Фотоупругий измерительный преобразователь Советский патент 1991 года по МПК G01L1/24 

О5 Јъ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения усилий, деформаций, давлений и ускорений. Целью изобретения является повышение надежности и упрощение конструкций. Фотоупругий измерительный преобразователь содержит фотоупругий чувствительный элемент в виде призмы, входная грань которой оптически соединена с источником излучения, а выходная - с фотоэлектрическим приемником, выход которого электрически соединен с усилительно-регистрирующим блоком, причем входная и выходная грани призмы фотоупругого чувствительного элемента образованы плоскостями, срезающими диагональные вершины основания призмы под углом Брюстера к плоскости основания, а оптические оси излучения, вводимого во входную грань и выводимого из выходной грани, нормальны к плоскостям этих граней. 6 ил ID (Л

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

Цель изобретения - повышение надежности и упрощение конструкции.

На фиг. 1 показан фотоупругий измерительный преобразователь, общий вид; на фиг. 2 - диагональное сечение чувствительного элемента; на фиг. 3 - эквивалентная оптическая схема устройства; на фиг. 4 - диагональное сечение призмы с четвертьволновой пластиной; на фиг. 5 - фотоупругий измерительный преобразователь с четвертьволновой пластиной, общий вид; на фиг. 6 - эквивалентная оптическая

схема преобразователя с четвертьволновой пластиной.

Фотоупругий чувствительный преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 излучения, световод 2, чувствительный элемент 3 с входной 4 и выходной 5 гранями, воспринимающий световод 6, фотоэлектрический приемник 7, усилительно-регистрирующий блок 8.

На фиг. 1 покачана плоскость Р. срезающая вершину основания призмы под углом Брюстера ф5.

Диагональное сечение (фиг. 2) совпадает с плоскостью распространения светового потока, причем в точках A,B,C,D,E происходит многократное отражение пот. углом

СО 01

Брюстера к плоскости основания призмы. Эквивалентная оптическая схема устройства, приведенная на фиг. 3, представляет собой последовательное соединение идентичных полярископов с параллельными поляризаторами, причем роль поляризатора играет область отражения светового луча от одной из граней основания (на фиг. 2, точки A,B,C,D,E), а фотоупругим элементом на эквивалентной схеме является отрезок чувствительного элемента по пути распространения света между двумя отражениями от противоположных оснований: АВ, ВС, CD, DE.

На фиг. 4 изображено диагональное сечение призмы чувствительного элемента, на одном из оснований которой размещена четвертьволновая пластина 9. Поляризаторами в этом случае являются только области отражения от нижней грани чувствительного элемента (точки AI, С, EI).

Фотоупругими элементами на фиг. 6 также, как и в схеме фиг. 3, являются отрезки чувствительного элемента по пути распространения света между двумя отражениями от противоположных граней A|Bi, BiCi, CiDi, D|E|, причем точки Bi и DI (фиг. 4) показаны в виде элементов Я/4.

Устройство работает следующим образом.

Свет ат источника 1 (фиг. 1) через излучающий световод 2 попадает на входную плоскость среза 4 призмы 3, проходит оптическую среду призмы и отражается от основания призмы в точке А (фиг. 2). Поскольку свет падает на входную плоскость среза нормально, а сама плоскость среза составляет с плоскостью основания угол Брюстера, то отраженный луч полностью поляризуется. При каждом новом отражении в точках B,C,D,E поляризация сохраняется. Под действием нагрузки (усилие F, фиг. 1), приложенной к торцовым граням призмы, линейно поляризованный свет, проходящий через оптическую среду призмы, в результате фотоупругого эффекта становится эллиптически поляризованным. Степень эллиптичности зависит от величины нагрузки. Отразившись последний раз в точке Е (фиг. 2), свет становится линейно поляризованным и через выходную полость 5 среза (фиг.П поступает в воспринимающий свет тол ti. по которому подается на фотоэлектрический преобразовате ib 7, где преобразуеггя в электрический сигнал, пропорциональный действующей нагрузке, а затем усиливается и обрабатывается в усилительно-регистрирующем блоке 8 для получения информации в необходимой форме.

Глубина среза вершины основания призмы определяется конструктивными условиями ввода и вывода излучения. Например, при использовании световодов с диаметром жгута d,глубина среза по боковой грани h может быть принята

h l,2d sincpg

d:

0

Основания призмы должны иметь преимущественно квадратную форму, что вызвано

следующими соображениями. В квадратной призме диагональная плоскость расположена под углом 45° к боковым граням.

