Фотоупругий преобразователь давления Советский патент 1993 года по МПК G01L11/00 

Изобретение относится к силоизмери- тельной технике и может быть использовано для измерения силы, давления и других механических величин.

Известны пьезооптичёские измерители, содержащие два поляризационно-опти- ческих канала, каждый из которых состоит из источника света, поляризатора, четвертьволновой фазовой пластины, чувствительного элемента (общего для обоих каналов), анализатора и фотоприемника. Измеряемое давление Р индуцирует изменение двулу- чепреломления в чувствительном элементе, что приводит к. изменению интенсивности света I, попадающего на фотоприемники. По измеренной разности фотоэлектрических сигналов определяется величина давления Р.. Недостатком этих измерителей является малый диапазон измеряемого давления, ограниченный работой устройства на линейном участке одной полуволны зависимости I(P).

Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения давления, содержащее два поляризацион- но-оптических канала, состоящих из источника света, поляризатора, фазовой пластинки в одну восьмую длины световой волны, чувствительного элемента, состоящего из двух частей, изготовленных из материалов с разными пьезооптическими коэффициентами, переключаемую четвертьволновую фазовую пластинку в канале точного отсчета, анализатора, а также измерительный прибор, схему сравнения и переключающее устройство.

Х|

Ю О

ю со о

Расширение диапазона измеряемого давления в данном пьеэооптическом измерителе давления обусловлено работой устройства в пределах нескольких ( 10-50) линейных участков зависимости 1(Р), кото- рые соединяются при помощи переключаемой четвертьволновой фазовой пластинки. Давление регистрируется как сумма показаний цифрового индикатора грубого отсчета и шкалы точного отсчета измерительного прибора.

Недостатком описанного измерителя давления является малая точность измерения давления, обусловленная значительной нелинейностью используемого участка за- висимости 1(Р) шириной в А/4 длины световой волны.

Цель настоящего изобретения - повышение точности преобразования и регистрации давления при сохранении диапазона его изменений.

Поставленная цель достигается тем, что фотоупругий преобразователь давления, содержащий два поляризационно-оптических канала точного и грубого отсчетов, каждый из которых состоит из общих двух каналов источника монохроматического излучения, поляризатора, чувствительного элемента, установленного в диагональном положении и выполненного составным из двух частей, одна из которых изготовлена из материала с большим пьезоолтическим коэффициентом для канала точного отсчета, а другая - из материала с меньшим пьезооптическим коэффициентом для канала грубого отсчёта, анализатора, скрещенного с поляризатором и индивидуального для каждого канала фотоприемника, а также блок регистрации и управления фазовыми пластинками и первое электромеханическое устройство пере- ключения фазовой пластинки, снабжен стационарной фазовой пластинкой в одну шестую длины волны монохроматического излучения установленной на оптической оси канала грубого отсчета в диагональном положении между поляризатором и анализатором, переключаемыми фазовыми пластинками в одну шестую и одну третью (далее А/6 и А/3 - пластинки), длины волны, установленными на оптической оси канала точного ртсчета в диагональном положении между поляризатором и анализатором, а также вторым электромеханическим устройством переключения фазовой пластинки, причем первое устройство переключения ме- ханически связано с перекл ючаемой фазовой пластинкой в одну шестую волны, второе - с переключаемой фазовой пластинкой в одну третью длины волны, а электрически оба

устройства переключения соединены с блоком регистрации и управления фазовыми пластинками.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый фотоупругий преобразователь давления отличается использованием стационарной А/6 - пластинки вместо А/8 - пластинки, уменьшающей нелинейность используемого участка фотоупругой зависимости 1(Р); применением переключаемых фазовых пластинок в 1/6 и 1/3 длины световой волны, позволяющих линеаризировать зависимость 1(Р).

