Оптический измеритель давления Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

Риг.1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления,

Известен оптический измеритель давления, содержащий два взаимно перпендикулярных поляризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучения, двух скрещенных поляризаторов, четвертьволновой фазовой пластинки, фотоприемного устройства и пьезооптического чувствительного элемента, общего для обоих каналов, расположенного в точке пересечения каналов, снабженный измерительным прибором со шкалами грубого и точного отсчетов, который подключен к фотоприемному устройству каждого канала.

Луч света от источника монохроматического излучения, пройдя поляризацион- но-оптическую систему, состоящую из скрещенных поляризаторов и установленных между ними в диагональное положение четвертьволновой фазовой пластинки и чувствительного элемента, модулируется по интенсивности в результате фотоупругого взаимодействия при действии на чувствительный элемент одностороннего давления. Чувствительный элемент выбирается таким образом, чтобы его пьезооптические коэффициенты во взаимно перпендикулярных направлениях просвечивания отличались между собой по абсолютной величине в не- , сколько раз, причем направлению просвечивания с большим пьезооптическим коэффициентом соответствует также большая толщина образца, а четвертьволновая фазовая пластинка является переключаемой.

Недостатком этого устройства является малый диапазон измеряемого давления.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемого давления.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическом измерителе давления, содержащем два взаимно перпендикулярных поляризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучения, двух скрещенных поляризаторов, четвертьволновой фазовой пластинки, фотоприемного устройства, пьезооптического чувствительного элемента, общего для обоих каналов, расположенного в точке пересечения каналов, выполненного из кристаллов, обладающего различными значениями пьезооптических коэффициентов, соответствующих направлениям просвечивания вдоль оптических осей каналов при направлении давления, перпендикулярном оптическим осям каналов, и/или с различными толщинами в направлении просвечивания по оптическим осям каналов, снабженного измерительным прибором со шкалами грубого и точного отсчетов, подключенного к фотоприемному устройству

каждого канала, и с переключаемой четвертьволновой фазовой пластинкой канала точного отсчета, пьеэооптический чувствительный элемент выполнен из кристалла бастрона BaxSn-xNbaOe.

На фиг.1 приведена принципиальная схема оптического измерителя давления; на фиг.2 - примеры зависимостей относительной интенсивности света от давления для каналов точного (а) и грубого (б) отсчетов; на

фиг.З - условные шкалы измерительного прибора для каналов точного (а) и грубого (б) отсчетов.

Предлагаемый оптический измеритель давления (фиг,1) состоит из поляризационно-оптических каналов точного (Т) и грубого (Г) отсчетов, каждый из которых содержит источник монохроматического излучения 1, 2, скрещенные поляризаторы 3, 4 и 5, 6, установленные между поляризаторами 3, 4

и 5, 6 в диагональном положении фазовую пластинку 7, 8 и пьезооптический чувствительный элемент 9 из кристалла бастрона, фотоприемное устройство 10, 11 и измерительный прибор 12, Фазовая пластинка 7 переключаемая, фазовая пластинка 8 - неподвижна,

Оптический измеритель давления (фиг.1) работает следующим образом.

Луч света от источника 2 монохроматического излучения, пройдя поляризацион- но-оптическую систему, состоящую из скрещенных поляризаторов 4, 6 и установленных между ними в диагональное положение четвертьволновой фазовой

пластинки 8 и чувствительного элемента 9, модулируется по интенсивности в результате фотоупругого взаимодействия при действии на чувствительный элемент 9 одностороннего давления Рт. Изменение относительной интенсивности света Ik при действии давления Рт происходит по известному закону

50

Ik sin2 -д- д (A nk -dk),

(1)

где 6 (Ank dk) -индуцированная давлением Рт разность хода;

Ank и dk - двупреломление и толщина чувствительного элемента в направлении просвечивания к.

Величина 5 (A nk dk) связана с пьеэо- оптическим коэффициентом зависимостью

d(Ar.k-dk) 4-яВт -dk-P

(2)

где m - направление давления. Используя (1) и (2), получим

(TT dk Ptn)(3)

Из формулы (3) следует, что Ik линейно зависит от Рт на линейном участке полуволны зависимости (3), что позволяет програду- ировать изменение Ik в изменениях Рт.

Чувствительный элемент 9 выбирается таким образом, чтобы каналу точного отсчета Т соответствовал больший пьезооптический коэффициент лЈт, а каналу грубого отсчета Г - меньший.

Порядок измерения Рт по каналам грубого Г и точного Т отсчетов следующий.

В начальный момент четвертьволновая фазовая пластинка 7 включена. Если при действии Рт интенсивность lr по каналу Г изменится от 0 до 1 (фиг.2б), то по каналу Т интенсивность т изменится от точки 1 до точки 2 (фиг.2а) - 1-й диапазон измерений, Дальнейшее увеличение Рт приводит к изменению 1т за пределами линейного участка зависимости 1т(Рт). Выключение четвертьволновой фазовой пластинки 7 (фиг.1) из канала Т переводит значение т в начало линейного участка - в точку 1. Тогда при увеличении Рт значение Т снова будет изменяться в пределах от 0 до 10 (от точки 1 до точки 2), а значение 1Г - в пределах от 1 до 2 - 2-й диапазон измерений. При дальнейшем увеличении Рт включение фазовой пластинки 7 переводит значение IT на линейный участок зависимости Ir(Pm) в точку 3, значение К будет уменьшаться на линейном участке (от точки 3 до точки 4), который проградуирован в возрастающих значениях давления. Соответственно значение Сбудет изменяться в пределах от 2 до 3 (3-й диапазон). В точке 4 фазовая пластинка 7 выключается, интенсивность IT изменяется до значения в точке 3, и при дальнейшем увеличении Рт значение Т будет меняться на линейном участке от точки 3 до точки 4 (от 10 до 0), а значение г - от 3 до 4 (4-й диапазон). Включая и выключая фазовую пластинку 7, можно постоянно выводить рабочую точку на линейные участки зависимости ЦРт).

