Измерительный преобразователь

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть ис пользовано для измерения сил, давлений , ускорени, крутящих моментов и других физических величин. Цель - повьшение точности измерения. Устройство содержит поляризациопно-оптическую систему 3, включающую в себя поляризатор 4, фазосдвигающую пластину 5, чувствительный элемент 6, анализаторы 7 и 8 и фотоприемники 9,10, соединенные с входами усилителей II и 12, коммутаторы 13 и 14, фильтры низких частот 15 - 18, сумматоры 19 и 21, схемы 22 - 24 .сравнения , регу.пяторы 25 и 26 тока, гене ратор 27 прямоугольньк имнульсов напряжения. Устройство позволяет осуществить прохождение рабоч их (модулированных измеряемьп-i в.оздействием Р) световых импульсов от излучателя 1 света и опорных (немодулированных ) от излучателя 2 света по одним и тем же отводящим световолоконным каналам и использовать разность уровней опорных импульсов, возншсающую вследствие различного изменения пропускания каналов, но не зависящую от Р, для исключения разности уровней рабочих импульсов. 3 ил. (Л с . о: 05 00 О5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

15}1@ G 01 L 1/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП Ф (21) 3748727/24-10 (22) 01.06.84 (46) 07.03.86. Бюл.Р 9 (72) 11.11.Ермохип, В.А.Ширяев и Г.И,Яцковский (53) 531.781(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 567964, кл. G 01 L 1/24, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 572667. кл.. G Ol L 1/16, 1975. (54) ИЗ11ЕРИТЕЛЬ111Ф ПРЕОБРАЗОВА ЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сил, давлений, ускорен пi, крутящих моментов и других физических величин. Цель— повышение точности измерения. Устройство содержит поляриэационно-оптическую систему 3, включающую в себя поляризатор 4, фазосдвигающую пластину 5, чувствительный элемент

„„SU„„ I 216683 A б, анализаторы 7 н 8 и фотоприемники

9,10, соединенные с входами усилителей 11 и 12, коммутаторы 13 и 14, фильтры низких частог 15 - 18, сумматоры 19 и 21, схемы 22 — 24 .сравнения, регуляторы 25 и 26 тока, генератор 27 прямоугольных импульсов напряжения. Устройство позволяет осуществить прохождение рабочих (модулированных иэмеряемьп1 ваздействием P) световых импульсов от излучателя света и опорных (не модулированных) от излучателя 2 света по одним и тем же отводящим световолоконным каналам и испольэовать разность уровней опорных импульсов, возникающую вследствие различного изменения пропускания каналов, но не зависящую от Р, для исключения разности уровней рабочих импульсов.

3 ил.

1216683

5 !

О !

20

Измерительный преобразователь относится к измерительной технике и может быть использован для иэмерепия сил, давлений, ускорений, крутящих моментов и других физических величин.

Целью изобретения являетсл повышение точности измерения, а фиг.l дана структурная схема преобразователя; на фиг.2 — статические световые характеристики рабочих каналов; на фиг.3 — временная диаграмма работы преобразователя.

Измерительный преобразователь (далее — преобразователь) содержит ,(фиг.l) два излучателя 1 и 2 света, поляриэационно-оптическую систему 3, включающую в себя поляризатор 4, фазосдвигающую пластину S, чувствительный элемент 6, анализаторы 7 и

8 и фотоприемники,9 и 10. Плоскости поляризации поляризатора 4 и анализаторов 7 и 8 составляют с напранле— нием механического папряжепия в чувствительном элементе (с направлением измеряемого воздействия I на фиг.1) углы " 45 . При этом угол между плоскостями поляризации поляризатора 4 и анализатора 7 равен 90, а между плоскостями поллриэации поо .ллрпзатора 4 и анализатора 8 — 0

Направление оси наибольшей скорости фаэосдвигающей пластинки 5 параллельно направлению измеряемого воздействня Р (обозначаемым в дальнейшем для кратности одним символом Р). Выходы фотоприемников 9 и !О соединены соответственно с одними входами усилителей 11 и 12, имеющих регулируемые усиления, а выходы этих усилителей подключены к входам аналоговых коммутаторов 13 и 14. Выходы апалогового коммутатора 13 подключены к входам фильтров 15 и 16 низких частот, а входы аналогового коммутатора 14 — к входам фильтров 17 и 18 низких частот. Выход фильтра !5 низких частот подключен к первым входам, а выход фильтра 17 низких частот — к вторым входам сумматора

19 и вычитающего устройства 20.

