ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1998 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для измерений силы, давления, ускорения, перемещений и т.п.

Известны пьезооптические измерители механических величин, содержащие источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент, фазовые пластинки, анализатор, фотоприемники и усилитель [1]. Недостатком этих измерителей является узость динамического диапазона измерений, так как они работают лишь на первом участке характеристики преобразования силы в электрическое напряжение, поскольку переход на второй, третий и т.д. участки сопровождается неоднозначностью отсчетом. Второй недостаток этих измерителей заключается в нестабильности (дрейфе, ползучести) показаний из-за текучести клеевого слоя крепления фотоупругого элемента. Текучесть клеевого слоя и обуславливаемая ею ползучесть показаний измерителя тем больше, чем больше измеряется сила и ее изменения [2].

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является пьезооптический измеритель механических величин, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент, фазовые пластинки, анализатор, фотоприемники, усилители, компараторы, формирователь треугольного напряжения и аналого-цифровой преобразователь [3] . Этому измерителю также присущ недостаток, состоящий в нестабильности показаний типа "ползучесть" из-за текучести клеевого крепления фотоупругого чувствительного элемента. Кроме того, этот измеритель обладает недостаточно точной характеристикой преобразования из-за погрешностей формирования треугольного напряжения.

Целью изобретения является повышение точности за счет снижения ползучести показаний измерителя.

Сущность изобретения состоит в том, что в пьезооптический измеритель механических величин, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент, две фазовые пластинки, анализатор, усилитель, два фотоприемника, дифференциально подключенные к усилителю, а также два компаратора и аналого-цифровой преобразователь, введены цифроаналоговый преобразователь, разрядные входы которого соединены с разрядными выходами аналого-цифрового преобразователя, преобразователь электрического напряжения в ток, присоединенный входом к выходу цифроаналогового преобразователя, магнитоэлектрический преобразователь тока в силу, постоянный магнит которого закреплен неподвижно, силосуммирующий рычаг с площадкой, подготовленной для приложения к ней измеряемой величины, шарнирно закрепленный в одной точке, в другой точке приведенный в контакт с фотоупругим элементом, а в третьей точке скрепленный с катушкой магнитоэлектрического преобразователя, которая подключена к выходу преобразователя напряжения в ток, причем аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде реверсивного счетчика, вход прямого счета которого соединен с выходом первого компаратора, а вход обратного счета соединен с выходом второго компаратора и при этом неинвертирующий вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора подключены к выходу усилителя, а инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго компараторов соединены каждый со своим источником опорного напряжения.

Технический результат изобретения состоит в повышении точности измерителя за счет уменьшения нестабильности типа "ползучесть" его показаний, что достигается путем многократного уменьшения силы N_x, воздействующей на фотоупругий чувствительный элемент и крепящий его клеевой слой: эта сила равна в предлагаемом измерителе на всей внешней измеряемой силе N (как в прототипе), а разности N_x=N-N_ос, где N_ос≈I есть сила на выходе цепи обратной связи, а именно на выходе магнитоэлектрического преобразователя тока в силу, т.е. сила, развиваемая катушкой в магнитном поле магнита при протекании по ней тока I, пропорционального выходному напряжению цифроаналогового преобразователя. Вследствие снижения силы N_x (по сравнению с N) уменьшается нагрузка на клеевой слой крепления фотоупругого элемента и перепады этой нагрузки, а значит и ползучесть клеевого слоя и измерителя в целом. По сравнению с аналогами типа [1] исключается неоднозначность отчетов.

Достижение этого технического результата обеспечивается всей совокупностью существенных признаков.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого измерителя; на фиг. 1 - диаграммы, поясняющие работу измерителя; на фиг. 3 - один из возможных вариантов схемы преобразователя электрического напряжения в ток.

