Патент ссср 345421

 

А Н

ОПИС ИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Сак1з Советских

Социалистических

Респтблик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ р ф+ В

МЕ1 4 ф

-г

Зависимое от авт. свидетельства №

М. Кл. G 01п 21/40

Заявлено 21 V.1970 (№ 1443184/26-25) Комитет по делам изобргтеиий и открытий при Совете тйиииотрое

СССР

УДК 535,568.1(088.8) Опубликовано 14.Ч11.1972. Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 4 Ч111.1972

Автор изобретения

А. И. Пеньковский

Заявитель

ЙОЛЯРИМЕТР с присоединением заявки ¹

Приоритет

Известно, что измерение двойного лучепреломлспия, т. е. параметров направления главных осей (направления главных напряжений) и разности фаз в механически нагруженном фотоупругом веществе,— весьма эффективное и точ11ое экспериментальное средство для определения папряжентгй и деформи аци й.

В зависимости от решаемой задачи ис- 10 пользуются различные методы просвечивания оптически чувствительного вещества, например метод прямого просвечивания, метод косого или двойного просвечивания при отражении от натурной конструкции, на кото- 15 рой укреплено оптически активное вещество.

С появлением новых оптически активных материалов, например полимерных пленок> метод, позволяющий измерять разность глав- 20 пых напряжений и разность главных деформаций на поверхности нагруженных натурных конструкций, получил широкое применение, особенно в авиационной промышленности. Для исследования напряжений в натур- 2S ных конструкциях, как правило, требуются портативные, точные поляриметры.

С целью уменьшения габаритов и веса оптико-механической части поляриметра и обеспечения высокой точности одновременны; зО измерений направления главных напряжений и разности фаз в фотоупругом веществе, в предложснпом полярнметре после источника мОнохромятичес110ГО плоскополяризовянного света, например, IIa его же оправе неподвижно укреплена первая четвертьволноВяя пластинка с крпстяллографическими Ося ми, расположенпыми под 45 к плоскости поляризации пучка света ОКГ. Перед испытуемыAI объектом и после него на синхронно связанных между сооой дисках в виде зубчатых колес, приводимых 50 вращение реверсивным двигателем, укрсплены соответственно вторая четвертьволповая пластинка и анализатор с плоскостью пропускания, расположенной под 45 по отношению к осям второй четв сртьволновой пластинки, на которых со стороны распространения пучка света укреплены электрооптические модуляторы, например пластинки кристаллов КДР, вырезанные перпендикулярно оптической оси и закрепленные между стеклами с прозрачными токопроводящпми покрытиями. Элентрооптичсский модулятор, укрепленный на диске второй чствертьволновой пластинки, с ориентацией кристаллографических осей, совпадающей с осями второй четвертьволновой пласти11ки, возбуждастся низким пере.

ыенным !Iапряжением частоты, например, сети, Электрооптичсский модулятор, укрепленный на диске анализатора, с ориентацией кристаллографических осей, совпадающей с плоскостью поляризации анализатора, возбуждается переменным низким напряжением другой частоты и постоянным плавно изменяющимся высоким напряжением, одновременно выполняя роль модулятора и компенсатора разности фаз.

На фиг. 1 показана принципиальная схсма предлагаемого поляриметра; на фиг. 2— сфера Пуанкарэ, поясня1ощая работу поляриметра.

Поляриметр состоит из переносной оптико-механической части, регистратора и блоков питания.

Оптико-механическая часть включает в себя неподвижно установленный на корпусе источник света 1 (см. фиг. 1), например газовый оптический квантовый генератор типа ЛГ-55. В процессе работы ориентация плоскости поляризации пучка света источника 1 неизменна и составляет, например, угол

45 с горизонтом.

Пучок света падает на закрепленную на оправе ОКГ четвертьволновую пластинку 2, например, из слюды, главные оси которой (например, главное направление с колебаниями, распространяющимися с большой скоростью) постоянно составляют угол 45 с плоскостью поляризации пучка света ОКГ.

Между четвертьволновой пластинкой 2 и исследуемым объектом 8, имеющим оптически чувствительное покрытие 4, установлен диск 5 в виде зубчатого колеса, в котором закреплена и вращается вместе с ним вторая четвертьволновая пластинка 6, изготовленная также из слюды.

Диск 5 через вспомогательную шестеренку 7 соединен с диском 8, на котором укреплен анализатор 9, например, в виде поляроидной пленки. Диски 5 и 8 имеют одинаковый диаметр и одинаковое число зубьев,чем обеспечивается синхронность их вращения.

