Пьезооптический измерительный преобразователь

(19) (11 4 (51 ИСАНИЕ ИЭОБРЕТЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) 1. Авторское свидетельство СССР430323, кл. С 01 Р 15/09, 1972.2. Авторское свидетельство СССРВ 567966, кл. С 01 1. 1/24, 14.05.74.(54) (57) ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащийдифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, анализаторов ифотоприемников, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширенияпредела измерения, в упругом элементе с противоположных сторон по ходусветовых лучей выполнены глухие соос.ные отверстия.Изобретение относится к приборампредназначенным для измерения механических величин: сил, давлений ускорений, деформаций и моментов.Известны пьезооптические измери тельные преобразователи, содержащие два поляризационно-оптических канала, включающих последовательно расположенные источник света, поляризатор, пьезооптический упругий эле мент, фазосдвигающую пластину, анализатор и фотоприемник Ц .Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ньезооптический измерительный преоб разователь, содержащий дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных последовательно по ходу световых лучей поляриза торов, упругого элемента, фазосдви-, гающнх пластинок, анализаторов и фотоприемников 121.Недостатком известных устройств является невозможность расширения 23 пределов измерения без увеличения габаритов упругого элемента, так .как размеры упругого элемента выбираются из требуемой нелинейности выходного сигнала. 30Цель изобретения - расширение предела измерения.Цель достигается тем, что в пьезооптическом измерительном преобразователе, содержащем дифференциальную поляризационно-оптическую систему, состоящую из источника света и расположенных по ходу световых лучей поляризаторов, упругого элемента, фазосдвигающих пластинок, 40 анализаторов и Фотоприемников, в упругом элементе с противоположных сторон по ходу световых лучей выполнены глухие соосные отверстия.На фиг. 1 схематически изображена 4 схема преобразователя с упругич элементом, имеющим соосные углубления и перемычку между ними; на Фиг. 2 - упругий элемент (сечение А-А на фиг,1); на Фиг.З - статические харак-Я теристики поляризационно-оптических каналов; на Фиг.4 - схема преобразователя с упругим элементом из пластин, склеенных боковыми гранями; на Фиг.5 - схема преобразователя с упругим эле- О ментом иэ склеенных пластин, имеющего два предела измерения; на Фиг.бсхема преобразователя с упругим элементом и отражающей прослойкой; на фиг,7 - схема преобразователя с упругим элементом, склеенным из пластин, разделенных отражающими прослойками, имеющего два предела измерения.Преобразователь (фиг.1) состоит из двух поляризационно-оптических каналов В и С (в дальнейшем - каналов), содержащих источник 1 света, поляризаторы 2 и 3, упругий элемент 4, один конец которого закреплен на основании 5, а к другому концу приложена измеряемая сила Р, фазосдвигающие пластинки 6 и 7, анализаторы 8 и 9, фотоприемники 10 и 11, Упругий элемент 4 имеет два соосных углубления 12 и 13 и перемычку 14 между ними, толщина й которой по ходу пучков света меньше толщины д упругого элемента. Плоскости поляризации поляризаторов 2 и 3 и анализаторов 8 и 9 наклонены под углом 45 к направо лению наибольшего главного нормального напряжения, создаваемого измеряемой силой Р в упругом элементе Ось наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки б параллельна, а ось наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки 7 перпендикулярна наибольшему главному нормальному напряжению в упругом элементе 4. Фотоприемники 10 и 11 включены дифференциально.Преобразователь работает следующим образом.Световые пучки, пройдя поляризаторы 2 и 3, становятся плоскополяризованными в обоих каналах. В нагруженном силой Р упругом элементе 4 каждый из световых пучков распадается, на две составляющие, поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, Плоскости поляризации этих составляющих параллельны наибольшему и наименьшему нормальным напряжениям в 3упругом элементе, а скорости их расп. ространения пропорциональны этим напряжениям. Поэтому после прохождения упругого элемента составляющие световых пучков в каждом канале получают взаимную разность фаз Ьк, и 6 Ы соответственно, пропорциональную измеряемой силе Р. Анализаторы 8 и 9 выделяют из указанных составляющих части, поляризованные в их плоскостях пбляризации. В результате интерференции этих частей, являющихся когерентными световыми колебаниями с одинаковым направлением плоскостиполяризации, интенсивность светапосле анализаторов, а следовательно,и выходные сигналы 01(сс) и П(к)фотоприемников 10 и 11 зависят отразностей фаз К, и 6 Ж , т.е. от величины измеряемой силы Р, Зависимости 131(сС) и Б(ос) от Ьо, и вес (фиг.3)выражаются соотношениями 10 П (о = И з 3 п 2 -К 2Б (м) где Б - максимальные значения выходных сигналов фотоприемников.