期刊论文]-光
学精密工程 2008(04)
4.WATANABE T;FUJIMOTO H;NAKAYAMA K Automatic high precision calibration system for angle encoder2003
5.EBERHART R C;SHI Y Particle swarm optimization:developments,applications and resources 2001
6.许廷发;赵思宏;周生兵 DSP并行系统的并行粒子群优化目标跟踪[期刊论文]-光
学精密工程 2009(09)
7.CHEN D;ZHAO C Particle swarm optimization with adaptive population size and its application2009(01)
8.LEE W S;CHEN Y T;WU T H Optimization for ice-storage air-conditioning system using particle swarmalgorithm 2009(09)
9.BAI E W A random least-trimmed-squares identification algorithm[外文期刊]
2003(09)
10.POTTS D;TASCHE M Numerical stability of nonequispaced fast fourier transforms[外文期刊] 2008(02)
11.刘得军;刘彩平;韦荣方基于粒子群算法的6-DOF并联坐标测量机的测量建模[期刊论文]-光学精密工程2008(01)
12.ORTON P A;POLIAKOFF J F;HATIRIS E Automatic self-calibration of an incremental motion encoder[外文会议] 2001
本文读者也读过(6条)
1. 赵人杰.马文礼.ZHAO Ren-jie.MA Wen-li 利用误差谐波补偿法提高金属圆光栅
测角精度[期刊论文]-仪器仪表用户2009,16(3)
2. 王文.林铿.高贯斌.陈子辰.WANG Wen.LIN Keng.GAO Guan-bin.CHEN Zi-chen
关节臂式坐标测量机角度传感器偏心参数辨识[期刊论文]-光学精密工程2010,18(1) 3. 张红胜.冯长有光电定角比相法检测圆光栅测量精度的提高[期刊论文]-光学精
密工程2000,8(5)
4. 邓晓旭.苗瑞.Deng Xiaoxu.Miao Rui 光栅角度传感器干涉计量原理[期刊论文]-森林工程2000,16(4)
5. 王霞.胡毅.章赞.WANG Xia.HU Yi.ZHANG Zan 基于FPGA的多角度圆光栅数据采集系统的研制[期刊论文]-合肥工业大学学报（自然科学版）2006,29(8)
6. 钱建强.李俊锋.王东生.QIAN Jian-qiang.LI Jun-feng.WANG Dong-sheng 高精密角度分度测量控制系统的研究
[期刊论文]-计测技术2005,25(2)
引证文献(5条)
1.李广军.金炜东列车横向加速度传感器的误差补偿[期刊论文]-计算机工程与应用2012(5)
2.张冬至.胡国清基于遗传优化小波神经网络逆模型的油水测量[期刊论文]-光学精密工程 2011(7)
3.陈赟.王晓峰.李艳茹计量光栅盘真空镀铬机理与工艺研究[期刊论文]-长春理工大学学报（自然科学版）2011(2)
4.刘仁浩.王华数字磁罗盘的全姿态罗差补偿[期刊论文]-光学精密工程 2011(8)
5.韩旭东.徐新行.王兵.王恒坤.刘长顺快速反射镜系统用光栅测微仪[期刊论文]-光电工程 2011(10)
本文链接：https://www.wendangku.net/doc/037982266.html,/Periodical_gxjmgc201008011.aspx
压力传感器测量误差不确定度分析
线性压力传感器（静态）基本误差不确定度评定 吉林省计量科学研究院：张攀峰 李德辉 韩晓飞 孙俊峰 1、评定依据：JJG 860-1994 《压力传感器（静态）》 JJF 1059-1990 《测量不确定度评定与表示》 JJF 1094-2002 《测量仪器特性评定》 2、测量方法: 检定/校准、检测装置由标准器（在此为0.02级活塞式压力计）、压力源、三通接头用导压管连接起来而组成，导压管另一端与压力传感器（以下简称传感器）连接起来，连接处不得泄漏，外加对传感器供电电源，并由数字电压表读取传感器输出。通过采用多次循环测量确定被测传感器工作直线方程的方法进行检定/校准、检测。 3、数学模型 依据JJG 860 — 1994 压力传感器（静态）检定规程可知，线性压力传感器的基本误差公式为： A =±（ξS +ξLH ）------（1） 式中：A ——传感器各检定/校准、检测点的基本误差（以绝对误差表示） ξLH ——传感器各检定/校准、检测点系统标准不确定度分量 3 方差和灵敏度系数 ()()() () 22 222212------+=LH S u C u C A u ξξ
式中：灵敏度系数C 1=C 2=1 则： 4 标准不确定度一览表 5 标准不确定度分量的计算 5.1 由被检定/校准、检测传感器重复性引起的标准不确定度u (ξS ): 用0.02级活塞压力计检定/校准、检测由北京中航机电技术公司生产CYB —IOS 型，编号为2H2883，测量范围为0—80MPa,0.25级传感器的0MPa 、10MPa 、20MPa 、30MPa 、40MPa 、50MPa 、60MPa 、70MPa 、80MPa 点，分别读取被检定/校准、检测传感器各点四个循环读数如下表所示： 传感器在整个测量范围内的标准偏差为s ： ()()() () 3222------+=LH S u u A u ξξ) 4(21 2 1 2------+= ∑∑==m S S s m i Di m i Ii
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发展应用
光纤光栅传感器及其在土木工程中的发 展应用 摘要：介绍了光纤光栅的传感技术及其封装方式，特别是采用FRP筋嵌入式封装光纤光栅传感器(OFBG)制成的FRPOFBG筋，并对光纤光栅传感器在土木工程监测中的发展应用进行综述，以期促进该技术的推广普及。 关键词：光纤光栅，嵌入式封装，土木工程监测 0、引言
