Пьезооптический измерительный преобразователь Советский патент 1985 года по МПК G01L11/02 

L

Л71 ,

yi

CD J

4 Л

dJ

35

//

ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий дифференциальную поляризационно-оп- . тическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, анализаторов и фотоприемников, о тличающий- с я тем, что, с целью расширения предела измерения, в упругом злементе с противоположных сторон по ходу световых лучей выполнены глухие соосные отверстия.

fpt/f.f 11 Изобретение относится к приборам 1редназначенным для измерения механических величин: сил, давлений ускорений, деформаций и моментов. Известны пьезооптические измерительные преобразователи, содержашрне два поляризационно-оптических канала, включающих последовательно расположенные источник света, поляриза тор, пьезооптический упругий элемент, фазосдвигающую пластину, анал затор и фотоприемник 13 . Наиболее близким к изобретению по технической сущности является пьезооптический измерительный преоб разователь, содержащий дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника, света и расположенных последователь но по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдви- гающих пластинок, анализаторов и фотоприемников рЗ. Недостатком известных устройств является невозможность расширения пре,цепов измерения без увеличения габаритов упругого элемента, так как размеры упругого элемента выбираются из требуемой нелинейности вы ходного сигнала. Цель изобретения - расширение предела измерения. Цель достигается тем, что в пьезооптическом измерительном преоб разователе, содержащем дифференциальную поляризационно-оптическую 1систему, состоящую из источника света и расположенных по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, анализаторов и фотоприемников, в упругом элементе с противоположных ст рон по ходу световьж лучей выполнены глухие соосные отверстия. На фиг. 1 схематически изображена схема преобразователя с упругим элементом, имеющим соосные углубления и перемычку между ними; на фиг. 2 упругий элемент (сечение А-А на фиг.1); на фиг.З - статические харак теристики поляризационно-оптических каналов} на фиг.4 - схема преобразовaтeJIя с упругим элементом из пласти склеенных боковыми гранями; на фиг.З схема преобразователя с упругим элементом из склеенных пластин, имеющего два предела измерения; на фиг.6 схема преобразователя с упругим эле4ментом и отражающей прослойкой; на фиг.7 - схема преобразователя с упругим элементом, склеенным из пластин, разделенных отражающими прослойками, имеющего два предела измерения. Преобразователь (фиг.1) состоит из двух поляризационно-оптических каналов В и С (в дальнейшем - каналов) , содержащих источник 1 света, поляризаторы 2 и 3, упругий элемент 4, один конец которого закреплен на основании 5, а к другому концу приложена измеряемая сила Р, фазосдвигающие пластинки 6 и 7, анализаторы 8и 9, фотоприемники 10 и 11. Упругий элемент 4 имеет два соосных углубления 12 и 13 и перемычку 14 между ними, толщина d которой по ходу пучков света меньше толщины d упругого элемента. Плоскости поляризации поляризаторов 2 и 3 и анализаторов 8 и 9наклонены под углом 45° к направлению наибольшего главного нормального напряжения, создаваемого измеряемой силой Р в упругом элементе 1. Ось наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки 6 параллельна, а ось наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки 7 перпендикулярна наиболь- шему главному нормальному напряжению в упругом элементе 4. Фотоприемники 10и 11 включены дифференциально. Преобразователь работает следующим образом. Световые пучки, пройдя поляризаторы 2 и 3, становятся плоскополяризованными в обоих каналах. В нагруженном силой Р упругом элементе 4 каждый из световых пучков распадается, на две составляющие, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Плоскости поляризации этих составляющих параллельны наибольшему и наименьшему нормальным напряжениям в I упругом элементе, а скорости их распространения пропорциональны этим напряжениям. Поэтому после прохождения упругого элемента составляющие световых пучков в каждом канале полу чают взаимную разность фаз &« и а иг соответственно, пропорциональную измеряемой силе Р. Анализаторы 8 и 9 вьщеляют из указанных составляющих части, поляризованные в их плоскос тях Jпdляpизaции. В результате интерференции этих частей, являющихся когерентными световыми колебаниями с. одинаковым направлением плоскости поляризации, интенсивность света после анализаторов, а следовательно и выходные сигналы U («.) и U2(i) фотоприемников 10 и 11 зависят от разностей фаз ioc, иДо(2 Т«е« от ве личины измеряемой силы Р. Зависимос ти и, (ot) ) от йы, и uotg (фиг выражаются соотношениями ос и,(о() и и ) Um(1 - 