Оптический измеритель давления

 

Изобретение относится к приборостроению , может быть использовано для измерения давления, является усовершенствованием известного от ического измерителя давления по а.с. Me 1513377 и позволяет расширить диапазон измеряемого давления . Оптический измеритель давления содержит два взаимно перпендикулярных поляризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучения 1, 2, двух скрещенных поляризаторов 3, 4 и 5, 6, установленных между ними в диагональном положении , четвертьволновых фазовых пластинок - переключаемой 7 и неподвижной 8, общего для обоих каналов льезосптического чувствительного элемента 9 и фотоприемиых устройств 10.11. К фотоприемным устройствам каждого канала подключен измерительный прибор 12 со шкалами грубого и точного отсчетов. Чувствительный элемент 9 выполнен из кристалла бастрона. 3 ил., 1 табл. w fc

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социдлистических

РЕСПУБЛИК (я)э G01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ эаю !

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1513377 (21) 4887594/10 (22) 30.11.90 (46) 15.08.92. Бюл. M 30 (71) Львовский филиал Киевского:научноисследовательского института гидроприборов (72) Б.Г,Мыцык, Б.8.Осыка и 8.А.Ромашко (56) Авторское свидетельство СССР

N- 1513377, кл. G 01 1 11/00, 1987. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано для измерения давления, является усовершействованием известного oil, ического измерителя давления по а.с. и 1513377 и позволяет ЬЫ l 755076 А2 расширить диапазон измеряемого давления. Оптический измеритель давления содержит два взаимно перпендикулярных поляризационно-оптических Канала, каждый иэ которых состоит иэ источника монохроматического излучения 1, 2, двух скрещенных поляриэатбров 3, 4 и 5, 6, установленных между ними- в"диагональном положении, четвертьволновых фазовых пластинок — переключаемой 7 и неподвижной 8, общего для обоих каналов пьезосптического чувствительного элемента 9 и фотоприемных устройств 10, 11. К фотоприемным устройствам каждого канала подключен измерительный прибор 12 со шкалами грубого и точного отсчетов. Чувствительный элемент 9 выполнен иэ кристалла бастрона. 3 wl., 1 табл.

1755076

20

tg= sin -у д(Лщ б ), 50

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления, Известен оптический измеритель давления, содержащий два взаимно перпенди- 5 кулярных поляризационно-оптических канала, каждый из которых состоит иэ источника монохроматического излучения, двух скрещенных поляризаторов, четвертьволновой фаэовой пластинки, фотоприемного устройства и пьезооптического чувствительного элемента, общего для обоих каналов, расположенного в точке пересечения каналов, снабженный измерительным прибором со шкалами грубого и точного отсчетов, который подключен к фотоприемному устройству каждого канала, Луч света от источника монохроматического излучения, пройдя поляризационно-оптическую систему, состоящую из скрещенных поляризаторов и установленных между ними в диагональное положение четвертьволновой фазовой пластинки и чувствительного элемента, модулируется по интенсивности в результате фотоупругого взаимодействйя при действии на чувствительйый элемент одностороннего давления, Чувствительный элемент выбирается таким образом, чтобы его пьезооптические коэффициенты во взаимно перпендикулярных направлениях просвечивания отличались между собой по абсолютной величине в не. сколько раз, причем направлению просвечивания с большим пьезооптическим коэффициентом соответствует также большая толщина образца, а четвертьволновая фазовая пластинка является переключаемой, Недостатком этого устройства является малый диапазон измеряемого давления.

Цель изобретения — расширение диапаэона измеряемого давления, Поставленная цель достигается тем, что в оптическом измерителе давления, содержащем два взаимно перпендикулярных поляризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучения, двух скрещенных поляризаторов, четвертьволновой фазовой пластинки, фотоприемного устройства„пьеэооптического чувствительного элемента, общего для обоих каналов, расположенного в точке пересечения каналов, выполненного из кристаллов, обладающего различными значениями пьезооптических коэффициентов, соответствующих направлениям просвечивания вдоль оптических осей каналов при направлении давления, перпендикулярном оптическим осям каналов, и/или с различными тол щинами в направлении просвечивания по оптическим осям каналов, снабженного измерительным прибором со шкалами грубого и точного отсчетов, подключенного к фотоприемному устройству каждого канала, и с переключаемой четвертьволновой фаэовой пластинкой канала точного отсчета, пьеэооптический чувствительный элемент выполнен из кристалла бастрона ВахЗг1-хйЬ206, На фиг.1 приведена принципиальная схема оптического измерителя давления; на фиг.2 — примеры зависимостей относительной интенсивности света от давления для каналов точного (а) и грубого (б) отсчетов; на фиг.3 — условные шкалы измерительного прибора для каналов точного (а) и грубого (б) отсчетов.

