345421

А Н ОПИС ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Сак 1 з Советских Социалистических РесптбликК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф+В ависимое от авт. свидетельстваМ. Кл, 6 01 п 21/ явлено 21 Ч.1970 ( 1443184/26-2 иоритет Комитет по делам зобргтеиий и открытий при Совете тйиииотрое СССРК 335,568,1(088 Опубликовано 14.Ч 11.1972. БюллетеньДата опубликования описания 4 Ч 111.197 Авторизобретения, И. Пеньковский явител 1 ОЛЯРИМЕТР Известпреломлсглавныхжени й)груженнэффектисредствоформац 1 аемой задачи истодь 1 просвечиваьцого вещества, наосвсчивания, метод вечивация при оттрукции, на кото- активное вещество. матеметодцыхмациныхние,сти.цыхпорт ико ече исоединением заявки1 о, что измерение двоицого лучепия, т. е. параметров направления осей (направления главных напряи разности фаз в механически нам фотоупругом веществе, - весьма ное и точное экспериментальное для определения цапряжентгй и деВ зависимости от реш пользуются различные ме ния оптически чувствител пример метод прямого пр косого или двойного прос ражении от натурной конс рой укреплено оптически появлением новых оптически активных риалов, например полимерных пленокпозволяющий измерять разность глав напряжений и разность главных дсфорй на поверхности нагруженных натур- конструкций, получил широкое применсособеццо в авиационной промышлснцоДля исследования напряжений в натур конструкциях, как правило, требуются ативные, точные поляриметры.целью уменьшения габаритов и веса опмеханической части поляриметра и обсстия высокой точности одцовремепшя х 3 измерений направления главных напряжений и разности фаз в фотоупругом веществе, в предложснпом полярцметре после источника монохроматического плоскополяризованного света, например, па его же оправе неподвижно укреплена первая четвертьволноВая пласти 11 ка с кристаллографическими осями, расположенными под 45 к плоскости поляризации пучка света ОКГ. Перед испытуемым объектом и после него на синхронно связанных между сооой дисках в виде зубчатых колес, приводимых во вращение реверсивным двигателем, укрсплены соответственно вторая четвертьволцовая пластинка и анализатор с плоскостью пропускания, расположенной под 45 по отношению косям второй четвсртьволновой пластинки, на которых со стороны распространения пучка света укреплены электрооптические модуляторы, например пластинки кристаллов КДР, вырезанные перпендикулярно оптической оси и закрепленные между стеклами с прозрачными токопроводящпми покрытиями. Элентрооптичсский модулятор, укрепленный ца диске второй чствертьвол новой пластинки, с ориентацией кристаллографических осей, совпадающей с осями второй четвертьволновой пласти 11 ки, возбуждастся низким пере ыеццым ца 1 тр 51 же 11 ием частоты, например, сети, Электрооптичсский модулятор, укрепленный на диске анализатора, с ориентациейкристаллографических осей, совпадающейс плоскостью поляризации анализатора, возбуждается переменным низким напряжением другой частоты и постоянным плавно изменяющимся высоким напряжением, одновременно выполняя роль модулятора и компенсатора разности фаз.На фиг, 1 показана принципиальная схсма предлагаемого поляриметра; на фиг. 2 -сфера Пуанкарэ, поясняющая работу поляриметра,Поляриметр состоит из переносной оптико-механической части, регистратора и блоков питания.Оптико-механическая часть включаетв себя неподвижно установленный на корпусе источник света 1 (см, фиг. 1), напримергазовый оптический квантовый генератортипа ЛГ. В процессе работы ориентацияплоскости поляризации пучка света источника 1 неизменна и составляет, например, угол45 с горизонтом.Пучок света падает на закрепленную наоправе ОКГ четвертьволновую пластинку 2,например, из слюды, главные оси которой(например, главное направление с колебаниями, распространяющимися с большойскоростью) постоянно составляют угол 45с плоскостью поляризации пучка света ОКГ,Между четвертьволновой пластинкой 2и исследуемым объектом 3, имеющим оптически чувствительное покрытие 4, установлендиск 6 в виде зубчатого колеса, в которомзакреплена и вращается вместе с ним вторая четвертьволновая пластинка 6, изготовленная также из слюды.Диск б через вспомогательную шестеренку 7 соединен с диском 8, на котором укреплен анализатор 9, например, в виде поляроидной пленки, Диски 6 и 8 имеют одинаковый диаметр и одинаковое число зубьев,чемобеспечивается синхронность их вращения.