Фотоупругий элемент


 


Владельцы патента RU 2552128:

Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" (RU)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре. Согласно изобретению фотоупругий элемент имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению прилагаемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности фотоупругого элемента имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны. Технический результат - увеличение напряжений в центральной (рабочей) части фотоупругого элемента и, как следствие, повышение чувствительности пьезоэлектрических датчиков, использующих данные фотоупругие элементы. 3 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Уровень техники

Эффект фотоупругости (пьезооптический эффект) используется для прецизионного измерения деформаций (или напряжений). Анизотропные механические напряжения в практически любом материале приводят к анизотропному изменению коэффициента преломления (двулучепреломлению). Это приводит к изменению угла поляризации света при прохождении сквозь такой материал. Существуют устройства, называемые пьезооптическими преобразователями, которые преобразуют величину изменения угла поляризации в величину электрического сигнала, пропорциональную величине деформации или напряжения. Известно, что датчики деформаций, на основе пьезооптических преобразователей, обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например с датчиками на основе тензорезистивных преобразователей (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48) [1]).

Пьезооптический преобразователь состоит из оптически связанных светодиода, поляризатора, фазовой пластинки, фотоупругого элемента, анализатора и фотоприемника. Форма фотоупругого элемента может быть различной: параллелепипед, цилиндр, усеченный конус.

Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому фотоупругому элементу является фотоупругий элемент, предложенный в патентах РФ №2422786 от 23.04.2010 и №2454642 от 29.03.2011 [2, 3]. В указанных патентах фотоупругий элемент выполнен в виде, либо цилиндра, либо усеченного конуса. Фотоупругий элемент изначально зажат в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечивает его работу, как на сжатие, так и на растяжение.

Недостатком данных конструкций фотоупругого элемента (ФЭ) является то, что, как показывают расчеты и эксперименты, напряжения в ФЭ сконцентрированы вблизи областей его касания с нагрузочным элементом пьезооптического датчика деформации, в котором закреплен ФЭ, и спадают к центру ФЭ, в то время как световой пучок датчика проходит именно через центральную часть ФЭ, т.е. в области минимальных напряжений. Это приводит к снижению чувствительности датчика.

В то же время, поскольку нагрузочный элемент, в котором закрепляется ФЭ, значительно превышает габариты ФЭ, это не позволяет уменьшить габаритные размеры пьезооптического датчика деформации и сделать его миниатюрным.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в создании такой формы фотоупругого элемента, которая обеспечит увеличение напряжений в центральной (рабочей) части фотоупругого элемента.

Технический результат - повышение чувствительности ФЭ к нагрузкам.

Кроме того, использование предлагаемого ФЭ в пьезооптических датчиках деформации позволит повысить чувствительность и точность измерений последних и уменьшить их габариты.

Поставленная задача решена за счет того, что известный фотоупругий элемент согласно изобретению имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению прилагаемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности фотоупругого элемента имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны.

Описание фотоупругого элемента и обоснование новых признаков

Описание заявляемого фотоупругого элемента поясняется Фиг.1, 2, 3.

На Фиг.1 показан пример фотоупругого элемента (ФЭ), который в плане имеет крестообразную форму, боковые поверхности которого имеют постоянный радиус кривизны. Для выяснения эффективности такой формы ФЭ было проведено численное моделирование упругих напряжений, возникающих в объеме ФЭ при рабочих усилиях. Изначально ФЭ был упруго сжат в направлении осей X и Y усилиями Px=Py=87.9 МПа. Рабочее усилие прилагалось вдоль оси Y и равнялось ΔPy=19.5 МПа. При моделировании варьировалась величина «врезки» d (см. Фиг.1) от 0 мм, для круглого элемента диаметром 12 мм, до 3.5 мм.

На Фиг.2(а, б, в, г, д) показаны результаты моделирования для разных форм ФЭ, при одинаковом рабочем усилии. На фигурах 2а-2д показаны изолинии величины разности напряжений Δσ=σxy, величине которой пропорционален выходной электрический сигнал пьезооптического преобразователя. Численные значения величины Δσ указаны на фигуре цифрами в МПа. Величина «врезки» на Фиг.2а, 2б, 2в, 2г, 2д равна 0 мм, 1.13 мм, 1.84 мм, 2.55 мм, 3.26 мм, соответственно.