Выход фильтра 16 низких частоо под-. ключен к первым входам, а выход филы ра 18 низких частот — к вторым входам сумматора 21 и схемы 22 сравнепил. Выходы сумматоров !9 и 21 подклочепы соответственно к .первым входам схемы 23 и 24 сравнения, к вторым входам которых подключено стабилизированное опорное напряжение

Uo„. Выходы схем 23 и 24 сравнения подключены к управляющим входам регуляторов 25 и 26 тока излучателей и 2 света. От генератора 27 прямоугольные импульсы напряжения поступают на второй управляющий вход регулятора 25 тока и входы аналоговых коммутаторов 13 и 14, а через инвертор 28 фазы — на второй вход регулятора 26. тока. Выход схемы 22 сравнения соединен с вторым входом усилителя 11 и через инвертор 29 — с вторым входом усилителл

l2. Сигнал на выходе вычитающего устройства 20 является выходным сигналом преобразователя.

Световые потоки Ф „и Ф от излучателей 1 и 2 света соответственно направляются через световолоконные каналы 30 и 31, поляризационно-опти ческую систему 3 и световолоконные каналы 32 и 33 на фотоприемники 9 и 10 таким образом, что Ф„ проходит через поляризатор 4, а Ф„ минует его.

Преобразователь работает следующим образом.

Напряжение питания О„ц через регуляторы 25 и 26 тока поступает на излучатели 1 и 2 света. Управляющий сигнал от генератора 27 прямоугольных импульсов, поступающий на регулятор 25 тока непосредственно, а на регулятор 26 тока через инвертор 28 фазы, позволяет эапитывать излучатели и 2 света попеременно.

Импульсы светового потока Р1 от излучателя 1 света, пройдя поляризатор 4, становятся линейно поляризованпыми. В фазосдвигающей пластинке

5 световой поток распадается на две плоско поляризованные составляющие.

Плоскость поляризации одной иэ составляющих параллельна, а другой— перпендикулярна направлению Р, а разность фаэ о(о этих составляющих

Р на выходе из пластинки 5 ранна 90

Лналогичные преобразования происходят со световым лучком в. чувствительном элементе б, если он нагружен, с той разницей, что величина фазового сдвига hot пропорциональна

Р, а знак gP зависит от знака Р.

Суммарный фазовый сдвиг, создаваемый фаэосдвигающей пластинкой и упругим элементом, равен Ио 1 йЫ .

1216683

Если P = О, то и Ьо(= О, и световь«е потокИ Ро„1 и Ро1,2 на выходах анализаторов равны по величине, и их уровни соответствуют наиболее крутым участкам зависимости световых потоков от о((фиг.2) .

Если P не равно 0 и изменяется во времени, то hc(также становится не равным 0 и изменяется пропорционально P. В этом случае световые потоки на выходах анализаторов 7 и 8 получают приращения 6+<„ и, ср пропорциональные Ьо и различные по знаку, Суммарные световые потоки !

Я, и «» выражаются тогда соотно-! 1!2 шениями

Р!, — о!,.!

q < д = о «, 2 «СР,2 (2

/ Суммарные световые потоки ф и

1!1 ср пОступа«От на фОтоприемники 9 !!2 и 10 и преобразуются в них в импульсы фотопотоков 1„ „ и I« 2, разность

I которых в некотором диапазоне их изменений пропорциональна изменению P. !

Импульсы светового потока Р сдвинутые по фазе относительно импульсов светового потока Ч „ на

180, поступают в поляризационнооптическую систему, минуя поляризатор

4, и поэтому остаются неполяризованными. Вследствие этого, соответствующие световому потоку Я световые потоки Р2.,< и Ч z на выходах аналн-! заторов 7 и 8 не зависят от изменеHHH Р!