Предлагаемый оптический измеритель давления (фиг.1) состоит из поляриэационно-оптических каналов точного (Г) и грубого (Г) отсчетов, каждый из которых содержит источник монохроматического излучения 1, 2, скрещенные поляризаторы 3, 4 и 5, 6, установленные между поляризаторами 3, 4 и 5, 5 в диагональном положении фазовую пластинку 7, 8 и пьезооптический чувствительный элемент 9 из кристалла бастрона, фотоприемное устройство 10, 11 и измерительный прибор 12, Фазовая пластинка 7— переключаемая, фазовая пластинка 8 — не- . подвижна, Оптический измеритель давления (фиг.1) работает следующим образом.

Луч света от источника 2 монохроматического излучения, пройдя поляризационно-оптическую систему, состоящую из скрещенных поляризаторов 4, 6 и установленных между ними в диагональное положение четвертьвол новой фазовой пластинки 8 и чувствительного элемента 9, модулируется по интенсивности в результате фотоупругого взаимодействия при действии на чувствительный элемент 9 одностороннего давления Рп . Изменение относительной интенсивности света 1к при действии давления Р происходит по известному закону где д(b.щ dQ-индуцированная давлением

Р разность хода;

Лny и бк — двупреломление и толщина чувствительного элемента в направлении просвечивания k.

Величина д(Л п б ) связана с пьеэо оптическим коэффициентом зависимостью

1755076

1 где m — направление давления.

Используя (1) и (2), получим

Ik з!и (— - Cm б Pm). л (3) Из формулы (3) следует, что ) линейно зависит от Р> на линейном участке полуволны зависимости (3), что позволяет проградуировать изменение Ф в изменениях Pm, Чувствительный элемент 9 выбирается таким образом, чтобы каналу точного отсчета Т соответствовал больший пьезооптический коэффициент л п, а каналу грубого отсчета à — меньший.

Порядок измерения Р по каналам грубого Г и точного Т отсчетов следующий, В начальный момент четвертьволновая фазовая пластинка 7 включена. Если при действии Pm интенсивность Ir по каналу Г изменится от 0 до 1 (фиг.2б), то по каналу Т интенсивность IT изменится от точки 1 до точки 2 (фиг.2а) — 1-й диапазон измерений, Дальнейшее увеличение Pm приводит к изменению1т эа пределами линейного участка зависимости 1т(Рп }. Выключение четвертьволновой фазовой пластинки 7 (фиг.1) иэ канала Т переводит значение I> в начало линейного участка — в точку,1. Тогда при увеличении Pm значение IT снова будет изменяться в пределах от 0 до 10 (от точки t до точки 2), а значение I, — е пределах от 1 до 2 — 2-й диапазон измерений. При дальнейшем увеличении Pm включение фазовой пластинки 7 переводит значение 4 на линейный участок зависимости l>(Pm) — в точку

3, значение I> будет уменьшаться на линейном участке (от точки 3 до точки 4), который проградуирован в возрастающих значениях давления. Соответственно значение Ir будет изменяться в пределах от 2 до 3 (3-й диапазон). В точке 4 фазовая пластинка 7 выключается, интенсивность I изменяется до значения в точке 3, и при дальнейшем увеличении Pm значение I>,будет меняться на линейном участке от точки 3 до точки 4 (от

10 до О), а значение 1à —.от 3 до 4 (4-й диапазон). Включая и выключая фазовую пластинку 7, можно постоянно выводить рабочую точку на линейные участки зависимости

ЦРв).