На Фиг.3 показана зависимость величины Δσ от глубины «врезки» d. Из фигур видно, что по мере увеличения «врезки» напряжения (при одинаковом рабочем усилии) смещаются от периферии ФЭ к его центру, то есть в ту область, где проходит световой луч пьезооптического преобразователя. Например, для формы ФЭ, показанного на Фиг.2г (глубина «врезки» составляет 2.55 мм, при этом радиус «врезки» равен 5 мм, диаметр всего ФЭ 12 мм) увеличение Δσ по сравнению с круглым ФЭ составляет 32%. Таким образом, подтверждается увеличение напряжений, а следовательно, и выходного сигнала пьезооптического преобразователя с крестообразным ФЭ. Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Предельная глубина и форма «врезки» определяется прочностными характеристиками материала фотоупругого элемента.

При размещении крестообразного ФЭ в пьезооптическом преобразователе, узлы крепления элементов последнего могут быть размещены в промежутках между боковыми поверхностями ФЭ, не выходя за габариты внешнего диаметра ФЭ (заштрихованные области на Фиг.1). Таким образом, поперечный размер преобразователя не будет превышать диаметр ФЭ.

В качестве материала фотоупругого элемента может быть использован, например, плавленый кварц, обладающий высоким порогом разрушения на сжатие, что обеспечивает высокий динамический диапазон измерений деформаций и надежность преобразователя. Кроме того, технология обработки плавленого кварца хорошо развита, что удешевляет конструкцию тензометрического преобразователя.

Описание работы устройства

Фотоупругий элемент работает следующим образом.

При приложении измеряемой нагрузки к фотоупругому элементу вдоль одной из его осей возникают дополнительные напряжения Δσx и Δσy в центральной части ФЭ. В результате возникает дополнительная разность фаз ±Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент. Разность фаз обусловлена двулучепреломлением нагруженного ФЭ. Изменение фазы поляризации приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника. В случае пьезооптического преобразователя, он регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала. Величина выходного сигнала преобразователя пропорциональна величине Δσ=Δσx-Δσy, которая пропорциональна величине измеряемого напряжения (деформации).

Фотоупругий элемент, отличающийся тем, что имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению прилагаемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности фотоупругого элемента имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области авиации, в частности к системам контроля состояния летательных аппаратов в процессе эксплуатации. Система контроля технического состояния конструкций летательного аппарата содержит датчики технического состояния лопастей винта вертолета или консолей крыла самолета и блок-регистратор, размещенный на их борту.

Изобретение относится к устройствам измерения деформации. Устройство для измерения деформаций содержит два или более датчиков деформации, каждый из которых способен измерять деформацию и каждый из которых выполнен так, что он может быть приспособлен для взаимодействия с конструкцией, которую требуется контролировать, так что деформация конструкции может детектироваться датчиком деформации, одну или более точек отсчета положения, расположенных в заданном положении относительно двух или более датчиков деформации.

Изобретение относится к измерительной технике и используется при определении механического напряжения в поверхностном слое изделия. Сущность изобретения заключается в том, что на испытуемую поверхность направляется весь расфокусированный поток излучения видимого диапазона и любой интенсивности и осуществляется регистрация величины отраженного потока с помощью фотоприемника, сравнение этой величины с эталонной, заранее полученной при известных величинах механического напряжения, температуры и шероховатости в поверхностном слое, для данного источника излучения.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.

Изобретение относится к системе «интеллектуального» троса для моста с использованием встроенных датчиков на основе волоконных решеток Брэгга (FBG) и может использоваться в тросовых несущих конструкциях вантовых, подвесных, арочных и других видов мостов.
Изобретение относится к области физики, в частности, к средствам измерения давления рабочей среды, как жидкости, так и газа и может найти применение при измерении давления на отдаленных объектах с передачей информации по волоконно-оптическому каналу связи, в частности, для измерения давления скважинной жидкости в нефтяных и газовых скважинах.