Наибольшая крутизна и линейность этих зависимостей наблюдается на участках статических характеристик каналов вблизи точек их перегиба, соответствующих фазовым сдвигамлДля вывода рабочих точек 20 2 й дадьо Уо где б - механическое напряжение в1,9упругом элементе;6- волновое механическое напряжение в упругом элементе. 50Из указанного выражения видно, что при прочих равных условиях, в частности при одном и том же значении б , величина бсср пропорциональна д. При наличии в упругом элементе 4 55 соосных углублений 12 и 13 относительная деформация упругого элемен-та и перемычки 14 одинакова, следоканалов на эти участки используются фазосдвигающие пластинки 6 и 7,Для расширения предела измерения преобразователя при ограниченных значениях ширины Ь и толщины д его упругого элемента 4 (Фиг.2) в упругом элементе выполняются два .соосных углубления.12 и 13, между которыми находится перемычка 14. Световые пучки В и С поляризационно-оптических ,каналов проходят через перемычку 14.35 Величина 6 в таком упругом элементе уменьшается по сравнению с обычным упругим элементом при той же силе Р во столько раз, во сколько раз толщина д перемычки меньше толщины д упругого элемента.Величина 6 ж определяется по выра- жению 564 4вательно одинаково и значение б . Нотак как при прохождении света черезперемычку путь света в ней д меньшепути света в обычном упругом элементе,то в столько же раз уменьшится и фазовый сдвиг 6 М, накапливаемый составляющими светового пучка в перемычкепри том же значении силы Р, приложен ной к упругому элементу.При этом появляется возможностьувеличить значение силы Р, соответствующее линейному изменению ЬсС, неувеличивая размеров Ь и д упругогоэлемента. Это увеличение силы Р, аследовательно, и предела измеренияможет составлять 1-2 порядка, поскольку обеспечить различие д и д на1-2 порядка технологически вполнеосуществимо.Обеспечение значительной разницыд и д упрощается, если упругийэлемент изготавливается из трех пластин, склеенных боковыми гранями, причем в крайних пластинах предварительно просверлены отверстия (фиг,4).Прозрачность плоскостей перемычкилегко обеспечивается в результате предварительной полировки граней среднейпластины,Если сделать в упругом элементедве или более пары соосных отверстийс различными толщинами разделяющихих перемычек 14 и 15 и снабдить преобразователь дополнительно одной илиболее парами дифференциальных поляризационно-оптических каналов (две пары таких каналов изображены на фиг.5),то преобразователь будет иметь дваили более выхода с двумя или болеепределами измерения, причем сигналыможно. получать со всех выходов одновременно, Тем самым создается возможность заменить несколько типоразмеров датчиков: основанных на базепреобразователя, одним датчиком,производящим измерения в широком диапазоне изменения измеряемой силы,Это особенно важно, когда уровеньизмеряемой величины заранее неизвестен.Уменьшить длину хода светового пучка дя в упругом элементе, не изменяя его общей толщины д, можно не только с помощью соосных углублений.Для этого достаточно скпеить упругий элемент из двух пластин, разместив между ними отражающую прослойку. В этом случае фазосдвигающие пластинки,1154564 анализаторы и фотоприемники размещаются на пути отраженного пучка (фиг.б),Такая схема отличается от известныхтем, что в ней удается получить болееоднородное напряжение в упругом зле-менте в зоне просвечивания, кроме того, отпадает необходимость сверленияуглублений,На основе схем (фиг.7) можно получить преобразователь с несколькнмн 1 Определами измерения, если снабдитьего упругий элемент двумя или болееотражающими прослойками, например16 и 17, расположенными на различнойглубине и перекрывающими различныеучастки сечений упругого элемента,параллельных входной грани, и снабдить преобразователь одной или болеедополнительными парами поляризационно-оптических каналов, световые пучки Икоторых отражаются от различных поглубине отражающих прослоек. Пьезооптический измерительный преобразователь позволяет на 1-2 порядка расширить пределы измерения, основанные на нем датчиком, и тем самым значительно расширить область их применения. Становится возможным использование преобразователя для измерения давлений порядка 10- 10 кг(см, для взвешивания грузов порядка 10 кг в дозаторах и трансФпортных весах, для измерения усилий в опорах подъемных устройств и т,д,Предлагаемый преобразователь позволяет создавать на его основе многопредельные датчики, в результате чего уменьшаются в несколько раз числа типоразмеров датчиков при тех или иных исследованиях механических процессов и ускоряется процесс измерения. Это упрощает и удешевляет исследования,Фиг. 7 Закан 2704/Зб Тараи 897 Пекинское ППП Патент , т. Уитород, ул,Проектиаи,4