Пьезооптический динамометр Советский патент 1977 года по МПК G01L1/24 

Изобретение относитея к области сплоизмерительной техники и может быть использовано для измерения сил в динамике и статике.

Известные пьезооптические динамометры, содержащие оптический канал из последовательно расположенных источника света, поляризатора, фазосдвигающей четвертьволновой пластинки, анализатора и фотонриемника и чувствительный элемент, расположенный между фазосдвигающей пластинкой и анализатором, имеют недостаточную чувствительность.

Предлагаемый ньезооптический динамометр позволяет повысить чувствительность благодаря тому, что он дополнительно снабжен аналогичным оптическим каналом, фотоприемник которого включен дифференниально с фотоприемнИКом основного канала и фазосдвигающая пластинка его разнится от фазосдвигающей пластинки основного канала на нечетное число нолуволн, а чувствительный элемент выполнен IB 1виде параллелепипеда с четырьмя прозрачными гранями, параллельными измеряемой силе и перпендикулярными осям соответствующих оптических каналов; чувствительный элемент в нем выполнен в виде прямой многогранной призмы с попарно параллельными гранями, число пар которых соответствует ЧИСЛУ оптических каналов.

На чертеже представлена схема оптикомеханической части предлагаемого динамометра.

Пьезооптический динамометр содержит источники 1 и 2 света, поляризаторы 3 и 4, анализаторы 5 и 6, фазосдвигаюи.и1е пластинки 7 и 8, чувствительный элемент 9 п фотоприемники 10 и //.

Фазосдвигающие нластинки 7 и 5 иредставляют собой двуиреломляющие устройства, создающие некоторую разность хода. В одном канале иластинка 7 ориентнрована таким образом, что плоскость поляризаиин ее обыкновенного луча параллельна наибольшему главному направлению квазиплоского напряженного состояния в чувствительном элементе 5, а пластинка 8 другого канала ориентирована так, что наибольщему главному направлению параллельна плоскость поляризаиии необыкновенного луча. Чувствительный элемент 9 представляет собой твердое прозрачное тело, изготовленное из материала, обладающего большими пьезоонтическими постоянными. Этот элемент имеет две пары взаимно параллельных прозрачных граней, параллельных направленпю измеряемой силе Р и перпендикулярных соответствующим пучкам света. Фотоприемники W п 11 включены дифференциально, например, в смежные плечи моста Уитстона.

Динамометр работает следующим образом.

Луч света от источника / света проходит поляризатор 3, после чего становится плоскополяризованным. В чувствительном элементе 9, нагруженном измеряемой силой Р, луч света распадается на два луча, илоскости поляризации которых параллельны главным нап1ра-влен,иям квазиплоского напряженного состояния в чувствительном эле.менте н, следовательно, взаимно перпендикулярны. Коэффициенты преломления для этих лучей пропорциональны соответствующим главным: направлениям.

В случае, если луч перпендикулярен входной грани чувствительного элемента, изготовленного из исходно оптически и механически изотропного материала, эти два луча не изменяют своего направления, ко распространяются в нем с различной скоростью и на выходе из чувствительного элемента имеют некоторую разность хода (разность фаз), пропорциональную измеряемой силе Р. Механические направления, параллельные лучу, на величину коэффициентов преломления не влияют. Анализатор 5 выделяет из указанных .лучей составляющие, плоскости поляризации которых параллельны его плоскости поляризации. В результате интерференции выделенных составляющих, которые являются когерентными, интенсивность света после анализатора зависит от иэмеряе1мой силы Р, причем эта зависимость .пропорциональна sin К.Р, где /С - постоянный коэффициент.

Ма.ксимальная крутизиа изменения светового потока по силе достигается при аргументе

те, кратном нечетному числу-. т. е. при разности хода Г, кратной нечетному числу четвертой волны -. При Г -г- + л,; (где п - натуральное число) производная функция sin к Р положительна, а при Г 1

- производная отрицательная. Фазовые пластинки 7 и S, зста 1овленные указанным выше

тс

способом, создают сдвиг фазы -, т. е. дополнительную разность хода в четверть волны

V

-J- , причем одна из лластидок, .например /,

взаимную разность хода соувеличивает

ответствующих лучей, получаемую ими в чувствительном элементе, а пластинка 8-уменьшает на -7- Поэтому световой поток, поступающий на фотопр.немник 10, увеличивается с увел.ичением силы Р, а поток, поступающий на фотоприемник //, - уменьшается.

При включении фотопрпемпиков 10 и // в смежные плечи моста в его измерительной

диагонали появляется сигнал t/выхОписываемая конструкция является одним из конкретных исполнений динамометра, построенного по заказанном} выше принципу. Дейстзителыно, пьезооптический динамометр

может содержать чувствительный элемент в виде прямой многогранной призмы с попарно параллельными прозрачными гранями, параллельными измеряемой силе, и число пар их соответствует числу оптических каналов.

В оптических каналах можно использовать не только пластинки в четверть волны, но и более толстые пластинки, дающие разность хода лучей в нечетное число четвертей волны, причем разность хода, созданная

пластинками одного канала, должна отличаться от разности пластинок другого канала па нечетное число полуволн.

Формула и 3 о б э е т е и и я

1- Пьезооптический динамометр, содержащий оптический канал из последовательно расположенных источника света, поляризатора, четвертьволновой фазосдвигающей пластинки, анализатора и фотоприемника и чувствительный элемент, расположенный между фазосдвигающей пластинкой и анализатором, отличающийся тем, что, с целью повышеиия чувствительности, он дополнительно снабжен аналогичным оптическим каналом, фотоириемник которого включен дифференциально с фотоприемником основного канала и фазоодвигающая пластинка его разнится от фазосдвигающей пластинки основного канала на нечетное число полуволн, а чувствительный элемент 1выполнен Ввиде параллелепипеда

с четырьмя прозрачными гранями, параллельными измеряемой силе и перпендикулярными осям соответствующих оптических каналов.

2. Динамометр по п. 1, отличающийс я тем, что в нем чувствительный э.темент выполнен в виде прямой многогранной призмы с попарно параллельными гранями, число пар которых соответствует числу оптических (Каналов.