Если пропускание поляризационнооптической системы 3 и световолоконных каналов 32 и 33 для световых импульсов Ч 2 „и Ф 2 одинаково, то они ! равны по величине и создают на выходах фотоприемников 9 и 10 одинаковые импульсь«фотопотоков 1, „H I 2,2

Синхронные импульсы фотопотоков и 11 2 и сдвинутые относительно

7f о них на 180 синхронные импульсы фотопотоков l2, и 1 2,2 поступают на входы усилителей 11 и 12, Электрические сигналы с выходов указанных усилителей в виде попарно синхронных импульсов электрического напряжения О,,и

О,, 02,и О, поступают на входы аналоговых коммутаторов 13 и !4. Во время поступления импульсов U .« и

U, соответствующих импульсам излучателя света 1, входы аналоговых

l0 коммутаторов 13 и 14 под действием управляющего импульса от генератора

27 подключаются к входам фильтров

15 и 17 низких частот, а во время поступления импульсов 02,«и 0, — к входам фильтров 16 и 18 низких частот. Временные диаграммы импульсов U,,, U,2,U1 <,U 3 представлены на фиг.3, В тот промежуток времени, когда

Р равно нулю (участок оа, временной диаграммы на фиг,3), импульсы 0«„и !

11 равны по величине. Их разность, «,г. полученная с помощью вычитающего устройства 20, равна нулю.

Если Р становится отличным от нуля (участок aS временной диаграммь4

/! то действие Р вызывает изменения

20 уровней световых потоков Р «Н Р1 q

1,2 согласно соотношениям (1) и (2) . Это в конечном счете приводит к неравенству импульсов (1, „н О, 2, пропорциональному Р (граф««к««()! „,(1.« 2и 0„«25 11 па участке а,б временной диаграм"

1!2 мы). Их разность на выходе схемы 20 вычитания, пропорциональная Р, является выходным сигналом () ьг«, преобразователя.

30 Если в это время под влиянием внешних воздействий прозрачность световодных каналов изменилась, и эти изменения равны по величине, по имеют разные знаки, то это приводит

35 к различ««ым по snaKy изменениям уровней световых потоков „,«« Р2 2 и, следовательно, к появлению разности соответствующих импульсов L2 q и О, (. рафики 1« и 02,2 на временной

40 диаграмме) . Одновременно это приводит к увеличению разности импульсов ,() и Ц, (граф««к U,„ - ()„ на участке

I !

vi) временной диаграммы) и появлению приращения выходного сигнала.hUg „„

45 т.е. к появлению смещения начального отсчета (lcm (участок 5с графикаUg««x по временной диаграмме) . Это смещение устраняется в преобразователе следующим образом. Напряжения Ц q u

50 02 2, переданные с помощью аналого- ! вых коммутаторов 13 и 14 на фильтры

16 и 18 нижних частот, а с выходов последних па входы схемы 22 сравнения, создают на ее выходе напряжение разбаланса 0р . Это напряжение подается на второй вход усилителя ll, и через пнвертор 29 — на второй вход усилителя !2. Тем самым, к эф12!6683

l0

55 фициенты усиления усилителей Il u

12 изменяются таким образомм,что разность импульсов 0,1и U>,i на их выходах становится снова равной нулю. При этом становится равным нулю и смещение начального отсчета преобразователя. Таким образом, исключается влияние изменений пропускания световодных каналов на показания преобразователя.

Вместе с этим, схема преобразователя поддерживает неизменным начальный уровень импульсов U q и 44

Это осуществляется путем суммирования сигналов, получаемых с выходов фильтров 16 и 18 низкой частоты, в сумматоре 21 Суммарный сигнал

Ос1сравнивается s схеме 24 сравнения ,с очорным сигналом 11 . В случае

1 изменения величины суммарного сигнала 10, на выходе схемы 24 сравне» ния возникает раэиостный сигнал определенного знака, который поступает на вход регулятора 26 тока.