新发展起来的光纤光栅传感技术可通过反射中心波长的变化测量由外界引起的温度、应力应变变化，具有线性程度高、重复性好等优点，可对结构的应力、应变高精度地进行绝对、准分布式数字测量，比较适合结构的健康监测。光纤光栅传感器除了有光纤传感器具有的质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量、使用期限内维护费用低等优点外，还具有以下一些独特优点J：如测量精度高，抗干扰能力强，可在同一根光纤上制作多个光栅实现分布式测量，测量范围大，稳定性、重复性好，非传导性材料，耐腐蚀、抗电磁干扰等特点，适合运用于恶劣环境中，避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。 光纤光栅传感器由于自身的优点在土木工程界得到很大的应用和发展。本文先介绍光纤光栅传感技术及其封装方式，并主要阐述光纤光栅传感器在土木工程领域的一些发展应用情况。 1、光纤光栅的传感技术特点及其封装 1.1 光纤光栅的传感技术特点光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。光纤光栅传感器的基本原理为：光纤光栅可将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。 1.2 光纤光栅的封装
1)基片式封装。将光纤光栅装在刻有小槽的基片上，通过基片将被测结构的应变传到光栅上，封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装，金属基片有钢片、钛合金片等。 这种传感器结构简单，易于安装，但容易产生应变传递损耗，使得测量精度有所降低。 2)金属管式封装。管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。该封装工艺具有加工方便、产品率高、成本低廉等优点，可以满足工业化大批量生产需要。 3)夹持式封装。主要思想是在钢管封装的光纤光栅传感器的两端安装夹持构件，待测结构的应变通过夹持构件传递给光纤光栅，其标距长度可根据实际需要改变。此种传感器具有布设简单、可拆换、耐久性好、布线方便等优点，可作为桥梁、建筑等土木工程结构施工、竣工试验和运营监测的表面传感器。 4)嵌人式封装。这里特别介绍FRP-OFBG智能复合筋。FRP筋是采用连续纤维通过拉挤工艺和合成树脂基按照一定的比例胶合而成的一种纤维增强塑料筋，在其制备过程中放人光纤光栅，便可得到FRP-OFBG智能复合筋。该复合筋目前研究得比较多，它保留了FRP良好的力学等性能，又具备光纤光栅的传感特性，而且大大提高了光纤光栅的应变测量量程，是光栅传感器较好的一
应变式传感器的温度误差及补偿方法
Value Engineering 0引言应变式传感器以电阻应变片为转换元件，应变片粘贴在被测试件表面，由于被测试件的变形使其表面产生应变，从而引起电阻应变片的阻值变化，通过测量电阻的变化即反映了应变或应力的大 小。电阻应变片不仅能够测量应变，而且对其他的物理量，只要能变为应变的相应变化，都可进行测量，如可以测量力、压力、位移、力矩、重量、温度和加速度等物理量。它结构简单、体积小、测量范围广、频率响应特性好、适合动态和静态测量、使用寿命长、性能稳定可靠，是目前应用最广泛的传感器之一[1-3]。电阻应变片由于温度变化引起的电阻变化与试件应变所产生的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取必要的措施克服温度的影响，测量的精度无法保证。1温度误差产生的原因1.1电阻温度系数的影响应变片敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：R t =R 0（1+α0 ）Δt （1）式中:R t ———温度为t 时的电阻值；R 0———温度为t 0时的电阻值；α0———温度为t 0时金属丝的电阻温度系数；Δt ———温度变化值， Δt=t-t 0。 当温度变化Δt 时，电阻丝电阻的变化值为： ΔR=R t -R 0=R 0α0Δt （2） 1.2试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电 阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的 变形仍和自由状态一样，不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变 化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l 0，它们的线膨胀系数分别为βs 和βg ，若两者不粘贴，则它们的长度分别为l s =l 0（1+βs Δt ），l g =l 0（1+βg Δt ）（3）当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl 、附加应变εβ和附加电阻变化ΔR β分别为Δl =l g -l s =（βg -βs ）l 0Δt （4）εβ=Δl 0=（βg -βs ）Δt ，ΔR t =K 0R 0εβ=K 0R 0（βg -βs ）Δt （5）那么由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为ΔR t 0=ΔR α+ΔR β0=[α0+K 0（βg -βs ）]Δt （6）折合成附加应变量或虚假的应εt ，有 εt =ΔR t R 00 =αK 0+（βg -βs "）Δt （7）由式（6）和式（7）可知，因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0，α0，βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。 温度对应变特性的影响，除了上述两个方面，还将会影响粘合剂传递变形的能力等。但在常温下，上述两个方面是造成应变片温度误差的主要原因。 