Фотоупругий измерительный преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, деформаций, давлений и ускорений. Целью изобретения является повышение надежности и упрощение конструкций. Фотоупругий измерительный преобразователь содержит фотоупругий чувствительный элемент в виде призмы, входная грань которой оптически соединена с источником излучения, а выходная - с фотоэлектрическим приемником, выход которого электрически соединен с усилительно-регистрирующим блоком, причем входная и выходная грани призмы фотоупругого чувствительного элемента образованы плоскостями , срезающими диагональные вершины основания призмы под углом Брюстера к плоскости основания, а оптические оси излучения, вводимого во входную грань и выводимого из выходной грани, нормальны к плоскостям этих граней. 6 ил ID (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4685022/10 (22) 26.04.89 (46) 15.05.91. Бюл. № 18 (71) Институт кристаллографии им. А. В., Шубникова и Московский авиационный институт (72) И. И. Никифоров, Ю. В. Писаревский и И. М. Сильвестрова (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1273755, кл. G 01 1. 1/34, 1985.

Фотоупругий виброизмерительный преобразователь.— Контрольно-измерительная техника. ЭИ,1988, № 3, с. 11 — 15.

Савельев В. И. Курс общей физики. Т. 2, М.: Наука, 1978, с. 423.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, деформаций, давлений и ускорений.

Цель изобретения — повышение надежности и упрощение конструкции.

На фиг. 1 показан фотоупругий измерительный преобразователь, общий вид; на фиг. 2 — диагональное сечение чувствительного элемента; на фиг. 3 — эквивалентная оптическая схема устройства; на фиг. 4 — диагональное сечение призмы с четвертьволновой пластиной; на фиг. 5 фотоупругий измерительный преобразователь с четвертьволновой пластиной, общий вид; на фиг. 6 — эквивалентная оптическая

„„SU„. 1649315 (51)5 G 01 1 1/24 (54) ФОТОУПРУГИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, деформаций, давлений и ускорений. Целью изобретения является повышение надежности и упрощение конструкции. Фотоупругий измерительный преобразователь содержит фотоупругий чувствител ьный элемент в виде призмы, входная грань которой оптически соединена с источником излучения, а выходная с фотоэлектрическим приемником, выход которого электрически соединен с усилительно-регистрирующим блоком, причем входная и выходная грани призмы фотоупругого чувствительного элемента образованы плоскостями, срезающими диагональные вершины основания призмы под углом Брюстера к плоскости основания, а оптические оси излучения, вводимого во входную грань и выводимого из выходной грани, нормальны к плоскостям этих граней. 6 ил. схема преобразователя с четвертьволновой пластиной.

Фотоупругий чувствительный преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 излучения, световод 2, чувствительный элемент

3 с входной 4 и выходной 5 гранями, воспринимающий световод 6, фотоэлектрический приемник 7, усилительно-регистрирующий блок 8.

На фиг. 1 показана плоскость Р. срезающая вершину основания призмы под углом Брюстера рв.

Диагональное сечение (фиг. 2) совпадает с плоскостью распространения светового потока, причем в точках A,В,С,Р,Е происходит многократное отражение под углом

1649315

Брюстера к плоскости основания призмы.

Эквивалентная оптическая схема устройства, приведенная на фиг. 3, представляет собой последовательное соединение идентичных полярископов с параллельными поляризаторами, причем роль поляризатора играет область отражения светового луча от одной из граней основания (на фиг. 2, точки

А,В,С,D,Е), а фотоупругим элементом на эквивалентной схеме является отрезок чувствительного элемента по пути распространения света между двумя отражениями от противоположных оснований: АВ, ВС, CD, РЕ

На фиг. 4 изображено диагональное сечение призмы чувствительного элемента, на одном из оснований которой размещена четвертьволновая пластина 9. Поляризаторами в этом случае являются только области отражения от нижней грани чувствительного элемента (точки А, С» Е ).

Фотоупругими элементами на фиг. 6 также, как и в схеме фиг. 3, являются отрезки чувствительного элемента по пути распространения света между двумя отражениями от противоположных граней А В» В С»

CiD» Р Е» причем точки В и Di (фиг. 4) показаны в виде элементов Х/4.

Устройство работает следующим образом.

Свет ат источника 1 (фиг. 1) через излучающий световод 2 попадает на входную плоскость среза 4 призмы 3, проходит оптическую среду призмы и отражается от основания призмы в точке А (фиг. 2).

Поскольку свет падает на входную плоскость среза нормально, а сама плоскость среза составляет с плоскостью основания угол Брюстера, то отраженный луч полностью поляризуется. Г!ри каждом новом отражении в точках В,С,D,Е поляризация сохраняется. Под действием нагрузки (усилие F, фиг. 1), приложенной к торцовым граням призмы, линейно поляризованный свет, проходящий через оптическую среду призмы, в результате фотоупругого эффекта становится эллиптически поляризованным.

Степень эллинтичности зависит от величины нагрузки. Отразившись последний раз в точке Е (фиг. 2), свет становится линейно поляризованным и через выходную полость

5 среза (фиг.11 поступает в воспринимающий световод 6. »о которому подается на фотоэлект рине к»й преобразователь 7, где преобразуе .ся в электрический сигнал, пропорциональный действующей нагрузке, а затем усиливается и обрабатывается в усилительно-регистрирующем блоке 8 для получен и я и н форм а ции в необходимой форме.