Анализатор 9 закреплен на диске 8 так, что плоскость его поляризации постоянно составляет угол 45 с главным направлением второй четвертьволновой пластинки, соответствующим большей скорости распространения колебаний.

На дисках 5 и 8 со стороны распространения пучка света укреплены электрооптические модуляторы 10 и 11, например, в виде пластинок кристаллов КДР, вырезанных перпендикулярно оптической оси и вклееных между стеклами с прозрачными токопроводящими покрытиями.

Модуляторы 10 и 11 укреплены так, что кристаллографические оси кристалла модулятора 10 постоянно совпадают с осями второй четвертьволновой пластинки 6, а кристаллографические оси кристалла модулятора 11 постоянно совпадают с плоскостью поляризации анализатора 9.

Токопроводящие покрытия модулятора 10 через кольца из проводников контактиру101

Блок питания 85 ОКГ и другие элементы принципиальной схемы, находящиеся вне пунктирного квадрата (см. фиг. 1), монтируются в одном блоке, соединенном при помо345421l

4 с закрепленными на корпусе устройства щетками, напримср графитными, к которым подведено переменное низкое напряжение сети 50 †1 в частотой 400 (или 50) гц.

5 К токопроводящим покрытиям модулятора 11 так же через кольца и щетки, укрепленные на корпусе, подводится одновременно низкое переменное напряжение и постоянное высокое плавно изменяющееся напря10 жение, Для этого щетки модулятора 11 последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 12 генератора синусоидальных колебаний низкого напряжения 18 подсоединены к выходу управляемого источника вы15 сокого напряжения. Последний может быть выполнен в виде двухполупериодного управляемого фазочувствительного выпрямителя, состоящего из трансформаторов 14, 15, высоковольтных кенотронов 16, резистивного

20 делителя 17 и емкостей 18, 19.

Для облегчения юстировки устройства (имеется в виду влияние коноскопической картины кристаллов) кристалл модулятора 10 имеет толщину менее 1 лы, а кристалл

25 модулятора 11 — несколько миллиметров.

За анализатором 9 установлен фотоприемник 20. К нагрузке фотоприемника 20 подключен избирательный усилитель 21, настроенный на частоту возбуждения модуля30 тора 10, и избирательный усилитель 22, настроенный на частоту переменной составляющей возбуждения модулятора 11. Усилитель 21 управляет реверсивным двигателем 28, механически связанным с дисками 5

35 и 8. Усилитель 22 через фазовый детектор 24, фильтр 25, электронный модулятор 26 и усилитель мощности 27 управляет реверсивным двигателем 28.

Вал реверсивного двигателя 28 механичелл

40 ски связан с мостом переменного тока 29, состоящим, например, из многооборотных проволочны: потенциометров типа ПС-3 или

ППМЛ-М, а также с кулачком 80, состоящим из нескольких шайб с упорами, кото45 рый, в свою очередь, механически связан с контактами 81.

Первичная обмотка трансформатора 15 через блок 82 триггерного действия, управляемый контактами 81, подключена к диагоso нали моста 29.

Для записи измеряемых параметров на диаграммной ленте поляриметр содержит двухперьевой самописец 88, представляющий собой, например, серийно выпускаемый само55 пишущий потенциометр типа ПДС-021 с дополнительkIо установленным вторым пером.

Один вход самописца подключен к многооборотному потенцп 84, механически связанному с валом двигателя 28, а другой

60 подсоединен к делителю напряжения 17.

345421 щи гибких проводов с оптико-механической частью.

Предлагаемый поляриметр раоотает следующим образом.

Излучаемый источником 1 плоскополяри- 5 зованный монохроматический пучок света, падающий на пластинку 2 (см. фиг. 1), может быть представлен точкой «1» на сфер.

Пуанкарэ (см. фпг. 2), где err — — 45 .

После прохождения пучка света через не- 10 подвижную четвертьволновую пластинку 2 точка «1», характеризующая начальное состояние поляризации, переместится в точку

«2», передвигаясь по часовой стрелке вокруг радиуса, проведенного через точку «3» на 15 сфере и представляющего собой главное направление пластинки с колебаниями, распространяющимися с большой скоростью.

Затем пучок света с круговой поляризацией (например, с левым вращением) попада- 20 ет па модулятор 10 (см. фнг. 1) и на вращающуюся совместно с ним вторую четвертьволповую пластинку 6.

