Цифровой магнитооптический датчик давления

 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения упругих напряжений в условиях действия электромагнитных помех. Цель: расширение динамического диапазона измеряемых давлений и улучшение линейности зависимости числа импульсов на выходе датчика от величины .измеряемого давления . Сущность изобретения; цифровой магнитооптический датчик давления содержит оптически связанные между собой источник излучения 1, световод 2, поляризатор 5, оптическую фокусирующую систему 4 пространственного сканирования пучка излучения , чувствительный элемент 16, содержащий пластину б прозрачного ферромагнетика , анализатор 8, оптическую систему 9 ввода излучения в световод 10 и фотоприемник 11. Особенностью датчика является то, что в нем пластина прозрачного ферромагнетика 6 выполнена из материала с кубической магнитной анизотропией и отрицательной константой кубической магнитной анизотропии, вырезана в кристаллографической плоскости (1,1,0) и выполнена клиновидной с направлением ребра двугранного угла при вершине клина по кристаллографической оси 0,0,1, при этом прозрачная деформируемая подложка 16 выполнена прямоугольной, жестко закреплена одним концом, а направление от незакрепленного конца подложки 16 к закрепленному совпадает с кристаллографической осью 1,1,0 пластины. Положительный эффект расширение динамического диапазона измеряемых давлений , достижение почти линейной зависимости числа Доменов от напряжения в пластине 6. 5 ил. 00 ю о ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4937454/10 (22) 17.05,91 (46) 30,04.93, Бюл. l4 16 . (71) Институт радиотехники и электроники

АН СССР (72) В.В.Коледов, Я.А.Моносов, Е.ll.Перов, С.Д.Сапронов, А.А.Тулайкова, В,В.Филиппов и В.Г.Шавров (56) Giallorenci Т.G, et al, Optical Fiber

Sensors; (ЕЕЕ Journal of Quantum

Electronics. QE-18, 1982, р.626-666.

Авторское свидетельство СССР

N. 1534343, кл. G 01 L 11/00, 1987. (54) ЦИФРОВОЙ МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ

ДАТЧИК ДАВЛ Е Н ИЯ (57) Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения упругих напряжений в условиях действия электромагнитных помех. Цель: расширение динамического диапазона измеряемых давлений и улучшение линейности зависимости числа импульсов на выходе датчика от величины измеряемого давления. Сущность изобретения: цифровой магнитооптический датчик давления содержит оптически связанные между собой источник излучения 1, световод 2, поляризатор 5, on„„53J 181 24б5 А1 (я)э G 01 1 11/00, 1/24, 1/12 тическую фокусирующую систему 4 пространственного сканирования пучка излучения, чувствительный элемент 16, содержащий пластину 6 прозрачного ферромагнетика, анализатор 8; оптическую систему 9 ввода излучения в световод 10 и фотоприемник 11, Особенностью датчика является то, что в нем пластина прозрачного ферромагнетика 6 выполнена иэ материала с кубической магнитной анизотропией и отрицательной константой кубической магнитной анизотропии, вырезана в кристаллографической плоскости (1,1,0) и выполнена клиновидной с направлением ребра двугранного угла при вершине клина по кристаллографической оси f0,0,1), при этом прозрачная деформируемая подложка

16 выполнена прямоугольной, жестко за= креплена одним концом, а направление от незакрепленного конца подложки 16 к закрепленному совпадает с кристаллографической осью (1,1,0) пластины.

Положительный эффект: расширение динамического диапазона измеряемых давлений, достижение почти лин йной зависимости числа доменов от напряжения в пластине 6. 5 ил.

1812465

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения упругих напряжений в условиях действия электромагнитных помех, Целью изобретения является расширение динамического диапазона и повышение степени линейности зависимости числа импульсов на выходе устройства от прило>кенного давления.

