Пьезооптический измеритель механических величин

 

Изобретение касается измерений механических параметров. Целью изобретения является расширение динамического диапазона и повышение точности измерений. В пьезооптическом измерителе механических величин свет от источника 1 проходит поляризатор 2 и линейно поляризованным падает на фотоупругий чувствительньй элемент 3, где в зависимости от прило

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУбЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОбРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4177148/24-10 (22) 07.01.87 (46) 23. 12.88. Бюл. Ф 47 (71) Вильнюсский государственный педагогический институт (72) А.Й.Аудзионис, Г.М.Белицкий, И.С.Левитас и Б.И.Минцерис (53) 531.78(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 463017, кл. G 01 L 1/24, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 430323, кл. G 01 P 15/09, 1972.

„„SU„„! 446496 А 1 (54) ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ

МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН (57) Изобретение касается измерений механических параметров. Целью изобретения является расширение динамического диапазона и повышение точности измерений. В пьезооптическом измерителе механических величин свет от источника 1 проходит поляризатор

2 и линейко поляризованным падает на фотоупругий чувствительный элемент 3, где в зависимости от прило! 446496 женного усилия F и возникающих напряжений световая волна распадается на две составляющие, линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях. Проходя через фаэовые пластинки 4 и 5, свет преобразуется в эллиптически поляризованный. Анализатор 6 преобразует свет опять в линейно поляризованный, причем его интенсивность пропорциональна характеристикам эллипса поляризации. Фотоприемники /, 8, 9 и 1О преобразует свет в электрические сигналы, которые дифференциально подаются на уси I

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для измерений силы давления, перемещения, ускорения и т.п.

Цель изобретения — расширение динамического диапазона и повышение точности измерений.

На фиг. 1 показана схема предлагаемого преобразователя1 на фиг. 2— временные дйаграммы сигналов.

Пьезооптический преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 света, поляризатор 2, упругие элемент 3, четвертьволновую фаэовую пластинку 4, полуволновую фазовую пластинку 5, ана-1 лиз атор 6, четыре фотоприемника 710, усилители 11 и 12, компараторы

13 и 14, схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 15, аналого-цифровой пр еобраз оват ель 1 б и формирователь 17 треугольного напряжения. Упругий элемент 3.выполнен из твердого прозрачного материала, например селикатного стекла, и представляет собой балку, заделанную одним концом в корпус прибора. Измеряемое воздействие, например сила Р, приложена к другому концу балки.

Пьеэооптический измеритель работ,":— ет следующим образом, Свет от источника 1 проходит поляризатор 2 и линейно поляризовапньп1 попадает на упругий элемент 3. 8 нем изменяется характер поляризации света, причем это изменение зависит о точки просвечивания и величины измеряемой силы F. При воздействии силы лители 11 и 12.,С выходов усилителей сигналы поступают на компараторы 13 и 14, а также на формирователь 17, преобразующий квадратурные сигналы в треугольные, которые поступают на информационный вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 16. Сигналы с выходов компараторов 13 и 14 через схему 15 "ИСКЛЮЧАКЩЕЕ-ИЛИ" поступают на коммутирующий вход аналого-un@poвого преобразователя и управляют его работой. Цифровой код измеряемой механической величины снимается с выхода АЦП. 2 ил, 2 возникают механические напряжения различного знака по разные стороны от нейтральной плоскости. Напряженное стекло становится оптическим анизотропным материалом, в такой среде световая волна распадается на две когерентные составляющие, линейно поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях. Скорость распространения одной из этих составляющих пропорциональна наибольшему механическому напряжению, параллельному фронту волны, скорость другой составляющей пропорциональна наименьшему механическому напряжению, действующему в той же плоскости. Поэтому на выходе из упругого элемента эти составляющие имеют взаимную разность

-a, пропорциональную разности укаэанных напряжений и, следовательно, измеряемой силе. При прохождении . света через фазовые пластинки указанные составляющие получают дополнительно постоянную разность фаз, равную 90 для света, прошедшего фазоо вую пластинку 4, и !80 для света, прошедшего фазовую пластинку 5, и преобразуется в эллиптически поляризованный. Анализатор 6 преобразует свет снова в линейно. поляризованный, интенсивность которого зависит от характеристик эллипса поляризации.

