Волоконный пьезооптический измерительный преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01L1/24 

ю |

00 ч

ел

сд

« Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения физических величин, вызывающих механические напряжения в твердом теле (давление, сила, ускорение, температура и др,), Целью изобретения является расширение диапазона измерений. На фиг.1 представлена схема оптоволоконного пьезооптического измерительного преобразователя; на фиг,2 схема чувствительного фотоупругого элемента; на фиг.З - статические характеристики каналов преобразователя Золоконньй пьезооптический измерительный преобразователь (фиг.1) со дерлсит источник 1 излучения э передающий волоконный световод 2, поляризатор 3, чувствительный фотоупругий элемент 4, полированную грань 5 чувствительного элемента, полированную зеркальную грань 6 чувствительного элемента, полированную грань 7 чувствительного элемента, первый приемный волоконный световод 8, фотоприем ник 9 первого оптического канала, второй приемный волоконный световод 10J фотоприемник 11 второго оптического канала, третий приемный волокон ный световод 12, фотоприемник 13 тре тьего оптического канала, четвертый приемньш волоконный световод 14, фотоприемник 15 четвертого оптического канала, блок 16 вычитания первого дифференциального канала, в который входят первый и второй оптические св товоды, блок 17 вычитания второго дифференциального канала, в который входят третий и четвертый оптические световоды, и блок 18 обработки сигналаФотоупругий чувствительный элемент показан на фиг.2, Места полного внутреннего отраже ния по ходу луча от световода 2 обоз начаются по порядку буквами а, Ь, с в прямом направлении луча, а в обрат ном - d, е, f, g. . Буквы a-g с индексами I-IV обозначают места, в которых испытывают полное внутреннее отражение лучи, по падаютцие в первый-четвертьй приемные оптические световоды соответственно Места, где на грани призмы нанесены диэлектрические пленки, обозначены заштрихованными прямоугольниками. Луч света, попадаювщй в первый приемный световод, по пути ftj-gj не меет диэлектрических пленок в местах полного внутреннего отражения от граней 5 и 6. Луч света, попадающий во второй приемный световод, по пути ajj-gjj , имеет четыре напыленные диэлектрические пленки в местах Ь -ir п Луч света, попадающий в третий приемньш световод, имеет две напыленные диэлектрические пленки в местах ftjj и gjjj . Луч света, попадающий в четвертый приемный световод, имеет шесть напыленных диэлектрических пленок в местах ajy , bj , ej j, - iv tv При полном внутреннем отражении между параллельной и перпендикулярной компонентами поляризованного света возникает сдвиг фаз, определяемый формулой - sin 0 угол фазового сдвига; угол падения; относительный показатель преломления на границе раздела двух сред. например, выбирая материал для фотоупругого чувствительного элемента с показателем преломления п 3j1 (GaF - фосфид галлия), диэлектрическую пленку nj 2 (ZnO - окись цинка), внешнюю окружающую среду Пд 1 (воздух) и угол падения б выполняем условия:п п п и 6 43°3б агс sin - 40,17°. Эти условия являются достаточными для того, чтобы на границе раздела... материала фотозшругого элемента с диэлектрической пленкой или внешней средой происходило полное внутренне отражение о На границе раздела имеем фазовьш сдвиг, определяемый указанной формулой, равный cos 9.4sin20-(na/nr)2 tg соа43°3б -Jsin243 36-(1/3j,1)2 sin243°36 0,9279, откуда S. -°-- - arctg 0,,86 ; &п,/, 85,72°. На границе раздела п;/п, n./n. cos43°36--Jsin43°36-(2/3. 1 sln 3°36 0,3711, откуда «i/n, 20,36°; ,,/„; 40,72 Таким образом, разность фаз меж отражением на границе с воздухом и отражением на границе с диэлектрич кой пленкой для выбранных выше п, п-, Пр, 9 составляет 8 - 7огг1-а 2 IsiEl2 /24 - 2SrCtg.,g cos04si.( )2 - 2 arctg F 85,72°-40,2° 45°. Поэтому сдвиг фаз между первым кан лом (без диэлектрической пленки) и вторым (4 раза отражается луч от ди электрической пленки) составляет 445 180 , между третьим .и первым 90 ,. между четвертым и первым -27 Минимальные габаритные размеры призменного чевствительного элемент связаны соотношением L 2Htg 9 , где L длина большего основания ра нобочной трапеции в сечении призмы; Н - высота равнобочной трапеции 9 - углы между боковыми сторона ми и большим основанием рав нобочной трапеции. Волоконный пьезооптический измерительный преобразователь работает следующим образом. Световой поток от источника 1 из лучения по передающему волоконному световоду 2 поступает к поляризатору 3 и становится после него плоско 354 поляризованным под углом 45 к направлению воздействия силы Р, приложенной к фотоупругому чувствительному элементу 4, Световой поток внутри чувствительного элемента падает на полированную грань 7 и, испытав полное внутреннее отражение, снова падает на грань 5, а от нее на зеркальную грань 6, установленную под прямым углом к направлению луча. Отразившись от зеркальной грани 6, лучи, претерпев последовательно полные внутренние отражения от грани 5, 7, 5, проходят через поляризатор 3, являющийся в данном случае для приемных каналов анализатором и приходит в торцы приемных световодов 3, 10, 12, 14 (фиг.2 I-IV). Под воздействием силы Р в чувствительном элементе возникает анизотропия и по пути следования луча происходит набег фазы q) между обыкновенным и необыкновенным лучами. Статистическая характеристика первого приемного канала показана на фиг.35а, где напряжение на фотопри- емнике 9 изменяется по синусоиде, смеш;енной относн ельно оси ординат, в зависимости от приложенной силы Р. Статическая характеристика второго приемного канала (фиг,3,б) имеет фазовьш сдвиг на i (180 ) относительно статической характеристики канала 1, обусловленной отражением от диэлектрической пленки в местах Ь , сц гг и Я„ . Результирующее напряжение Uj первого дифференциального канала как разность напряжений первого и второго приемных каналов на выходе блока 16 вычитания показано на фиг.3,в. Такое же напряжение, но сдвинутое о фазе на iT/2 (90°) имеется на выоде блока 17 вычитания второго диференциального канала, в который вхоят третий и четвертый приемные канаы, имеющие фазовые сдвиги относитель 3ir о первого канала - и -г соответст Z енно (фиг.3,г). При равенстве амплитуд сигналов j Ujj- вектор их суммы описывает кружность радиуса U в полярных кооринатах (фиг.3,д), откуда tg cf --1иСр arctg-- . Величина tf пропор

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного измерения физических величин, выэьшающих механические напряжения в твердом теле. Цель изобретения - расширение .диапазона измерений. Преобразователь содержит передающий волоконный световод 2 и приемные волоконные световоды 8, 10, 12, 14, торцами контактирующие с боковой гранью призмы. На две боковые грани призмы нанесены диэлектрические пленки с показателем преломления, отличным от показателей преломления окружающей среды и материала упругого элемента 4, обеспечивающие на границе раздела полное внутреннее отражение. Световой поток от источника 1 излучения по волоконному световоду 2 поступает через поляризатор 3 к фотоупругому чувствительному элементу 4. При воздействии силы в элементе 4 возникает анизотропия, в результате которой происходит набег фаз if между обыкновенным и-необыкновенным лучами. В блоке 18 обработки, в который поступают сигналы фотоприемников 9, 11, 13, 15 через блоки 17 и 16 вычитания,происходит вычисление угла (р. 3 ил.