1). где и - максимальные значения выходных сигналов фотоприемников. Наибольшая крутизна и линейность этих зависимостей наблюдается на участках статических характеристик каналов вблизи точек их перегиба, соответствующих фазовым сдвигам Ло(о . Для вывода рабочих точек каналов на эти участки используются фазосдвигающие пластинки 6 и 7. Для расширения предела измерения преобразователя при ограниченных значениях ширины b и толщины d его упругого элемента 4 (фиг.2) в упругом элементе выполняются два -соосны углубления 12 и 13, между которыми находится перемычка 14. Световые пучки В и С поляризационно-оптичес ,каналов проходят через перемычку 1 Величина LuL в таком упругом элементе уменьшается по сравнению с обы ным упругим элементом при той же силе Р во столько раз, во сколько раз толщина d перемычки меньше то щины dp упругого элемента. Величина &л определяется по выр жению гдеС; - механическое напряжение в упругом элементе; волновое механическое напряжение в упругом элемент Из указанного выражения видно, что при прочих равных условиях, в частности при одном и том же значе нии d , величина йоО пропорциональн d. При наличии в упругом элементе соосных углублений 12 и 13 относительная деформация упругого элемен та и перемычки 14 одинакова, следо вательно одинаково и значение б . Но так как при прохождении света через перемычку путь света в ней d меньше пути света в обычном упругом элементе, то в столько же раз уменьшится и фазовый сдвиг tot, накапливаемый составляющими светового пучка в перемычке при том же значении силы Р, приложенной к упругому элементу. При этом появляется возможность увеличить значение силы Р, соответствующее линейному изменению Лоб, не увеличивая размеров b и d упругого элемента. Это увеличение силы-Р, а следовательно, и предела измерения может составлять 1-2 порядкаj поскольку обеспечить различие d и d на 1-2 порядка технологически вполне осуществимо. Обеспечение значительной разницы d и d упрощается, если упругий элемент изготавливается из трех пластин, склеенных боковыми гранями, причем в крайних пластинах предварительно просверлены отверстия (фиг.4). Прозрачность плоскостей перемычки легко обеспечивается в результате предварительной полировки граней средней пластины. Если сделать в упругом элементе две или более пары соосных отверстий с различными толщинами разделяющих их перемычек 14 и 15 и снабдить преобразователь дополнительно одной или более парами дифференциальных поляризационно-оптических каналов (две пары таких каналов изображены на фиг.5), то преобразователь будет иметь два или более выхода с двумя или более пределами измерения, причем сигналы можно, получать со всех выходов одновременно. Тем самым создается возможность заменить несколько типоразмеров датчиков: основанных на базе преобразователя, одним датчиком, производящим измерения в широком диапазоне изменения измеряемой силы. Это особенно важно, когда уровень измеряемой величины заранее неизвестен. Уменьшить длину хода светового пучка d в упругом элементе, не изменяя его общей толщины d, можно не только с помощью соосных углублений. Для этого достаточно склеить упругий элемент из двух пластин, разместив между ними отражающую прослойку; В этом случае фазосдвигающие пластинки, 511 анализаторы и фотоприемники размещают ся на пути отраженного пучка (фиг.6) Такая схема отличается от известных |Тем, что в ней удается получить более однородное напряжение в упругом элементе в зоне просвечивания, кроме того, отпадает необходимость сверления углублений. На основе схем (фиг.7) можно получить преобразователь с несколькими пределами измерения, если снабдить его упругий элемент двумя или более отражающими прослойками, например 16 и 17, расположенными на различной глубине и перекрывающими различные участки сечений упругого элемента, параллельных входной грани, и снабдить преобразователь одной или более дополнительными парами поляризационно-оптических каналов,световые пучки которых отражаются от различных по глубине отражающих прослоек.

«

/ /

/ 4 Пьезооптический измерительньш преобразователь позволяет на 1-2 порядка расширить пределы измерения, основанные на нем датчиком, и тем самым значительно расширить область их применения. Становится возможным использование преобразователя для измерения давлений порядка кг/см, для взвешивания грузов порядка 10 кг в дозаторах и транспортных весах, для измерения усилий в опорах подъемных устройств и т.д. Предлагаемый преобразователь позволяет создавать на его основе многопредельные датчики, в результате чего уменьшаются в несколько раз числа типоразмеров датчиков при тех или иных исследованиях механичёских процессов и ускоряется процесс измерения. Это упрощает и удешевляет исследования.

Фиг.

Ю

CD

-О п