Под действием измеряемого усилия, приложенного под углом 45° к плоскости падения света, свет распадается на две ортогональные моды, направление поляризации которых составляет угол 45° с направлением поляризации, задаваемым поляризаторами A,B,C,D,E (фиг. 2). Эти две моды вследствие фотоупругого эффекта распространяются в

фотоупругой среде с разными скоростями, что .риводит к накоплению разности фаз между цими. Как известно, интенсивность света, прошедшего через фотоупругую mac- тину, зажатую между двумя параллельно ориентированными поляризаторами, определяется выражением

:Kx :iocosJ-Ј-, с

(2)

где Г - фазовый сдвиг, накопленный двумя световыми модами в фотоупругой пластине. Для оптически изотропной среды фазовый сдвиг задается выражением

(дц-qi2)Ep,3

А где п о - показатель преломления;

qn nqi2- пьезооптические постоянные;

0- внешние механические напряжения;л - длина волны света;

1--расстояние, которое проходит свет между двумя отражениями.

Из выражения (2) следует, что интенсивность света, прошедшего через систему (фиг. 1-3), определяется выражением

г, г

Если внешнее воздействие Г мало и можно принять- Г| ., то выражение (4) принимает вид

%(1-С1±Г +Гз±Г)(5)

При малых Г квадратичная зависимость 3 (Г) определяет сравнительно невысокую чувствительность. В то же время выражение (4) имеет участок, близкий к линейной зависимости П(Г), на котором чувствительность к малым внешним воздействиям намного выше. Обычно выход на линейный участок О (Г) осуществляют, помещая между поляризаторами фазовую пластину К/4 или

3/4Я.

В данной ситуации такой случай реализуется в конструкции фиг. 1, если дополнительно приложить внешнюю постоянную

-,-, ft2 До fl9 / U , .

:)ыч-tloCOS- - COS -COS2 --COS--f (4

нагрузку или разместить фазовую пластину Я,/4 или 3/4Х, (фиг. 5). На боковую грань чувствительного элемента по линии, соединяющей срезанные грани, например 4 и 5, приклеивается пластина А./4 или 3/4А,, вы- полненная из двупреломляющего кристалла, собственные моды которого поляризованы под углом 45° к плоскости падения света. Для чувствительного элемента с пластиной Х/4 при постоянной нагрузке, дающей фазовый сдвиг л/2, интенсивность на выходе из грани 5 чувствительного элемента 3 выражается следующим образом:

г л.

г,+т

Звых 30С052

Г -1-Я

)cos2(r2+z)x

(

l±i)cos2(l± Z2

TL

(6)

которое эквивалентно

(±) (

I-sirjUix 11-sinF24

y rl- sinlV X(-g- К

При малых измеряемых механических воздействиях выражение (7) принимает вид

I-П -Г2-Г3-Г4,

J в ы : J /

(8)

В случае, если постоянная нагрузка вызывает фазовый сдвиг 3/4Х. или поставлена фазовая пластина 3/4Х., то, в частности, вместо выражения (8) имеем

70(l±Il±§±l5±Il).(9)

Cj

Кроме того, чувствительность предлагаемого преобразователя зависит от направления приложения силы в плоскости основа- 35 срезающими диагональные вершины оснония чувствительного элемента.

Когда сила совпадает с линией, соединяющей срезанные грани, например 4 и 5 на фиг. 2, поляризация одной из собственных световых мод совпадает с поляризацией,

задаваемой поляризатором, и действие силы не создает в фотоупругой среде двулуче- преломления, так как в ней распространяется только одна эта мода. Поэтому интенсивность света в описываемой системе не зависит от приложенной указанным способом силы. Максимальная чувствительность элемента достигается для направления приложения силы, показанного на фиг. 1. Если направление приложения силы составляет угол ф с оптимальным направлением и лежит в плоскости основания, чувствительность задается выражением

,reos2 p,

;ю)

где Копт - чувствительность для направления приложения силы, показанного на фиг. 1.

В предложенном фотоупругом измерительном преобразователе отсутствуют поляризационные элементы в виде пленок, призм и т.п.

Формула изобретения

25 Фотоупругий измеритетьный преобразователь, содержащий фотоупругий чувствительный элемент в виде призмы, входная грань которой оптически соединена с источником излучения, а выходная - с фотоэлектрическим приемником, выход которого

30 электрически соединен с усилительно-регистрирующим блоком, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции, в нем входная и выходная грани призмы фотоупругого чувствительного элемента образованы плоскостями,

срезающими диагональные вершины основания призмы под углом Брюстера к плоскости основания, а оптические оси излучения, вводимого во входную грань и выводимого из выходной грани, нормальны к плоскостям этих граней.

Фнг. I

Р ИВ

АСЈ /

Фнг. 2 В ВС С CD D DE

Фиг. 3

В,Р

-XVys A XN 1

Д,

С, Ј

ФЙР 4

a, /ft

Фиг. 5 4 8,С, С,

СД- Vf 1)Л Е,

ФИГ. б