Если модулятор не возбужден, а пучок света, падающий нормально к плоскости 25 кристалла модулятора, находится в центре модулятора, то после прохождения света через модулятор состояние поляризации не изменится и по-прежнему будет характеризоваться точкой «2» на сфере (см. фиг. 2). 30

Состояние же поляризации светового пучка после прохождения вращающейся четвертьволновой пластинки б (см. фиг. 1) прн этом всегда характеризуется точками на экваторе сферы (см. фиг. 2) и соответствует, 35 например, точке «1», если рассматривать мгновенное значение ориентации главного направления пластинки б, соответствующee точке «4».

Другими словами, после прохождения вра- 40 щающейся четвертьвол новой пластинки 6 получают снова плоскополяризованный монохроматический пучок света, ориентация плоскости поляризации которого зависит от ориентации четвертьволновой пластинки б, 45 встроенной в диск 5.

Вторично прошедший через оптически чувствительное покрытие 4 (см. фиг. 2) при отражении от объекта 8 поляризованный пучок света попадает на модулятор 11, затем 50 на анализатор 9 и после этого воспринимается фотоприемником 20.

Если объект 8 механически не нагружен, то покрытие 4 не проявляет анизотропин и при невозбужденном модуляторе П отра- 55 женный свет, характеризующийся, например, точкой «I» на сфере (фиг. 2), гасится анализатором, плоскость пропуск а ни я которого характеризуется точкой «5» на сфере.

При подаче возбуждения на модуляторы

10 и 11 кристаллы КДР из одноосных стано- @1 вятся двухосными, их оптические индикатрисы деформируются, что приводит к изменению состояния поляризации проходящего через них пучка света, точнее, модуляторы 10 65 и 11 будут вносить дополнительную разность фаз, которая по величине и знаку пропорциональна величине и знаку приложенного к ним rгапряжения. В каждом из модуляторов угол, образованный плоскостью двух оптических осей с кристаллографнческнми осями кристалла, равен 45 и не зависит от величины приложенного напряжения.

Поэтому после возбуждения модулятора 10 состояние поляризации изменяется на небольшую величину, например, по гармоническому закону с частотой Й и может характеризоваться точкa.»rr максимального смещения «6», «7» на сфере (см. фиг, 2), а после четвсртьволновой пластинки — точками

«8» и «9».

После возбуждения модулятора 11 переменным напряжением (от трансформатора

12) состояние поляризации пучка света (точггее, разность его фаз) также изменяется на небольшую величину, но с другой частотой, например о, и на сфере (фнг. 2) характеризуется, например, крайними точками «10» и «11», когда состояние поляризации входящего в модулятор пучка света соответствует точке «1» па сфере, н крайними точками

«12», «18» н «14», «16», когда состояние поляризации входящего в модулятор пучка света cooTBeòñòBóåò максимальному отклонени о по азимуту, т. е. точкам «8» и «9».

Таким образом, ориентация модулятора

10 по отношению к четвсртьволповой пластинке 6 обеспечивает наложение вынужденных колебаний с частотой Q на измеряемый параметр направления главных напряжений, а ориентация модулятора 11 обеспечивает наложение вынужденных колебашш с частотой (0 па измеряемый параметр разности фаз, следовательно, два 3TII параметра измеряются одновременно.

В зависимости от условий работы, качества покрь.тпя и требуемой точности максимальные амплитуды вынужденных колебаний должны лежать в диапазоне а = 0,5 —: 5 и р = 0,5 —: 5, что соответствует изменению азимута плоскости поляризации на 0,5 — 5 и разности фаз на (3.10 — 2,8 ° 10 - ) л.

Рассмотрим два случая:

1. Исследуемая область (точка) оптически активного покрытия 4 изотропна (механическая нагрузка равна нулю).

2. Исследуемая область покрытия 4 анизотропна и характеризуется каким-то направлением главных напряжений п и разностью фаз р.

Из представления состояния поляризации на сфере Пуанкарэ (см. фиг. 2) видно, что в первом случае точка «1» будет смещаться симметрично относительно меридиана сферы, проходящсго через точку «1», и одновременно будет симметрично смещаться относительно экватора с реры.

Это вызывает периодическое увеличение с частотами 2Р и 2в светового потока, прошедшего через анализатор 9 (см. фиг. 1), 845421 а следовательно, и фототока фотоприемникаа 20.

В этом ела час сигналы фотоприемника с частотами 29 и 2!? с усиливаются изонрательными усилителями 21, 22, двигатели 2,3, 28 не вращаются и оба пера само!шсца 3, 3 находятся на нулевой отметке.

Во втором случае, когда покрытие подвергается механическому воздействию и проявляет анизотропию, состояние поляризации пучка света, отраженного от исследуемого объекта, характеризуется, например, точкой

«lб» с параметрами 2а и 2р и соответственно точками «17» и «18».

