摘 要
本文简要介绍了在动态位移测试中常用的霍尔元件和激光位移两种非接触式位移传感器基本原理。通过对比试验研究了它们的频响、抗干扰能力、精度等主要特性。确定了用激光位移传感器替代霍尔元件位移传感器运用于结构件动响应位移测试中。
【关键词】动态位移测量 霍尔元件 激光位移传感器
1 引言
随着航空事业的不断发展，鸟撞试验越来越受到航空部门的重视。飞机与飞鸟相撞过程属高速软体撞击过程，最大撞击时速可达1千多公里甚至更高，而整个撞击过程仅为几毫秒。位移测量必须满足动态非接触式高速连续测量的要求，这是一般接触式传感器无法满足的。传统采用霍尔元件位移传感器进行鸟撞试验中试验件的动态位移测量，但是随着飞机、武器装备研制向更高精度方向发展，这种霍尔元件位移传感器已经越来越多地暴露出精度低、量程短、易受环境干扰等缺点，已经制约了测量精度的提高，不能满足新武器装备的研制需要。
随着激光测量技术的广泛应用，激光位移传感器因其量程大、分辨率高、抗干扰能力强、安装定位简单，能满足更高的要求，也越来越多的应用于各种工业场合。并逐渐取代霍尔元件成为非接触测量的主要技术手段。
2 霍尔元件位移传感器原理
霍尔元件以霍尔效应为其工作基础。如图1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为
式中d为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。
上述效应称为霍尔效应，。根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。但由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它的输出为模拟电压量。
在磁场中，霍尔元件的输出电压随磁场强度的改变而改变。因此，将小磁块粘贴在被测物表面，将霍尔元件与其相隔一适当距离放置，当被测物受力发生位移而使磁块与霍尔元件的距离发生改变时，霍尔元件的输出电压亦将产生变化，检测这一电压变化量，即可从事先标定的位移—电压关系曲线中定量确定被测物的位移量。
3 激光位移传感器基本原理
激光位移传感器利用三角测量法。其最大优点是非接触式测量。随着激光器的诞生、光电扫描技术的发展、计算机控制和数据处理的应用，使这种传统的方法有了新的进展和应用。
最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面，在另一个方向通过成像观察反射光点的位移。由于入射和反射光构成一个三角形，所以这种方法被称为三角测量法。激光器发出的光线，经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体的表面，物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接受来自入射光点处的散射光，并将其成像在光点位置探测器敏感面上。但由于传感器激光束与被测面垂直，因此只有一个准确的调焦位置，其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥散，从而降低了系统的测量精度。为了提高精度，反射角θ1和θ2必须满足Scheimpflug条件，即 tgθ1=βtgθ2式中，β 为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦成像在探测器上，从而保证了精度。
4 两种传感器性能对比分析
为了比较两种不同原理位移传感器的具体性能，我们选用在动响应位移测试中经常使用的霍尔元件位移传感器，以及日本KEYENCE公司的新型LK-G400激光位移传感器，通过对比试验验证了它们的主要性能。
4.1 传感器频响测试
将频率为f Hz的正弦交变电压加在一个带有铁芯的线圈两端，根据法拉第电磁感应原理，线圈将产生频率为f Hz的交变磁场。在垂直于霍尔元件的方向加以频率f Hz的交变磁场，通过示波器检验输出，若霍尔传感器输出频率为f Hz的正弦电压，幅值不发生衰减，说明其频响为f Hz。通过试验霍尔传感器的频响能达到1 MHz 。
激光位移传感器的频响因受传感器激光接收器采样率、量程范围的影响，我们选取量程范围为±100mm，采样率为20us，此时频响达到50KHz，能满足试验的动响应测量要求。若只考虑频响要求，霍尔元件传感器频响范围要比激光位移传感器的频响范围宽。
4.2 抗干扰能力比较
选择在同一现场环境中进行了两种传感器的对比试验。同一试验测量场合，激光位移传感器的噪声信号要小，其抗干扰能力比霍尔元件提高很多。传感器附近的导磁性材质对霍尔元件的影响很大，霍尔元件位移传感器在某些小变形测量时甚至会出现因为干扰大而无法分辨或者错误的测量结果。
4.3 测量精度比较
为了比较两种传感器的精度，将完成静态标定的两种位移传感器分别接入信号采集系统，将两种传感器同时固定在精度为0.001mm的测长仪上进行验证。当相对移动距离为5.00、10.00、15.00、20.00、25.00、30.00、35.00、40.00mm时，霍尔元件位移传感器测量值为4.91、9.88、14.81、19.72、24.52、29.43、34.32、39.12mm；激光位移传感器测量值为4.995、9.993、14.995、19.993、24.991、29.992、34.993、39.994mm。激光位移传感器的测量误差比霍尔元件位移传感器的测量误差要减小一个数量级。大幅提高了试验测量精度。
4.4 传感器量程
霍尔元件位移传感器因为必须受到传感器磁铁磁场的作用才能探测位移量。因此量程受到很大制约。在用的40mm量程霍尔元件位移传感器经常出现满量程无法测量位移峰值，不能满足大位移试验测量要求。
激光位移传感器的量程受采样率设置的影响。采样率为20us时，量程为±100mm。能很好满足试验中动态位移测量要求。
5 结论
激光位移传感器替代霍尔元件位移传感器，成功应用于动态位移测量。本论文通过两种位移传感器原理的阐述和对比试验验证，确定激光位移传感器在抗干扰能力、试验精度等方面都有霍尔元件位移传感器不可比拟的优良特性，且其现场安装简单易行。能更好的运用于结构件强度试验动态位移非接触测量领域。为实现高可靠、高精度非接触式动态测量找寻了一种新的技术手段，提高了动响应测试能力。
作者单位
江西省南昌市中航工业洪都集团650所 江西省南昌市 330024