В таблице указаны диапазоны давления, в пределах которых возрастающее давление измеряется при увеличении интенсивности 1Т(1, 2, 5, 6, 9, 10,13,14,17,18, 21. 22,25, 26, 29,30, 33, 34,37, 38,41,42,45,

46, 49, 50) - нижняя шкала точного отсчета или при уменьшении IT (3, 4, 7, 8, 11, 12, 15, 16.19, 20, 23, 24, 27.29,31, 32, 35, 36, 39, 40, 43, 44, 47, 48) - верхняя шкала точного отсчета. Прибор точного отсчета снабжен переключателем диапазонов, связанным с фазовой пластинкой 7. Номер диапазона точного отсчета определяется по шкале грубого отсчета (фиг.Зб).

Пример снятия отсчета. По шкале грубого отсчета (фиг.Зб) стрелка показывает значение давления между делениями 4 и 5. Это соответствует 5-му диапазону шкалы точного отсчета.

Переключателем диапазонов шкалы точного отсчета, который включает или вы ключает фазовую пластинку 7, включается диапазон 5. В этом положении фазовая пластинка 7 включена, интенсивность IT увеличивается при увеличении Рт. По нижней шкале точного отсчета, которая соответствует диапазону 5. стрелка показывает точное давление 8,6 в пределах этого диапазона. Результат - 48,6 усл.ед, давления.

Приведем характеристики устройства при использовании в качестве чувствительного элемента кристалла бастрона Bao,4Sro.6Nb206, для которого пьезооптические коэффициенты имеют следующие значения: 21. м2/Н (соответствует

каналу точного отсчета) и л§2 0,42 м2/Н (соответствует каналу грубого отсчета.

В конкретном исполнении толщины чувствительного элемента во взаимно перпендикулярных направлениях просвечивания равны di da м. При этом число полуволн А/2 зависимости МРт), укладывающихся на полуволновом участке зависимости Ir(Pm), равно

п .,50

Л& d3 Я§2

Для оценки диапазона и точности измерения давления запишем известное выражение для разностей фаз, индуцированной приложенным внешним давлением в чувствительном элементе

A.d(Ank.dk) dk fm Af

(4)

(Дгъ dk)

dk-flfcn -АР

индуцированная давлением разность хода; л 180°;

dk - толщина чувствительного элемента а направлении просвечивании k:

ЛЈт - пьезооптический коэффициент;

А - длина световой волны (0,63 мкм).

При реальной точности определения разности фаз 0,5° точность измерения давления б Рт по каналу точного отсчета

«5Рт -и-ю Н/м2ЯГ ЛТ2 dl

0,17 кг/см2.

(5)

Диапазону измеряемого давления А Рт по каналу точного отсчета соответствует индуцированная разность хода А/4 (линейный участок полуволны), соответственно - 45°.

Следовательно

ДРт-дрт ,0 кг/см2. (6)

При этом диапазон измеряемого давления А Рг для оптического канала грубого отсчета в п - 50 раз превышает диапазон Д Рт для канала точного отсчета

А Рг - 50 А Рт 750 кг/см2. (7)

Таким образом, данное устройство дает возможность измерять давление до 750 кг/см с абсолютной точностью. 0,18 кг/см , что соответствует относитег-ь- ной погрешности/3-0,02%.

Для сравнения приведем параметры прототипа: Д Рг « 45 кг/см , погрешность /9-0,06%.

Количество порядков точного отсчета п можно при необходимости корректировать в нужную сторону соотношением толщин чувствительного элемента di и da. При необходимости п - 100 толщины чувствительного элемента должны отличаться в 2 раза, на- пример di - 10-Ю м, . Легко проанализировать, что в этом случае при сохраненном диапазоне давления ДРГ - -750 кг/см точность определения давления по каналу точного отсчета будет равна ДРт 0,09атм.

Применение предлагаемого измерителя позволяет существенно расширить диапазон измеряемого давления при сохранении высокой точности измерения.

Формула изобретения

Оптический измеритель давления по авт.св. № 1513377,отличающийся тем. что, с целью расширения диапазона измеряемого давления, в нем пьезооптический чувствительный элемент выполнен из кристалла бастрона BaxSn-xNb206.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано для измерения давления, является усовершенствованием известного от ического измерителя давления по а.с. Me 1513377 и позволяет расширить диапазон измеряемого давления. Оптический измеритель давления содержит два взаимно перпендикулярных поляризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучения 1, 2, двух скрещенных поляризаторов 3, 4 и 5, 6, установленных между ними в диагональном положении, четвертьволновых фазовых пластинок - переключаемой 7 и неподвижной 8, общего для обоих каналов льезоспти- ческого чувствительного элемента 9 и фотоприемиых устройств 10.11. К фотоприемным устройствам каждого канала подключен измерительный прибор 12 со шкалами грубого и точного отсчетов. Чувствительный элемент 9 выполнен из кристалла бастрона. 3 ил., 1 табл. w fc

fO 9 87654321 О

i i I i i i

L tI

2345076$ 10

I I I I IjillllMlittllllt LJLltllllJlllltJllliMlllll

0 S 10 15 2O 25 Jff 35 4O 45 50

фигЗ