В таблице указаны диапазоны: давления, в пределах которых возрастающее давление измеряется при увеличении интенсивности 1т (1, 2, 5, 6, 9, 10, 13, 14, 17, 18, 21,.22,25,26,29,30, 33, 34,37,38,41,42,45, 46, 49, 50) — нижняя шкала точного отсчета или при уменьшении IT (3, 4, 7, 8, 11, 12, 15, 16, 19, 20, 23, 24, 27, 29, 31, 32, 35, 36, 39, 40, 43, 44, 47, 48) — верхняя шкала точного отсчета. Прибор точного отсчета снабжен переключателем диапазонов, связанным с фаэовой пластинкой 7, Номер диапазона точного отсчета определяется по шкале грубого отсчета (фиг,3б).

Пример снятия отсчета. Ilo шкале грубо5

10 л 2 d> л42 62 ОЗ ЛЭ2

Для оценки диапазона и точности измерения давления запишем известное выражение для разности фаз, индуцированной приложенным внешним давлением в чувствительном элементе

50 ь(- „" a(a, „l- .с(--. . ..

55 (4) бк 4а ЬР

red(h,й dI) 2, индуцированная давлением разность хода:

z 180 ;

ro отсчета (фиг.3б) стрелка показывает значение давления между делениями 4 и 5. Это соответствует 5-му диапазону шкалы точного отсчета, 15 Переключателем диапазонов шкалы точного отсчета, который включает или вы ключает фазовую пластинку 7, включается диапазон "5". В этом положении фазовая пластинка 7 включена, интенсивность IT уве20 личивается при увеличении Pm. По нижней шкале точного отсчета, которая соответствует диапазону "5", стрелка показывает точное давление 8,6 в пределах этого диапазона. Результат — 48,6 усл.ед. давле25 ния.

Приведем характеристики устройства при использовании в качестве чувствителького элемента кристалла бастрона

Вао,4Sro,sNb20a для которого пьезооптиче30 ские коэффициенты имеют следующие зна° чения: Q2 = 21.0 10 2 м /Н (соответствует каналуточногоотсчета)илз2 =0,42 10 м /Н (соответствует каналу грубого отсчета.

В конкретном исполнении толщины чувствительного элемента во взаимно перпендикулярных направлениях просвечивания равны d> = бз - 5 10 м. При этом число полуволн А/2 зависимости I/Pm), укладыва40 ющихся на полуволновом участке зависимости Ir(Pп1), равно

1755076

0,17 кг/см

7 бк — толщина чувствительного элемента в направлении просвечивании k:

W> — пьезооптический коэффициент:

Л вЂ” длина световой волны (0,63 мкм).

При реальной точности определения разности фаз д р- 0,5 точность измерения давления д Р по каналу точного отсчета

b,- -И. -= . I а Яъ-d> (5)

Диапазону измеряемого давления Ь Рт по каналу точного отсчета соответствует индуцированная разность хода А/4 (линейный участок полуволны), соответственно Лр„-45, Следовательно

Л Рт д pr "H "15,0 кг/cM . (6) ин

При этом диапазон измеряемого давления Л Рг для оптического канала грубого отсчета в и 50 раз превышает диапазон

Ь Pr для канала точного отсчета

ЬРг 50 ЬРт 750 кг/см, (7}

Таким образом, данное устройство дает возможность измерять давление до

750 кгlсм с абсолютной точностью.

0,18 кг/см, что соответствует относите ..ь5 ной погрешности р- 0,027.

Для сравнения приведем параметры прототипа: Ь Рг - 45 кгlсм, погрешность ,8- 0,06, Количество порядков точного отсчета и

10 можно при необходимости корректировать

s нужную сторону соотношением толщин чувствительного элемента di и Оз, При необходимости n - 100 толщины чувствительного элемента должны отличаться в 2 раза, на15 пример d> - 10 10 м, бз - 5 10 м. Легко проанализировать, что в этом случае при сохраненном диапазоне давления h,Ð -750 кг/см точность определения давления по каналу точного отсчета будет равна

20 Д Рт - 0,09 атм.

Применение предлагаемого измерителя позволяет существенно расширить диапазон измеряемого давления при сохранении высокой точности измерения, 25. Формула изобретения

Оптический измеритель давления по авт.св, М 1513377, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемого давления, в нем пьезооптический

30 чувствительный элемент выполнен иэ кристалла бастрона ВахЗг1-xNbzOs. о

1755076

;г L5 7 Ю У Ю

N Л ЯО 35 4Р 45 50

Составитель И. Сумцов

Редактор Л. Веселовская Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль

Заказ 2884 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101