Цифровой магнитооптический датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L11/00 

сл

с

Использование: в приборостроении для измерения упругих напряжений в условиях действия электромагнитных помех. Сущность изобретения: устройство содержит лазер, световод, тензодатчик, микролинзу, плёночный поляроид, пластину, электромагнитный привод, анализатор, объектив, световод, фотоприемник, усилитель, триггер Шмитта, осциллограф и частотомер. Пластина выполнена из прозрачного ферромагнетика, имеющего кубическую магнитную анизотропию и отрицательную константу кубической магнитной анизотропии, вырезана в кристаллографической плоскости (1, 1, 0) и имеет линейное начальное распреде- лэние упругих напряжений от 0 до максимального значения в направлении кристаллографической оси (1, 1, 0). 3 ил.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения упругих напряжений в условиях действия электромагнитных помех.

Целью предлагаемого изобретения является расширение динамического диапазона и повышение степени линейности зависимости числа импульсов на выходе устройства от приложенного давления.

На фиг. 1 представлена схема устройства в целом. На фиг. 2 показан способ изготовления чувствительного элемента датчика для приведенного ниже примера. На фиг. 3 представлена зависимость числа доменов в пластине от приложенного давления согласно приведенному примеру.

Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Излучение лазера 1 посредством световода 2 передается в корпус 3 тен- зодатчика. Микролинза 4 фокусирует пучок света через пленочный поляроид 5 на поверхность пластины 6, которая выполнена из прозрачного ферромагнетика, имеющего кубическую магнитную анизотропию и отрицательную константу кубической магнитной анизотропии, вырезана в кристаллографической плоскости (1, 1, 0) и имеет линейное начальное распределение упругих напряжений от 0 до максимального значения в направлении кристаллографической оси 1,1, 0. Сканирование пучка осуществляет миниатюрный электромагнитный привод 7, колеблющий микролинзу в плоскости, перпендикулярной оптической оси и в направлении кристаллографической оси 1,1, 0 пластины. Прошедшее анализатор 8 излусо

со

о ю

со

чение собирается объективом 9 в световод 10. С вывода световода излучение направляется на фотоприемник 11. Электрический сигнал от фотоприемника обрабатывается электронной схемой, включающей усилитель 12 и триггер Шмидта 13, а затем анализируется осциллографом 14 и частотомером 15. Внешнее давление прилагается к незакрепленному концу прозрачной деформируемой подложки 16, к которой приклеена пластина 6, в направлении, перпендикулярном плоскости подложки, при этом происхоит растяжение подложки, а значит и пластины, в направлении от незакрепленного конца подложки к закрепленному. Пластина приклеена к подложке так, что направление от незакрепленного конца подложки к закрепленному совпадает с кристаллографической осью 1, 1,0 пластины. иапазон прилагаемых давлений определяется геометрическими размерами пластины ферромагнетика и подложки, их упругими свойствами, а также способом приложения давления к подложке , т.е. площадью контакта между подложкой и объектом, оказывающим давление.

Пример. Чувствительный элемент выполнен в виде пластины железо-иттрие- вого граната, вырезанной в плоскости (1,1, 0) и неоднородно приклеенной к стеклянной подложке так, что направление от незакрепленного конца подложки, к закрепленному совпадает с направлением кристаллографической оси 1,1,0. Размеры пластины: ширина - 2 мм, длина - 2 мм, толщина пластины - 50 мкм. Подложка закреплена одним концом и имеет: длину - 5 см, ширину - 2 см, толщину - 0,2 см. Пластина приклеена на расстоянии 2 см от места закрепления подложки. Коэффициент Пуассона стекла - 0,2, модуль Юнга - 5,6 1011 din/см2. Давление оказывается путем расположения на конце подложки стеклянной пластинки, на которую ложатся предметы, имеющие заданный вес. Таким образом, контакт между подложкой и объектом, оказывающим давление, постоянен и равен по площади 1 см2.

Способ изготовления чувствительного элемента показан на фиг. 2. На стеклянную подложку 1 наносится капля клеящего веества, в данном случае канифоли 2. На поверхности стекла формируется выступ, используя цилиндрический по форме немагнитный материал 3, в частности человеческий волос. Направление выступа перпендикулярно направлению подложки от незакрепленного конца к закрепленному, т.е. направлению растяжения в датчике. Длина выступа равна ширине пластины. Волос погружается в канифоль и сверху накладывается пластина ЖИГ 4, вырезанная в плоскости (Т, 1, 0) так, что направление кристаллографической оси 1, 1, 0 пластины

перпендикулярно направлению выступа, т.е. направлено по направлению от незакрепленного конца подложки к закрепленному. При этом пространство между пластиной, подложкой и выступом заполнено клеем. После затвердевания клеящего вещества, относительно тонкая пластина ЖИГ претерпевает достаточно сильную деформацию (фиг. 26), т.е. в пластине появляется распределение упругих напряжений,

5 близкое к линейному.

Изменение числа фарадеевских доменов, происходящее в пластине в зависимости от механического напряжения в ней, а значит и от прилагаемого давления Р, пока0 зано на фиг. 3.

Преимущества предлагаемого устройства по линейности и динамическому диапазону обеспечиваются наличием в пластине начального линейного распределения на5 пряжений. Динамический диапазон в случае предлагаемого технического решение шире, чем в случае прототипа за счет того, что характер рабочей зависимости, в отличие от прототипа, постоянен.

0 Формула изобретения

Цифровой магнитооптический датчик давления, включающий оптически связанные между собой источник излучения, световод, поляризатор, оптическую

5 фокусирующую систему пространственного сканирования пучка излучения, чувстви- т ельный элемент, содержащий пластину прозрачного ферромагнетика, жестко закрепленную на прозрачной деформируемой

0 подложке, анализатор, оптическую систему ввода излучения в световод и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и обеспечения линейности характеристики

5 датчика, пластина прозрачного ферромагнетика выполнена из материала с кубической магнитной анизотропией и отрицательной константой кубической магнитной анизотропии, вырезана в кристалло0 графической плоскости (1,1,0) и закреплена на прямоугольной подложке, которая жестко закреплена одним концом так, что направление от незакрепленного конца подложки к закрепленному совпадает с кри5 сталлографической осью (1, Т, 0) пластины, при этом пластина имеет линейное начальное распределение внутренних упругих напряжений от 0 до максимального значения в направлении кристаллографической оси (1,1,0).

г

, t s

. , x -

//s

7

/ X P / X ,x

// /

/ / X X/ ./

/./

/ / ,X X/ / # ,,

r / / / X7///

s

//s

a)

/ / X X/ ./

X X/ / # ,,

/./

5

cpui.2.

А/

0.5

+

0,f ff.2

фигЗ

Xf06,

$t5 10