Пьезооптическое измерительное устройство Советский патент 1981 года по МПК G01L1/24 

(54) ПЬЕЗООПТИЧЕСКОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Изобрегение огносигся к измеригепь-цой технике и можег быгь использовано для построения динамометров. Известны пьезооптические преобразователи, в которых используются дифференциально-поляризационные оптические системы (ПОС) 1. Однако точность преобразователей с дифференциальной ПОС при измерении статических и медленно меняющихся величин оказывается недостаточной иэ-за наличия погрешностей, обусловленных температурным дрейфом нуля и шумами. Наиболее близким по техническсЛ cyntности к предлагаемому является устройство, содержащее оптически связанные ноточник света, поляризатор, пьезооптнчески чувствит ьный элемент, фазовую пластину, модулятор, анализатор, фотоприемнкк электрически связанный с взбирательным усилителем, последователыю с которым включены демодулятор и измерительный прибор, и генератор гармонических колебаний 2. Однако тбЧность измерения ограничена зависимостью чувствительности от параметра ПОС, а также погрешностью от нелинейности. Цель изобретения - повьпиение точности и расширения диапазона измерения. Поставленная цель достигается введением второго избирательного усилителя, вход которого соединен с выходом фотоприемника, и сумматс эа, один вход которот-о соединен с выходом второго избирательного усилителя, а выход подключен к одному иэ входов измерительного прибора, а Демодулятор выполнен .из вьтрямителя, множительного блока и фазосдвигаюшей цепочки, при этом выход выпрямителя попключен к первому входу множительного блсжа, выход которого подключен на второй вход сумматора, а фазосдвигающая ка подключена ко вторым входам измерительного прибора и множительного блока, причем вход выпрямителя в фааосдвигающей цепочки подключены, соответственно. к гуыхэдам первого усилигепя и генератора гарм(М1Ических колебаний. На чертеже представлено предлагаемое устройсгво. Пьезоопгнческое нзмеригельиое усгройсгво содержит источник 1 излучения tлазер Г 1), поляризатор 2, первую отражающую линзу 3, пьезооптический тензометр 4, объект измерения 5,втсрую отрансаю- щую лт1зу 6, четвертьволновую фазовую пластину 7, модулятор 8 (ячейка Фарадея с обмоткой 9 возбуждения), генерагф гармонических колебаний 1О, анализатор 11, фотоприемник 12, избирательные усилители 13 и 14, измерительный прибор 15 демодулятор 16, состоящий из выпрямителя 17, множительного блока 18, фа-, восцвигающую цепочку 19, сумматор 20. Пьезооптическое измерительное устройство работает следующим образом, Луч света фд от лазера 1, пройдя после довательно расположенные поляризатор, пьезооптический, тензометр 4, четверть- волновую пластинку 7, ячейку Фарадея 8 анализатор 11 поступает на фогопркемник 12. В соответствии с заксиом Малюса све Говой поток Ф () на вькоде ПОС, как функ ции угла поворота плоскости поляризации излучения d- , может быть представлена в виде (4:) 0,5ФдгдО±с.о5Ш . В свою очередь (t) ,

где d.

- угол повфота плоскости поЛ5физации, зависящей от измеряемой величины X,

i-M () - угол поворота плоскости по.ляриэацтш зависящей от параметров фарадеевского модулятора и сигнала ) на выходе reHepaTqpa 1О.

Угол aLj( определяется по формуле

Х JTlCoX(3)

где KQ - чувствительность тензометра 4. Уголс1г1(Ь) определяется формулой

сЬм() jrKMUr(t)3rK yMSin(Ut, (4)

и и и; - амплитуда и частота модулирующего сигнала; К - чувствительность фарадеевсксго модулятора.

а во множительном блоке перемножается с напряжением (оп сдвинутым относительно напряженияUr-(i:) на 90° в фазосдвигающей цепочке

ч

(9)

5coS2JrKoX.cogtju-t ,

где Kg, К,,, коэффициенты передачи выпрямителя, фазосдвигающей цепи и множительного блока соответственно.

В сумматоре напряжение H,j суммируется с напряжением И

.,()t-cosOykpX f(to; + ). После подстановки (2 - 4) в ( 1) полуаем (t)0,5Фo%p1tCOSaO/(koX + KмUмSin l;t) о,5ФоГор111Ло(хк„и„)со5 ajiKoXtQsina jiK.x acosQJTkoX- () :r (J-k UMJtosQkout , где f о - коэффициент гфопускания ПОС; 3()v ) - функции Бесселя первого рода ог аргументаоС гЗГКм м амплитуда модуляции. С помощью избирательного усилителя 14 из спектра сигнала фотоПрнемника 12 вьшеляется первая гармоника ()в 2 Мз1ПШ :, (6) где Кф - чувствительность фотоприемника;К - коэффициент передачи усилителя 14.;, С помощью избирательного усилителя 13 из спектра сигнала фотоприемника 12 выделяется вторая гармоника )COS IJfK,, X cos2a)-fc. где К - коэффициент передачи усилителя 13. В выпрямителе 17 напряжение Uiju/ преобразуется в постоянное (M pi s2 o W :5иачеиия амплигуд Иц и И ц ч, находятся из (6-0) как: ,() M.-()(MUM). 1Регупнровкой коэффицннегов Кц), К(у, Кп или Kg можно цобивагься выпогагения условия балансировки UM,.Тогда напряжение на одном входе фазо измеригапьного прибора будет равно (4J-fc-2Jrko4) и сдвинуто относительно напряженияирп приложенного к другому входу фазоизме рительного прибора на угол «i,y пропорциональный измеряемой величине X, Кроме того, показание фазоизмерительного прибора не будет зависеть от стабильности светового Потока Фо чувствительности Кф фотоприемника и коэффициента пропускания VQ ПОС, а использование модуляДии излучения с последующей частотной фильтрацией сигнала фотоприемника позволит уменьшить шумовую погрешность измерений. Формула изобретения Пьезооптическое измерительное устрой ство, содержащее оптически связанные ис точник света, поляризатор, пьезооптичес8286 ки чувствительный элемент, фазовую пластину, модулятор, анализатор, фотогфиемник, электрически связанный с избирательным усилителем, последовательно с ко. торым включены демодулятор и измерительный прибор, и генератор гармонических колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерения, в него введены втфой избирательный усилите;.ь, вход которого соединен с выходом фотоприемника, и сумматор, один вход которого соединен с выходом второго избирательного усилителя, а выход подключен к одно- му из входов измерительного прибора а демодулятор выполнен из выпрямителя, множительного блока и фазосдвигающей цепочки, при этом выход выпрямителя подключен к первому входу множительного блока, выход которого подключен на второй вход cyMMaTqpa и фазосдвигающая цепочка подключена ко вторым входам измерительного прибора и множительного блока, причем входы выпрямителя и фазосдвигающей цепочки подключены, соответственно, к выходам первого усилителя и генератора гармонических колебаний. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1/Патент США № 3950987, кл. 73-141, опублнк. 1976. 2. Известия ВУЗов. Приборостроение, 1976, № 19, № 11, с. 1ОО-105 (прототип).

Vf Ы Via