Поляризационно-оптическая измерительная система

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЩИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (I9) (111 (51}5 0 01 L 1 24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

Г1О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ, (46) 30. 05. 91. Бюл. 1."- 20 (21) 3971 И 6/10 (22) 31.10.85 (72) М.И.Ермохин, В.Г.Локтионов, В.А.Ширяев и Г.И.Яцковский (53) 531.781(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 383406, кл. G 01 Ь )/24, 1970.

Авторское свидетельство СССР

9 1257416, кл. G 01 L )/24, .1985. (54) ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА (57) Изобретение может быть использовано для измерения силы, давлений, ускорений и других физических величин, измерение которых момет быть преобразовано в изменение оптичаской анизотропии.в твердых прозрачных телах. Це ь изобретения — повьпиение точности и расаирение диапазона измерений. По отводящим оптоволоконным жгутам световые пучки поступают на фотоприемники 13 и 14, а. электрические сигналы подаются на входы анало. го-цифровых преобразователей 15 и !6 ° где преобразуются в цифровув форму.

Измеряемое усилие выракено математической формулой, при подставке в нее значений изменений светового лучка получим алгоритм для вычисления усилия, который решается с помощьв олределителя 17 полупериодов и вычислительного блока 18. 3 нл. (2) 1 !389409 г

11оляризационно-оптическая измери- Это достигается симметричным yesтельная система относится к области несением осей подводящих и отводящих измерительной техники и может быть оптоволоконных каналов относительно использована для измерения сил, дав- оптических осей линз 5, лений, ускорений и других Физичес- По отводящим оптоволоконным жгутам ких величин, измерение которых может световые пучки поступают на Фотоприбыть преобразовано в изменение ол- еминки 13 и 14, а злектрические сигтической аниэотропии в твердых про- палы U с выходов Фотоприемников, опи зрачных телах. 10 сываемые выражением

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазо- U=U+ sin (- - ), 3!) на измерений.

На Фиг, l показана структурная подаются на входы АЦП 15 и 16, где схема системы; на фиг 2 -. статичес" 1> преобразуются в цифровуш Форму, удобкие характеристики измерительных ка- нув для дальнейших операций.. налов; на Фиг., 3 - функциональная: . Вследствие того, что материалы схеме определителя полупериодов. : призм 8 и 9 имеют разные значения

Система содержит источники нэпу-. Фотоулругих постоянных (Б), зависи-. чения света и 2, подводяаще опто-. 20 мости сигналов на выходах Фотопрнем.. волоконные жгуты 3 и 4, линзы 5, ников 13 и 14 от воздействия усилия поляризатор 6, фаэодвнгающущ пласти- . Р, приложенного .к упругому элементу, ну 7, упругий элемент, состоящий из. будут различны. Например, s том слудвух прямоугольник призм 8 и .9, вы- .. чае, когда призма 9 изготовлена из полненных иэ прозрачных,материалов 2S фосфида галлия - GaP (Б=18), а приз» с различньэаю Фотоупругими постоянны-. ма 8 иэ стекла БФ16 (Б .1 4), указанми, имеющих отражающие покрытия 10, ные, зависимости будут иметь вид, и жестко соединенных между собой та" приведенный на Фиг. 2.. График U, ха ким образом, что одна иэ них являет" рактеризует изменение интенсивности ся продолжением другой,.отводящие .. ®. светового пучка прошедшего элеменоптоволоконныежгуты II и I2> Фото- .. ты. 3, 5, 6., У 8, ll и 13, соетавляпрнеиники 13 и !4, аналого-цифровые:;" шщие вспомогательный канал а грапреобраэователи (АЦП) 15. и !6, елре,- фик U - лучка, прошедшего элементы делитель полупериодов 17 и вычисли": 4, 5, 6, 7, 9, 12 ш:14, составляющие тельный блок 18. Плоскость поляри- . . -рабочий канал. эацни ноаяряэатора составляет а иа: 35 дальнейшие операции с сигналамн правлением. оптической оси индикатРи- О, и 0< совершаштся. следукщим обра. сы нкдуцированной оптической авизо" ;: зом. Иэ соотношения (1) значение иэтропии, создаваемой B упругом. эле-, -меряемого усилия Р может быть выраже менте измеряемы воздействием Р, угол ио и явном виде

45 . Направление оси наибольшей ско- .10 рости фаэосдвигашщей плвстинкн сювпа- . Р= - агсэЫ(1- О-.), дает с направлением оптической оси

Ф а е учетом цикличности изменения U пии е

Работа систеэй протекает- следую- .,Р (>4@гсэМ1- )) > (3) щим образом.