На фиг.1 представлена схема устройства; на фиг.2 — зависимости ширины оптически контрастного фарадеевского домена в пластине ферромагнетика от механического напряжения, имеющего место в подложке, когда к незакрепленному концу подложки прикладывается давление, в случае плоскопараллельной пластины, при этом h — толщина пластины, является параметром; на фиг.З вЂ” изменения доменной структуры, происходящие в клиновидном образце при изменении приложенного давления; на фиг.4 — зависимости числа доменов в пластине от приложенного давления в случаях: а) плоскопараллельной пластины, б) предлагаемого технического решения; на фиг.5— зависимость числа доменов от приложенного давления и от механического напряжения согласно приведенному примеру.

Устройство работает следующим образом (фиг.1).

Излучение лазера 1 посредством световодэ 2 передается в корпус 3 тензодэтчика, Микролинза 4 фокусирует пучок света через пленочный поляроид 5 на поверхность пластины 6, которая выполнена из прозрачного ферромагнетика, имеющего кубическую магнитную анизотропию и отрицательную константу кубической магнитной анизотропии, вырезана в кристаллографической плоскости (1,1 О) и выполнена клиновидной по форме так, что ребро двугранного угла при вершине клина направлено по кристаллографической оси (0,0,1). Сканирование пучка осуществляет миниатюрный электромагнитный привод 7, колеблющий микролинэу в плоскости, перпендикулярной оптической оси, и в направлении кристаллографической оси (1,1,01 пластины.

Прошедшее анализатор 8 излучение собирается обьективом 9 в световод 10. С выхода световодэ излучение направляется на фотоприемник 11. Электрический сигнал от фотоприемника обрабатывается электронной схемой, включающей усилитель 12 и триггер

Шмидта 13, а затем анализируется осциллографом 14 и частотомером 15, Внешнее давление прилагается к незакрепленному концу прозрачной деформируемой подпожки 16, к которой приклеена пластина 6, в направлении, перпендикулярном плоскости подло>кки, при этом происходит растяжение подложки, а значит, и пластины в направлении от незакрепленного конца подложки к закрепленному, Пластина приклеена к подложке так, что направление от незакрепленного конца подложки к закрепленному совпадает с кристалпографической осью (1,1,0) пластины, Диапазон прилагаемых давлений определяется геометрическими размерами пластины ферромагнетика и подложки, их упругими свойствами, а также способом приложения давления к подложке, т,е. площадью контакта между подложкой и объектом, оказывающим давление.

15 Преимущества предлагаемого устройства по линейности и динамическому диапазону обеспечивается клинообразной формой пластины ферромагнетика, В настоящей работе обнаружена следующая закономерность, При воздействии внешнего упругого напря>кения на доменную структуру пластины ферромагнетика, имеющего кубическую магнитную анизотропию и .отрицательную константу кубической магнитной анизотропии, вырезанную в плоскости (1,1,0) и растягиваемую в направлении (1,1,01, при одинаковых величинах упругого. напряжения л внешних параметров оптически контрастные фарадеевские домены за- .

30 рождаются ранее в пластине с большей толщиной, причем в момент зарождения они име|от ширлну, с большой точностью равную толщине пластины.

Эта закономерность видна на фиг.2, где

35 приведена зависимость ширины домена 0 от механического напряжения, имеющего место в пластине, при параметре h — толщине пластины, в случае плоскопараллельной пластины ЖИà — железои ггриевого граната.

Величины упругого напряжения приведены для случая, когда используется стеклянная подложка, имеющая длину 5 см, ширину 2 см, толщину 0,1 см. Пластина ЖИГ жестко закреплена на расстоянии 3 см от места закрепления подложки и имеет ширину 2 мм, длину 2 мм. Коэффициент Пуассона стекла 0,2, модуль Юнга — 5,6.10 dtn/cM .

