Пьезооптический измерительный преобразователь

 

ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий дифференциальную поляризационно-оп- . тическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляризаторов , упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, анализаторов и фотоприемников, о тличающийс я тем, что, с целью расширения предела измерения, в упругом злементе с противоположных сторон по ходу световых лучей выполнены глухие соосные отверстия.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (I I J

4 (51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3666924/24-10 (22) 23.11.83 (46) 07.05.85. Бюл. N 17 (72) N.À. Ананян, M.È. Ермохин, С.С. Зайцев, В.И. Садовников, Т.С. Султан-заде и В..А. Ширяев (53) 531.781:531.787(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 430323, кл. G 01 P 15/09, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР

В 567966, кл. С 01 L 1/24, 14.05.74. (54) (57) ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, анализаторов и фотоприемников, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения предела измерения, в упругом элементе с противоположных сторон по ходу световых лучей выполнены глухие соосные отверстия.

1154564

Изобретение относится к приборам, предназначенным для измерения механических величин: сил, давлений ускорений, деформаций и моментов.

Известны пьезооптические измери- 3 тельные преобразователи, содержащие два поляризационно-оптических канала, включающих последовательно расположенные источник света, поляризатор,- пьезооптический упругий эле- 10 мент, фазосдвигающую пластину, анализатор и фотоприемник (Ц .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ньезооптический измерительный преоб- Ы разователь, содержащий дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляриза- 20 торов, упругого элемента, фазосдви-, гающих пластинок, анализаторов и фотоприемников 121.

Недостатком известных устройств является невозможность расширения 2S пределов измерения без увеличения габаритов упругого элемента, так .как размеры упругого элемента выбираются из требуемой нелинейности выходного сигнала. 30

Цель изобретения — расширение предела измерения.

Цель достигается тем, что в пьезооптическом измерительном преобразователе, содержащем дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, 40 анализаторов и фотоприемников, в упругом элементе с противоположных сторон по ходу световых лучей выполнены глухие соосные отверстия.

На фиг. 1 схематически изображена 4$ схема преобразователя с упругич элементом, имеющим соосные углубления и перемычку между ними; на фиг. 2— упругий элемент (сечение А-А на фиг.1); на фиг.З вЂ” статические харак-$9 теристики поляризационно-оптических каналов; на фиг.4 — схема преобразователя с упругим элементом из пластин, склеенных боковыми гранями; на фиг.5— схема преобразователя с упругим эле- N ментом иэ склеенных пластин, имеющего два предела измерения; на фиг".6схема преобразователя с упругим элементом и отражающей прослойкой; на фиг.7 — схема преобразователя с упругим элементом, склеенным из пластин, разделенных отражающими прослойками, имеющего два предела измерения.

Преобразователь (фиг.1) состоит из двух поляризационно-оптических каналов В и С (в дальнейшем — каналов), содержащих источник 1 света, поляризаторы 2 и 3, упругий элемент

4, один конец которого закреплен на основании 5, а к другому концу приложена измеряемая сила Р, фазосдвигающие пластинки 6 и 7, анализаторы

8 и 9, фотоприемники 10 и 11. Упругий элемент 4 имеет два соосных углубления 12 и 13 и перемычку 14 между ними, толщина 1 которой по ходу пучков света меньше толщины d упругого элемента. Плоскости поляризации поляризаторов 2 и 3 и анализаторов 8 и

9 наклонены под углом 45 к направо лению наибольшего главного нормального напряжения, создаваемого измеряемой силой Р в упругом элементе

Ось наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки б параллельна, а ось наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки 7 перпендикулярна наибольшему главному нормальному напряжению в упругом элементе 4. Фотоприемники

10 и 11 включены дифференциально.

Преобразователь работает следующим образом.

Световые пучки, пройдя поляризаторы 2 H 3, становятся плоскополяризованными в обоих каналах. В нагруженном силой P упругом элементе 4 каждый из световых пучков распадается, на две составляющие, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскости поляризации этих составляющих параллельны наибольшему и наименьшему нормальным напряжениям в

3 упругом элементе, а скорости их распространения пропорциональны этим напряжениям. Поэтому после прохождения упругого элемента составляющие световых пучков в каждом канале получают взаимную разность фаз Ьк, и

9 выделяют из указанных составляющих части, поляризованные в их плоскостях пбляризации. В результате интерференции этих частей, являющихся когерентными световыми колебаниями с одинаковым направлением плоскости

1154 поляризации, интенсивность света после анализаторов, а следовательно, и выходные сигналы U<(a) и U (ê) фотоприемников 10 и 11 зависят от разностей фаз h o(I и 4Ж, т.е. от величины измеряемой силы P. Зависимости 01(с ) и Б (ос) от 6 о(1 и вес (фиг.3) выражаются соотношениями

U (Од = U язп2—

U (1 — sin2 -) 0(м 2 и Ц2(К) = где U — максимальные значения выходных сигналов фотоприемников.