2温度补偿方法 温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 2.1线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 图1是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压U o 与桥臂参数的关系为：U o =A （R 1R 4-R B R 3）（8）式中，A 为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当R 3和R 4为常数时， R 1和R B 对电桥输出电压U o 的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时，工作应变片R 1粘贴在被测试件表面上，补偿应变 片R B 粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变， 如图2所示。当被测试件不承受应变时，R 1和R B 又处于同一环境温度为t 的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有U o =A （R 1R 4-R B R 3）=0（9）工程上，一般按R 1=R B =R 3=R 4选取桥臂电阻。当温度升高或降低Δt=t-t 0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即U o =A[（R 1+ΔR 1t ）R 4-（R B +ΔR Bt ）R 3]=0（10）若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R 1又有新的增量ΔR 1=R 1K ε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为U o =AR 1R 4K ε（11）由上式可知，电桥的输出电压U o 仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。线路补偿法的优点是简单方便，补偿效果好。其缺点是在温度变化梯度较大的情况下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。2.2应变片的自补偿法这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片（称之为温度自补偿应变片）来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理，可由式（7）得出，要实现温度自补偿，必须有：α0＝-K 0（βg -βs ）（12）———————————————————————基金项目：国家自然科学基金项目（60572001），河南省教育厅项目（2008B510019）和河南科技厅项目（112300410285）。作者简介：张宁（1974-），女，河南开封人，硕士，讲师，研究方向为电子信息工程，检测技术等。应变式传感器的温度误差及补偿方法 Temperature Error and Compensation of Strain Sensor 张宁Zhang Ning （商丘师范学院物理与电气信息学院，商丘476000） （Department of Physics and Electrical Information ，Shangqiu Normal University ，Shangqiu 476000，China ） 摘要：分析了应变式传感器在实际应用中由于环境温度变化等因素的影响产生的附加误差，给出了几种温度误差的补偿方法，以提高测量的准确性。 Abstract:This paper systematically analyzes the additional error of resistor sensor in the actual application influenced by the factors such as the ambient temperature.In order to solve this problem,this paper puts forward several methods of temperature compensation to increase the measuring precision to ensure accuracy. 关键词：应变式传感器；温度误差；补偿 Key words:resistor strain sensor ；temperature error ；compensation 中图分类号：TS3文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）04-0011-02·11·
传感器和检测技术试题(卷)与答案解析
1．属于传感器动态特性指标的是（D ） A 重复性 B 线性度 C 灵敏度 D 固有频率 2 误差分类，下列不属于的是（B ） A 系统误差 B 绝对误差 C 随机误差D粗大误差 3、非线性度是表示校准（B ）的程度。 A、接近真值 B、偏离拟合直线 C、正反行程不重合 D、重复性 4、传感器的组成成分中，直接感受被侧物理量的是（B ） A、转换元件 B、敏感元件 C、转换电路 D、放大电路 5、传感器的灵敏度高，表示该传感器（C） A 工作频率宽 B 线性范围宽 C 单位输入量引起的输出量大 D 允许输入量大 6 下列不属于按传感器的工作原理进行分类的传感器是（B） A 应变式传感器 B 化学型传感器 C 压电式传感器D热电式传感器 7 传感器主要完成两个方面的功能：检测和（D） A 测量B感知 C 信号调节 D 转换 8 回程误差表明的是在（C）期间输出输入特性曲线不重合的程度 A 多次测量 B 同次测量 C 正反行程 D 不同测量 9、仪表的精度等级是用仪表的（C）来表示的。 A 相对误差 B 绝对误差 C 引用误差D粗大误差 二、判断 1.在同一测量条件下，多次测量被测量时，绝对值和符号保持不变，或在改变条件时，按一定规律变化的误差称为系统误差。（√） 2 系统误差可消除，那么随机误差也可消除。（×） 3 对于具体的测量，精密度高的准确度不一定高，准确度高的精密度不一定高，所以精确度高的准确度不一定高（×） 4 平均值就是真值。