Фотоприемники 7-10 преобразуют свет в электрический сигнал, Для фотоприемника 9, на который поступает свет, прошедший поляризатор 2, верхнюю

1446496 часть упругого элемента 3 и анализатор 6, выходной сигнал (фиг. 2-1)

U = -U coso(+ Uo.

Для фотоприемника 7, на который

I поступает свет, прошедший все указанные элементы и еще четвертьволновую фазовую пластинку 4 (фиг.2-1а)

U = U.,sing Ф Uo, Для фотопрйемника 8, на который поступает свет, прошедший те же элементы, но нижнюю часть упругого элемента (фиг. 2-1с)

U = П„sino(+ Uo

Для фотоприемника 10, на который поступает свет, прошедший те же элементы, но полуволновую фазовую пластину 5 (фиг. 2-1в)

U = U сов Ы + U

Дифференциальное включение фотоприемников соответственно на усилители 11 и 12, дает сигналы (фиг. 2-2а и в)

U = UU sine и U" = 2U cosd.

При этом постоянная составляющая U@ 26 исключается.

Эти сигналы поступают на компараторы 13 и 14 (фиг. 2-4 и 2-5), а также на формирователь 17 квадратурных сигналов в треугольные. Наиболее про- 30 стой случай такого преобразования показан на фиг. 2 — 3 со следующим алгоритмом по аналитическому выражению — /U sin d/ — (U cos Ы/, т.е, сигналы (фиг. 2-2а и в) подвер- 35 гаются операциям двухполупериодного выпрямления (фиг. 2-За и в) и последующего взаимного вычитания (фиг.2Зс). Получается треугольное напряжение с.лииейностью около 27 в диапа- 40 зоне + 45, которое поступает на информационный вход аналого-цифрового преобразователя 10. Сформированные сигналы с выходов компараторов 13 и

14 поступают на схему 15 ИСКЛЮЧАКЩЕЕ 45

ИЛИ и на его выходе образуется сигнал (фиг. 2-6), поданный на коммутирующий вход аналого-цифрового преобразователя 16. Лог. " 1" и лог. "0" этого сигнала соответствуют восходящим 50 и нисходящим частям треугольного напряжения и обеспечивают линейное преобразование сигнала. Динамический диапазон всего устройства возрастает до предела прочности упругой балки 3, т.е. цифровой код измеряемого воздействия на выходе аналого-цифрового преобразователя 16 меняется пропор— ционально аналоговому напряжению, состоящему из одинаковых линейных участков (фиг. 2-7). ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Пьезооптический измеритель меха— нических величин, содержащий последовательно расположенные и оптически сопряженные источник света, поляризатор, фотоупругий чувствительный элемент, четвертьволновую фазовую пластинку, анализатор, первый и второй фотоприемники, дифференциально под ключенные к первому усилителю, а также аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что с целью расширения диапазона и повышения точности измерений, в него введены полуволновая фазовая пластинка, третий и четвертый фотоприемники, второй усилитель, два компаратора, формирователь треугольного напряжения и логический элемент ИСКЛЮЧАКЩЕЕ

ИЛИ, причем полуволновая фазовая пластинка установлена между фотоупругим чувствительным элементом и анализатором, третий фотоприемник сопряжен с источником излучения через фотоупругий чувствительный элемент и поляризатор, четвертый фотоприемник сопряжен с источником счета через полуволновую пластинку, фотоупругий чувствительный элемент и поляризатор, выходы третьего и четвертого фотоприемников дифференциально подключены к входам второго усилителя, выходы первого и второго усилителей подключены к входам компараторов и квадратурным входам формирователя треуголь. ного напряжения, выходы компараторов подключены к входам элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого и выход формирователя треугольного напряжения подключены к входам аналого-цифрового преобразователя.

1446494

Составитель В.Маслов

Техред М.Иоргентал Корректор Г.Решетник

Редактор А.Ворович

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 6740/47 Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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