На фиг. 1 приведена принципиальная схема фотоупругого преобразователя давления; на фиг. 2 представлены примеры зависимостей фотоэлектрического сигнала фотоприемника 11ф от давления Р в каналах точного (а) и грубого (б) отсчетов при: 1 - включенной А/6 пластинки; 11 - выключенных А/6 - и А/3 - пластинках; III - включенной А/3 - пластинки; на фиг. 3 показана схема передней панели блока регистрации и управления фазовыми пластинками (а) и таблица управления тумблером (б): 1 - цифровой индикатор грубого отсчета; 2 - шкалы точного отсчета; 3 - тумблер управления переключаемыми фазовыми пластинками; на фиг. 4 представлена зависимость U(x) sin x и ее линейная аппроксимация.

Предлагаемый фотоупругий измеритель давления (фиг.1) состоит из двух поляриза- ционио-оптических каналов точного (Т) и грубого (Г) отсчетов, содержащий общие для двух каналов источник монохроматического излучения 1, поляризатор 2, анализатор 3, скрещенный с поляризатором 2, и установленный между ними в диагональное положение чувствительный элемент 4, выполненный монолитным из двух соединенных между собой частей (например, склеенных), при этом одна часть изготовлена из материала с большим пьезооптическим коэффициентом (ПОК) и размещена на оптической оси канала точного отсчета, другая часть изготовлена из материала с малым ПОК и размещена на оптической оси канала грубого отсчета, а также стационарную фазовую пластинку 5 в 1/6 длины световой волны, установленную в диагональном положении между поляризатором 2 и анализатором 3 на оптической оси канала грубого отсчета, фазовую пластинку 6 в 1/6 длины световой волны и фазовую пластинку 7 в 1/3 длины волны, выполненные с возможностью переключения и установленные в диагональном положении между поляризатором 2 и анализатором 3 на оптической оси канала точного отсчета, фотоприемники 8,9; соединенного е ними блока регистрации и управления фазовыми пластинками 10 с цифровым индикатором грубого отсчета и шкалами точного отсчета, и двух электромеханических устройств переключения фазовых пластинок 11 и 12, механически связанных соответственно с фазовыми пластинками 6 и 7, а каждое из них электрически соединено с блоком регистрации и управления фазовыми пластинками 10.

Приведем основные соотношения, объясняющие работу предлагаемого устройства. В результате фотоупругого взаимодействия при воздействии давления Р на чувствительный элемент 4 (фиг.1) величина фотоэлектрического сигнала 1)ф, снимаемого с фотоприемников 8 или 9 описывается известным соотношением

Уф иф°

sln2(k0

Р).

0)

где иф° - максимальный фотоэлектрический сигнал;

k0 - фотоупругий коэффициент преобразования чувствительного элемента.

При введении в поляризационно-олти- ческий канал между поляризатором и анализатором в диагональном положении фазовой пластинки в Я/n (п 3,6,8) длины световой волны зависимость (3) преобразуется к виду

Уф - иф°

sin2(k0 Р + Ф), {)

где 5р

2я

An d - разность фаз, вносимая пластинкой с разностью хода

ДП-А:

Я-длина световой волны;

d - толщина пластинки.

Примеры таких зависимостей для п 6 и п 3 показаны на фиг.2, а, графики I и III соответственно.

Использование в качестве чувствитель- ного элемента 4 образца, состоящего из двух соединенных между собой частей с разными пьезооптическйми коэффициентами, позволяет сформировать два измерительных поляризационно-оптических канала; канал точного отсчета для части образца с большим (ПОК) и канал грубого отсчета (для части образца с малым ПОК). Части чувствительного элемента 4 подбираются таким образом, чтобы на одной полуволне фотоупругой зависимости ифг(Р) канала грубого отсчета укладывалось несколько (реально 10-75) полуволн фотоупругой зависимости 11фт (Р) канала точного отсчета.