Анализатор 9 закреплен на диске 8 так, чтоплоскость его поляризации постоянно составляет угол 45 с главным направлениемвторой четвертьволновой пластинки, соответствующим большей скорости распространения колебаний.На дисках б и 8 со стороны распространения пучка света укреплены электрооптические модуляторы 10 и 11, например, в видепластинок кристаллов КДР, вырезанныхперпендикулярно оптической оси и вклееныхмежду стеклами с прозрачными токопроводящими покрытиями.Модуляторы 10 и 11 укреплены так, чтокристаллографические оси кристалла модулятора 10 постоянно совпадают с осями второй четвертьволновой пластинки 6, а кристаллографические оси кристалла модулятора 11 постоянно совпадают с плоскостьюполяризации анализатора 9.Токопроводящие покрытия модулятора 10через кольца из проводников контактируют65 Блок питания 36 ОКГ и другие элементы принципиальной схемы, находящиеся вне пунктирного квадрата (см. фиг, 1), монтируются в одном блоке, соединенном при помо 345424с закрепленными на корпусе устройства щетками, напримср графитными, к которым подведено переменное низкое напряжение сети 50 в 1 в частотой 400 (или 50) гц.5 К токопроводящим покрытиям модулятора 11 так же через кольца и щетки, укрепленные на корпусе, подводится одновременно низкое переменное напряжение и постоянное высокое плавно изменяющееся напря жение, Для этого щетки модулятора 11последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 12 генератора синусоидальных колебаний низкого напряжения 13 подсоединены к выходу управляемого источника вы сокого напряжения. Последний может бытьвыполнен в виде двухполупериодного управляемого фазочувствительного выпрямителя, состоящего из трансформаторов 14, 16, высоковольтных кенотронов 16, резистивного 20 делителя 17 и емкостей 18, 19.Для облегчения юстировки устройства(имеется в виду влияние коноскопической картины кристаллов) кристалл модулятора 10 имеет толщину менее 1 лы, а кристалл 25 модулятора 11 - несколько миллиметров.За анализатором 9 установлен фотоприемник 20. К нагрузке фотоприемника 20 подключен избирательный усилитель 21, настроенный на частоту возбуждения модуля- ЗО тора 10, и избирательный усилитель 22,настроенный на частоту переменной составляющей возбуждения модулятора 11. Усилитель 21 управляет реверсивным двигателем 23, механически связанным с дисками 5 35 и 8, Усилитель 22 через фазовый детектор 21,фильтр 25, электронный модулятор 26 и усилитель мощности 27 управляет реверсивным двигателем 28.Вал реверсивного двигателя 28 механиче ски связан с мостом переменного тока 29,состоящим, например, из многооборотных проволочных потенциометров типа ПСили ППМЛ-М, а также с кулачком 30, состоящим из нескольких шайб с упорами, кото рый, в свою очередь, механически связанс контактами 31.Первичная обмотка трансформатора 16через блок 32 триггерного действия, управляемый контактами 31, подключена к диаго нали моста 29.Для записи измеряемых параметров надиаграммной ленте поляриметр содержит двухперьевой самописец 33, представляющии собой, например, серийно выпускаемый само пишущий потенциометр типа ПДСс дополнительно установленным вторым пером.Один вход самописца подключен к многооборотному потенцнометру 34, механически связанному с валом двигателя 23, а другой 60 подсоединен к делителю напряжения 17.щи гибких проводов с оптико-механическойчастью.Предлагаемый поляриметр раоотает следующим образом.Излучаемый источником 1 плоскополярцзованный монохром атический пучок света,падающий на пластинку 2 (см. фиг. 1), может быть представлен точкой 1 на сферПуанкарэ (см. фцг. 2), где а, = 45.После прохождения пучка света через неподвижную четвертьвол новую пластинку 2точка 1, характеризующая начальное состояние поляризации, переместится в точку2, передвигаясь по часовой стрелке вокруградиуса, проведенного через точку 3 на 15сфере и представляющего собой главное направление пластинки с колебанцямц, распространяющимися с большой скоростью.Затем пучок света с круговой поляризацией (например, с левым вращением) попадает ца модулятор 10 (см. фцг. 1) и на вращающуюся совместно с цим вторую четвертьволповую пластинку 6.Если модулятор е возбужден, а пучоксвета, падающий нормально к плоскости 25кристалла модулятора, находится в центремодулятора, то после прохождения света через модулятор состояние поляризации не изменится и по-прежнему будет характеризоваться точкой 2 на сфере (см. фиг. 2). 