Глубина среза вершины основания призмы определяется конструктивными условиями ввода и вывода излучения. Например, при использовании световодов с диаметром жгута d,ãëóáèíà среза по боковой грани h может быть принята

h =1,2d Ы» рд

Основания призмы должны иметь преимущественно квадратную форму, что вызвано следующими соображениями. В квадратной призме диагональная плоскость расположена под углом 45 к боковым граням.

Под действием измеряемого усилия, приложенного под углом 45 к плоскости падения света, свет распадается на две ортого"О нальные моды, направление поляризации которых составляет угол 45 с направлением поляризации, задаваемым поляризаторами

А,В,С,D,Е (фиг. 2). Эти две моды вследствие фотоупругого эффекта распространяются в фотоупругой среде с разными скоростями, что,.риводи1 к накоплению разности фаз между ними. Как известно, интенсивность света, прошедшего через фотоупругую пчастину, зажатую между двумя параллельно ориентированными поляризаторами, опреде б ляется выражением

=1ocos

) I"

2 (2) где à — — фазовый сдвиг, накопленный двумя

-, световыми модами в фотоупругой пластине. . 5 !

I,. tÿ оптически изотроп ной среды фазовый сдвиг задается выражением

1- п»p(C1 1 — (j )) (О, (3)

А показатель преломления; и q — пьезооптические постоянные; внешние механические напряжения; длина волны света; расстояние, которое проходит свет между двумя отражениями. выражения (2) следует, что интенсивсвета, прошедшего через систему

1 — 3), определяется выражением

С 2 G l 2 4

icos- -- ° cos —.cos — cos — ° (4)

2 г 2 2

30 где»оо г1»

/.

Г

Из ность (фиг.

Если внешнее воздействие Г мало и можно принять- Г =Г =Гз=Г (<1, то выражение (4) принимает вид

45 2, 2 2

Г|+ Г + Г з+ Г ф

При малых Г квадратичная зависимость

3 (Г) определяет сравнительно невысокую чувствительность. В то же время выраже5О ние (4) имеет участок, близкий к линейной зависимости Э(Г), на котором чувствительность к малым внешним воздействиям намного выше. Обычно выход на линейный участок Э(Г) осуществляют, помещая между поляризаторами фазовую пластину Х/4 или

55 3/4i

В данной ситуации такой случай реализуется в конструкции фиг. 1, если дополнительно приложить внешнюю постоянную

1649315 нагрузку или разместить фазовую пластину

Х/4 или 3/4Х (фиг. 5). На боковую грань чувствительного элемента по линии, соединяющей срезанные грани, например 4 и 5, приклеивается пластина Х/4 или 3/4Х, выполненная из двупреломляющего кристалла, собственные моды которого поляризованы под углом 45 к плоскости падения света.

Для чувствительного элемента с пластиной Х/4 при постоянной нагрузке, дающей фазовый сдвиг л/2, интенсивность на выходе из грани 5 чувствительного элемента 3 выражается следующим образом:

2 Г1+ — 2 Г2+—

3. x=3pcos (+ 2 ) cos (+ 2 ) X

?

Гз Г

X cos (+ )сов (+) (6)

Ъ 2 которое эквивалентно

| — sinI I sinI 2 i Б!пГз а- =3,()(z )(— )Х

Е (7)

При малых измеряемых механических воздействиях выражение (7) принимает вид

1 — à — Гг — I з — Г4

Двысь= jy( г

). (8)

В случае, если постоянная нагрузка вызывает фазовый сдвиг 3/4Х или поставлена фазовая пластина 3/4Х, то, в частности, вместо выражения (8) имеем

1+г +г +г +г (9)

Кроме того, чувствительность предлагаемого преобразователя зависит от направления приложения силы в плоскости основания чувствительного элемента.

Когда сила совпадает с линией, соединяющей срезанные грани, например 4 и 5 на фиг. 2, поляризация одной из собственных световых мод совпадает с поляризацией, задаваемой поляризатором, и действие силы не создает в фотоупругой среде двулучепреломления, так как в ней распространяется только одна эта мода. Поэтому интенсивность света в описываемой системе не зависит от приложенной указанным способом силы. Максимальная чувствительность элемента достигается для направления приложения силы, показанного на фиг. 1. Если направление приложения силы составляет угол Ч с оптимальным направлением и лежит в плоскости основания, чувствительность задается выражением (10) К = K„cos2q., Формула изобретения

Фотоупругий измерительный преобразователь, содержащий фотоупругий чувствительный элемент в виде призмы, входная грань которой оптически соединена с источником излучения, а выходная — с фотоэлектрическим приемником, выход которого

30 электрически соединен с усилительно-регистрирующим блоком, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции, в нем входная и выходная грани призмы фотоупругого чувствительного элемента образованы плоскостями, 35 срезающими диагональные вершины основания призмы под углом Брюстера к плоскости основания, а оптические оси излучения, вводимого во входную грань и выводимого из выходной грани, нормальны к плоскостям этих граней.

15 где К „-„— чувствительность для направления приложения силы, показанного на фиг. 1.

Б предложенном фотоупругом измерительном преобразователе отсутствуют поляризационные элементы в виде пленок, призм и т.п.

1649315

С E

Фиг. 2

48 В HC С CD 3 ЭЕ E

1649315 фИЕ. б

Составитель В. Маслов

Редактор М. Келемеш Техред А. Кравчук Корректор H. Ревская

Заказ 1514 Тираж 362 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, 7К вЂ” 35, Раушская наб.. д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101