При малых напряжениях для заданного

h фарадеевские домены отсутствуют, вся по50 верхность пластины занята большими, слабоконтрастными коттоновскими доменами, вектор намагниченности которых лежит в плоскости пластины. При увеличении напряжения наступает момент, когда появляются фарадеевские домены, вектор намагниченности которых направлен по осям, лежащим в плоскости, перпендикулярной плоскости пластины, т.е, более выгодной становится фэрадеевская фаза, В этот момент ширина фарадеевского домена, 1812465 с большой точностью, равна толщине пластины. При дальнейшем увеличении напряжения ширина домена уменьшается по обратной коренной зависимости от прилагаемого напряжения и прямо пропорционально корню из h, а число доменов растет, соответственно, прямо пропорционально корню от величины о, характеризующей упругое напряжение, и обратно пропорционально корню из h. При этом ширина фарадеевского домена в момент зарождения обратно пропорциональна приложенному в этот момент упругому напряжению. Нэ основе этого можно описать изменения, происходящие в клиновидном образце, показанные на фиг.3.

В начальный момент, при отсутствии напряжения, в пластине имеет место коттоновская доменная структура (а). При увеличении напряжения наступает момент, когда появляется первый фарадеевский домен (б).

Его ширина приблизительно равна максимальной толщине клина. Дальнейшее увеличение напряжения влечет за собой уменьшение ширины первого домена и появление второго (в), ширина которого меньше ширины первого домена и равна толщине пластины в месте появления. Дальнейшее увеличение напряжения ведет к увеличению числа фарадеевских доменов и одновременно к уменьшению их размеров (г). При этом каждый N-ый домен появляется при упругом напряжении, пропорциональном (1+(N-1)tg(a))!h, где а — угол при вершине клина. Видно, что после появления первого домена (в этот момент напряжение пропорционально 1/Н), дальнейшее изменение числа доменов линейно зависит от изменения упругого напряжения в пластине, которое с большой степенью точности линейно зависит. от приложенного давления, Таким образом используя геометрию клина, можно сделать линейной рабочую зависимость датчика.

Угол а определяется следующими факторами. Во-первых, вышепредставленная зависимость имеет, кроме указанного, слагаемые более высоких порядков по а, которыми можно пренебречь при условии

"малости" а,т.е,. чем меньше а, тем более линейна рабочая зависимость устройства.

При больших а необходимо учитывать поправки более высоких порядков, и линейность все более нарушается. С другой стороны, динамический диапазон устройства больше для больших значений а. Поэтому выбор угла а.зависит от потребности пользователя, который определяет оптимальное соотношение между степенью ли55 длину 5 см, ширину 2 см, толщину 0,2 см.

Пластина приклеена на расстоянии 2 см от места закрепления подложки. Коэффициент

Пуассона стекла 0,2, модуль Юнга-5,6. 10

din/cM . Давление оказывается путем расположения на конце подложки стеклянной пластинки, на которую ложатся предметы, имеющие заданный вес. Таким образом, контакт между подложкой и объектом, оканейности рабочей зависимости и шириной динамического диапазона устройства.

Кроме того, при очень больших а (порядка 10 и более градусов), становятся су5 щественными эффекты, связанные с прохождением светового луча через клиновидный образец: появляется и усиливается интерференционная картина, которая накладывается на картину доменной структу10 ры; больше излучения теряется за счет отражения от поверхности образца; происходит размытие картины доменной структуры иэ-за изменения направления распространения света в пластине за счет

15 преломления и т.д. Т.е. становится невозможным нормальное функционирование датчика. Но говоря о клиновидной пластине, мы заранее считаем; что угол при вершине клина не более долей градуса. Иначе не име20 етсмысла говоритьо пластине. При этоммы имеем достаточно широкий динамический диапазон и высокую степень линейности рабочей зависимости устройства.

Повышение динамического диапазона

25 происходит за счет того; что отличие от прототипа, где зависимость числа доменов от приложенного давления имеет, вид, показанный на фиг.4а, что обусловлено тем, что в момент заполнения образца доменами ха30 рактер зависимости меняется, в клиновидном образце данная зависимость не меняет своего характера (фиг.4б) и йерестает быть

35 линейной, лишь когда домены заполняют весь образец, а это произойдет значительно позже, чем в прототипе.