30Состояние же поляризации светового пучка после прохождения вращающейся четвертьволновой пластинки б (см. фиг. 1) прцэтом всегда характеризуется точками ца экваторе сферы (см. фиг, 2) и соответствует, 35например, точке 1, если рассматриватьмгновенное значение ориентации главногонаправления пластинки б, соответствующееточке 4,Другими словами, после прохождения вращающейся четвертьвол новой пластинки 6получают снова плоскополяризованный монохром атический пучок света, ориентацияплоскости поляризации которого зависит оториентации четвертьволновой пластинки б, 45встроенной в диск б.Вторично прошедший через оптически чувствительное покрытие 4 (см, фиг, 2) при отражении от объекта 3 поляризованный пучок света попадает на модулятор 11, затем 50на анализатор 9 и после этого воспринимается фотоприемником 20.Если объект 3 механически не нагружен,то покрытие 4 не проявляет анизотропици при невсзбужденцом модуляторе П отраженный свет, характеризующийся, например,точкой 1 на сфере (фиг. 2), гасится анализатором, плоскость пропускания которогохарактеризуется точкой 5 ца сфере.При подаче возбуждения на модуляторы10 и 11 кристаллы КДР из одноосных становятся двухосными, их оптические индикатрисы деформируются, что приводит к изменению состояния поляризации проходящегочерез них пучка света, точнее, модуляторы 10 65 и 11 будут вносить дополнительную разность фаз, которая по величине ц знаку пропорциональна величине и знаку приложенного к ццм напряжения, В каждом цз модуляторов угол, образованный плоскостью двухоптических осей с кристаллографцческцми осями кристалла, равен 45 и не зависит от величины приложенного напряжения.Поэтому после возбуждения модулятора 10 состояние поляризации изменяется на небольшую величину, например, по гармоническому закону с частотой Й ц может характеризоваться точкамп максимального смещения 6, 7 ца сфере (см. фиг, 2), а после четвсртьволцовой пластщци - точками 8 ц 9.После возбужлсцця молулятора 11 переменным напряжением (от трансформатора 12) состояние поляризации пучка света (точнее, разность его фаз) также изменяется ца небольшую величину, но с другой частотой, например о, и на сфере (фцг. 2) характеризуется, например, крайццмц точками 10 и 11, когда состояние поляризации входящего в молулятор пучка света соответствует точке 1 па сфере, ц крайцимц точками 12, 13 и 14, 16, когда состояние поляризации входящего в модулятор пучка света соответствует максимальному отклонени о по азимуту, т. е. точкам 8 и 9,Таким образом, ориентация модулятора 10 по отношению к четвсртьволповой пластинке 6 обеспечивает цаложецце вынужденных колебаний с частотой О на измеряемый параметр направления главных напряжений, а ориентация модулятора 11 обеспечивает наложение вынужденных колебаний с частотой со па измеряемый параметр разности фаз, следовательно, два этц параметра измеряются одновременно.В зависимости от условий работы, качества покрытия ц требуемой точности максимальные амплптулы вынужденных колебаний должны лежать в диапазоне ск = 0,5 - : 5 и Д = 0,5 в : 5, что соответствует изменению азимута плоскости поляризации на 0,5 - 5 и разности фаз на (3 10 -- 2,810 -)л,Рассмотрим два случая:1. Исследуемая область (точка) оптически активного покрытия 4 цзотропна (механическая нагрузка равна нулю),2. Исследуемая область покрытия 4 анизотропна ц характеризуется каким-то направлением главных напряжений а и разностью фаз Р.Из представления состояния поляризации на сфере Пуанкарэ (см. фцг. 2) видно, что в первом случае точка 1 будет смещаться симметрично относительно меридиана сферы, прохолящсго через точку 1, и одновременно будет симметрично смещаться относительно экватора ссреры,Это вызывает периодическое увеличение с частотами 2 О ц 2 о светового потока, прошедшего через анализатор 9 (см. фиг. 1),а следовательно, и фототока фотоприемника 20.В этом ел чдс сигналы фотоприемника с частотами 20 и 2 о цс усиливаются цзоцрдтельцыми усилителями 21, 22, двигатели 23, 28 не вращаются и обд псрд самописца 33 находятся на нулевой отметке.Во втором случае, когда покрытие подвергается механическому воздействию и проявляет анизотропию, состояние поляризации пучка света, отраженного от исследуемого объекта, характеризуется, например, точкой 1 б с параметрами 2 а и 2 р и соответственно точками 17 и 18.После прохождения возбужденного модулятора 11 пучок света приобретает дополнительную разность фдз, измсцяющуюся по гармоническому закону с частотой о, что цд сфере Пуцкарэ (см. фцг. 2) можно отобразить крайними точками 19 - 24.