Волоконный пьезооптический измерительный преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения физических величин, выэьшающих механические напряжения в твердом теле. Цель изобретения - расширение .диапазона измерений. Преобразователь содержит передающий волоконный световод 2 и приемные волоконные световоды 8, 10, 12, 14, торцами контактирующие с боковой гранью призмы. На две боковые грани призмы нанесены диэлектрические пленки с показателем преломления, отличным от показателей преломления окружающей среды и материала упругого элемента 4, обеспечивающие на границе раздела полное внутреннее отражение. Световой поток от источника 1 излучения по волоконному световоду 2 поступает через поляризатор 3 к фотоупругому чувствительному элементу 4. При воздействии силы в элементе 4 возникает анизотропия , в результате которой происходит набег фаз if между обыкновенным и-необыкновенным лучами. В блоке 18 обработки, в который поступают сигналы фотоприемников 9, 11, 13, 15 через блоки 17 и 16 вычитания,происходит вычисление угла (р. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (511 4 С 01 L 1 24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР пО делАм изОБРетений и ОтнРытий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ вЂ” 1

H АВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3826928/24-10 (22) 19.12.84 (46) 30.11.86. Бюл. Р 44 (72) Вик.И.Садовников, Вл.И.Садовников, Т.С.Султан-3аре и В.И.Сучков (53) 531. 181 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 567964, кл. G 01 L 1/24, 1972.

Авторское свидетельство СССР

Р 1204979. (54) ВОЛОКОННЫЙ ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗ-

МЕРИТЕЛЬНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения Физических величин, вызывающих механические напряжения в твердом теле. Цель изобретения — расширение ,диапазона измерений. Преобразователь содержит передающий волоконный световод 2 и приемные волоконные световоды 8, 10, 12, 14, торцами контактирующие с боковой гранью призмы. На две боковые грани призмы нанесены диэлектрические пленки с показателем преломления, отличным от показателей преломления окружающей среды и материала упругого элемента 4, обеспечивающие на границе раздела полное внутреннее отражение. Световой поток от источника 1 излучения по волокон-, ному световоду 2 поступает через поляризатор 3 к фотоупругому чувствительному элементу 4. При воздействии силы в элементе 4 возникает анизотропия, в результате которой происходит набег Фаз (f между обыкновенным и .необыкновенным лучами. В блоке 18 обработки, в который поступают сигналы фотоприемников 9, 11, 13, 15 через блоки 17 и 16 вычитания, происходит вычисление угла ф . 3 ил.

1273755

Йзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения физических величин, вызывающих механические напряжения в твердом теле (давление, сила, ускорение, температура и др.).

Целью изобретения является расширение диапазона измерений.

На фиг.1 представлена схема оптоволоконного пьезооптического измерительного преобразователя; на фиг.2— схема чувствительного фотоупругого элемента; на фиг.3 — статические характеристики каналов преобразователя.

Волоконный пьезооптический измерительный преобразователь (фиг.1) содержит источник 1 излучения, передающии волоконный световод 2, поляризатор 3, чувствительный фотоупругий элемент 4, полированную грань 5 чувствительного элемента, полированную зеркальную грань 6 чувствительного элемента, полированную грань 7 чувствительного элемента, первый приемный волоконный еветовод 8, фотоприемник 9 первого оптического канала, второй приемный волоконный световод

10, фотоприемник 11 второго оптического канала, третий приемный волоконный световод 12, фотоприемник 13 третьего оптического канала, четвертый приемный волоконный световод 14, фотоприемник 15 четвертого оптического канала, блок 16 вычитания первого дифференциального канала, в который входят первый и второй оптические световоды, блок 17 вычитания второго дифференциального канала, в который входят третий и четвертый оптические световоды, и блок 18 обработки сигнала.

Фотоупругий чувствительный элемент показан на фиг.2.

Иеста полного внутреннего отражения по ходу луча от световода 2 обозначаются по порядку буквами à, b c в прямом направлении луча, а в обратном — d, e, Е, . Буквы а-g с индексами I-IV обозначают места, в которых испытывают полное внутреннее отражение лучи, попадающие в первый-четвертый приемные оптические световоды соответственно.

Иеста, где на грани призмы нанесены диэлектрические пленки, обозначень> заштрихованными прямоугольникаЛуч света, попадающий в первый приемный световод, по пути а -g, не имеет диэлектрических пленок в местах полного внутреннего отражения от граней 5 и 6.

Луч света, попадающий во второй приемный еветовод, по пути ап-g» имеет четыре напыленные диэлектрические пленки в местах bz с,, Х

1О

Луч света, попадающий в третий приемный световод, имеет две напыленные диэлектрические пленки в местах fz» и 8z»

15 Луч света, попадающий в четвертый приемный световод, имеет шесть напыленных диэлектрических пленок в мест х а (bz>(еЬ -"zv 8z>(При полном вну-.реннем отражении

2G между параллельной и перпендикулярной компонентами поляризованного света возникает сдвиг фаз, определяемый формулой

cos 0 sin В -

25 tp

2 -in 9 где 3 — угол фазового сдвига;

8 — угол падения; и — относительный показатель преЗО ломления на границе раздела двух еред.

Так, например, выбирая материал для фотоупругого чувствительного элемента е показателем преломления и (3, 1 (GaF — фосф>щ галлия), диэлектрическую пленку и; = 2 (ZnO — окись цинка), внешнюю окружающую среду n = — 1 (воздух) и угол падения 6 о

=- 43 36, выполняем условия .и >n„.>n, 1 ф) о n, o и 8= 43 36 )are sin — = 40,17 и!