Световые пучки от источников излу«., где 1Ж0,1,2,3...,. чения 1 и 2 через подводящИе опто-..:... Выражение (3), если подставить. в волоконные жгуты 3 н 4,.линзы 5, п0 "М него 0"-Ю, есмь. алгоритм для вычис ляриэатор б í фабеадввгавщув пластин- ления Р,: который решается с помощьв .. ку 7 попадают соответственно на приэ- определителя полупериодов 17 и вы-. мы 8 и 9.- Пройдя их и отразившись от числйтельного блока 18. отражающего покрытия 10, световые : Бмчислительное устройство !8 выпучки следуют i ебратиом направлении S$ полнят следующие операции.. По пои c" помощью лина З.фокусируются на:, стушпявему-на его первый вход от торцах отводящих,оптоволоконных ка- . МНЕ И сигналу О® ойо определяет веналов 1l и 12. ... личину отношения .О /U > -находит раз1389409 ность l-U

arcsin(,l-U /1J ), а по поступившему на его второй вход от определителя полупериодов 17 значению К вычисляет произведение К«, суммирует его со значением и умножает полученную сумму K«+arcsin(l-Uq/U ) на Р/« ° Полученное таким образом кз соотношения (3) значение измеряемого усилия Р, приложенного к входу системы, является ее выходным сигналом. Следовательно, статическая характеристика системы линейка, что и требовалось осуществить. Неоднозначность приращения выходного сигнала .при переходе значения 11 через экстремальные точки (см. соотношение (1), (2), (3)) устраняется путем использования приращения сигнала U,, поступающего от АЦП 15. На основе приращения указанного сигнала в определителе полупериодов И вырабатывается значение К, используемого в соотношении(3). Значение К указывает номер полупериода изменения U (полупериод соответствует изменению Uä между соседними экстремальными точками), а знак К является знаком ал. гебраического суммирования слагаемых в квадратных скобках соотношения (3). Благодаря этому обеспечивается непрерывное увеличение (уменьшение) значения выходного сигнала системы по мере увеличения (уменьше. ния) значения фазового сдвига е4, ли- 35 нейно связанного с изменением изме-. ряемого воздействия P.

ОпреДелитель полупериодов 17, где производится вычисление значения К, может быть выполнен в виде 40 двух постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) 19 и 20 (фиг, 3). На адресные входы 11ЗУ )9 подается с АЦП

15 цифровой код, соответствующий текущему значению U(. ПЗУ 19 програм- 45 мируется s режиме градуировки систе» мы путем записи в него значений U соответствующих экстремальным значениям 14, а именно значений U,,U, U гу ° ° е или U ó Uyy s ° J

Интервал изменения U между двумя соседними из указанных выше значений например, Uy -Uia илк U« -1 з s или U< -U<+ и т.д., соответствует интервалу изменения. U между соседними экстремальными точками - т.е. изменению Uz на один полупериод (П), В режиме измерения, в зависимости от того, в каком интервале U„ -U, Ц -11„или 11„-11, и т.д. находится значение U,, ПЗУ 19 выдает в цифровом коде номер полупериода изменения

U< в виде « К, где К вЂ” соответственно 0,1,2,... Если значение 1J, находится в одном из интервалов U U„, Ц„- Цъ, Ц„-Ц1." . то значения К равны соответственно М 1, -2, -3

ПЗУ 20 определителя полупериодов

17 предназначен для определения четкости полупериодов, необходимость которой будет пояснена ниже. его адресные входы соединены параллельно с адресными входами ПЗУ 19. ПЗУ 20 программируется следующим образом, Если на его адресные входы подан код, соответствующий значению U при котором К является четным, то на его выходе разряд D (сигнал »чет» о ность ) принимает значение логического »О».

Если на адресные входы ПЗУ 20 подан код, соответствующий значению

U<, при котором К является нечетньы, то на его выходе разряд Р, принимает значение логической »1".