（×） 5 在n次等精度测量中，算术平均值的标准差为单次测量的1/n。（×） 6.线性度就是非线性误差.（×） 7.传感器由被测量，敏感元件，转换元件，信号调理转换电路，输出电源组成.（√） 8.传感器的被测量一定就是非电量（×） 9.测量不确定度是随机误差与系统误差的综合。（√） 10传感器（或测试仪表）在第一次使用前和长时间使用后需要进行标定工作，是为了确定传感器静态特性指标和动态特性参数（√） 二、简答题：（50分） 1、什么是传感器动态特性和静态特性，简述在什么频域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在什么频域条件下一般要研究传感器的动态特性？ 答：传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时传感器的输入—输出特性。静态特性是指当输入量为常量或变化极慢时传感器输入—输出特性。在时域条件下只研究静态特性就能够满足通常的需要，而在频域条件下一般要研究传感器的动态特性。 2、绘图并说明在使用传感器进行测量时，相对真值、测量值、测量误差、传感器输入、输出特性的概念以及它们之间的关系。 答：框图如下： 测量值 相对真值 输入输出 测量误差
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用 （武汉理工大学） 1光纤光栅传感原理 光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。 图1 FBG 结构及其波长选择原理图 在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。 （1）光纤光栅应变传感原理 光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。 （2）光纤光栅温度传感原理 光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。 反射光谱 入射光谱 投射光谱 入射光 反射光 投射光 包层 纤芯 光栅 光栅周期
2光纤光栅传感器特点 利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。 光纤光栅传感器可测物理量： 温度、应力/应变、压力、流量、位移等。 图2 光纤光栅传感器分布式测量原理 光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰 ● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上 3目前我校已经开展的工作（部分） 3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统 利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。 被测参量 宽带光源 光纤F-P 腔 测点1 测点2 测点3 测点n 波长 光 强 λ1 测点1 λ2 测点2 λ3 测点3 λn 测点n 光源波长
光栅传感器接口卡设计方案
基于USB的光栅传感器计数接口卡 本方案采用一基于USB的光栅传感器计数接口卡，是一种连接光栅传感器和PC计算机的专用接口，对光栅传感器输出的正交方波信号进行辨向、细分和可逆计数，并可提供绝对零位标志和过零计数、过零保持等功能。并采用USB总线实现光栅传感器信号处理电路和计算机之间的通讯。 ⑴光栅尺 ①光栅结构和测量原理 计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，由光源、主光栅、指示光栅、光电原件三大部分组成。 直线光栅由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。标尺光栅一般安装在机床活动部件上，光栅读数头安装在机床固定部件上。指示光栅装在光栅读数头中。测量时，把标尺光栅与被测量对象相联结，使之随其一起运动，光源通过聚光镜后，透过标尺光栅和指示光栅形成忽明忽暗的莫尔条纹(光信号)，光敏元件把光信号转换成电信号。 ②光栅尺信号 光栅尺输出两信号：一种是相位差90的2路方波信号；另种是相位差90的2路正弦信号。 本系统采用的光栅尺输出两路正交的TTL方波信号和复位信号。正交方波信号用来获得光栅尺的位移以及运动方向，复位信号处在光栅尺中部，用于计数清零。 如下图所示，方波输出的光栅尺输出的两路电信号A相和B相，A相信号为主信号，B相信号为副信号，两个信号周期相同，相位差90.A、B相信号每经过一个周期的变化，光栅尺有栅距W的位移，通过对电信号脉冲周期计数，就可以测量出总位移。A、B两个信号的超前或滞后的相位关系决定了光栅尺的位移信号。
③增量式光栅尺： 光栅尺安装：用橡胶条将光栅尺固定在铝壳中，易于安装，允许的安装公差大 材质：精选浮法玻璃，非抛光 栅距：0.01mm 标准测量长度：50 mm至520 mm 电源：+5 V ±5%，最大100 mA 输出信号：幅值为1V左右的方波信号 连接方式：直接连接适当NC系统或数显装置 注：光栅尺应适合用于恶劣环境，外壳上的密封条可有效隔离冷却液和污染物；信号质量对时间和温度不敏感；支持高速运动。 ⑵光栅尺传感器计数接口卡 USB接口模块UFC 430 硬件 黑色氧化铝外壳，可平面安装或壁挂安装 UFC 430尺寸为200 x 100 x 25 mm（安装面外边界） 安全等级IP 30 最高工作温度+40°C 外部电源插座
光纤光栅传感器的应用
光纤光栅传感器的应用 光纤布拉格光栅传感器的应用 1。光纤光栅传感器 的优点与传统传感器相比，光纤光栅传感器有其独特的优点:(1)传感头结构简单，体积小，重量轻，形状可变，适合嵌入大型结构中，能够测量结构内部的应力、应变和结构损伤，具有良好的稳定性和重复性； (2)与光纤自然兼容，易于与光纤连接，损耗低，光谱特性好，可靠性高； (3)不导电，对被测介质影响小，具有耐腐蚀和抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境下工作； (4)轻便灵活，可在一根光纤中写入多个光栅组成传感阵列，结合波分复用和时分复用系统实现分布式传感； (5)测量信息为波长编码，因此光纤光栅传感器不受光源光强波动、光纤连接和耦合损耗以及光波偏振态变化的影响，抗干扰能力强。 (6)高灵敏度和分辨率 正是因为它的许多优点。近年来，光纤光栅传感器已经广泛应用于大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测，以及能源和化工等领域。 光纤光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，特别是在测量应力和应变的情况下，具有其他传感器无法比拟的优势。它被认为是智能结构中最有前途的集成在材料内部的传感器，作为监测材料和结构的
