Пьезооптический измеритель механических величин Советский патент 1988 года по МПК G01L1/24 

ел

С

СО

О5

женного усилия F и возникающих напряжений световая волна распадается на две составляклцие, линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Проходя через фазовые пластинки 4 и 5, свет преобразуется в эллиптически поляризованный. Анализатор 6 преобразует свет опять в линейно поляризованный, причем его интенсивность пропорциональна характеристикам эллипса поляризации. Фотоприемники 7, 8, 9 и 10 преобразует свет в электрические сигналы, которые дифференциально подаются на усилители 11 и 12. ,С выходов усилителей сигналы поступают на компараторы 13 и 14, а также на формирователь 17, преобразующий- квадратурные сигналы в треугольные, которые поступают на инф ормационный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16. Сигналы с выходов компараторов 13 и 14 через схему 15 ИСКЛЮЧАЩЕЕ-ШШ поступают на коммутирующий вход аналого-цифрового преобразователя и управляют его работой. Цифровой код измеряемой механической величины снимается с гч- хода АЦП. 2 ил.

Изобретение касается измерений механических параметров. Целью изобретения является расширение динамического диапазона и повышение точности измерений. В пьезооптическом измерителе механических величин свет от источника 1 проходит поляризатор 2 и линейно поляризованным падает на фотоупругий чувствительньй элемент 3, где в зависимости от прило

1

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для измерений силы давления, перемещения, ускорения и т.п.

Цель изобретения - расширение дина мического диапазона и повьшение точности измерений.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого преобразователя на фиг. 2 - временные ц иаграммы сигналов.

Пьезооптический преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 света, поляризатор 2, упругие элемент 3, четвертьволновую фазовую пластинку 4, полуволновую фазовую пластинку 5, ана лизатор 6, четыре фотоприемника 7- 10, усилители-11 и 12, компараторы 13 и 14, схема ИСЮШЧАВДЕЕ ИЛИ 15, аналого-цифровой преобразователь 1 6 и формирователь 17 треугольного напряжения. Упругий элемент 3.выполнен из твердого прозрачного материа

представляет собой балку, зад.еланную одним концом в корпус прибора. Измеряемое воздействие, например сила f, приложена к другог гу концу балки.

Пьезооптический измеритель работает следующи,м образом,

Свет от источника 1 П15оходит поляризатор 2 и линейно поляризованньП 1 попадает на упругий элемент 3. В нем изменяется характер поляризации света, причем это изменение зависит от точки просвечивания и величины измеряемой силы F. При воздействии силы

0

5

0

5

0

возникают механические напряжения различного знака по разные стороны от нейтральной плоскости. Напряженное стекло становится оптическим анизотропным материалом, в такой среде световая волна распадается на две когерентные составляющие, линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорость распространения одной ;аз этих со ставля- ющих пропорциональна наибольшему механическому напряжению, параллельному фронту волны, скорость другой составляющей пропорциональна наименьшему механическому напряжению, действующему в той же плоскости. Поэтому на выходе из упругого элемента эти составляющие имеют взаимную разность фаз , пропорциональную разности указанных напряжений и, следовательно, измеряемой силе. При прохождении . света через фазовые пластинки указанные составлягоЕ(ие получают дополнительно постоянную разность фаз, равную 90° для света, прошедшего фазовую пластинку 4, и 180° для света, прошедшего фазовую пластинку 5, и преобразуется в эллиптически поляризованный. Анализатор 6 преобразует свет снова в линейно.поляризованный, интенсивность которого зависит от характеристик эллипса поляризации. Фотоприемники 7-10 преобразуют свет в электрический . Для фотоприемника 9, на который поступает .свет, прошедший поляризатор 2, верхнюю

часть упругого элемента 3 и анализатор 6, выходной сигнал (фиг. 2-1) и (y + Uu .

Дтш фотоприемника 7, на которьй поступает свет, прошедший все указанные элементы и еще четвертьволновую фазовую пластинку 4 (фиг.2-1 а) . и о( ;J- Uo .

Для фотоприемника 8, на который поступает свет, прошедший те же элементы, но нижнюю часть упругого элемента (фиг. 2-1с)

и ( + UoДля фотоприемника 10, на которьй поступает свет, прошедший те же элементы, но полуволновую фазовую пластину 5 (фиг. 2-1 в)

и й + UoДифференциальное включение фото- нриемников соответственно на усилители 11 и 12, дает сигналы (фиг. 2-2а и в)

и UU sinc/ и и 2и„ сое о/ . При этом постоянная составляющая U исключается.

Эти сигналы поступают на компараторы 13 и 14 (фиг. 2-4 и 2-5), а также на формирователь 17 квадратурных сигналов в треугольные. Наиболее про стой случай такого преобразования показан на фиг. 2-3 со следующим алгоритмом по аналитическому выражению

и /U,sin d/ - ( d/, т.е. сигналы (фиг. 2-2а и в) подвер- гаются операциям двухполупериодного выпрямления (фиг. 2-3а и в) и последующего взаимного вычитания (фиг.2- 3с). Получается треугольное напряжение ci линейностью около 2% в диапа- зоне ±45°, которое поступает на информационньй вход аналого-цифрового преобразователя 10. Сформированные сигналы с выходов компараторов 13 и 14 поступают на схему 15 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и на его выходе образуется сигнал (фиг. 2-6), поданный на коммутирующий вход аналого-цифрового преобразователя 16. Лог. 1 и лог. О этого сигнала соответствуют восходящим и нисходящим частям треугольного напряжения и обеспечивают линейное преобразование сигнала. Динамический диапазон Bcei o устройства возрастает до предела прочности упругой балки 3 т.е. цифровой код измеряемого воздействия на выходе аналого-цифрового преобразователя 16 меняется пропорционально аналоговому напряжению, состоящему из одинаковых линейных участков (фиг. 2-7).

Формула изобретения

Пьезооптический измеритель механических величин, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительньй элемент, четвертьволновую фазовую пластинку, анализатор, первый и второй фотоприемники, дифференциально ключенные к первому усилителю, а также аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона и повышения точности измерений, в него введены полуволновая фазовая пластинка, третий и четвертьй фотопрйемники, второй усилитель, два компаратора, формирователь треугольного напряжения и логический элемент ИСКЛЮЧАВШЕЕ ИЛИ, причем полуволновая фазовая пластинка установлена мезкду фотоупругим чувствительным элементом и анализатором, третий фотопри емник сопряжен с источником излучения через фотоупругий чувствительньй элемент и поляризатор, четвертый фотоприемник сопряжен с источником счета через полуволновую пластинку, фотоупругий чувствительньй элемент и поляризатор, выходы третьего и четвертого фотоприемников дифференциашьно подключены к входам второго усилителя, выходы первого и второго усилителей подключены к входам компараторов и квадратурным входам формирователя треугольного напряжения, выходы компараторов подключены к входам элемента ИСКЛЮ- ЧАЩЕЕ ИЛИ, выход которого и выход формирователя треугольного напряжения подключены к входам аналого-цифрового преобразователя.

Ъа d Г

п п п

6 о

пп пп

ol/ VHi/ta/i/a i

i

Фиг.2