Преобразователь механических величин Советский патент 1983 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использова но при создании устройств для измер ниясил, давлений и других параметров. Известны пьезооптические датчики механических величин, содержащие источник света, поляризационно-опти ческую систему ti фотоприемник. В этом датчике чувствительный элемент подвергается деформации сжатия-растяжения. Поляризационно-оптическая система .выполнена по дифференциальной схеме прямого преобразования l При малых деформациях .чувствитель ного элемента рабочий диапазон преобразования лежит в пределах первог интерференционного максимума. Для преобразования аналогового выходног сигнала в цифровую форму необходимо применение АЦП, что .значительно усложйяет устройство и делает его дорогостоящим. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь механических величин, содержащий источник света и установленные по ходу луча поляризатор, чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник. В этом преобразователе кристалл сегнетоэластика, имеющий полидоменную структуру, подвергается механическо деформации. В результате в кристалл происходит прорастание доменов новой пространственной ориентации, ,а также укрупнение или измельчение исходных двойников. После снятия нагрузки доменная структура полность восстанавливается. Вследствие реориентации оптической индикатрисы в доменах различных ориентационных состояний происходит интегральное изменение интенсивности светового потока, пpoшeдiиeгo от источника к фотоприемнику через кристалл и расположенные по разные стороны от него поляроиды 2 . , Выходным параметром преобразователя является аналоговая величина напряжение. Преобразование измеряемо величины в ЦИфрОВЫЙ код возможно лиш с помощью электронных средств аналого-цифрового преобразованияг что зна чительно усложняет устройство прибора. . Целью изобретения является упрощение преобразования механических величин в цифровой код. Указанная цеПь достигается тем, что в преобразователь механических величин, содержащий источник света и установл енные по ходу луча поляризатор, чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник, дополнительно введена линза, расположенная между анализатором и фотоприемни1 м, а чувствительный элемент выполнен в виде двух смежных доменных областей, имеющих разные тензоры спонтанной деформации и расположенных так, чтЪ плоскость их оптического рйздела перпендикулярна силочувствительной оси чувствительного элемента, при .этом фотоприемник выполнен в виде фотоматрицы. На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового преобразователя: с яркостным выделением доменной границы/ на фиг. 2 - структурная схема цифрового преобразователя с затемнением изображения одного из смежных доменов. Преобразователь механических величин состоит из источника све- , та 1, диафрагмы 2, поляризатора 3, сегнетоэластического чувствительного., элемента 4, разделенного доменной стенкой 5 на две смежные доменные области, устройство приложения усилия б, анализатора 7, линзы8, фотоматрицы 9, пластинки 10 в четверть длины волны. Преобразователь механических величин работает следующим образом. Световой поток от источника света 1 проходит диафрагму 2, поляризатор 3 и попадает на сегнетоэластический чувствительный элемент 4. Ширина щели диафрагмы ограничивает просвечиваемую рабочую зону 1увствительного элемента. В Пластине кристалла сегнетоэластика, соответствующим образом ориентированной и вырезанной относительно кристаллогра4)ических осей, формируется планарная доменная стенка 5, разделяющая две; , смежные доменные области и находя- щаяся в просвечиваемой рабочей зоне чувствительного элемента. Толщина доменной стенки зависит от фиэических свойств .кристалла ив среднем составляет величину поряДка одного микрона. В связи с тем, что стенка разделяет два смежных домена с разными значениями тензора спонтанной деформации, то она представляет , прозрачную область оптической неоднородности и имеет различную Ьтруктуру по толщине. В зависимости от класса кpиqтaллографической симметрии, вида фазового перехода и способа поляризационнр-оптической фильтрации возможно ослабление ин.тенсивности света, прошедшего сквозь один домен по отношению к уровню света, прошедшего смежный до1йен, или ослабление света, прошедшего обе доменные области по Отношению к свету, прошедшему сквозь доменную стенку. ,v Свет, прошедший участок кристалла чувствительного элемента с доменной , стенкой не меняет плоскости поляриэации -и расходится не;5ольшой угловой апертурой. Стенка является как бы вторично линейным источником света. Это происходит 4acTjH4Ho вследствие дифракции и частично - иэ-за изменения коэффициента преломления вдоль стенки.

Через устройство приложения усилия б механическое напряжение определенной величины и направления относительно кристаллофизически с соей вызывает иехземещение пЛанарной доменной границы параллельно самой себе в рабочей зоне чувствительного элемента. Если воз ник аницие в кристале механические -напряжения не превы шают порогового уровня/ то после снятия Воздействия стенка возвращается в исходное состояние. В зависимости от вида кристалла и формы его огранки, наблюдается смещение доменной границы на величину до 1,5 мм с последующим возвращением ее в исходное положение после снятия механичес ой нагрузки. Экспериментально установлено, что связь между величиной смещения и механическим напряжением имеетлинейный характер.

Эта толщина пластины чувствительного элемента выбрана таким обра. зом, что набег фазы между обыкновенным и необыкновенным лучом составляет (2л + 1), то при параллельнр расположенный поляризаторе и анализаторе 7 доменнаястенка проектируется линзой 8 на фот.оматрицу 9 в виде светлой линии на темном Фоме.

Для уменьшения уровня света, прошедшего один домен по сравнению с уровнем света , прошедшего другой домен, можно применить поляризационно-оптическуго схему, приведен1041887

ную на фиг; 2. Толщина кристалла чувствительного элемента выбирается такой, чтобы задержка по фазе составляла 9.0 (0,37 мм для молибдата гадолиния). Пройдя пластинку чувствительного элемента, свет становится циркулярно поляризованным. Направление круговой поляризации противоположно в соседних доменах вследствие различной ориентации оптической индикатрисы. Поляризованный по кругу свет, прошедший через чувствительный элемент, преобразуется в линейно поляризованный после пластинки iO в .четверть длины волны. 5 Плоскости поляризацииVсвета, вышедtuero из двух соседних доменов,

лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях, соответствуйщим двум

состояниям кристалла. Таким образом, оптическое излучение может быть либо пропущено, либо задержано анализатором, .а доменная стенка является границей, между светлой и -темной областями. Засвеченные элёменты $отоматрицы меняютпозиционный цифровой код на ее выходе.

Экспериментальные исследования преобразователя с применением ПЭС-фо.толинейки А1033 показали, .что общая

погрешность измерения в диапазоне температур 1о-30 С не превышает 0,1%.. ..

Применение оптической схемы пространственно-полнризационной фильтра- ции перемещения доменной стенки вследствие: механического воздействия и использование фотоматрицы в качестве приемника перемещения позволяет непосредственна преобразовывать механическую величину в цифровой код и исключить тем самым из измерительного тракта сложный блок аналогоцифрового преобразования.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, содержащий источник света и v установленные по ходу луча поляризатор, чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник, отличающ и и с я тем, что, с- целью упроше ния преобразования механических величин в цифровой код, в него дополнительно введена линза, расположенная между анализатором и фотоприемникрм, а чувствительный элемент выполнен в виде двух смежных доменных областей, имеющих разные тензоры.спонтанной деформации и расположенных так, что плоскость их оптического раздела перпендикулярна силочувствительной оси чувствительного элемента, при этом ф9топриемник выполнен в виде фотоматрицы. « 00 Об sl