В этом случае ца нагрузке фотоприемника 20 появятся сигналы разбалацса определенной фазы как по параметру направления главных напряжений в виде переменной составляющей фототока с частотой О, так и по параметру разности фаз в виде переменной составляющей фототока с частотой о.Эти сигналы усиливаются избирательными усилителями 21 и 22, чем обеспечивается цх разделение.Сигнал с частотой О усиливается избирательным усилителем 21 и воздействует на управляющую обмотку реверсивного двигателя 23. Двигатель 23 подключен так, что механически связанные с ним элементы 3, 8, 10 и 11 повернутся на угол а и произойдет компенсация (устранение разбаланса) по параметру направления главных напряжений.Сигнал с частотой а усиливается избирательным усилителем 22 и в фазовом детекторе 24 сопоставляется (сравнивастся) цо фазе с опорным сигналом, поступающим от генератора 13. Получаемый на выходе фазового детектора 24 сигнал постоянного тока определенной полярности сглаживается фильтром 25 и модулируется электронным модулятором 2 б, управляемым напряжением, например, сети.Модулированный сигнал усиливается усилителем 27 и подается ца обмотку управления двигателя 28, который, вращаясь, изменяет сопротивления плеч моста переменного тока 29, чем обеспечивает появление постоянного напряжения определенной полярности на делителе 17 и тем самым между токопроводящими покрытиями кристалла модулятора 11. Двигатель 28 и мост 29 подключены так, что приложенное к модулятору 11 постоянное напряжение вызывает анизотропию кристалла модулятора 11 и тем самым компенсацию возникшей в покрытии 4 разности фаз,8В этом елчае одно перо самописца 33,Рсвязанное с потецциометром 34, оудст находиться ца отметкс, соответствующей углуизмеренного направления главных цапряжсшш, а другое перо - ца отметке, соответствующей значению измеренной разцостцфаз,Кулачок 30 рассчитан таким образом, чтопри изменении измеряемой разности фаз на10 величину несколько большую + л, что соответствует приложенному к модулятору полуволновому напряжению (т. е, такому, прикотором кристаллы модулятора 11 создаютХразность хода + - ,где Х - длина волны излучения ОКГ), происходит замыкание левыхили правых контактов 31, переход в другоеустойчивое состояние блока 32, смена фазына к напряжения на первичной обмотке20 трансформатора 15, резкая смена полярности на делителе 17, реверсирование двигателя 28 и моста 29,Таким образом, при перемещении луча попокрытию 4 или плавном изменении нагруз 25 ки, воздействующей на объект 3, на лентесамописца 33 одновременно вычерчиваютсякривые, соответствующие измеряемым параметрам направления главных напряженийи разности фаз.30 Предлагаемый поляриметр особенно удобен при исследованиях напряжений в летательных аппаратах, испытуемых ца полигонах, в камерах и на стендах.35Предмет изобретения1. Поляриметр, содержащий источник монохроматического света, анализатор, моду 40 ляторы, избирательные усилители, реверсивные двигатели и двухперьевои самописец,отличающийся тем, что, с целью повышенияточности измерений, после источника монохроматического плоскополяризованного све 45 та укреплена неподвижно первая четвертьволновая пластинка с кристаллографическими осями, расположенными под углом 45к плоскости поляризации пучка света, а перед испытуемым объектом и после него на50 синхронно связанных между собой дискахв виде зубчатых колес, приводимых во вращение реверсивным двигателем, укрепленысоответственно вторая четвертьвол новаяпластинка и анализатор, с плоскостью про 55 пускания, расположенной под углом 45к осям второй пластинки, на которых со стороны распространения пучка света укрепле.ны электрооптические модуляторы, например, пластинки кристаллов КДР, вырезан 60 ные перпендикулярно оптической оси и закрепленные между стеклами с прозрачцымцтокопроводящцмц покрытиями,электрооцтический модулятор, укрепленныйна диске второй четвертьволновой пластин 65 ки с ориентацией кристаллографических345421 10 Сеть осей, совпадающей с осями второй четверть- волновой пластинки, соединен с источником переменного напряжения, а электрооптический модулятор, укрепленный на диске анализатора с ориентацией кристаллографнческих осей, совпадающей с плоскостью поляризации анализатора, соединен с источником переменного напряжения, частота которого отлична от частоты напряжения, снимаемого 5 с первого генератора.