После прохождения возбужденного модулятора 11 пучок света приобретает дополнительную разность фаз, изменяющуюся по гармоническому закону с частотой о?, что lla сфере Пункарэ (см. фиг. 2) можно отобразить крайними точками «19» — «24».

В этом случае на нагрузке фотоприемника 20 появятся сигналы разбаланса определенной фазы как по параметру направления главных напряжений в виде переменной составляющей фототока с частотой Q, так и по параметру разности фаз в виде переменной составляющей фототока с частотой о.

Эти сигналы усиливаются избирательными усилителями 21 и 22, чем обеспечивается их разделение.

Сигнал с частотой Q усиливается избирательным усилителем 21 и воздействует на управляющую обмотку рсверсивного двигателя 28. Двигатель 28 подключен так, что механически связанные с ним элементы 5, 8, 10 и 11 повернутся на угол а и произойдет компенсация (устранение разбаланса) по параметру направления главных напряжений.

Сигнал с частотой !? усиливается избирательным усилителем 22 и в фазовом детекторе 24 сопоставляется (сравнивается) ïo фазе с опорным сигналом, поступающим от генератора 18. Получаемый на выходе фазового детектора 24 сигнал постоянного тока определенной полярности сглаживается фильтром 25 и модулируется электронны?м модулятором 2б, управляемым напряжением, например, сети.

Модулированный сигнал усиливается усилителем 27 и подается на обмотку управления двигателя 28, который, вращаясь, изменяет сопротивления плеч моста переменного тока 29, чем обеспечивает появление постоянного напряжения определенной полярности на делителе 17 и тем самым между токопроводящими покрытиями кристалла модулятора 11.

Двигатель 28 и мост 29 подключены так, что приложенное к модулятору 11 постоянное напряжение вызывает анизотропию кристалла модулятора 11 и тем самым компенсацию возникшей в покрытии 4 разности фаз, 8

В этом ел .чае одно перо самописца 88, связанное с потенциометром 84, оудст ??a ;однться на отметке, соотвстствующей углу измеренного направления главных папря>ксшш, а другое перо — на отметке, соответствующей значению измеренной разности фаз, 1(улачок 80 рассч??тан таким oopa3o», L?To при изменении измеряемой разности фаз на

lp величину несколько большую +- л, что соответствует приложенному к модулятору полуволновому напряжени?о (т. е. такому, при котором кристаллы модулятора 11 создают

Х разность хода вЂ,где Х вЂ” длина волны излучения ОКГ), происходит замыкание левых или правых контактов 81, переход в другое устойчивое состояние блока 82, смена фазы на к напряжения на первичной обмотке трансформатора 15, резкая смена полярности на делителе 17, реверсирование двигателя 28 и моста 29.

Таким образом, при перемещении луча по покрытию 4 или плавном изменении нагруз25 ки, воздействующей на объект 8, на ленте самописца 88 одновременно вычерчиваются кривые, соответствующие измеряемым параметрам направления главных напряжений и разности фаз.

Зр Предлагаемый поляриметр особенно удобен при исследованиях напряжений в летательных аппаратах, испытуемых на полигонах, в камерах и на стендах.

Предмет изобретения

1. Поляриметр, содержащий источник монохроматического света, анализатор, моду4р ляторы, избирательные усилители, реверсивные двигатели и двухперьевон самописец, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, после источника монохроматического плоскополяризованного све45 та укреплена неподвижно первая четвертьволновая пластинка с кристаллографическими осями, располо?кенпыми под углом 45 к плоскости поляризации пучка света, а перед испытуемым объектом и после него на синхронно связанных между собой дисках в виде зубчатых колес, приводимых во вращение реверсивным двигателем, укреплены соответственно вторая четвертьволновая пластинка и анализатор, с плоскостью пропускания, расположенной под углом 45 к осям второй пластинки, на которых со стороны распространения пучка света укреплены электрооптические модуляторы, например, пластинки кристаллов КДР, вырезанgp ные псрпсндикулярно оптической оси и закрепленные между стеклами с прозрачными токопроводя!ц??ми покрытиями, пр??чем электроонтический модулятор, укрепленный на диске второй четвертьволновой пластин65 ки с ориентацией кристаллографических

345421

Сеть осей, совпадающей с осями второй четвертьволновой пластинки, соединен с источником переменного напряжения, а электрооптический модулятор, укрепленный на диске анализатора с ориентацией кристаллографнческих осей, совпадающей с плоскостью поляризации анализатора, соединен с источником переменного напряжения, частота которого отлична от частоты напряжения, снимаемого

5 с первого генератора.