Поляризационно-оптическая измерительная система Советский патент 1991 года по МПК G01L1/24 

,(46) 30.05.91. Бюл. Р 20

(21)3971116/10

(22)31.10.85

(72) М.И.Ермохиу, В.Г.Локтионов В.А.Ширяев и Г.И.Яцховский

(53)531.781(088.8)

(56)Авторское свидетельство €ССР 383406, кл. G 01 L 1/24, 1970.

Авторское свидетельство СССР 1 1257416, кл. G 01 L 1/24, 1985.

(54)ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА

(57)Изобретение может быть использовано для измерения силы, давлений, ускорений и других физических величин, измерение которых может быть преобразовано в изменение оптической

анизотропии в твердых прозрачных телах. Це-ь изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений. По отводящим оптоволоконным жгутам световые пучки поступают на фотоприемники 13 и 14, а. электрические сигналы подаются на входы аналого-цифровых преобразователей 15 и 16, где преобразуются в цифровую форму. Измеряемое усилие выражено математической формулой, при-подставке в нее значений изменений светового пучка получим алгоритм для вычисления усилия, который решается с помощью определителя 17 полупериодов и вычислительного блока 18. 3 ил.

i

DO 90

:О О СО

1

11оляриэацйанно Ьптическая

тельная система относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения сил, дав- лений, ускорений и других физических величин, измерение которых может быть преобразовано в изменение оптической анизотропии в твердых иро- зрачных телах.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений.. .

На фиг. 1 показана структурная схема системы; на фиг. 2 - статические характеристики измерительных каналов; на г« 3 - функциональная схема определителя полулерйодЬв.

Система содержит источники излучения света I и 2, подводящие оптоволоконные жгуты 3 и 4, лииды 5, поляризатор 6, фазодвигающу) пластину 7, упругий элемент, состоящий из друх прямоугольных призм 8 и 9, вьг- полненных из прозрачных.материалов с различныгш фотоупругими поётояи Ш- ми, имеюф х отражающие покрытия }0, и жестко соединенных мекду собой Таким образом, что одна И9 иих являет ся продолжением друг(, 9тводяцие оптоволоконные жгуты 11 и 12, фото-г при иппси 13 и 14, аиалого-ци фовые преобразователи (АЦП) 15 и 16, опрб д€ литель полупериодов 17 и Ш|ршсли- тельный блок 18. Плоскость naiMi i- зации поляризатора составляет с на правлением оптической оси индакатри- сы инд щироваииой оптической аиизо тропии, создаваемой в упругом, элементе измеряемым воздействием Р, зп о 45. Направление оси иаиболшей еко- рости фазрсдвигашей пл астиики совпадает с направлением (ттнчвс1кЫ) оси .индикатрисы индуцироваииойаиизотро- гаш.- . .,, ,. . : - / : , ;.- . ;.

Работа системы протекает следующим образом.л ,

Световые пучки от источииков излучения 1 и 2 через подвощцие ОПТО-.

«р |ь

29

Г1СГ4-агсв1п( 1- |.) ,(3)

; где K-iO,1,2,3,...

(3), если подставить в

волоконные жгу П 3 и 4 лиизы 5;, по- SO иего U«U4, есть алгоритм дня В1мчйс- ляризатор 6 и фадосдбигапщу пластии- ления Р, решается с помощью ку 7 попадаю соответственно на призмы 8 и 9. Про11 wt V Ь-рр&эхашсъ от отражающего шжрытий 10, световые пучки следуют в o6pat«OM иаш аш1ениИ 55 и с помощь лииа 5 фокусир уются иа

определителя полупериодов 17 и вычислительного блока 18.. ;

Выяислителзьное устройство 18 вы- полияет следукяцие операции.. По поступившему на егб первый вход от АЩ1 16 сигиалу и« оно.определяет величину отипиения .Ог/ находит разторцах отводящих мТовопокоинык ка- иалов 11 и fZ

Это достигается симметричным разнесением осей подводяршх и отводяпсих оптоволоконных каналов относительно оптических- осей линз 5.