Система содержит источник света для передачи света на поверхность вала через множество пучков оптических волокон, расположенных во множестве местоположений вблизи поверхности в по существу аксиальном направлении между концами по меньшей мере одного вала; высокотемпературный зонд отражения на основе пучка волокон для обнаружения света, отраженного от поверхности вала, механизм измерения для определения крутящего момента или вибрации на валу.

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам и может использоваться для проверки и измерения параметров напряжения. Техническим результатом является повышение точности измерения.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания распределительных систем измерения температуры и деформации. Бриллюэновская система для отслеживания температуры и деформации содержит одно- или двухстороннее волокно с множеством волоконных брэгговских решеток (ВБР) на разных длинах волн и лазерную систему с задающей накачкой, настраиваемую в диапазоне существенно большем, чем бриллюэновский сдвиг.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к средствам для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством пьезооптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре. Устройство обработки сигнала пьезооптического преобразователя содержит оптически связанные источник света, поляризационно-оптическую систему, включающую фотоупругий элемент, два фотоприемника, источник опорного напряжения. При этом выход каждого фотоприемника подключен ко входу соответствующего преобразователя ток-напряжение, выходы которых подключены ко входу дифференциального усилителя и ко входу суммирующего усилителя. Выход суммирующего усилителя подключен ко входу усилителя сигнала ошибки. Ко второму входу усилителя сигнала ошибки подключен источник опорного напряжения, а к выходу усилителя - источник света. Выход дифференциального усилителя подключен к выходному интерфейсу. Техническим результатом является расширение полосы частот регистрируемого сигнала, повышение надежности и точности измерения деформаций, повышение помехоустойчивости, миниатюризация, расширение области применения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Микромеханический волоконно-оптический датчик давления выполнен на основе оптического волокна, содержащего участки ввода и вывода излучения, а также участок, размещенный в пропускном канале корпуса. При этом пропускной канал включает участок для размещения оптического кабеля параллельно основанию корпуса и выполнен в виде паза с рифленой поверхностью в основании. Волокно в пазу прижато к вершинам выступов рифленой поверхности пластинами и выполнено с решетками Брега. Пластины выполнены в виде кремниевых кристаллов, на которых сформированы мембраны одинаковой толщины hм, при этом первая мембрана имеет один квадратный жесткий центр, размещенный в центре, вторая мембрана - два одинаковых квадратных жестких центра, расположенных вдоль участка оптического волокна на расстоянии l по обе стороны от центра мембраны. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет повышения чувствительности микромеханического волоконно-оптического датчика давления. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа и датчика для измерения температуры и механических напряжений. Измерения осуществляются датчиком, который содержит первый путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены; второй путь распространения оптического излучения, который является конфигурируемым для взаимодействия со структурой, свойства которой должны быть измерены; третий путь распространения оптического излучения. Кроме того, датчик содержит средство для усиления сигнала, который распространяется по третьему пути распространения оптического излучения таким образом, что сигнал усиливается прежде, чем он начнет распространение по второму пути распространения оптического излучения, и средство предотвращения распространения сигналов из второго пути распространения оптического излучения в третий путь распространения оптического излучения. Технический результат заключается в повышении точности и дальности измерений. 2 н. и 13 з.п. ф-лы. 7 ил.

Изобретение относится к подземной, открытой и строительной геотехнологиям и может быть использовано для исследования параметров механических напряжений в массиве пород, в крепи горных выработок, метрополитенов и тоннелей, а также в несущих конструкциях мостов и гидротехнических сооружений. Полярископ включает оптическую систему, схему освещения, поляризатор, компенсатор и анализатор. С целью уменьшения потерь светового потока применена соосная схема освещения в унитарном корпусе. Потоки света от ламп, направленные параллельно оси оптической системы, поступают в поляризатор, отражаются по нормали от зеркала датчика, установленного в шпуре, проходят в компенсатор, которым измеряют полученную разность хода поляризованных лучей, и входят в анализатор, где формируется интерференционная картина, фиксируемая через зрительную трубу. Технический результат - уменьшение потерь и искажений светового потока, упрощение и облегчение конструкции прибора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх