Преобразователь механических величин

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИА ЛИСГИЧЕСНИХРЕСПУБЛйн А С 01 Ь 1 МИТЕТ ССИй И ОТНРЫ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕ ОП ИЕ ОБРЕТЕНИЯПЬСТВУ . К СКОМУ С уст л ысших 10,(72) В.П. Кузенков, И.В. Осипов, Е.Ф. Дудник и И.Е. Мнушкина (71) Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт и Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. 300-летия воссоединения Украины с Россией (53) 531,781(088.8)(56) 1. "Известия в учебных заведений". Физика. Т вып, 2, с. 145-1462, Авторское свидетельство СССР 1 по заявке В 3426283,кл.С 01 Ь 1/24, .20.04.82 (прототип).(54)(57) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН, содержащий источник света и ановленные по ходу луча поляризатор, сегнетоэластический чувствительный элемент, анализатор и фотоприемник, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, сегнетоэластический чувствительный элемент выполнен в виде моно" домена одного ориентационного состояния.2. Преобразователь по п. 1, о т л и" ч а ю щ и й с я тем, что чувстви- тельный элемент выполнен из кристала ванадата висмута, при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго порядка, которая перпендику" лярна заданному направлению действия усилия, которое направлено; под углом 45 к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симмет1 10Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке устройств для измерения сил, давлений, ускорений и других параметров,Известно устройство для измерения усилия на сегнетоэластиках с полидоменной структурой, в котором кристалл сегнетоэластика, имеющий полидоменную структуру, подвергается механической деформации, В кристалле происходит прорастание доменов новой пространственной ориентации, а также укрупнение или измельчение исходных двойников. После снятия нагрузки доменная структура полностью восстанавливается. Вследствие реоркентации оптической индикатрисы в доменах различных ориентационных состояний происходит интегральное изменение интенсивности светового потока, прошедшего от источника света к фотоприемнику через кристалл и расположенные по разные стороны от него поляроиды 11.Однако выходным параметром такого преобразователя является аналоговая величина - электрический ток или напряжение фотоприемника. Преобразование измеряемой механической величины в цифровой код возможно только с помощью электронного блока аналогоцифрового преобразователя, что значительно усложняет устройство. 25 45 Наиболее близким по технической сущности к изобретению является преобразователь механических величин. В этом устройстве сегнетоэластический чувствительный элемент, выполненный из молибдата гадолиния, состоит из двух доменов, разделенных планарной доменной стенкой. Изображение доменной стенки с помощью полиризационно-оптической системы спроектировано на фотоматрицу. Внешнее механическое усилие, не превышающее для данного чувствительного элемента порогового уровня (его значение определяется тензором спонтанной деформации и геометрическими размерами кристалла), вызывает обратимое смещение доменной стенки относительно исходного положения параллельно самой себе. Реверсирование воздействия приводит к перемещению стенки в противоположном направлении, позволяет непосредственно преобразовывать механическое водействие 1 О 15 20 30 35 40 50 55 в пйзициОнный цифрВой код ня ньхо -де Фотоматрицы 27.Однако максимальное обратимоесмещение доменной стенки не преньпцает300-500 мкм. Дальнейшее увеличениевнешнего механического напряженияприводит к необратимому смещению,Это ограничивает точность преобразования, так как при этой толщинестенки порядка 1 мкм, относительнаяпогрешность, определяемая величинойдискретизации пространственногоразрешения, составляет не менее 0,27Целью изобретения является увеличение чувствительности.Поставленная цель достигаетсятем, что в преобразователе механических величин; содержащем источниксвета и установленные по ходу лучаполяризатор, сегнетоэластическийчувствительный элемент, анализатор ифотоприемник, сегнетоэластический чувствительный элемент выполнен в виде монодомена,одного ориентационного состояния,например, кристалла ванадата висмута, при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго порядка, которая перпендикулярна заданному направлению действия усилия, которое направлено под углом 45 к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симметрии.На фиг.1 изображен схематическипреобразователь; на фиг.2 - чувствительный элемент, выполненный изкристалла ванадата висмута,Преобразователь механических величин состоит из источника 1 света,щелевой диафрагмь. 2, полиризатора 3,чувствительного элемента ч с прорастающим клиновидным доменом 5, устройства 6 приложения усилия, анализатора 7 фотоматрицы 8 с фоточувствительной областью 9.Устройство работает следующимобразом.Оптическое излучение от источникасвета .проходит щелевую диафрагму2, поляризатор 3 и попадает на кристалл чувствительного элемента ч,Щелевая диафрагма ограничивает просвечиваемую область чувствительногоэлемента, к которому через устройство приложения усилия 6 подводитсямеханическое воздействие Р,В предлагаемом варианте ньннтчения преобразователя в качестнс чувствительного элемента прн ениекристалл навал т вне ггпу. Г5 15 5 10 го 30 35 л кристазик, ниже температуры фазового перехода (255 С), возможно существование двух кваэиперпенднкулярных наборов доменных стенок, разделяющих два ориентационных состояния.Тензор спонтанной деформации в смежных доменах имеет различное значение компонент. Вследствии этого доменная стенка представляет область оптической неоднородности с переменным коэффициентом преломления по толщине. Толщина доменной границы составляет величину порядка 1 мкм. Экспериментально установлено, что при распространении коллимированного линейно-поляризованного света вдоль доменной стенки он не изменяет плоскости поляризации и расходится под , небольшим углом вследствие дифракции, а также за счет изменения показателя преломления по толщине стенки. В то же время прохождения света сквозь толщу кристалла связано с двупреломлением и подчиняется соответствующим законам.Характерным свойствам сегнетоэластиков является переключение кристалла иэ одного ориентированного состояния в другое под действием внешних механических напряжений. Форма тензора спонтанной деформации позволяет определить направление и вид механического нагружения (сжатие-растяжение, сдвиг, изгиб), способствующего образованию доменов нового ориентационного состояния. Значение компонент тензора деформаций позволяет судить о величине механических напряжений, необходимых для переключения кристалла: одноосные механические напряжения Ьт 1, 6 д, а также механические напряжения, имеющие сдвиговую компоненту61, способствуют образованию нового, энергетически более выгодного состоянияВ варианте выполнения преобразователя механических величин чувствительный элемент имеет форму прямоугольного параллелепипеда (фиг.2) и подвергается деформации сжатия-растяжения в главной плоскости симметрииХУ. В этом случае на краю пластины,при увеличении нагрузки, вначале формируется клиновидный зародыш другого ориентаинонно 1 о состо 5111 нл. Л.11 ол1 ИРОРЯСТдЮЩЕ ГО ДОМЕ 11 ИМС(Т ю)01".лУ 1зикого клина, образованного двум домов ными стенками. Образование эародьпп в определенном участке кристалла можно инициировать путем нанесения локального микроповреждения, например царапины, на боковой грани кристалла.Дальнейшее увеличение механического напряжения вызывает прямой рост клиновидного домена 5 сквозь толшу кристалла в разрешенном кристаллографическом направлении (32 к оси Х и У) без существенного изменения толщины клина, которая для ванадата висмута не превьпнает трех толщин планарной доменной стенки.Экспериментально установлено, что величина удлинения клиновидного домена связана линейной зависимостью с изменением прикладываемой.механической нагрузки, при этом после снятия механического воздействий, не превышающего порогового уровня, доменная структура возвращается в исходное состояние и изменение доменной структуры под действием механического воздействия является воспроизводимой функцией.Вырезав чувствительный элемент толщиной, обеспечивающей .фазовую задержку - (1+2 К), и установив поляризатор 3 параллельно анализатору 7 под угломо45 к осями У кристалла, получают проекцию клиновидного домена на фоточувствительной поверхности фотоматрицы 8 в виде светлой линии на темном фоне, Расположив поляризатор и анализатор под углом 90 друг к другу, получают обратное изображение (темной линии на светлом Фоне). Для увеличения изображения можно применить простую оптическую систему, например линзу, установив ее между анализатором и фотоматрицей. В преобразователе механических величин эа счет использования сегнетоэластика с клиновидным доменом в качестве чувствительного элемента увеличена чувствительность более чем на порядок.. Составитель А, Севериндактор Л. Коссец Техред И,Иетелева Корректо каэ 3072/3 113 анап ИПЛ "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 Тираж 823 1 ИИПИ Государствен по делам изобрет 5, Москва, Ж-Э 5, РПодписноеого комитета СССРний и открытийушская наб., д. 4/5