Волоконно-оптический пьезооптический измерительный преобразователь Советский патент 1985 года по МПК G01L1/24 

Изобретение OTFIOCHTCH к измерителной технике и может быть использован для дистанционного измерения физических величин, вызьгоающих механические напряжения в твердом теле.

Цель изобретения - повышение точности и расширение предела измерений

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2,3 и 4 - соответственно кривые а, б, в характеристик выходных сигналов схем вычитания.

Кривая а - напряжения 1)о« сигнала схемы вычитания, подключенной к осноному и первому дополнительному оптическим каналам.

Кривая б - напряжения UDZ сигнала схемы вычитания, подключенной к второму и третьему дополнительным дифференциальным каналам.

Кривая в - круговая диаграмма выходных сигналов схем вычитания второго и третьего дополнительных дифференциальных каналов, где вектор напряжения U U UQ (векторное сложение сигналов), а напряжения UQ, и ,, и и, U4 - модули вектора напряжения и при полярных углах tf равных соответственно 0,2f, 4li, б1,,.

2nir.

I

Волоконно-оптический пьезооптический измерительный преобразователь содержит немонохроматический источник излучения 1, волоконно-оптический световод 2, поляризатор 3, фотоупругий чувствительный элемент 4, фазосдвигающие пластины 5, 6, 7 и 8, анализатор 9, приемные волоконнооптические световоды 10, 11, 12 и 13, фотоприемники 14, 15, 1би17, схемы вычитания 18 и 19 и блок обработки сигнала 20.

Устройство работает следукпцим образом.

Световой поток от источника излучеиия Д по волоконно-оптическому световоду 2 поступает к поляризатору 3 и становится после него плоскополяризованным под углом 45 к направлению воздействия сипы Р, приложенной к фотоупругому чувствительному элементу 4. Сила Р является линейной функцией измеряемой величины F (давление, ускорение, температура и т.д. которая приводит к деформации фото-упругого чувствительного элемента.

При ненагруженном фотоупругом элементе световые пучки проходят через

него, не изменяя формы поляризации. При прохождении фазосдвигающих пластин 5, 6, 7 и 8 каждый световой пучо распадается на две составляющие (параллельную и перпендикулярную направ лению силы Р), распространяющиеся .с различными скоростями и набирающие разность фазового сдвига oig равную tii (-)/2. За счет выбора фазосдвигающих пластин фазовые сдвиги в основном и первом дополнительном и во втором и третьем дополнительных оптических каналах равняется на IT в каждой паре каналов.

Приложение к упругому элементу 6 воздействия силы Р вызывает в нем появление оптической анизотропии, . пропорциональной измеряемой величине F . При этом упругий элемент создает дополнительный фазовый сдвиг Aoi составляющих световых пучков пропорционально воздействию F . В результате интерференции составляющих световых пучков за анализатором 9 световые потоки, поступающие на торцы приемных оптоволоконных световодов Ю, 11, 12 и 13 и на фотоприемники 14, 15, 16 и 17 изменяются в зависимости от фазового сдвига (Х обо4Ло(..

Напряжение на фотоприемниках 14, 15, 16 и 17 описывается выражением (UP-U) sin oi , где UQ - начальное значение напр5шения, U - остаточное значение напряжения, фазосдвигающие пластины 5 и 6, 7 и 8 отличаются по фазовому сдвигу на и , поэтому при -условии выбора фотоприемников с одинаковыми параметрами выходной сигнал V схем вычитания 18 и 19 описывается выражением (U,-и )sinc6 .

Однако вследствие отличия фазового сдвига, по крайней мере, одной из фазосдвигающих пластин 7 и 8 от фазового сдвига любой из фазосдвигающих пластин 5 и 6 на11(/2 (), где k 0,1,2,3... целое число, выходное напряжение lig ° схемы вычитания 19 сдвинуто по фазе относительно выходного напряжения 0 со схемы вычитания 18 на t .

При равенстве амплитуд сигналов V, и Vj, т.е. , А, Uo A-sinq, и, cos tf модуль их суммы выражается формулой

,/ -{A -5in oc+-| o6oo А .

31

При изменении фазового сдвига ti вектор суммы сигналов V и V,o , модуль которого равен А, описывает своим концом окружность радиуса А в полярных координатах (см.фиг.4 в),

, «о откуда нетрудно видеть, что

Ь т и,а

и

i у, О,

ИЛИ .,, и в то же

время

А-в1поб

CJ)qrci6-r oi.T.e. значения углаф

б ЛСобоб

на круговой диаграмме совпадают со значением фазового сдвига Л .

Позтому, определив величину ср мы однозначно находим измеряемую величину F , которая пропорциональна фазовому сдвигу об .

Сигналы фотоприемников 14, 15, 16 и 17 уменьшаются при увеличении фазового сдвига в фотоупругом элементе, вследствие уменьшения контраста интерференционной картины, образованной немонохроматическим излучением, по закону, описываемому выражением

,e

7

Vg - начальное напряжение, согде

ответствующее нулевому фазовому сдвигу, Я - средняя длина волны излучения, С - скорость света, - интервал круговых частот света.

1822884

на протяжении которого интенсивность светового потока уменьшается в два раза.

VI у

в результате этого сигналы Т| и 5 выходах схем вычитания 18 и 19 соответственно имеют вид, показанный на графиках а и б фиг.2.

При равных начальных значениях

Г сигналов VQ и обозначив -2-°У,л«ср

получим вьфажёния для сигналов

v,.V..,.v e-fl f

При этом радиус-вектор суммарного сигнала, показанный на круговой диаграмме фиг. ,в, по мере роста его угла поворота уменьшается по .величине и конец его описывает спираль.

Таким образом, после каждого очередного поворота радиус-вектора на угол 2 его величина принимает определенные значения (U, U, U,.. U). Это позволяет определить число полных оборотов радиус-вектора по величине сигнала, что исключает неоднозначность измерений сдвига фаз. При этом фазовый сдвиг об совпадает по величине со значением угла на круговой диаграмме, что исключает погрешность измерений за счет нели-, нейности характеристики.

Поэтому, определив величину Cf , можно однозначно определить измеряемую величину F , которая пропорциональна фазовому сдвигу «4 .

jK/4 Д

: ---- глX J Tg rgx-i -gs

.

,:s-

Swj.J

U lfo-e

u.

Of

n-m-e-y

.e-f nK

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЬЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий источник излучения и расположенные последовательно по ходу излучения волоконно-оптический световод и оптический канал, включающий поляризатор, фотоупругий чувствительньй элемент, фазосдвигающую пластину, анализатор, а также блок обработки сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения предела измерений, в устройство введены три дополнительных оптических канала, каждый из которых включает поляризатор, фотоупругий элемент, фазосдвигающую пластину, анализатор, приемный волоконно-оптический световод и фотоприемник, причем поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент и анализатор являются общими для всех оптических каналов, и два блока вычитания, выходы которых подключены к блоку обработки сигнала, фотопрйемники основного и первого дополнительного оптических каналов и второго и третьего дополнительных оптических каналов подключены попарно к блокам вычитания, фазосдвигающие пластины . основного и первого дополнительного оптических каналов и второго и третьего дополнительных оптических каналов попарно различаются по фазовому сдвигу на li и установлены таким образом, что их оптические оси взаимно ортогональны и образуют равные углы с оптической осью поляризатора, причем фазосдвигающая пластина второго или третьего дополнительных оптических каналов отличается по фазовому сдвигу от фазосдвиганлдей пластины основного или первого дополнительного оптического канала на (), где k 0,1,2,..., а в качестве источника иэлучения использован источник немонохроматического излучения.