Пьезооптический измерительный преобразователь

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„яО„„ыоаято А (51) 4 G 0l L 1/24

ollHcAHNE изоБриткии,!

ГОСУДАРСТЦЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ третьей грани внутри призмы равны между собой и определены по формуле — 1 n,ä г

2,2

81п q г (.н ф) 3 g (21) 3755850/24-10 (22) 29.03.84 (46) 15.01.86. Бюл. ¹ 2 (72) М.И.Ермохин и В.А.Ширяев (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 430323, кл. G 01 P 15/08, 1972.

Авторское свидетельство СССР № 383406, кл. G 01 L 1/24, 1970. (54)(57) ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий упругий элемент и два поляризационно-оптических канала, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, упругий элемент выполнен в виде призмы с основаниями в виде равнобочных трапеций, причем углы, образуемые одинаковыми боковыми гранями с третьей боковой гранью, и угол между осью расходящегося пучка и нормалью к где с — углы, образуемые одйнаковыми боковыми гранями призмы с третьей боковой гранью, а также угол между осью расходящегося пучка и нормалью к третьей грани внутри призмы; — показатель преломления материала призмы относительно воздуха, Π— фазовый сдвиг составляющих светового пучка, при этом на грань, удаленную от ис- . точника светового излучения по ходу светового пучка, нанесено. отражающее покрытие.

1204979

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сил, давлений, ускорений, деформаций и температур.

Цель изобретения — повышение точности измерений пьезооптического измерительного преобразователя.

На фиг. 1 показана общая схема преобразователя, фиг. 2 — сечение преобразователя плоскостью, параллепьной основанию упругого элемента, фиг. 3 — график зависимости интенсивности светового потока от фазового сдвига между параллельной и перпендикулярной составляющими светового потока; фиг. 4 — график зависимости фазового сдвига Р от угла между осью расходящегося пучка и нормалью к наибольшей боковой грани призменного упругого элемента.

Пьезооптический измерительный преобразователь (фиг.1) содержит упругий элемент 1, выполненный из прозрачного фотоупругого материала, например стекла, в виде прямоугольной призмы, основания которой имеют форму равнобочной трапеции. На боковой грани упругого элемента нанесено отражающее покрытие

2. Поляризационно-оптические каналы преобразователя имеют общие источник 3 света, световод 4, подводян1ий световое излучение к упругому элементу, поляризатор 5 и раздельные анализаторы 6 и 7, отводящие световоды 8 и 9, фотоприемники 10 и 11 ° Плосность поляризации о поляризатора 5 составляет угол 45 с направлением измеряемой силы Р, приложенной к основанию упругого элемента, Плоскость поляризации анализатора б перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора 5, а плоскость поляризации анализатора 7 параллельна плоскости поляризации поляризатора 5.

Углы, образуемые двумя равными боковыми гранями упругого элемента с наибольшей из двух других граней, равны между собой и определяются по формуле где ц — углы, образуемые двумя рав ными боковыми гранями упругого элемента с наибольшей из двух других граней

П,, — показатель преломления мате риала призмы относительно воздуха, г — фазовый сдвиг между парал— лельно и перпендикулярно поляризованными составляющими светового пучка.

Принцип действия пьезооптического измерительного преобразователя заключается в следующем.

Световой поток в виде расходящегося пучка поступает от источника

3 излучения через световод 4 на одну из равных боковых граней упругого элемента 1 так, что ось пучка перпендикулярна этой грани. Проходя через боковую грань, световой поток падает внутри упругого элемента 1 на наибольшую грань так, что ось светового пучка составляет с нормалью к этой грани угол Ч".