Наибольшая крутизна и линейность этих зависимостей наблюдается на участках статических характеристик каналов вблизи точек их перегиба, соответствующих фазовым сдвигам

II

Для вывода рабочих точек

2и d

gI,Î о

rpe C — механическое напряжение в

3.9 упругом элементе; — волновое механическое напряжение в упругом элементе. 50

Из указанного выражения видно, что при прочих равных условиях, в частности при одном и том же значении О, величина 6ot пропорциональна

d. При наличии в упругом элементе 4 55 соосных углублений 12 и 13 относительная деформация упругого элемен- та и перемычки 14 одинакова, следоканалов на эти участки используются фазосдвигающие пластинки 6 и 7.

Для расширения предела измерения преобразователя при ограниченных значениях ширины Ь и толщины d его упругого элемента 4 (фиг.2) в упругом элементе выполняются два .соосных углубления.12 и 13, между которыми находится перемычка 14. Световые пучки В и С поляризационно-оптических ,каналов проходят через перемычку 14.

Величина 6 в таком упругом элементе уменьшается по сравнению с обычным упругим элементом при той же силе Р во столько раз, во сколько раз толщина d перемычки меньше толщины d упругого элемента.

Величина 6ж определяется по выражению

564 4 вательно одинаково и значение C . Ho так как при прохождении света через перемычку путь света в ней d меньше пути света в обычном упругом элементе, то в столько же раз уменьшится и фазовый сдвиг 6a, накапливаемый составляющими светового пучка в перемычке при том же значении силы P приложен ной к упругому элементу.

При этом появляется возможность увеличить значение силы Р, соответствующее линейному изменению hoC не увеличивая размеров Ь и d упругого элемента. Это увеличение силы .P a следовательно, и предела измерения может составлять 1-2 порядка, посколь. ку обеспечить различие d„ и d на

1-2 порядка технологически вполне осуществимо.

Обеспечение значительной разницы

d> и d упрощается, если упругий элемент изготавливается из трех плас тин, склеенных боковыми гранями, причем в крайних пластинах предварительно просверлены отверстия (фиг.4).

Прозрачность плоскостей перемычки легко обеспечивается в результате пред. варительной полировки граней средней пластины.

Если сделать в упругом элементе две или более пары соосных отверстий с различными толщинами разделяющих их перемычек 14 и 15 и снабдить преобразователь дополнительно одной или более парами дифференциальных поляризационно-оптических каналов (две пары таких каналов изображены на фиг.5), то преобразователь будет иметь два или более выхода с двумя или более пределами измерения, причем сигналы можно. получать со всех выходов одновременно. Тем самым создается возможность заменить несколько типоразмеров датчиков: основанных на базе преобразователя, одним датчиком, производящим измерения в широком диапазоне изменения измеряемой силы.

Это особенно важно, когда уровень измеряемой величины заранее неизвестен.

Уменьшить длину хода светового пучка d„ в упругом элементе, не изменяя его общей толщины d, можно не только с помощью соосных углублений.

Для этого достаточно скпеить упругий элемент из двух пластин, разместив между ними отражающую прослойку. В этом случае фазосдвигающие пластинки, 1154564 анализаторы и фотоприемники размещаются на пути отраженного пучка (фиг.6), Такая схема отличается от известных тем, что в ней удается получить более однородное напряжение в упругом элементе в зоне просвечивания, кроме того, отпадает необходимость сверления углублений.

На основе схем (фиг.7) можно получить преобразователь с несколькнмн пределами измерения, если снабдить его упругий элемент двумя или более отражающими прослойками, например

16 и 17, расположенными на различной глубине и перекрывающими различные участки сечений упругого элемента, параллельных входной грани, и снабдить преобразователь одной или более дополнительными парами поляризационно-оптических каналов, световые пучки которых отражаются от различных по глубине отражающих прослоек.

Пьезооптический измерительный преобразователь позволяет на 1-2 порядка расширить пределы измерения, основанные на нем датчиком, и тем самым значительно расширить область их применения. Становится возможным использование преобразователя для измерения давлений порядка 10 10 кг/см, для взвешивания грузов порядка 10 кг в дозаторах и трансФ портных весах, для измерения усилий в опорах подъемных устройств и т,д.

Предлагаемый преобразователь позволяет создавать на его основе многопредельные датчики, в результате чего уменьшаются в несколько раз числа типоразмеров датчиков при тех или иных исследованиях механических процессов и ускоряется процесс измерения. Это упрощает и удешевляет исследования.

1154564

Фиг. 7

Пвщщв Закан 2704/36 Тараи 897 Пекинское

Ввлваа ППП Патент, г. Уигород, ул.Проектиаи,4