Пьезооптический измеритель (фиг. 1) состоит из последовательно расположенных и оптически сопряженных источника света 1, поляризатора 2, фотоупругого чувствительного элемента 3 (например, кристалла фосфида галлия в форме призмы), приклеенного к неподвижному основанию 4, двух четвертьволновых фазовых пластинок 5 и 6, анализатора 7, усилителя 8, фотоприемников 9 10, дифференциально подключенных к входам усилителя 8, двух компараторов 11 и 12, аналого-цифрового преобразователя 13, выполненного в виде реверсивного счетчика, вход 14 прямого счета которого подключен к выходу первого компаратора 11, а вход 15 обратного счета которого подключен к выходу второго компаратора 12, цифроаналогового компаратора 16, разрядные входы которого соединены с разрядными выходами аналого-цифрового преобразователя 13, преобразователя 17 электрического напряжения в ток, присоединенного входом к выходу цифроаналогового преобразователя 16, магнитоэлектрического преобразователя тока в силу, включающего постоянный магнит 18, который закреплен неподвижно, и катушку 19, подсоединенную у выходу преобразователя напряжения в ток 17, силосуммирующий рычаг 20 с площадкой 21, подготовленной для приложения к ней измеряемой величины, например силы N, шарнирно закрепленный в одной точке (например, левым концом, как на фиг. 1), в другой точке (например, под площадкой 21) приведенный в контакт с фотоупругим элементом, а в третьей точке (например, правым концом) скрепленный с катушкой 19 (или ее каркасом) магнитоэлектрического преобразователя, причем неинвертирующий вход первого компаратора 11 и инвертирующий вход второго компаратора 12 присоединены к выходу усилителя 8, инвертирующий вход первого компаратора 11 и неинвертирующий вход второго компаратора 12 присоединены каждый к одному из источников 22 и 23 опорных напряжений. Оптические оси четвертьволновых пластин 5 и 6 ориентированы так, что пластина 5 увеличивает, а пластина 6 уменьшает разность фаз проходящих через них лучей на π/2. . Оптические оси поляризатора 2 и анализатора 7 скрещены. В состав измерителя может быть включен сумматор 24 электрических напряжений, один вход которого присоединяется к выходу цифроаналогового преобразователя 16, а другой вход подключается в дополнительному источнику 25 напряжения смещения, а выход сумматора подключается к входу преобразователя 17 напряжения в ток.

Пъезооптический измеритель механических величин работает следующим образом.

Согласно схеме фиг. 1 и формуле рычага второго рода на фотоупругий элемент 3 рычаг 21 передает силу
,
где
; I - длина рычага; I₁ - расстояние от оси шарнирного закрепления рычага до точки приложения измеряемой силы N и контакта рычага с фотоупругим элементом. При отключенной обратной связи, например, отключением катушки 19 от входа преобразователя 17, N_x представляет собой только измеряемую силу N.

Под действием силы N_x фотоупругий элемент 3 деформируется и приобретает анизотропию в отношении распространения в нем света.

Свет от источника 1 проходит поляризатор 2 и линейно поляризованным падает на фотоупругий элемент 3 под некоторым углом к направлению одноосного напряжения в нем. В фотоупругом элементе 3 световая волна распадается на две составляющие, между которыми вследствие эффекта двойного лучепреломления [4] возникает разность фаз (см.(1) в [1] на с. 45 и (4.5) и [4] на с. 123)
Δα = 2πΔnt/λ = 2πRεt/λ,
где
Δn -n₁-n₁₁, n₁ и n₁₁ - коэффициент преломления составляющих световой волны соответственно перпендикулярной и параллельной деформации элемента 3 под действием одноосного напряжения: t - длина хода лучей в элементе 3: λ - длина волны света: R - константа оптической системы: ε -деформация элемента 3. Таким образом, упругая деформация элемента 3 приводит к фазовой модуляции поляризованного света.

Четверть волновая пластина 5 увеличивает разность фаз Δα на π/2, , а пластина 6 уменьшает Δα на угол π/2. .

Анализатор 7 выделяет из оптического излучения составляющие, колеблющиеся в плоскости пропускания анализатора. В результате интерференции этих составляющих интенсивность излучения после анализатора изменяется, т.е. фазовая модуляция оказывается преобразованной в амплитудную. При изменении силы N_x и величины Δα интенсивности лучей света, попадающих на фотоприемники 9 и 10, изменяются на одинаковые величины, но с противоположными знаками, что проводит к равным, но противоположным по знаку изменениям фотоЭДС фотоприемников. Усилитель 8 усиливает дифференциальные составляющие этих изменений и на его выходе
U_вых= KU₀sinΔα = KU₀sinkε, (1) ,
где
K и U_о - константы системы.

На линейном участке функции преобразования (1) выполняется
U_вых= KU₀Δα = KU₀kε = KU₀mΔN_x
где
ΔN_x - приращение силы; m - константа; на этом линейном участке чувствительность измерителя к ΔN_x максимальна.