Эти условия являются достаточными для того, чтобы на границе раздела..

45 материала фотоупругого элемента с диэлектрической пленкой или внешней средой происходило полное внутренне отражение

На границе раздела п /и, имеем фазовый сдвиг, определяемый указанной формулой, равный (:g и, /n cos >.(.

2 sin28 о соз 43 36 й.

sin 43 36

= 0,9279, 1273755 откуда а„„

Π— arctg 0 9279=42 86

У У У п /п 85 е 72 в

На границе раздела n;/и, п (и, cos43 Зб о

1О

sin 43 36

= ОФ3711э откуда п ln о с

Q — — 20 36 и = 40 72

n, I n:. ° созО

О = 2srctg зiп Я соя йя п 8 -(и; /п ) 2

sin2 8 — 85,72 -40,72 = 45

Поэтому сдвиг фаз между первым каналом (без диэлектрической пленки) и .. вторым (4 раза отражается луч от диэлектрической пленки) составляет о о

4 45 = 180, между третьим .и первым—

О о

90, между четвертым и первым — 270, Минимальные габаритные размеры призменного чевствительного элемента 4О связаны соотношением

L )2Htg & где L — - длина большего основания рав-4 нобочной трапеции в сечении призмы;

Н вЂ” высота равнобочной трапеции;

9 — углы между боковыми сторонами и большим основанием рав- gO нобочной трапеции.

Волоконный пьезооптический измерительный преобразователь работает следующим образом.

Световой поток от источника 1 из- у лучения по передающему волоконному световоду 2 поступает к поляризатору 3 и становится после него плоско

Таким образом, разность фаз между отражением на границе с воздухом и отражением на границе с диэлектрической пленкой для выбранных выше и,, и, n, 8 составляет

1 °

25 поляризованным под углом 45" к направлению воздействия силы Р, приложеннои к фотоупругому чувствительному элементу 4. Световой поток внутри чувствительного элемента падает на полированную грань 7 и, испытав пол-. ное внутреннее отражение, снова падает на грань 5, а от нее на зеркальную грань 6, установленную под прямым углом к направлению луча. Отразившись от зеркальной грани 6, лучи, претерпев последовательно полные внутренние отражения от грани 5, 7, 5, проходят через поляризатор 3, являющийся в данном случае для прием-ных каналов анализатором и приходит в торцы приемных световодов 8, 10, 12, 14 (фиг.2, Т-TV). Под воздействием силы Р в чувствительном элементе возникает анизoTponHH и по пути следования луча происходит набег фазы р между обыкновенным и необыкновенным лучами.

Статистическая характеристика первого приемного канала показана на фиг.З,а, где напряжение на фотоприемнике 9 изменяется по синусоиде, смещенной относи"ельно оси ординат, в зависимости от приложенной силы P.

Статическая характеристика Второ го приемного канал (фи".Ç,î, имеет фазовый сдвиг Нсс i7(180 ) относительно статической характеристики канала 1, обусловленной отражением от диэлектрической пленки в местах bl

Cll > fyI H

Результирующее напряжение И первого дифференциального канала как разность напряжений первого и второI го приемных каналов на выходе блока

16 вычитания показано на фиг.З,в.

Такое же напряжение, но сдвинутое по фазе на и/2 (90 ) имеется на выходе блока 17 вычитания второго дифференциального канала, в который вхо дят третий и четвертый приемные каналы,имеющие фазовые сдвиги относитель3н но первого канала — и — соответст2 венно (фиг.Ç,г).

При равенстве амплитуд сигналов

U = UlT вектор их суммы описывает округ ость радиуса U в полярных координатах (фиг,З,д), откуда tg III = ——

01

Нn

Uz или = arctg — — . Величина.q прапорПп

73755

Составитель В.Маслов

Техред В.Кадар

Редактор Л.Веселовская

Корректор С.Шекмар

Заказ б467/38

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. А/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

% 12 циональна приложенной силе P. В блоке 18 обработки сигналов происходит вычисление угла д, пропорционального измеряемой величине.

Формула изобретения

Волоконный пьезооптический измерительный преобразователь, содержащий пЕредающий, первый и второй приемные световоды, поляризатор, два анализатора, упругий элемент в виде призмы, сечение которой является равнобочной трапецией, причем углы, образуемые одинаковыми боковыми сторонами с основанием равнобочной трапеции, равны между собой и оси световодов установлены перпендикулярно входной боковой грани призмы, а удаленная от источника излучения по ходу светового пучка боковая грань призмы имеет отражающее покрытие, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, в него введены третий и четвертый приемные световоды, все пять волоб конных световодов расположены на боковой грани призмы торцами вдоль одной линии параллельно ребру призмы, анализатор для каждого из каналов и поляризатор выполнены из одной пластины, а на других боковых параллельных гранях призмы в местах падения лучей соответствующих приемных световодов нанесены диэлектрические плен10 ки с показателями преломления п

1 большими показателя преломления окружающей среды п и меньшими показатео ля преломления материала упругого элемента и,, причем углы между бо15 ковыми сторонами равнобочной трапеции и основанием в сечении призмы выби" рают иэ условия >агс s>D п;/п длину основания L равнобочной трапеции — из условия L > 2Htg 9, где Н20 высота равнобочной трапеции, а первый и второй, третий и четвертый приемные световоды образуют соответ ственно два дифференциальных канала, сдвиг фаз между. которыми составляет 90