载荷和检测其损伤的传感器。 2，光纤光栅的传感应用 1，在土木和水利工程中的应用 土木工程中的结构监测是光纤光栅传感器应用最活跃的领域 力学参数的测量对于桥梁、矿山、隧道、大坝、建筑物等的维护和健康监测非常重要。通过测量上述结构的应变分布，可以预测结构的局部载荷和健康状况。光纤布拉格光栅传感器可以预先附着在结构表面或嵌入结构中，同时对结构进行健康检测、冲击检测、形状控制和减振检测，监测结构的缺陷。 另外，多个光纤光栅传感器可以串联成传感网络，对结构进行准分布式检测，传感信号可以由计算机远程控制 (1)在桥梁安全监测中的应用目前，光纤光栅传感器应用最广泛的领域是桥梁安全监测 斜拉桥的斜拉索、悬索桥的主缆和吊杆、系杆拱桥的系杆是这些桥梁体系的关键受力构件，其他土木工程结构的预应力锚固系统，如用于结构加固的锚索和锚杆，也是关键受力构件上述受力构件的应力大小和分布变化最直接地反映了结构的健康状况，因此监测这些构件的应力状态并以此为基础进行安全分析和评价具有重要意义。加拿大卡尔加里附近的 199贝丁顿小道桥是最早使用光纤光栅传感器进行测量的桥梁之一(1993)。16个光纤光栅传感器连接到预应力混凝土支撑的钢筋和碳纤维复合材料钢筋上，对桥梁结构进行长期监测，这在以前被认为是不
传感器实验报告应变片的温度效应及补偿
北京XX大学 实验报告 课程（项目）名称：实验三应变片的温度效应及补偿学院：自动化专业：自动化 班级：学号： 姓名：成绩： 2013年12月10日
实验一 一、任务与目的 了解温度对应变测试系统的影响。 二、原理（条件） 当应变片所处环境温度发生变化时，由于其敏感栅本身的温度系数，自身的标称电阻值发生变化，而贴应变片的测试件与应变片敏感栅的热膨胀系数不同，也会引起附加形变，产生附加电阻。 为避免温度变化时引入的测量误差，在实用的测试电路中要进行温度补偿。本实验中采用的是电桥补偿法 三、内容与步骤 （1）了解加热器在实验仪所在的位置及加热符号，加热器封装在双平行的上片梁与下片梁之间，结构为电阻丝。 （2）将差动放大器的（＋）、（－）输入端与地短接，输出端插口与F／V表的输入插口Vi相连。 （3）开启主、副电源，调节差放零点旋钮，使F／V表显示零。再把F／V表的切换开关置2V档，细调差放零点，使F／V表显示零。关闭主、副电源， F／V表的切换开关置20V档，拆去差动放大器输入端的连线。 （4）按图接线，开启主副电源，调电桥平衡网络的W1电位器，使F／V表显示零，然后将F／V表的切换开关置2V档,调W1电位器，使F／V表显示零。 （5）在双平行梁的自由端（可动端）装上测微头，并调节测微头，使F／V表显示零。 （6）将－15V电源连到加热器的一端插口，加热器另一端插口接地；F／V表的显示在变化，待F／V表显示稳定后，记下显示数值(起始-0.60 终止 0.094 温度：)，并用温度计（自备）测出温度(室温)，记下温度值。（注 意：温度计探头不要触在应变片上，只要触及应变片附近的梁体即可。）
传感器技术答案(修正)东南大学
1-1衡量传感器静态特性的主要指标。说明含义。 1、线性度——表征传感器输出-输入校准曲线与所选定的拟合直线之间的吻合（或偏离）程度的指标。 2、回差――反应传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程过程中输出-输入曲线的不重合程度。 3、重复性——衡量传感器在同一工作条件下，输入量按同一方向作全量程连续多次变动时，所得特性曲线间一致程度。各条特性曲线越靠近，重复性越好。 4、灵敏度——传感器输出量增量与被测输入量增量之比。 5、分辨力——传感器在规定测量范围内所能检测出的被测输入量的最小变化量。 6、阀值——使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零位附近的分辨力。 7、稳定性——即传感器在相当长时间内仍保持其性能的能力。 8、漂移——在一定时间间隔内，传感器输出量存在着与被测输入量无关的、不需要的变化。 9、静态误差（精度）——传感器在满量程内任一点输出值相对理论值的可能偏离（逼近）程度。 1-2计算传感器线性度的方法，差别。 理论直线法：以传感器的理论特性线作为拟合直线，与实际测试值无关。 端点直线法：以传感器校准曲线两端点间的连线作为拟合直线。 “最佳直线”法：以“最佳直线”作为拟合直线，该直线能保证传感器正反行程校准曲线对它的正负偏差相等并且最小。这种方法的拟合精度最高。 最小二乘法：按最小二乘原理求取拟合直线，该直线能保证传感器校准数据的残差平方和最小。 1-3什么是传感器的静态特性和动态特性？为什么要分静和动？ 静态特性表示传感器在被测输入量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。主要考虑其非线性与随机变化等因素。动态特性是反映传感器对于随时间变化的输入量的响应特性，研究其频率响应特性与阶跃响应特性，分析其动态误差。区分是为了在数学上分析方便。 1-4分析改善传感器性能的技术途径和措施。 1、结构、材料与参数的合理选择； 2、差动技术； 3、平均技术； 4、稳定性处理； 5、屏蔽、隔离与干扰抑制； 6、零示法、微差法与闭环技术； 7、补偿、校正与“有源化”； 8、集成化、智能化与信息融合。 2-1 金属应变计与半导体工作机理的异同？比较应变计各种灵敏系数概念的不同意义。 对于金属材料，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2μ的值要比(d ρ/ρ)/ε大得多，d ρ/ρ=CdV/V 。金属丝材的应变电阻效应为ΔR/R=[(1+2μ)+C(1-2μ)] ε=Km ε。