Для перевода начальной рабочей точки в начало используемого линейного участкашириной 1 /6 длины световой волны введена в канал грубого отсчета .стационарная Я/6 пластинка 5. Наличие Я/6 и Я/3 - пластинок 6,7 в канале точного отсчета, выполненных с возможностью выключения-включения, обеспечивает возможность работы устройства на нескольких (реально 10-75) линейных участках возрастающей или уменьшающейся зависимости ифт(Р)при изменении давления (Р).

Блок регистрации и управления фазовыми пластинками 10 снабжен цифровым индикатором грубого отсчета 1 (фиг.3,э), двумя шкалами точного отсчета 2 - верхней возрастающей (обозначим ) и нижней уменьшающейся (обозначим ее -) и тумблером 3, имеющим три позиции - левая (Л), средняя (С),правая (П), который управляет положением переключаемых фазовых пластинок.

Опишем работу предлагаемого устройства. Устройство работает во всех случаях на линейных участках трех зависимостей ифт(Р) (график I, II, III фиг.2,а), соответствующих трем возможным положениям переключаемых фазовых пластинок: I - Я/6 пластинка включена (тумблер блока 10 (фиг.1) в левом положении - Л); II - обе пластинки выключены (тумблер в среднем положении - С); III -Я/3 - пластинка включена (тумблер в правом положении - Л).

Пусть точки А и В ограничивают используемый линейный участок первой полуволны зависимости Уф (Р) (при Р О, Я/6 - пластинка включена), а С и Д - аналогичный

участок зависимости ифг(Р) (фиг.2). При этом точки А и С соответствуют начальному давлению Р 0, когда показания цифрового индикатора грубого отсчета 1 (фиг.3,а) блока 10 (фиг.1) равны нулю, а

точки В и Д - максимальным значениям давления в пределах линейных участков зависимостей ифт (Р) и ифг(Р) соответственно. Подчеркнем, что максимальное давление, соответствующее точке , каналу грубого

отсчета ограничивает рабочий диапазон из- к1еря:ём ы х -у с У|3|ОЙс тёОм: :д а в Лёнйй, а максимальное давление Рй в точке В по каналу точного отсчёта ограничивает нулевой порядок давлений точногоотсчета,

. При увеличений давления от 0 до Рв (нулевой пдря дЬ : тдчШпо бтсчета) фотоэлектрический сигнал ифт увеличивается на линейном участке АВ графика 1, следовательно, измерение давления нужно производить при левом (Л) положении тумблера 3 (фиг.З.а) по верхней шкале + точного отсчета 2.

При достижении по каналу точного отсчета точки В, по каналу грубого отсчета сигнал изменится до значения Ui, при этом на цифровом индикаторе 2 появится цифра 1, т.е. устройство необходимо вывести в начале первого порядка канала точного отсчета. Из фиг. 2,а следует, что первый порядок соответствует возрастающему линейному участку зависимости 11, которая соответствует условию выключенных фазовых пластинок А/6 и А/3, т.е. тумблер блока 10 (фиг. 1) необходимо установить в положении С, а точное значение давления снимать по верхней шкале + блока 10.

При достижении по каналу точного отсчета верхнего предела первого порядка сигнал канала грубого отсчета станет равным Da на индикаторе 1 (фиг.З.а) появится цифра 2, поэтому необходимо перевести устройство во второй порядок работы. Из фиг.2,а следует, что этот порядок соответствует спадающему линейному участку зависимости III, которая соответствует условию включенной А/3 - пластинки. Т.е. тумблер блока 10 (фиг.1) необходимо установить в положение П, а точное значение давления снимать по нижней шкале - блока. Дальнейший анализ аналогичен. На фиг, 3,6 приведена таблица переключения положения тумблера и знаки +, -, указывающие по верхней{ +) или по нижней (-) шкале снимаются показания, Такая таблица может быть нанесена на переднюю панель блока 10.

Для снятия отсчета о величине давления суммируется показания цифрового индикатора грубого отсчета и соответствующей шкалы точного отсчета.

Приведем расчеты, объясняющие достижение цели предлагаемым изобретением. Для этого определим связанную с нелинейностью функции U(x) sln2x погрешность измерений, исходя из следующего критерия погрешности:

10Ли0

, «о.

