Преобразователь механических величин Советский патент 1984 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь зовано при разработке устройств для измерения сил, давлений, ускорений и других параметров. . Известно устройство для измерени усилия на сегнетоэластиках с полидо менной структурой, в котором криста сегнетоэластика, имеющий полидоменную структуру, подвергается механической деформации. В кристалле происходит прорастание доменов новой пространственной ориентации, а такж укрупнение или измельчение исходных двойников. После снятия нагрузки доменная структура полностью восста навливается. Вследствие реориентаци оптической индикатрисы в доменах различных ориентационных состояний происходит интегральное изменение интенсивности светового потока, про шедшего от источника света к фотоприемнику через кристалл и расположенные по разные стороны от него по ляроиды 1 . Однако выходным параметром таког преобразователя является аналоговая величина - электрический ток или напряжение фотоприемника. Преобразо вание измеряемой механической велич ны в цифровой код возможно только с помощью электронного блока аналогоцифрового преобразователя, что значительно усложняет устройство. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь механических величи В этом устройстве сегнетоэластический чувствительный элемент, выполненный из молибдата гадолиния, состоит из двух доменов, разделенных планарной доменной стенкой. Изображение доменной стенки с помощью полиризагщонно-оптической системы спроектировано на фотоматрицу. Внешнее механическое усилие, не превышающее для данного чувствительного элемента порогового уровня (его значение определяется тензором спонтанной деформации и геометрическими размерами кристалла), вызывает обраniMoe смещение доменной стенки относительно исходного положения параллельно самой себе. Реверсирование воздействия приводит к перемещению стенки в противоположном направлении, позволяет непосредстргнно преоб ра:овипать мехамическог по действие Е ПОЗИЦИОННЫЙ цифровой код на вьходе фотоматриицы Г2, Однако максимальное обратимое смещение доменной стенки не превышает 300-500 мкм. Дальнейшее увеличение внешнего механического напряжения приводит к необратимому смещению. Это ограничивает точность преобразования, так как при этой толщине стенки порядка 1 мкм, относительная погрешность, определяемая величиной дискретизации пространственного разрешения, составляет не менее 0,2%. Целью изобретения является увеличение чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе механических величин, содержащем источник света и установленные по ходу луча поляризатор, сегнетоэластический чувствительный элемент,анализатор и фотоприемник,сегнетоэластический чувствительный элемент выполнен в виде монодомена.одного ориентационного состояния, например, кристалла ванадата висмута, при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго порядка, которая перпендикулярна заданному направлению действия усилия,которое направлено под углом 45° к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симметрии. На фиг.1 изображен схематическиУ преобразователь; на фиг.2 - чувствительный элемент, выполненный из кристалла ванадата висмута. Преобразователь механических величин состоит из источника 1 света, щелевой диафрагмы 2, полиризатора 3, чувствительного элемента 4 с прорастающим клиновидны. доменом 5, устройства 6 приложения усилия, анализатора 7 ,фотоматрицы 8 с фоточувствительной областью 9. Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 света .проходит п елевую диафрагму 2, поляризатор 3 и попадает на кристалл чувствительного элемента 4. Щелевая диафрагма ограничивает просвечиваемую область чувствительного элемента, к которому через ycTpofiство приложения усилия 6 подводится механическое воздействие Р. В предлагаемом париантс-. (хгтнкния преобразовате.чя в качостис чупствительного элoмeflтл npirtvnif тч кристалл ва(глл.:1тя иигмчт.-. -.-м

крнгтапле, ниже температуры фазоного перехода (255 С), возможно существование двух кваэиперпендикулярных наборов доменных стенок, разделяющих два ориентационных состояния. 5

Тензор спонтанной деформации в смежных доменах имеет различное значение компонент. Вследствии этого доменная стенка представляет область оптической неоднородности с перемен- ю ным коэффициентом преломления по толщине. Толщина доменной границы codтавляет величину порядка 1 мкм. Экспериментально установлено, что при распространении коллимированного is линейно-поляризованного света вдоль доменной стенки он не изменяет плоскости поляризации и расходится под небольшим углом вследствие дифракции, а также за счет изменения показателя 20 преломления по толщине стенки. В то же время прохождения света сквозь толщу кристалла связано с двупреломлением и подчиняется соответствующим законам.

Характернь м свойствам сегнетоэлас- 75 тиков является переключение кристалла из одного ориентированного состояния в другое под действием внешних механических напряжений. Форма тензора спонтанной деформации позволяет опре- о делить направление и вид механического нагружения (сжатие-растяжение, сдвиг, изгиб), способствующего образованию доменов нового ориентационного состояния. Значение компонент тензора деформаций позволяет судить о величине механических напряжений, необходимых для переключения кристалла: одноосные механические напряжения , 22 также механические напря- , жения, имеющие сдвиговую компоненту (а 1, способствуют образованию нового, нергетически более выгодного состояния.

В варианте выполнения преобразователя механических величин чувствительньш элемент имеет форму прямо угольного параллелепипеда (фиг.2) и подвергается деформации сжатия-растяжения в главной плоскости симметрии ХУ. В этом случае на краю пластины, при увеличении нагрузки, вначале формируется клиновидный зародыш другого

ориенташюнно о соетояпчя. Л;11М 1, прорастающего домена имоот ф( чш кого клина, обраяопапного дпумя домсч ными стенками. Образование заро/иПпа в определенном участке кристалла можно инициировать путем нанесения локального микроповреждения, например царапины, на боковой грани кристалла.

Дальнейшее увеличение механического напряжения вызывает прямой рост клиновидного домена 5 сквозь толщу кристалла в разрешенном кристаллографическом направлении (32° к оси X и Y) без существенного изменения толщины клина, которая для ванадата висмута не превышает трех толщин пленарной доменной стенки.

Экспериментально установлено, что величина удлинения клиновидного домена связана линейной зависимостью

,4.

С изменением прикладываемой.механической нагрузки, при этом после снятия механического воздействия, не превышающего порогового уровня, доменная структура возвращается в исходное состояние и изменение доменной структуры под действием механического воздействия является воспроизводимой функцией.

Вырезав чувствительный элемент толщиной, обеспечивающей фазовую задержку 4--(1+2К), и установив поляризатор 3 параллельно анализатору 7 под углом 45 к осям и Y кристалла, получают проекцию клиновидного домена на фоточувствительной поверхности фотоматрицы 8 в виде светлой линии на темном фоне. Расположив поляризатор и анализатор под углом 90° друг к другу, получают обратное изображение (темной линии на светлом фоне). Для увеличения изображения можно применить простую оптическую систему, например линзу, установив ее между анализато,ром и фотоматрицей.

В преобразователе механических величин за счет использования сегнетоэластика с клиновидньп1 доменом в качестве чувствитель()ого э.аемента увеличена чувствительмость более чем на порядок.

/

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИ ВЕЛИЧИН,содержащий источник света и установленные по ходу луча поляризатор, сегнетоэластичрский чувствительньй элемент, анализатор и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, сегнетоэластический чувствительный элемент вьтолнен в виде монодомена одного ориентационного состояния. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из кристалла ванадата висмута, при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго порядка, которая перпендикулярна заданному направлению действия усилия, которое направлено; под углом 45 к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симметрии.

. N

Фиг, 2