Световой пучок, испытав полное внутре нее отражение, падает на вторую боковую грань, которая является последней по ходу пучка. На последней грани по ходу пучка нанесено отражающее покрытие 2, отражаясь от ко- торого пучок возвращается внутрь упругого элемента. Испытав второе полное внутреннее отражение,, пучок выходит из упругого элемента, проходит через два отводящих световода 8 и 9 и попадает на фотоприемники 10 и 11. Если сила P равна нулю, то упругий элемент остается оптически изотропным и плоскополяризованный световой пучок, вошедший в него через входную грань, не претерпевает изменений до отражения от наибольшей грани. Испытав полное внутреннее отражение под углом с от наибольшей грани, пучок становится эллиптически поляризо— ванным, причем одна из плоскостей поляризации параллельна, а другая перпендикуларна к плоскости падения оси расходящегося пучка. При этом между параллельной и перпенФ дикулярной составляющими возникает фазовый сдвиг g равный 45 . Далее

У световой пучок, отразившись от последней грани, падает вторично на наибольшую грань и испытывает второе полное внутреннее отражение.

При этом параллельная и пер ендикулярная составляющие поляризованного светового пучка приобретают второй фазовый сдвиг н, также рав1204979

10 ный 45 . Таким образом, суммарный фазовый сдвиг составляющих поляризованного светового пучка после двукратного полного внутреннего ото ражения составляет 0 = S, + 0 =90, т. е. световой пучок становится циркулярно поляризованным. Этот циркулярно поляризованный расходящийся пучок поступает одновременно на ана1лизаторы 6 и 7, проходит отводящие световоды 8 и 9 и поступает на фотоприемники 10 и ll, где преобразуется в фототоки Т -=Т . Если из2 меряемая сила P становится отличной от нуля, то под ее воздействием материал упругого элемента становится оптически анизотропным.

Вследствие этого составляющие световых пучков в упругом элементе преобретают дополнительный фазовый сдвиг ь3, пропорциональный силе P и суммирующийся с начальным фазоBbM сдвигом 8.

Изменения фазового сдвига приводят к изменению интенсивности светового пучка Ф, на выходе анализатора 6, скрещенного с поляризатором 5, причем

Ф,= Фáin — à)

2 8 где Ф вЂ” интенсивность светового пучка на входе поляризатора.

На выходе анализатора 7, ось поляризации которого параллельна оси поляризации поляризатора 5, изменение интенсивности Ф светового потока выражается соотношением

+ - Pcos—

Графики изменений световых пучков на выходах анализаторов 6 и 7 приведены на фиг ° 3.

Приращению фазового сдвига ьь, вызванному действием силы Р, соответствуют различные по зпаку приращения интенсивностей ь Р, и ь .

45 световых пучков на выходах анализаторов 6 и 7 соответственно. Это приводит к появлению на выходах фотоприемников 10 и ll приращений фототоков h I и ЬХ., пропорциональных в некотором интервале приращению силы Р. Разность приращений ьТ, и aI является выходным сигналом преобразователя.

Нелинейность зависимостей ь Ф, и ь Ф, от о (а, следовательно, и от P) в окрестностях точек перегиба 4 синусоидальной и косинусоидальной кривых на фиг. 3 незначительна и при ьФ,и ь Ф, равных 20%. от ф,, составляет 0,5%. Поэтому точка выбрана в качестве рабочей и соответствует начальному фазовому сдвигу. Связь между (p и Ю, выражаемая соотношением {1), представлена на фиг. 4. Из соотношения (1) следует, что значению ц, =45 соото ветствуют два значения 1 . Это расширяет возможность выбора углов наклона боковых граней упругого элемента. Кроме того, из соотношения (1) следует, что можно подобрать такое значение п,,(например п =0,66), что значение F =45 будет соответствовать максимуму графика на фиг. 4 {график 2) . В этом случае о

0 =45 обеспечивается при одном зна1 чении Ч" и в окрестностях этого значения 1 значение Ь мало зависит от изменения 1». Вследствие этого отпадает необходимость строгого собл1одения значения Ц для обеспечения величины о,, равной 45 ; что облег» чает изготовление упругого элемента, а также позволяет использовать расходящиеся пучки и дает возможность разнести в пространстве торцы отводящих световодов 8 и 9 для установки перед ними анализаторов 6 и

7, как показано на фиг. 1 и 2.

1204979

Составитель В.Маслов

Редактор С.Лысина Техред З.Палий Корректор Г.Решетник

Заказ 8518/43 Тираж 896 Подписное

ВНИ1йИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4