(3)

где д U° - максимальное значение разно- сти функции U(x) sln2x и линейной функции 11я(х), проходящей через точки А,В и С (фиг.4);

Д U° - изменение функции U(x), соответствующее рабочему участку АВ.

Найдем уравнение прямой U(x), проходящей через две точки А(х0); sin2x0) и С лУ4; 1 /2):

Рл-1/2 1/2 -sin2 XQ х - л/Атг/4 -- х0

а, (4)

Откуда ил а (х - л:/4) +1/2

Тогда значение аргумента хт, при котором функция д U(x) Ул(х)-и(х) принимает максимальное значение, определяем из

уравнения: .

35

д и (х) 0т.е. 6 U (х) а - 2stn х cos х О

(5)

1 Откуда хт -к- arcsln a

Тогда искомая погрешность равна:

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения давления, силы и других механических величин. Цель: повышение точности преобразования давления. Сущность изобретения: фотоупругий преобразователь давления содержит источник монохроматического излучения 1, поляризатор 2, анализатор 3. чувствительный элемент 4, стационарную фазовую пластинку в 1 /6 длины волны монохроматического излучения 5, переключаемые фазовые пластинки в 1 /6 и 1 /3 длины волны 6 и 7, два фотоприемника 8,9, блок регистрации и управления фазовыми пластинками 10, а также два электромеханических устройства переключения фазовых пластинок 11,12. Положительный эффект: за счет уменьшения используемого диапазона фотоэлектрического сигнала, повышается линейность преобразования, что повышает точность измерений в 2 раза.4 ил.

(3u(xmV . 1flrt v -2(1/2-и(хоУ 10°%71

а ( 0.5 arcsln а - -т ) + 0,5 - sin ( 0,5 arcsln a )

1 -2 sin х0

При х0 лУ8 (для одного порядка давлений точного отсчета используемого в прототипе) ,1%, а при х0 л;/б (для предлагаемого устройства) «0,9%. Это доказывает, что в предлагаемом изоФормул а изобретения Фотоупругий преобразователь давления, содержащий два поляризационно-оп- тических канала точного и грубого отсчета, каждый из которых состоит из общих для

-т ) + 0,5 - sin ( 0,5 arcsln a )

1 -2 sin х0

100%.

(6)

бретении за счет уменьшения используемого диапазона фотоэлектрического сигнала точность измерений по сравнению с прототипом увеличивается более чем в 2 раза.

двух каналов источника монохроматического излучения, поляризатора, чувствительного элемента, установленного в диагональном положении и выполненного составным из двух частей, одна из которых

изготовлена из материала с большим пьезо- оптическим коэффициентом для канала точного отсчета, а другая -. из материала с меньшим пьезооптическим коэффициентом, для канала грубого отсчета, анализатора, скрещенного с поляризатором и индивидуального для каждого канала фотоприемни- ка, а также блок регистрации и управления фазовыми пластинками и первое электромеханическое устройство переключения фазовой пластинки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования и регистрации давления при сохранении диапазона его изменений, он снабжен стационарной фазовой пластинкой в одну шестую длины волны монохроматического излучения, установленной на оптической оси

f

2 5

Р

канала грубого отсчета в диагональном положении между поляризатором и анализатором, переключаемыми фазовыми пластинками в одну шестую и одну третью длины волны, установленными на оптической оси канала точного отсчета в диагональном положении между поляризатором и анализатором, а также вторым электромеханическим устройством переключения фазовой пластинки, причем первое устройство переключения механически связано с переключаемой фазовой пластинкой в одну шестую длины волны, второе - с переключаемой фазовдй пластинкой в одну третью длины волны, а электрически оба устройства переключения соединены с блоком регистрации и управления фазовыми пластинками.

ю

Фиг.1 Ш

Up

о1

Up

т i

Фиг.1 Ш

--1-V