По ОТВОД5ПЦИМ оптоволоконным жгутам световые пучки поступают на фотоприемники 13 и 4, а электрические сигналы и с выходов фотоприемников, описываемые выражением

и ид-В1П

i/tp -аг. (р - 5

51)

подаются на входы А1Щ 15 и 16, где . преобразуются в цифровую форму, удобную дпя дальнейших операций

Вследствие того, что материалы призм 8 и 9 имеют раэные. значения фотоупругих постоянньпс (в), зависимости сигналов на выходах фотоприемников 13 и 14 оТ воздействия усилий Р, приложенного .к упругому элементу, будут различны. Например, в том спу- чае, когда призма 9 изготовлена из галлия - Gap (), а прИз- ма 8 из стекла БФ16 (,4), указанные зависимости будут иметь вид, приведенный на фиг, 2. График U, рактеризуёТ изменение интенсивности светового пучка прешедшего элементы 3, 5 ib 7 8, 11 и 13, составляющие вспоногательшой канал а график U - пучка, прошедшего элементы 4, 3, 6, 7, 9, 12 и 14, составлякяще -рабочий кдиал.

Дальие1Ь| 1ие рлерации с сигналами и 4 и Of сове1яаа1втся следующим образом. Из соотиошеиия (1) значение неряемого ускяйя Р быть выраже но в явнбм виде

arcBind- g.,), (2)

. . ,- . . .

а с учетом цикличности изменения U,

«р |ь

29

Г1СГ4-агсв1п( 1- |.) ,(3)

иего U«U4, есть алгоритм дня В1мчйс- ления Р, решается с помощью

определителя полупериодов 17 и вычислительного блока 18.. ;

Выяислителзьное устройство 18 вы- полияет следукяцие операции.. По поступившему на егб первый вход от АЩ1 16 сигиалу и« оно.определяет ве личину отипиения .Ог/ находит разto

15

20

31389409

ность I-и4/Urn И вычисляет значение arcsin(.l-U4/VJ,n), а по поступившему на его второй вход от определителя полупериодов 17 значению К вычисляет произведение К й , суммирует его со значением И умножает полученную сумму Kr+arcsind-Ut/Uh,) на P/lf. Полученное таким образом из соотношения (з) значение измеряемого усилия, Р, приложенного к входу системы, является ее выходным сигналом. Следовательно статическая характеристика системы линейна, что и требовалось осуществить. Неоднозначность приращения выходного сигнала при переходе значения U через экстремальные точки (см. соотношение (1), (2), (3)) устраняется путем использования приращения сигнала U,, поступающего от АЦП 15. На основе приращения указанного сигнала в определителе полупериодов I7 вырабатывается значение К, используемого в соотношении (З). Значение К указывает номер полупериода изменения Uj (полупериод соответствует изменению Uj между соседними экстремальными точками), а знак К является знаком ал- :гебраического суммирования слагаемых в квадратных скобках соотноще- ния (з). Благодаря этому обеспечивается непрерывное увеличение (уменьшение) значения выходного сигнала системы по мере увеличения (уменьше- ния) значения фазового сдвигал, ли- 35 нейно связанного с изменением изме-. ряемого воздействия Р.

ОпрёТ елитель полупериодов 17, где производится вычисление значения К, может быть выполнен в виде двух постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) 19 и 20 (фиг. 3). На адресные входы ПЗУ 19 подается с А1Ш 15 цифровой код, соответствующий текущему значению U. ПЗУ 19 программируется в режиме градуировки систе- мы путем записи в него значений U, , соответствующих экстремальным значечко но ди ны

«о то ны ад пр

ко пр ег но го

да 25 и« то зн

ви фо за дв ро ми ин

22 ще гр ро до ст

30

40

45

вх не че 5Q че н но (с 21 в не ле вы ном

ниям Ui, а именно значений U,, ,UM , и „ ... или U,j, и„ ,,и , ...

Интервал изменения U, между двумя соседними из указанных выщiE значений, например, U« -Uit или -U, , или Ui -U(4 и т.д., соответствует интервалу изменения и, между соседними экстремальными точками - т.е. иэ- ненению U на один полупериод (П).

В режиме измерения, в зависимости от того, в каком интервале U,, -и„..

o

5

0

5

U,j-U,, или U,,-U, и т.д. находится значение и,, ПЗУ 19 выдает в цифровом коде номер полупериода изменения и в виде -ГК, где К - соответственно 0,1,2,... Если значение U, находится в одном из интервалов ,, и„-и„, Ц,-и„... , то значения К равны соответственно №,1, -2, -3 ...

