Фотоупругий элемент

Авторы патента:

G01L1/24 - путем измерения изменения оптических свойств напряженных материалов, например путем фотоупругого анализа напряжений

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

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 P_x=P_y=87.9 МПа. Рабочее усилие прилагалось вдоль оси Y и равнялось ΔP_y=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=σ_x-σ_y, 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 Δσ_x и Δσ_y 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=Δσ_x-Δσ_y, 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.

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.

Устройство для измерения деформаций и способ измерения деформаций // 2540258

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.

Неразрушающий способ определения напряжения в поверхностном слое изделия и определитель напряжения // 2534565

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.

Тензометрический датчик // 2530467

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

Тензометрический преобразователь // 2530466

Система "интеллектуального" троса для моста с использованием встроенных датчиков с волоконными дифракционными решетками // 2522679

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.

Волоконно-оптический датчик давления // 2515116

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.

Волоконно-оптическая система и способ измерения множественных параметров турбомашинной системы // 2513646

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.

Волоконно-оптический датчик спиральной структуры // 2512136

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

Система на основе вынужденного рассеяния мандельштама-бриллюэна с множеством вбр // 2511066

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.

Устройство обработки сигнала пьезооптического преобразователя // 2565856

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.

Микромеханический волоконно-оптический датчик давления // 2571448

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.

Датчик и способ измерения // 2573614

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.

Полярископ шахтный компактный // 2587101

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.

Способ изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации // 2611589

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании первичных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков и преобразователей деформаций спектрального типа. В заявленном способе изготовления чувствительного элемента спектрального преобразователя деформации на поверхности упругого элемента располагают оптическое волокно с волоконной брэгговской решеткой, на волоконную брэгговскую решетку наносят слой эластичного адгезионного материала таким образом, чтобы участок оптического волокна на всей длине волоконной брэгговской решетки был закреплен на поверхности упругого элемента. При этом сборку выдерживают до полного затвердевания эластичного адгезионного материала и на края затвердевшего эластичного адгезионного материала наносят слой неэластичного адгезионного материала, таким образом, чтобы оптическое волокно за пределами длины волоконной брэгговской решетки было жестко закреплено на поверхности упругого элемента, сборку выдерживают до полного затвердевания неэластичного адгезионного материала. Технический результат - повышение точности спектрального преобразования деформации. 1 ил.

Способ исследования термических напряжений, возникающих в твердом материальном теле, поляризационно-оптическим методом на модели из пьезооптического материала при воздействии на нее локального теплового потока с определением теоретического коэффициента концентрации термических напряжений // 2621458

Способ исследования термических напряжений, возникающих в твердом материальном теле, поляризационно-оптическим методом включает в себя следующие этапы. Модель из пьезооптического материала нагревают локальным тепловым потоком. Регистрируют возникающую интерференционную картину. Охлаждают модель и исследуют распределение изоклин и изохром-полос, количество и порядок полос-изохром с помощью поляризационного микроскопа. Определяют теоретический коэффициент концентрации термических напряжений как отношение между возникающими максимальными и номинальными напряжениями или как отношение максимального порядка изохромы-полосы к номинальному порядку изохромы-полосы. Технический результат заключается в обеспечении возможности определения концентрации термических напряжений при воздействии на материальное тело локальным тепловым потоком. 34 з.п. ф-лы, 8 ил.

Волоконно-оптический датчик давления // 2628734

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных системах контроля и измерения давления. Волоконно-оптический датчик давления, выполненный на основе оптического волокна, содержит корпус, имеющий канал для подвода рабочей среды, оканчивающийся заглушкой, и оптическое волокно с двумя решетками Брэгга и в качестве чувствительного элемента. Заглушка выполнена в виде мембраны, на обратной стороне которой выполнены стойки, в которых жестко закреплено оптическое волокно. Первый участок оптического волокна с решеткой Брэгга расположен между стойками, а второй участок оптического волокна с решеткой Брэгга расположен с обратной стороны стойки. Технический результат – повышение точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Измерение микрозаклиниваний и проскальзываний забойного двигателя c использованием волоконно-оптических датчиков // 2645312

Изобретение относится к измерениям в скважине в процессе бурения. Техническим результатом является увеличение срока службы забойного двигателя за счет снижения нагрузок на эластомерный статор. В частности, заявлен способ измерения проскальзываний и микрозаклиниваний в скважинном забойном двигателе, включающий: размещение в стволе скважины забойного двигателя с эластомерным статором и по меньшей мере одним волоконно-оптическим датчиком внутри эластомерного статора; получение значения измерения, соответствующего растяжению внутри эластомерного статора, от волоконно-оптического датчика; и обработку значения измерения для определения частоты по меньшей мере одного из микрозаклинивания и проскальзывания забойного двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 20 ил.