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。半导体材料的(d ρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多,d ρ/ρ=πσ=πE ε。导电丝材的应变电阻效应为ΔR/R=Ko ε。对于金属材料，灵敏系数Ko=Km=(1+2μ)+C(1-2μ)。前部分为受力后金属几何尺寸变化，一般μ≈0.3，因此（1+2μ）=1.6；后部分为电阻率随应变而变的部分。金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主。对于半导体材料，灵敏系数Ko=Ks=(1+2μ)+ πE 。前部分同样为尺寸变化，后部分为半导体材料的压阻效应所致，而πE 》(1+2μ)，因此Ko=Ks=πE 。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 2-3 简述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿办法。 电阻应变计的温度效应相对热输出为：εt=(ΔR/R)t/K=1/K αt Δt+(βs-βt)Δt 应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，会产生温度误差。 补偿办法：1、温度自补偿法 （只能在选定的试件上使用） (1)单丝自补偿应变计 (2)双丝自补偿应变计 2、桥路补偿法 （1）双丝半桥式 （2）补偿块法 2-4 试述应变电桥产生非线性的原因及消减非线性误差的措施。 原因： 上式分母中含ΔRi/Ri ，是造成输出量的非线性因素。无论是输出电压还是电流，实际上都与ΔRi/Ri 呈非线性关系。 措施：(1) 差动电桥补偿法 : 差动电桥呈现相对臂“和”，相邻臂“差”的特征，通过应变计合理布片达到补偿目的。常用的有半桥差 动电路和全桥差动电路。(2) 恒流源补偿法：误差主要由于应变电阻ΔRi 的变化引起工作臂电流的变化所致。采用恒流源，可减小误差。 2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？ 用作传感器的应变计，有更高的要求，尤其非线性误差要小（<0.05％~0.1％F*S ），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-5 如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求？ 一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一是作为转换元件，通过弹性敏感元件构成传感器，用以 对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。 要求：非线性误差要小（<0.05%~0.1%F.S ），力学性能参数受环境温度影响小，并与弹性元件匹配。 2-9 四臂平衡差动电桥。说明为什么采用。 全桥差动电路，R1,R3受拉，R2,R4受压，代入，得 由全等桥臂，得 可见输出电压Uo 与ΔRi/Ri 成严格的线性关系，没有非线性误差。即Uo=f(ΔR/R)。 因为四臂差动工作，不仅消除了飞线性误差，而且输出比单臂工作提高了4倍，故常采用此方法。 3-1 比较差动式自感传感器和差动变压器在结构上及工作原理上的异同。 自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯线圈，由两单一式对称组成。铁芯气隙，磁路磁阻随衔铁变化而变化，引起线圈电感量的变化。互感式传感器是一种线圈互感随衔铁位移变化的变磁阻式传感器。类似于变压器。互感式传感器为闭合磁路，初次级间的互感为常数；互感式传感器为开磁路，初、次级间的互感随衔铁移动而变，且两个次级绕组按差动方式工作。 3-4 变间隙式、变截面式和螺管式三种电感式传感器各适用什么场合？优缺点？ 电感式传感器主要用于测量位移和尺寸，以可以测量位移变化的其他参数，如力、张力、压力、力矩、压差、振动、应变、转矩、流量、密度等。三种传感器线性范围依次增大，灵敏度依次减少。 3-6 差动式电感传感器测量电路为什么经常采用相敏检波（或差动整流）电路？分析其原理 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。原理：使高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。 3-7 电感传感器产生零位电压的原因和减小零位电压的措施。 差动自感式传感器当衔铁位于中间位置时，电桥输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出(零位电压)，造成零位误差。原因：零位电压包含基波和高次谐波。产生基波分量的原因：传感器两线圈的电气参数和几何尺寸的不对称，以及构成电桥另外两臂的电气参数不一致；产生高次谐波分量的原因：磁性材料磁化曲线的非线性。措施：1、合理选择磁性材料与激励电流；2、一般常用方法是采用补偿电路，其原理为： (1)串联电阻消除基波零位电压；(2)并联电阻消除高次谐波零位电压；(3)加并联电容消除基波正交分量或高次谐波分量。3、另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如前述的相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次谐波分量，使传感器零位电压减至极小。4、此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。 331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ?????????????=-+-+++ ? ?????331241240123412341142R R R R R R R R U U R R R R R R R R ?????????????=-+-++++ ? ?????33124124012341234111111424U 4R R R R R R R R U U R R R R R R R R R R U R R ???????-?-??-?-??=-+-++++ ? ???????==
传感器课后答案解析
第1章概述 1.什么是传感器？ 传感器定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 1.2传感器的共性是什么？ 传感器的共性就是利用物理规律或物质的物理、化学、生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、电容、电阻等）输出。 1.3传感器由哪几部分组成的？ 由敏感元件和转换元件组成基本组成部分，另外还有信号调理电路和辅助电源电路。 1.4传感器如何进行分类？ （1）按传感器的输入量分类，分为位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等。（2）按传感器的输出量进行分类，分为模拟式和数字式传感器两类。（3）按传感器工作原理分类，可以分为电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。（4）按传感器的基本效应分类，可分为物理传感器、化学传感器、生物传感器。（5）按传感器的能量关系进行分类，分为能量变换型和能量控制型传感器。（6）按传感器所蕴含的技术特征进行分类，可分为普通型和新型传感器。 1.5传感器技术的发展趋势有哪些？ （1）开展基础理论研究（2）传感器的集成化（3）传感器的智能化（4）传感器的网络化（5）传感器的微型化 1.6改善传感器性能的技术途径有哪些？ （1）差动技术（2）平均技术（3）补偿与修正技术(4)屏蔽、隔离与干扰抑制 (5)稳定性处理 第2章传感器的基本特性 2.1什么是传感器的静态特性？描述传感器静态特性的主要指标有哪些？ 答：传感器的静态特性是指在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系。主要的性能指标主要有线性度、灵敏度、迟滞、重复性、精度、分辨率、零点漂移、温度漂移。 2.2传感器输入-输出特性的线性化有什么意义？如何实现其线性化？ 答：传感器的线性化有助于简化传感器的理论分析、数据处理、制作标定和测试。常用的线性化方法是：切线或割线拟合，过零旋转拟合，端点平移来近似，多数情况下用最小二乘法来求出拟合直线。 2.3利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算其非线性误差、迟滞和重复性误差。设压力为0MPa 时输出为0mV,压力为0.12MPa时输出最大且为16.50mV. 非线性误差略 正反行程最大偏差?Hmax=0.1mV，所以γH=±?Hmax0.1100%=±%=±0.6%YFS16.50 重复性最大偏差为?Rmax=0.08，所以γR=±?Rmax0.08=±%=±0.48%YFS16.5 2.4什么是传感器的动态特性？如何分析传感器的动态特性？ 传感器的动态特性是指传感器对动态激励（输入）的响应（输出）特性，即输出对随时间变化的输入量的响应特性。 传感器的动态特性可以从时域和频域两个方面分别采用瞬态响应法和频率响应法来分析。瞬态响应常采用阶跃信号作为输入，频率响应常采用正弦函数作为输入。
光纤光栅
“现代传感与检测技术”课程学习汇报 光纤光栅传感器及其在医学上的应用 学院：机电学院 专业：仪器科学与技术 教师：刘增华 学号： S201201134 姓名：王锦 2013年03月
目录 第一章光纤光栅简介 (3) 1.1 光纤的基本概念 (3) 1.2 光纤光栅器件的基本概念 (3) 1.3 光纤光栅的加工工艺 (4) 1.4 光纤光栅的类型 (5) 第二章光纤光栅传感器 (7) 2.1光纤光栅温度传感器 (7) 2.2 光纤光栅应变与位移传感器以及振动与加速度传感器 (8) 第三章光纤光栅传感器的应用 (10) 3.1 光纤光栅传感器在结构健康测试方面的应用 (10) 3.2光纤光栅传感器在医学中的应用 (10) 3.3 光纤光栅在其他领域的应用 (11) 第四章总结 (12) 参考文献 (12)
第一章光纤光栅简介 1.1 光纤的基本概念 光纤的结构十分简单。光纤的纤芯是有折射率比周围包层略高的光学材料制作而成的，折射率的差异引起全内反射，引导光线在纤芯内传播。 光纤纤芯和包层的尺寸根据不同的用途，有多中类型。如传输图像的光纤要尽可能地收集到起端面上的光，因此其包层相对于纤芯而言非常薄。长距离传输过程中，通信光纤的厚半层能避免光束泄露出纤芯。然而，短距离通信光纤的纤芯较大，能够尽可能地手机光，一般称为多模光纤，长距离通信光纤的纤芯直径 一边比较小，一般只能传输一个模式，因此成为单模光纤。 光纤具有机械特性和光学特性。在机械方面光纤坚硬而又灵活，机械强度大。光纤的光学特性取决于他们的结构与成分。一般轴对称的单模光纤可以同时传输两个线偏振正交模式或者两个圆偏振正交模式。这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在其传播过程中偏振态不会发生变化。 1.2 光纤光栅器件的基本概念 加拿大渥太华通信研究中心的K.O.Hill等人于1978年首次在掺锗石英光纤中发现光线的光敏效应，并采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅。光纤光栅是近几年发展最快夫人光纤无源器件之一，他的出现将可能在光纤技术以及众多相关领域中引起一场新的技术革命。由于它具有在管线通信、光纤传感、光计算和光信息处理等领域均具有广阔的应用前景。 光纤光栅是利用光线材料的光敏性（外界入射光子和纤芯锗离子相互作用in 器折射率永久性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的（透射或者反射）滤波或者反射镜。利用这一特性可构成许多性能独特的光纤无源器件，例如利用光纤光栅的窄带高反射特性构成光纤反馈腔，依靠掺铒光纤等为增益介质可制成光纤激光器；利用光纤光栅作为激光二极管的外腔反射器，可以构成课调谐激光二极管；利用光纤光栅课构成Michelson干涉仪型Mach-Zehnder干涉仪和Febry-Peort干涉仪型的光纤色散补偿器。利用闪耀光栅可以制成光纤平坦滤波器；利用非均匀光纤光栅还可以制成用于检测应力、应变、温度等诸多参量的光纤传感器和各种传感网。
常见光纤光栅传感器工作原理
常见光纤光栅传感器工作原理 光纤光栅传感器的工作原理 光栅的Bragg波长λB由下式决定：λB=2nΛ （1） 式中，n为芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，可实现对应力和温度的分别测量，也可同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），还可实现对电场等物理量的间接测量。 1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理 上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时，就显得力不从心。一种较好的方法就是采用啁啾光纤光栅传感器。 啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λB的变化外，还会引起光谱的展宽。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn／dT），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。 2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理 长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，LPG在特定的波长上把纤芯的
光耦合进包层：λi=（n0-niclad）。Λ。式中，n0为纤芯的折射率，niclad为i阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。一个独立的LPG可能在一个很宽的波长范围上有许多的共振，LPG共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λi，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而LPG适用于多参数传感器。 光纤光栅传感器的应用 1、在民用工程结构中的应用 民用工程的结构监测是光纤光栅传感器最活跃的领域。力学参量的测量对于桥梁、矿井、隧道、大坝、建筑物等的维护和状况监测是非常重要的。通过测量上述结构的应变分布，可以预知结构局部的载荷及状况。光纤光栅传感器可以贴在结构的表面或预先埋入结构中，对结构同时进行冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等，以监视结构的缺陷情况。另外，多个光纤光栅传感器可以串接成一个传感网络，对结构进行准分布式检测，可以用计算机对传感信号进行远程控制。 光纤光栅传感器可以检测的建筑结构之一为桥梁。应用时，一组光纤光栅被粘于桥梁复合筋的表面，或在梁的表面开一个小凹槽，使光栅的裸纤芯部分嵌进凹槽得以保护。如果需要更加完善的保护，则最好是在建造桥时把光栅埋进复合筋，由于需要修正温度效应引起的应变，可使用应力和温度分开的传感臂，并在每一个梁上均安装这两个臂。 两个具有相同中心波长的光纤光栅代替法布里－珀罗干涉仪的反射镜，形成全光纤法布里－珀罗干涉仪（FFH），利用低相干性使干涉的相位噪声最小化，这一方法实现了高灵敏度的动态应变测量。用FFPI结合另外两个FBG，其中一个光栅用来测应变，另一个被保护起来，免受应力影响，以测量和修正温度效应，所以FFP～FBG实现了同时测量三个量：温度、静态应变、瞬时动态应变。这种方法兼有干涉仪的相干性和光纤布拉格光栅传感器的优点。已在5mε的测量范围内，实现了小于1με的静态应变测量精度、0.1℃的温度灵敏度和小于1nε/（Hz）1/2的动态应变灵敏度。
压力传感器及误差补偿
压力传感器 误差补偿 孙慧卿 郭志友口 一、引言 缡要：介结了医力传感器、变送器、智能压力传感器．对压力传感器魄扩散硅压力传感器相当于一零点漂移、压力灵敏蜜、菲线性误差进行补偿。设计了压力变送器、溘个有四只电阻的桥路。半导体电蜜变送器、～Ｄ转换器和单旨机电路。较好地补偿压力传感器的误差．阻有温度系数，会产生温度误提高漉量犍良一个数量级勖．达药溅量精良ｏｊｌ％±’字。关键词：智能压力传感器误差补偿精良蓑．估成巽酌厍锸牲牲可右非姥性误差。因此，压力传感器在实际应用中会有温度和压力误差存在。利用压力传感器进行高精度测量时，就要对压力传感器的误差进行补偿。补偿温度误差是用一只温度传感器准确测量环境温度，根据不同温度下的压力数据对其进行数据转换，使得所有测量数据转换为２５℃时的数值，这一转换就是对压力信号的温度零点误差补偿。 设计一个压力传感器和电路系统，由压力传感器、温度传感 器、加转换器和单片机电路组 成，称为智能压力传感器。同时测量温度和压力信号，对压力传感器的误差进行补偿，实现提高测量精度的目的。设计智能压力传感器的步骤是： ①压力和温度传感器电路；②设计Ａ／Ｄ转换器和单片 ： １…令蚋９二掣拓ｒ一 机电路； ③在不同温度下准确测量压力传感器的输出数据； ④编制温度、非线性误差补偿的程序； ⑤测量数据写入程序中，在传感器测量中及时补偿所产生的误差。 二、传感器原理 １、压力传感器 扩散硅压力传感器可以等效为一个电桥电路川，压力传感器等效电路如图ｌ所示。图中电阻Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、心为电桥的四个桥臂电阻，电桥输出电压为： 蜘杀骗％㈩ ｙ。＝一ｙ油 ＼ｌ／ “ （尺１＋尺２）（尺３＋尺４） … 半导体压敏电阻具有各向异性的特性，设计使电桥电阻Ｒ１、Ｒ３具有正增量，电阻Ｒ２、＆具有负增量，再设计成各个桥臂电 阻相等，并且变化量也相等，公式（１）简化为： 睁等岷 （２） ＾ 其中， 尺１＝Ｒ２＝尺３＝尺４＝尺， 则 欲１－肷２＝衄３＝欲４＝监。 从式（２）得知，电桥输出 电压亿与输入电压％成正比关系，％是恒定电压，当电桥受压 力时，电桥电阻发生变化电桥失去平衡，说明电桥的工作电流是变化的，也就是说输出电压分别与电流和压敏电阻相关，这不利于电路稳定，因此，选择恒定电流厶为电桥供电就避免了这一问题的产生，即有输出电压Ｋ仅仅随压敏电阻变化而改变。 ２、压力变送器 压力传感器在液位测量环境特殊性决定压力传感器普遍采用４—２０ｍＡ形式传输，这样使信号可以远距离传送。压力传感 万方数据