Пример 1. Чувствительный элемент

40 выполнен а виде клиновидной пластины из железо-иттриевого граната, вырезанной в плоскости (1,1,0) так, что грань двугранного угла при вершине клина имеет направление, совпадающее с направлением кристалло45 графической оси (0,0,1), и приклеенной к стеклянной подложке так, что направление от незакрепленного конца подложки к закрепленному совпадает с направлением кристаллографической оси (1,1,0). Размеры

50 пластины: ширина 2 мм, длина 2 мм, макси.мальная толщина пластины 50 мкм, т.е. угол при вершине клина tg(а ) = 2,5 10 . Подложка. закреплена одним концом и имеет

1812465 эывающим давление, постоянен и равен по площади 1 см .

Изменение числа фарадеевских доменов, происходящее в пластине в зависимости от механического напряжения в ней, а значит, и от прилагаемого давления Р, показано на фиг.5. В начальный момент в пластине имеют место слабоконтрастные коттоновские домены. При напряжении в пластине приблизительно 5,5 10 din/ñì зарождается первый фарадеевский домен.

его ширина при этом 50 мкм, При увеличении напряжения на 0,25 появляется второй домен, При этом его ширина меньше 50 мкм приблизительно также на 0,25 g, и т.д.

Например, 10-й домен появится при напряжении приблизительно 5,64 . 10 din/cM, 20-й — при 5,78 106. 100-й — при 6,8 1.06, 500-й— при 12,38 10 и т.д. до начала необратимых процессов в подложке и пластине. При этом имеет место почти линейная зависимость числа домейов от.напряжения в пластине, а значит, и от приложенного давления, и более широкий динамический диапазон относительно прототипа. Динамический диапазон более широк, т.к. прототип можно использовать в качестве датчика механического давления (прототип предложен для измерения атмосферного давления), при условии, что пластина полностью заполйена фарадеевскими доменами. Если мы используем плоскопараллельную пластину ЖИГ (геометрические параметры такие же, толщина — 50 мкм),то такое заполнение произойдет пои механическом напряжении порядка 10 din/ñì, что больше, чем в случае предлагаемого технического решения.

Верхняя граница динамического диапазона при этом останется такой же, т.е, динамический диапазон в случае предлагаемого технического решения шире, чем в .случае прототипа. Динамический диапазон шире

5 за счет того, что характер рабочей зависимости, в отличие от прототипа. не изменяется.

Формула изобретения

Цифровой магнитооптический датчик давления, содержащий оптически связан10 ные между собой источник излучения, световод, поляризатор, оптическую фокусирующую систему пространственного сканирования пучка излучения, чувствительный элемент, содержащий пластину

15 прозрачного ферромагнетика, жестко, закрепленную на прозрачной деформируемой подложке с возможностью растяжения пластины при деформации подложки, анализатор, оптическую систему ввода излучения в .20 световоди фотоприемник, о тл и ч а ю щ.ий с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона измеряемых давлений и . улучшения линейности зависимости числа импульсов на вйходе датчика от величины

25 измеряемого давления, пластина прозрачного ферромагнетика-выполнена из материала с кубической магнитной анизотропией и отрицательной. константой кубической магнитной анизотропии, вйрезана в кристалло- .

30 графической плоскости (1,1,0) и выполнена клиновидной с направлением ребра двугранного угла при вершине клина по кристаллографической оси (0,0,1), при этом прозрачная деформируемая подложка вы35 полнена прямоугольной, жестко закреплена одним концом,а направление от незакрепленного конца подложки к закрепленному совпадает с кристаллографической осью

f1,1,0) пластины.

1812465

1812465

Составитель И.Сумцов

Техред М.Моргентал

Корректор Н.Кешеля

Редактор

Заказ 1572 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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