Пьезооптический измерительный преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01L1/24 

. г

SinCf-

o.y-(,

И

() где cf - углы, образуемые двумя равными боковыйи гранями упругого элемента с наибольшей из двух других гранейi

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано ;для измерения сил, давлений, ускорений, деформаций и температур.

Цель изобретения - повышение точ ности измерений пьезооптического измерительного преобразователя.

На фиг. 1 показана общая схема преобразователя; фиг. 2 - сечени преобразователя плоскостью, парал- лепьной основанию упругого элемента фиг. 3 - график зависимости интенсивности светового потока от фазового сдвига между параллельной и перпендикулярной составляющими светового потока; фиг. 4 - график зависимости фазового сдвига о от угла между осью расходящегося пучка и нормалью к наибольшей боковой грани прнзменного упругого элемента

Пьезроптический измерительный преобразователь (фиг.11 содержит упругий элемент 1, выполненный из прозрачного фотоупругого материала, например стекла, в виде прямоугольной призмы, основания которой имеют форму равнобочной трапеции . На боковой грани упругого элемента нанесено отражающее покрытие 2. Поляризационно-оптические каналы преобразователя имеют общие истоник 3 света, световод 4, подводящий световое излучение к упругому элементу, поляризатор 5 и раздельные анализаторы 6 и 7, отводя- i щие световоды 8 и 9, фотоприемники 10 и 11. Плосность поляризации

г/ с

поляризатора 5 составляет угол 4Ь с направлением измеряемой силы Р, приложенной к основанию упругого элемента. Плоскость поляризации анализатора 6 перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора 5, а плоскость поляризации анализатора 7 параллельна плоскости поляризации поляризатора 5.

Углы q, образуемые двумя равными боковыми гранями упругого элемента с наибольшей из двух других граней, равны между собой и определяются по формуле г

5

0

5

П,2 - показатель преломления мате риала призмы относительно воздуха,

о - фазовый сдвиг между параллельно и перпендикулярно поляризованными составляющими светового пучка. Принцип действия пьезооптического измерительного преобразователя заключается в следующем.

Световой поток в виде расходящегося пучка поступает от источника 3 излучения через световод 4 на одну из равных боковых граней упругого элемента 1 так, что ось пучка перпендикулярна этой грани. Проходя через боковую грань, световой поток падает внутри упругого элемента 1 на наибольшую грань так, что ось светового пучка составляет с нормалью к этой грани угол Ч Световой пучок, испытав полное внутреннее отражение, падает на вторую боковую грань, которая является последней по ходу пучка. На последней грани по ходу пучка нанесено отра- лсающее покрытие 2, отражаясь от ко- торого пучок возвращается внутрь упругого элемента. Испытав второе полное внутреннее отражение,; пучок выходит из упругого элемента, проходит через два отводящих световода 8 и 9 и попадает на фотоприемники 10 и 11. Если сила Р равна нулю, то упругий элемент остается оптически изотропным и плоскополяризованный световой пучок, вошедший в него через входнз о грань, не претерпевает изменений до отражения от наибольшей грани. Испытав полное внутреннее отражение под углом ср от наибольшей грани, пучок становится эллиптически поляризованным, причем одна из плоскостей поляризации параллельна, а другая перпендикуларна к плоскости падения оси расходящегося пучка. При этом между параллельной и перпендикулярной составляющими возникает 0 фазовый сдвиг 6, , равный 45° . Далее световой пучок, отразившись от последней грани, падает вторично на наибольшую грань и испытывает второе полное внутреннее отражение. 5 При этом параллельная и перпендикулярная составляющие поляризованного светового пучка приобретают второй фазовый сдвиг также рав0

5

0

5

ный 45°. Таким образом, суммарный фазовый сдвиг составляюпщх поляризованного светового пучка после двукратного полного внутреннего отражения составляет 8 8 + °, т.е световой пучок становится циркуляр- но поляризованньм. Этот циркуляр- но поляризованный расходящийся пу- ,чок поступает одновременно на ана- лизаторы 6 и 7, проходит отводящие световоды 8 и 9 и поступает на фотоприемники 10 и II, где преобразуется в фототоки 1,1 . Если измеряемая сила Р становится отличной от нуля, то под ее воздействием материал упругого элемента становится оптически анизотропным. Вследствие этого составляющие световых пучков в упругом элементе преобретают дополнительный фазовьй сдвиг А о, пропорциональньш силе Р и суммирующийся с начальным фазовым сдвигом S.

Изменения фазового сдвига приводят к изменению интенсивности светового пучка f l на выходе анализатора 6, скрещенного с поляризатором 5, причем

Р,-9,-.г.,

где Ф - интенсивность светового пучка на входе поляризатора. На выходе анализатора 7, ось поляризации которого параллельна оси поляризации поляризатора 5, изменение интенсивности Р светового потока выражается соотношением

Р, С05 -|Графики изменений световых пучков на выходах анализаторов 6 и 7 приведены на фиг. 3.

Приращению фазового сдвига л , вызванному действием силы Р, соответствуют различные по знаку приращения интенсивностей л, и а j

4979

световых пучков на выходах анализаторов 6 и 7 соответственно. Это приводит к появлению на выходах фотоприемников 10 и 11 приращений 5 фототоков Д1, и , пропорциональных в некотором интервале приращению силы Р. Разность приращений il , и ilj является выходным сигна- пом преобразователя.

Нелинейность зависимостей л Р, и U Р от (а, следовательно, и от Р) в окрестностях точек перегиба d синусоидальной и косинусоидальной кривых на фиг. 3 незначительна и при , и й Рг равных 20% от 2, составляет 0,5%. Поэтому точка cJ выбрана в качестве рабочей и соответствует начальному фазовому

сдвигу. Связь между (р и ( , выражаемая соотношением (1), представлена на фиг. 4. Из соотношения (1) следует, что значению 8, 45 соответствуют два значения if. Это расширяет возможность выбора углов наклона боковых граней упругого элемента. Кроме того, из соотношения (l) следует, что можно подобрать такое значение п, (например п 0,66),

что значение 5° будет соответствовать максимуму графика на фиг. 4 (график 2) . В этом случае 5 45 обеспечивается при одном значении tf и в окрестностях этого значення (f значение о мало зависит от изменения (f. Вследствие этого отпадает необходимость строгого соблюдения значения tf для обеспечения величины S , , равной 45, что облег чает изготовление упругого элемента, а также позволяет использовать расходящиеся пучки и дает возможность разнести в пространстве торцы отводящих световодов 8 и 9 для установки перед ними анализаторов 6 и 7, как показано на фиг. 1 и 2.

го

сн г . /

Редактор С.Лысина

Составитель Б.Маслов

Техред 3.Палий Корректор Г.Решетник

Заказ 8518/43 Тираж 896 Подписное

ВНИРЙТИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж-35, Разш1ская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4