Пьезооптический измерительный преобразователь

 

О П И С А Н И Е п 572667

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

С миааистинеских

Республик ф; (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 12.02.75 (21) 2105757/10 с присоединением заявки ¹ (51) М Кл б 011 1j16

Государственный комитет (23) Приоритет

Совета Министров СССР по делам изобретений и отнрытнЙ (53) УДК 531.781(088.8) Опубликовано 15.09.77. Бюллетень № 34

Дата опубликования описания 19.09.77 (72) Авторы изобретения 10. В. Миронов, И. И. Слезингер, В. A. Ширяев и Г. М. Белицкий (71) Заявитель Институт механики Московского ордена Ленина и ордена Трудового

Красного Знамени государственного университета им. М. В. Ломоносова (54) ПЬЕЗООПТИЧЕСКИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к области силоизмерительной техники и может быть использовано для измерения силы давления, ускорения, то есть величин, которые обусловливают появление механических напряжений в твердом теле.

Известные пьезооптические измерительные преобразователи, содержащие два источника света, подключенные к генератору во взаимно противоположной полярности, поляризационно-оптическую систему и фотоприемник обладают недостаточной точностью из-за наличия дрейфа выходного сигнала и изменения чувствительности вследствие температурной и временной нестабильности параметров источников света и фотоприемника.

Целью изобретения является повышение точности преобразования. Зто достигается тем, что он снабжен опорным фотоприемником, регуляторами тока каждого излучателя, фильтром низких частот и регулятором общего тока обоих источников света.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого пьезооптического измерительного преобразователя; на фиг. 2 — временные диаграммы параметров преобразователя.

Пьезооптический преобразователь содержит два источника света 1 и 2 (например светодиоды), поляризационно-оптическую систему

3, включающую в себя поляризатор 4, фазо- зо сдвигающие пластины 5 и 6, чувствительный элемент 7 и анализатор 8, рабочий фотоприемник 9 и опорный фотоприемник 10, выход которого соединен с входом фазочувствительного усилителя 11, а выход его подключен к одним из входов регуляторов тока 12 и 13, другие входы которых соединены с генератором прямоугольных импульсов 14. Выход рабочего фотоприемника 9 через разделительную емкость 15 соединен с измерительной цепью 16, состоящей, например, из фазочувствительного усилителя 17 и регулирующего прибора 18, а также связан с фильтром низких частот 19, выход которого соединен с регулятором общего тока источников света 20. Резисторы 21 и

22 являются нагрузкой рабочего и опорного фотоприемников соответственно.

Опорный фотоприемник 10 расположен в поле световых потоков источников света 1 и

2 так, чтобы эти световые потоки не модулировались поляризационно-оптической системой 3.

Это достигается различными способами, например путем расположения опорного фотоприемника таким образом, чтобы световые потоки попадали на него, минуя чувствительный элемент 7, или так, чтобы свет, поступающий на него, не проходил через анализатор 8, Пьезооптический преобразователь работает слсдующим образом.

Напряжение питания через регулятор общего то ка 20 поступает одновременно на регуляторы токов источников света 12 и 13. Управляющий сигнал, поступающий с генератора импульсов 14 на регуляторы токов 12 и 13, позволяет запитывать источники света 1 и 2 попеременно. Световые потоки от источников

1 и 2, пройдя поляризатор 4, становятся линейно-поляризованными. Далее световой поток от источника света 1 проходит через фазосдвигающую пластину 5, а поток от источника 2 через такую же пластину 6. Толщина пластин 5 и 6 подобрана так, чтобы создавать разность хода в четверть длины волны света, но плоскости наибольших скоростей их взаимно перпендикулярны. После этих пластин свет становится циркулярно-поляризованным и, пройдя чувствительный элемент 7, поступает на анализатор, который выделяет из световых потоков составляющие, параллельные его собственной оси поляризации.

Если на чувствительный элемент 7 не действует измеряемый параметр (сила, давление и т. д.), то световые потоки, поступающие на рабочий фотоприемник 9, не подвергаются изменению в чувствительном элементе 7 и имеют лишь начальную разность хода, обусловленную наличием фазосдвигающих пластин 5 и 6.

Так как толщина их одинакова, то и световые потоки, поступающие на фотоприемник 9 во время работы первого и второго источника света, имеют одну и ту же величину Фю (фиг. 2). Переменная составляющая на выходе рабочего фотоприемника 9 будет отсутствовать и сигнал в измерительную цепь 16 не поступает, При нагружении чувствительного элемента

7 силой P (см. фиг. 2) в нем создается дополнительная разность хода. Эта разность хода алгебраически суммируется с разностью хода создаваемой фазосдвигающими пластинами 5 и 6. Так как пластины 5 и 6 имеют взаимоперпендикулярную ориентацию осей наибольших скоростей, то при работе одного источника света указанные разности хода складываются, а при работе другого вычитаются. В результате этого оба световых потока при выходе из чувствительного элемента будут иметь эллиптическую поляризацию, оси эллипсов поляризации этих потоков будут взаимно перпендикулярны. На выходе из анализатора 8 световой поток, излучаемый одним источником света, будет иметь приращение +ЛФ, а излучаемый другим источником — ЛФ. Так как источники света работают попеременно, то на выходе рабочего фотоприемника 9 появится переменный сигнал, частота которого будет равной частоте генератора импульсов. Через разделительную емкость 15 этот сигнал поступает на фазочувствительный усилитель 17 и далее на измеритель 18.