При замкнутой обратной связи сила , создаваемая катушкой 19 вследствие взаимодействия тока в ней с полем магнита 18, отслеживает изменение измеряемой силы N (фиг. 2, а). При этом сила N_x , воздействующая на фотоупругий элемент 3, изменяется как показано на фиг. 2, б. Формирование ступенек (квантов) N_Δ силы обратной связи осуществляется цифроаналоговым преобразователем 16, преобразователем напряжения в ток 17 и магнитоэлектрическим преобразователем 18-19 по сигналам компараторов 11 (фиг. 2, в) и компаратора 12 (фиг. 2, г), соответственно увеличивающим и уменьшающим число в реверсивном счетчике (аналого-цифровом преобразователе) 13. Уровня силы N_П1 и N_П на фиг. 2, в, г соответствуют опорные напряжения U_П1 и U_П2 источников 22 и 23 соответственно, согласованные с диапазоном рабочих напряжений U_вых усилителя 8. Срабатывание компаратора 12 в момент включения системы или приложения к рычагу 20 измеряемой силы N не приводит к ложному формированию кванта - N_Δ , так как реверсивный счетчик 13 при этом пуст и не реагирует на сигнал обратного счета (вычитания).

Для смещения рабочей точки измерителя в область характеристики преобразования (1) с максимальной крутизной и чувствительностью через цепь обратной связи может быть задана на фотоупругий элемент 3 сила смещения N_см, определяемая напряжением E_см источника 25. Использование смещения позволяет также удерживать фотоупругий элемент в фиксированном положении без его приклеивания к основанию 4, т.е. полностью исключить источник нестабильности типа "ползучесть".

Как видно из фиг. 2,б, сила N_x, воздействующая на чувствительный элемент 3 (и клеевой слой, если элемент 3 все же приклеивается) может быть сделана (выбором величин кванта N_Δ и порога N_П1 весьма малой - гораздо меньше перепада значений измеряемой силы N, чем обеспечивается снижение "ползучести" клеевого слоя и измерителя в целом.

Схемотехнические варианты выполнения преобразователя электрического напряжения в ток 17 описаны в литературе, например [5], ст. 186-188, рис. 6.6, табл. 6.1; [6], с.377, рис. 11.8, а, (воспроизведен на фиг.3), с. 380, рис. 11.9, б. В схеме, показанной на фиг.3, отрицательная обратная связь через резистор R_о поддерживает ток I в нагрузке R_Н строго пропорциональным входному напряжению U, причем при выполнении условия
,
как показано в [6], ток не зависит от величины R_Н и определяется величинами резисторов
I = UR₀/R₁R₃ .

Источники принятые
1. Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, N11, 1985, с.46, рис.1а.

2. Серьезнов А.Н. Испытания авиационных конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР N 1446496 А1, кл. G 01 L 1/24, 1988.

4. Фрохт М.М. Фотоупругость. т.1. М.-Л., ОГИЗ, 1948.

5. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. -М.: Радио и связь, 1985.

6. Алексенко А. Г. Шагурин И.И. Микросхемотехника. -М.: Радио и связь. 1982.

Пьезооптический измеритель механических величин содержит источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент, две фазовые пластинки, анализатор, усилитель, два фотоприемника, дифференциально подключенные к усилителю, два компаратора и АЦП, ЦАП, входы которого соединены с выходами АЦП, преобразователь электрического напряжения в ток, присоединенный к выходу ЦАП, магнитоэлектрический преобразователь тока в силу, силосуммирующий рычаг с площадкой для приложения к нему измеряемой величины, шарнирно закрепленный в одной точке, в другой точке приведенный в контакт с фотоупругим элементом, а в третьей точке - скрепленный с катушкой магнитоэлектрического преобразователя, которая подключена к выходу преобразователя напряжения в ток, причем АЦП выполнен в виде реверсивного счетчика, входы которого соединены с выходами компараторов, неинвертирующий вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора подключены к выходу усилителя, а другой вход каждого компаратора соединен со своим источником опорного напряжения. 3 ил.

Пьезооптический измеритель механических величин, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент, две фазовые пластинки, анализатор, усилитель, два фотоприемника, дифференциально подключенные в усилителю, а также два компаратора и аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что в него введены цифроаналоговый преобразователь, разрядные входы которого соединены с разрядными выходами аналого-цифрового преобразователя, преобразователь электрического напряжения в ток, присоединенный входом к выходу цифроаналогового преобразователя, магнитоэлектрический преобразователь тока в силу, постоянный магнит которого закреплен неподвижно, силосуммирующий рычаг с площадкой, подготовленной для приложения к ней измеряемой величины, шарнирно закрепленный в одной точке, в другой точке приведенный в контакт с фотоупругим элементом, а в третьей точке скрепленный с катушкой магнитоэлектрического преобразователя, которая подключена к выходу преобразователя напряжения в ток, причем аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде реверсивного счетчика, вход прямого счета которого соединен с выходом первого компаратора, а вход обратного счета - с выходом второго компаратора, и при этом неинвертирующий вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора подключены к выходу усилителя, а инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго компараторов соединены каждый со своим источником опорного напряжения.