Вычислительный блок 8 в соответствии с его функциями включает блок формирования арксинусной функция по заданному аргументу U состоящий из двух постоянных запоминающих устройств - ПЗУ 21 н ПЗУ 22, блок суммирования 23,. блок умножения 24 и и инвертор 25а

С выхода АЦП 16 на входы ПЗУ 21 и

22 подается код, соответствующий текущему значению U . ПЗУ 21 и 22 запрограммированы таким образом, что цифровой код, подаваемый на входы от В, до В; блока суммирования 23, соответствует функции:

F=arcsin(l- †- ).

2U

U, При этом с выхода D ПЗУ 20 на вход "Выборка кристалла" (BK) ПЗУ 21 непосредственно и на вход ВК ПЗУ 22 через инвертор 25 поступает сигнал четности, благодаря которому ПЗУ 21 к 22 работают попеременно. При нечетном значении номера полупериода К (сигнал »четность» =1, включено ПЗУ

21, ПЗУ 22 отключено) изменению 11, в интервале О...И соответствует изменение значений функции Р в интервале О...П в виде цифрового кода на выходе ПЗУ 21. При четном значении номера полупериода К (сигнал »чет5 138940 ность" =О, вклк,чено ПЗУ 22, ПЗУ 21 отключено) изменению U2 в интервале

И...О соответствует изменение функцкн в интервале следующего полуле5 риода II...2Ï в виде цифрового кода на выходе ПЗУ 22.

Сигналы с выходов ПЗУ 21 и 22 в виде цифрового кода функции и сигналы с выхода ПЗУ 19 в ниде цифрового кода произведения КП поступают соответственно на входы Во-В; и А -А; блока суммирования 23, Сумма указанных сигналов

l5

2Ц2 1

Кь+агс з1п(. - — -) 1 в виде цифрового кода поступает с выхода блока суммирования 23 на вход блока умножения 24, выполненного в виде;,отдельного ПЗУ, где производится операция умножения указанной сум Po иы на коэффициент и= — . Теи самым, 2 заканчивается операция вычисления величины измеряемого воздействия Р, Для синхронизации АЦП 15 и 16 сис- темы, а также системы в целом с внешним цифровым индикатором используются соответственно сигнал пуск и

tt И. стробирующий сигнал "готовность данных" АЦП 15.

Такая ехема обработки сигналов позволяет получить выходной сигнал, линейно связанный с измеряемым воздействием в значительном .интервале . 35 изменения фазового сдвига составляю, щих светового пучка. При использовании в качестве материалов для призм упругого элемента - СаР и стекла

9 6

БФ16 этот интервал составляет 5 периодов, что на два, порядка больше, чем соответствующий интервал изменения ос в .ранее известных устройствах.

Ф о р и у л а и э о б р е т е н и я

Поляризационно-оптическая измерительная система, содержащая последовательно установленные источник излучения, поляризатор, чувствительный элемент, выполненный из двух частей с различными пьезооптическнми коэффициентами, и два фотоприемника, о тл н ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, части чувствительного элемента выполнены с отражающии покрытием, а система снабжена двумя аналого-цифровыми лреобразователямн, определителем лолупериодов и вычислительным блоком, вторым ис" точником излучения, двумя коллимиру- . ющнми линзами, установленными перед поляризатором и оптически связанными двумя подводящими оптоволоконными жгутами с фотоприемниками, фазосдви» гающей пластиной, установленной между поляризатором и чувствительным элементом, при этом вход первого анало . го-цифрового преобразователя подключен к выходу первого фотоприемника, а выход — к входу определителя полу" периодов, выход которого подключен к первому входу вычислительного бЛока, вход второго аналого-whposoro преобразователя подключен к выходу .второго фотоприемника., а выход - к второму входу вычислительного блока.

1389409

Корректор M.ÈàêcéèèþèíåÖ

l Ю ЯВЮЯЬЮ ЮВЮВ

Заказ 2561 Тираж 359 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

f33035 ° Москва, X-35, Раушская наб, д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г Унгород, ул. Проектная® 4.

Составитейь В.Курбатова

Редактор О.Филиппова Техред.М.Дидык

<,fW) гГ)