Преобразователь механических величин

 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, содержащий источник света и v установленные по ходу луча поляризатор , чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник, отличающ и и с я тем, что, сцелью упроше ния преобразования механических величин в цифровой код, в него дополнительно введена линза, расположенная между анализатором и фотоприемникрм, а чувствительный элемент выполнен в виде двух смежных доменных областей, имеющих разные тензоры.спонтанной деформации и расположенных так, что плоскость их оптического раздела перпендикулярна силочувствительной оси чувствительного элемента, при этом ф9топриемник выполнен в виде фотоматрицы. « 00 Об sl

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) ф(59 G01 Ь 1 24 г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3426383/18-10 (22) 20.04.82 (46) 15.09.83. Бюл. 9 34 (72) И.В.Осипов, В.П.Кузенков, Н.П.Костюлин и В.М.Плужников (71) Московский ордена Трудового

Красного Знамени инженерно-физический институт (53) 531.781(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

)) 759841, кл. 5 01 L 1/24, 1976.

2. Известия высших учебных заведений. Раздел "Физика", т.10, вып„ 2, 1977, с. 145-146 (прототип). (54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ

ВЕЛИЧИН, содержащий источник света и

% установленные по ходу луча поляризатор, чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упроще ния преобразования механических величин в цифровой код, в него дополнительно введена линза, расположенная между анализатором и фотоприемником, а чувствительный элемент выполнен в виде двух смежных доменных областей, имеющих разные тензоры.спонтанной деформации и расположенных так, что плоскость их оптического раздела перпендикулярна силочувствительной оси чувствительного элемента, при этом ф.)топриемник выполнен в виде фотоматрицы.

Ф е 1041887

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при создании устройств для измере.. ния сил, давлений и других параметров. известны пьезооптические датчики 5 механических величин, содержащие источник света, -поляризационно-оптическую систему и фотоприемник. В этом датчике чувствительный- элемент подвергается деформации сжатия-рас- 10 тяжения. Поляризационно-оптическая система .выполнена по дифференциаль" ной схеме прямого преобразования (1) .

При малых деформациях .чувствительного элемента рабочий диапазон пре- 15 образования лежит в пределах первого интерференционного максимума. Для преобразования аналогового выходного сигнала в цифровую форму необходимо применение АЦП, что .значительно усложняет устройство и делает его дорогостоящим.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является .преобразователь механических величин, содержащий источник света и установленные по ходу луча поляризатор, чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник. В этом преобразователе кристалл сегнетоэластика, имеющий полидоменную структуру, подвергается механической деформации. В результате в кристалле происходит прорастание доменов новой простраНственной ориентации, ;а также укрупнение или измельчение исходных двойников. После снятия нагрузки доменная структура полностью . восстанавливается. Вследствие реориентации оптической. Индикатрисы в доменах различных ориентационных 40 состояний происходит интегральное изменение интенсивности светового. потока, прошедшего от источника к фотоприемнику через кристалл и расположенные по Разные стоРоны от него 45 поляроиды (2) .

Выходным параметром преобразователя является аналоговая величинанапряжение. Преобразование измеряемой величины в цифровый код возможно лишь 0 с помощью электронных средств аналого-цифрового преобразования, что значительно усложняет устройство прибора.

Целью изобретения является упрощение преобразования механических величин в цифровой код.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователь механических величин, содержащий источник света и установЛенные по ходу луча поляризатор, чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник, дополнительно введена линза, расположенная . между анализатором и фотоприемником, 5 а чувствительный элемент выполнен в виде двух смежных доменных областей, имеющих разные тензоры спонтанной деформации и расположенных так, чу плоскость их оптического раздела перпендикулярна силочувствительной оси чувствительного элемента, при .этом фотоприемник выполнен в виде фотоматрицы.

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового преобразователя с яркостным выделением доменной границы, на фиг. 2 — структурная схема цифрового преобразователя с затемнением изображения одного иэ смежных доменов.

Преобразователь механических величин состоит из источника света 1, диафрагмы 2, поляризатора 3, сегнетоэластического чувствительного, элемента 4, раэделенного домеййой стенкой 5 на две смежные доменные области, устройство приложения усилия 6, анализатора 7, линзы 8, фотоматрицы 9, пластинки 10 в четверть длины волны.