Компенсация дрейфа нуля преобразователя производится за счет введения обратной связи. На опорный фотоприемник 10 поступают световые потоки, минуя поляризационно-опти572667

4 ческую систему, поэтому, если светимость источников света 1 и 2 одинакова, то на выходе фотоприемника 10 переменный сигнал отсутствует и компенсации не происходит. Когда

5 один из источников света (например 1) уменьшит свою светимость (со временем или от изменения температуры), тогда на выходе опорного 10 и рабочего 9 фотоприемников появится переменный сигнал, который на выходе

10 рабочего фотоприемника 9 приводит к смещению нуля на выходе преобразователя. Сигнал с опорного фотоприемника 10 усиливается и демодулируется фазочувствительным усилителем 11. Этот сигнал поступает на регуляторы

15 токов источников света 12 и 13, которые включают в себя по два элемента — регулирующему и переключающему. Переключающие элементы обеспечиваютпопеременную работу источников света 1 и 2 за счет сигналов, поступа20 юлих .с генератора 14. А на входы регулирующих элементов сигнал поступает с усилителя

11. Этот сигнал имеет определенную полярность, обусловленную соотношением фаз входного и опорного сигналов усилителя 11, поэто25 му регулирующие элементы регуляторов тока

12 и 13 должны быть устроены так, чтобы при однополярном сигнале один из них закрывался, а другой открывался. Осуществить это можно, применяя транзисторы р.азной прово30 димости или инвентирующий и неинвентирующий входы операционных усилителей. Таким образом, при поступлении на регуляторы тока 12 и 13 сигнала с усилителя 11, ток источника 1 увеличивается, а источника 2 умень35 шается и, как следствие, соответственно изменяются их световые потоки, стремясь свести к нулю переменный сигнал на выходе опорного

10 и рабочего 9 фотоприемников. Тем самым устраняется смещение нуля на выходе преоб40 разователя. Компенсация будет осуществляться тем лучше, чем больше коэффициент усиления усилителя 11. Работа преобразователя происходит аналогично и при изменении светимости обоих источников света.

45 Компенсация дрейфа коэффициента чувствительности осуществляется за счет введения цепи обратной связи, включающей в себя фильтр низких частот 19 и регулятор общего тока источников света 20.

50 Так как в преобразователе используются два источника света 1 и 2, то для поддержания постоянства коэффициента чувствительности необходимо поддерживать постоянной сумму световых потоков обоих источников. Когда

55 изменится светимость одного или обоих источников света (например, уменьшится), то изменится (уменьшится) и сумма световых потоков, изменяется (уменьшается) величина постоянной составляющей сигнала на выходе

60 рабочего фотоприемника 9. Необходимо заметить, что с выхода фотоприемника 9 может поступать и переменная составляющая (при нагружении чувствительного элемента), поэтому фильтр низких частот 19 выделяет из

65 этого сигнала только среднее значение и по.

572667 дает его на регулятор общего тока 20 источников света. В регуляторе общего тока 20 этот сигнал сравнивается с опорным сигналом, и благодаря наличию разбаланса увеличивается ток обоих источников света. Световые потоки увеличиваются, как следствие, увеличивается и величина постоянного сигнала на выходе фотоприемника 9, стремясь достичь величины опорного сигнала U,, чтобы свести к минимуму вели п пу разбаланса.

Таким образом, введение двух цепей отрицательной обратной связи позволяет повысить точность за счет уменьшения температурного и временного дрейфа нуля и коэффициента чувствительности.

Формула изобретения

Пьезооптический измерительный преобразователь, содержащий два источника света, подключенные к генератору знако переменных прямоугольных импульсов, поляризационнооптическую систему и рабочий фотоприемник с измерительной схемой, отличающийся

5 тем, что, с целью повышения точности преобразования, он снабжен фильтром низких частот, регуляторами тока каждого источника света, соединенными с выходом общего регулятора тока, вход которого подключен к филь10 тру низких частот, фазочувствительным усилителем, разделительной емкостью и опорным фотоприемником, причем опорный фотоприемник через разделительную емкость соединен с фазочувствительным усилителем, выход кото15 рого подключен к входам регуляторов тока каждого источника света, а выход рабочего фотоприемника подключен к измерительной цепи и фильтру низких частот.

572667 т

9 пг. Г

Корректоры: В. Посельский и Л. Орлова

Составитель В. Зыль

Редактор И. Хлудова

Заказ 1984/5 Изд. № 750 Тираж 1109

НПО Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 475

Подписное

Типография, пр. Сапунова, 2

L!