ПЗУ 20 определителя полупериодов 17 предназначен для определения, чет- «ости полупериодов, необходимость которой будет пояснена ниже. Его адресные входы соединены параллельно с адресными входами ПЗУ 19. ПЗУ 20 программируется следующим образом.

Если на его адресные входы подан код, соответствующий значению U, , при котором К является четным, то на его выходе разряд D (сигнал четность) принимает значение логического О.

Если на адресные входы ПЗУ 20 подан код, соответствующий значению 5 и« при котором К является нечетным, то на его выходе разряд D принимает значение логической 1.

Вычислительный блок 8 в соответствии с его функциями включает блок формирования арксинусной функции по заданному аргументу U,, состоящий из двух постоянных запоминающих устройств - ПЗУ 21 и ПЗУ 22, блок суммирования 23,, блок умножения 24 и и инвертор 25.

0

С выхода АЦП 16 на входы ПЗУ 21 и 22 подается код, соответствующий текущему значению U,. ПЗУ 21 и 22 запрограммированы таким образом, что цифровой код, подаваемый на входы от B до Bj блока суммирования 23, соответствует функции:

F arcsin(l- -Hi).

т-

При этом с выхода D ПЗУ 20 на вход Выборка кристалла (ВК) ПЗУ 21 непосредственно и на вход ВК ПЗУ 22 через инвертор 25 поступает сигнал Q четности, благодаря которому ПЗУ 21 н 22 работают попеременно. При нечетном значении номера полупериода К (сигнал четность 1, включено ПЗУ 21, ПЗУ 22 отключено) измененню U в интервале О...И соответствует изменение значений функции F в интервале О...П в виде цифрового кода на выходе ПЗУ 21. При четном значении номера полупёриода К (сигнал чет5

ность 0, включено ПЗУ 22, ПЗУ 21 откличено) изменению U в интервале И...О соответствует изменение функции в интервале следующего полупериода П,..2П в виде цифрового кода на выходе ПЗУ 22.

Сигналы с выходов ПЗУ 21 и 22 в виде цифрового кода функции и сигналы с выхода ПЗУ 19 в виде цифрового кода произведения КП поступают соответственно на входы Be-В; и блока суммирования 23. Сумма указанных сигналов

Kir+arcsin(.- HHi)

Uifl

в виде цифрового кода поступает с выхода блока суммирования 23 на вход блока умножения 24, вьтолненного в виде/.отдельного ПЗУ, где производится операция умножения указанной сум- . р

мы на коэффициент п г . Тем самым,

ц

заканчивается операция вычисления величины измеряемого воздействия Р.

Для синхронизации АЦП 15 и 16 системы, а также системы в целом с внешним цифровым индикатором используются соответственно сигнал пуск и стробирующий сигнал готовность дан- ных А10 1-5,

Такая схема обработки сигналов позволяет получить выходной сигнал линейно связанный с измеряемым воздействием в значительном интервале изменения фазового сдвига составляющих светового пучка При использовании в К честве матери;элов дпя призм упругого элемента - Gap и стекла

фие{

0

5

5

ВФ16 этот интервал составляет-5 периодов, что на два. порядка больше, чем соответствуюршй интервал изменения ct в .ранее известных устройствах.

Формула изобретения

Поля|)изационно-оптическая измерительная система, содержащая последовательно установленные источник излучения, поляризатор, чувстэительный элемент, выполненный из двух частей с различными пьезооптическими коэффициентами, и два фотоприемника, о т- личающаяся тем, что, с целью повьпаения точности и расширения диапазона измерений, части чувствительного элемента выполнены с отражающим покрытием а система снабжена двумя аналого-цифровыми преобразователями, определителем полупериодов и вычислительным блоком, вторым источником излучения, двумя коллимиру- ющими линзами установленными перед поляризатором и оптически связаннь1ми двумя подводящими оптоволоконными жгутами с фотоприемниками, фазосдви- гакяцей пластиной, установленной между поляризатором и чувствительным элементом , црн этом вход первого анало го-цифрового преобразователя подключён к выходу первого фотоприемнйка, а выход - к входу определителя полупериодов, выход которого подключен к первому входу вычислительного блока, вход второго аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу .второго фотоприемника, а выход - к второму входу вычислительного блока.

г- а

«i 9

.Готовность Ооняых

§

/