Преобразователь механических величин работает следующим образом.

Световой поток от источника света 1 проходит диафрагму 2, поляризатор 3 и попадает на сегнетоэластический чувствительный элемент 4.

Ширина щели диафрагмы ограничивает . просвечиваемую рабочую зону Чувствительного элемента. В пластине крис„талла сегнетоэластика, соответствующим образом ориентированной и вырезанной относительно кристаллогра- ., фических осей, формируется плаиарная доменная стенка 5, разделяющая две, смежные доменные области и находящаяся в просвечиваемой рабочей зоне чувствительного элемента. Толщина доменной стенки зависит от физических свойств .кристалла и в среднем составляет величину поряДка одного микрона. В связи с тем, что стенка разделяет два смежных домена с разными значениями тензора спонтанной деформации, то она представляет .

Прозрачную область оптической неоднородности и имеет различную структуру по толщине.

В зависимости от класса кристаллографической симметрии, вида фазового перехода и способа поляриэаци" оино-оптической фильтрации возможно ослабление интенсивности света, прошедшего сквозь один домен по отношению к уровню света, прошедшего смежный дойен, или ослабление света, прошедшего обе доменные области по отношению к свету, прошедшему сквозь доменную стенку.

Свет, прошедший участок кристалла чувствительного элемента с доменной, стенкой не меняет плоскости поляри.:,".М

3 10418 эации и расходится небольшой угловой апертурой. Стенка является как бы вторичным линейным источником света. Это происходит частично вследствие дифракции и частично из-за изменения коэффициента преломления вдоль стенки.

Через устройство приложения усилия б механическое напряжение опре" деленной величины и направления относительно кристаллофизически* "® осей вызывает перемещение планарной доменной границы параллельно самой себе в рабочей зоне чувствительного элемента. Если возникающие в кристалле механические напряжения не превы-, 35 шают порогового уровня, то после снятия воздействия стенка возвраща-. ется в исходное состояние. В зависимости от вида кристалла и формы его огранки, наблюдается смещение доменной грйницы на величину до

1,5 мм с последующим возвращением ее з исходное положение после снятия механической нагрузки. Экспериментально установлено, что связь 25 между величиной смещения и механическим напряжением имеет линейный характер.

Эта толщина пластины чувствительного элемента выбрана таким образом, что набег фазы между обыкно- венным и необыкновенным лучом составляет ф (2 g + 1), то при параллельно расположенных поляризаторе и анализаторе 7.: доменная стенка

-проектируется линзой 8 на фотоматрицу 9 в виде светлой линии на темном фоне.

Для уменьшения уровня света, прошедшего один домен по сравнению с уровнем света, прошедшего другой 40 домен, можно применить поляризационно"оптическую схему, приведен87 ную на фиг; 2. Толщина кристалла чувствителЬного элемента выбирается такой, чтобы задержка по фазе составляла 90О (0,37 мм для молибдата гадолиния). Пройдя через пластинку чувствительного элемента свет становится циркулярно поляризованным. Направление круговой поляризации противоположно в соседних доменах вследствие различной ориентации оптической индикатрисы. Поляризованный по кругу свет, прошедший через чувствительный элемент, преобразуется в линейно поляризованный после пластинки 10 в четверть длины волны.

Плоскости поляризации. света, вышедшего из двух соседних доменов, лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях, соответствующим двум состояниям кристалла. Таким образом, оптическое излучение может быть либо пропущено, либо задержано анализатором, .а доменная стенка является границей. между светлой и .темной областями. Засвеченййе элементы фотоматрицы меняют позиционный цифровой код на ее выходе.

Экспериментальные исследованйя преобраэователя с применением ПЭС-фотолинейки А1033 показали, .что общая погрешность измерения в диапазоне температур 10-ЗООС не превышает 0,1%.

Применение оптической схемы пространственно-поляриэационной фильтрации перемещения доменной стенки вследствие:механического воздействия и использование фотоматрицы в качестве приемника перемещения позволяет непосредственнО преобразовывать механическую величину,в цифровой код и исключйть тем самым иэ измерительного тракта сложный блок аналогоцифрового преобразования.

ВНИИПИ 3 аказ 711б/42 Тираж 873 Подписное

Филиал HIIII "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4