Регулятор 26 тока, в зависимости от знака разиостного сигналр, изменяет питание излучателя таким об" разом, чтобы разностный сигнал на выходе схемы 24 сравнения снова стал равным нулю. Тем самья стабилизируются уровни фототоков Р,q и ср,, в том случае, если под влиянием внешних воздействий пропускание световодных каналов изменится s одну сторону.

Стабилизация коэффициента преоб-, разования преобразователя,произво" дится следующим образом.

Сигналы с выходов фильтров 15 и

17 низких частот суммируются в сум- . маторе 19. Их сумма 0 поступает на вход схемы 23 сравн ния, где сравнивается с опорным напряжением

0 „, и раэностпый сигнал подается на регулятор 25 тока, который в зависимости от знака разностного . сигнала изменяет питание излуча« теля 2 света таким образом, чтобы разностный сигнал .становился равным нулю. При этом напряжение U +q поддерживается на постоянном уровне, равном U „, тем самым сохраНяется неизменным коэффициент преобразования преобразователя.

Предлагаемая конструкция поляриэационно-оптической системы и струке турная схема для обработки сигналов,) получаемых от нее, позволяет в отличие от известного, осуществить прохождение рабочих 1 т,е. модулируемых измеряемым воздействием P) световых импульсов от излучателя 1.света и опорных (т.е. не,модулируемых воздействием Р1 световых импульсов от излучателя 2 света по одним и тем же отводящим световолоконным каналам и использовать разность уровней опорных импульсов, возникающую вследствие различного изменения пропускания каналов, но не зависящую, от Р, для исключения разности уровней рабочих импульсов, возникающую по той же причине, В то же время при данной конструкции поляризационМо-оптической системы, в отличие от известной конструкции, исключается появление разностей уровней рабочих и пульсов света в проводящих световолоконных каналах, поскольку серия рабочих импульсов подводится по одному подводящему"каналу, Это же можно сказать и про серию опорных импульсов.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь, со;— держащий два излучателя света, связанные соответственно с двумя регуляторами тока так, что первый вход первого регулятора связан непосредственно, а первый вход второго регулятора с помощью инвертора — с выходом генератора, поляриэационнооптическую систему, состоящую из последовательно расположенных поляризатора, фазосдвигающей пластины, чувствительного элемента и анализатора, два фотоприемника, соединенные соответственно с входами усилителей, источник опорного напряжения и

t фильтр низких часто, о т л и ч а— ю шийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен четырьмя световолоконными каналами, тремя фильтрами низких частот, тремя схемами сравнения, двумя сумматорами, вторым инвертором, вычитающим устройством и двумя аналоговыми коммутаторами, первые входы которых соединены соответственно с выходами усилителей, вторые входы — с выходом генератора, первые выходы — с входами первого и второго, а вторые выходы — с входами

1216б83 третьего и четвертого фильтров низких частот, при этом выход первого фильтра низких частот соединен с первыми входами, а выход второго фильтра низких частот — с вторыми входами первого сумматора и вычитающего устройства, выход третьего фильтра низких частот соединен с первыми входами, а выход четвертого фильтра низких частот — с вторыми входами первой схемы сравнения и второго сумматора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первыми входами второй и третьей схем сравнения, вторые входы которых соединены с источником опорного напряжения, а выходы последних— соответственно с вторыми входами первого и второго регуляторов тока, при этом усилители выполнены с регулируемым коэффициентом усиления и регулирующий вход первого усилителя соединен непосредственно, а регулирующий вход второго усилителя с помощью второго .инвертора — с выходом первой схемы сравнения, при

10 этом источники света с помощью световолоконных каналов оптически связаны с соответствующими приемниками: первый источник света через последовательно установленные поля15 ризатор, фазосдвигающую пластинку, чувствительный элемент и анализатор, а второй источник света — через последовательно установленные чувствительный элемент и анализатор.

i216683

Мt

Яия

Заказ 996/53

Тираж 778 Подписное

В?1ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал IIIIII "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель А. Экономов

Редактор В. Иванова Техред С.Мигунова Корректор И.Эрдейи