CN1147724C - 偏振光检测和法拉第磁光效应的电流一位移比较仪 - Google Patents

Abstract

偏振光检测和法拉第磁光效应的电流—位移比较仪，包括电流控制与计量装置，机械转换装置，电磁装置，偏振光检测装置。被测量位移引起机械转换结构中的R1圆轮和R2圆轮转动，分别带动起偏器与检偏器作相同角度的转动，接收偏振光光强信号的光电接收元件的输出端连接到电流控制与计量装置中比较放大器的输入端，其输出端接电流驱动器的输入端，电流驱动器与电磁装置中励磁线圈相连接后接电流测量装置。输出电信号为测量系统输出。本发明传感部分为非接触的偏振光检测，运行可靠，使用寿命长；引入法拉第磁光效应后将工作点固定在线性度比较好的点，从工作原理上解决光学系统固有的非线性问题，提高了测量准确度；该仪器为光、机、电(磁)的结合体，各部分相对简单，性能价格比提高。

Description

偏振光检测和法拉第磁光效应的电流--位移比较仪

                          技术领域

本发明涉及以光学、电磁学方法为特征的计量设备，是一种基于偏振光检测和法拉第磁光效应测量直线位移或角位移的电流—位移比较仪。

                          背景技术

直线位移或角位移是一个基本的物理量，位移传感器在科学研究和工业应用中量大而面广。现有位移传感器中应用较多的是电位器式位移传感器，其结构简单，价格低廉，但它属于典型的接触式传感器，寿命、精度、可靠性都偏低。偏振光位移传感器可以有与电位器式位移传感器相似的结构，而它的传感部分则具有非接触的优点。偏振光位移传感器要解决的一个基本问题是其固有的非线性，它是由光学上的马吕斯定律引入的。现有的技术方案是在机械部分进行预校正或在电路部分进行线性化处理。预校正的方法造成机械结构复杂，校正的效果依赖于加工精度。而对测量数据进行线性化处理需要A/D、单片机等装置，使电路复杂化。

                          发明内容

本发明的目的是：提供一种基于偏振光检测和法拉第磁光效应的电流—位移比较仪，它运用比较仪工作原理，通过由被控电流引起的法拉第旋光偏振角和被测位移引起的偏振角之间的比较，将工作点始终维持在线性度比较好的选定点，从而减小非线性误差，提高测量准确度。

本发明采取的测量原理是：将被测量的直线位移X通过机械结构(线性地)转换为角位移θ，此角位移在偏振光检测系统中则构成了偏振光起偏器与检偏器透光轴间的夹角，根据马吕斯定律，θ与透过检偏器的光强J之间具有确定的关系，即

             J＝J₀COS²θ                      (1)

其中J₀为光源光强，同时，用一个可控电流I在铁芯中产生磁场H，根据法拉第磁光效应，H将引起偏振光偏振面的旋转，旋转的角度为

             θ′＝kH1                        (2)

其中k为费尔德常数，1为光学介质的长度，通过光强检测信号控制电流I使θ′＝θ在检测系统为静态时始终成立，则在J(θ)曲线上，工作点维持在一个选定点附近，因为此点具有系统可能达到的高灵敏度和良好线性度，所以不再需要专门处理非线性问题，此时电流I与位移X成正比，通过已有成熟技术检测I可实现对X的测量。

本发明采用的技术方案是，包括由比较放大器、电流驱动器、电流测量装置组成的电流控制与计量装置，它还包括：

1)机械转换装置：包括两个半径分别为R1和R2的圆轮，一个能同时带动两圆轮转动的传动件；

2)电磁装置：包括励磁线圈、铁芯，绕有励磁线圈的铁芯有一个开口气隙；

3)偏振光检测装置：包括检偏器、法拉第旋光元件、起偏器、发光元件和光电接收元件，铁芯气隙的两侧面分别装有光学反射元件，起偏器同轴安装在R1圆轮上，起偏器的一侧装有光学反射元件和发光元件，另一侧装有法拉第旋光元件，检偏器同轴安装在R2圆轮上，法拉第旋光元件的另一侧装有检偏器，检偏器的另一侧装有光学反射元件和光电接收元件。

以上的一个能同时带动两圆轮转动的传动件为相啮合的齿条或摩擦传动的导条。

本发明具有的有益效果是：

1)传感部分为非接触的偏振光检测，运行可靠，使用寿命长；

2)引入法拉第磁光效应后将工作点固定在线性度比较好的点，从工作原理上解决光学系统固有的非线性问题，提高了测量准确度；

3)位移—电流比较仪为光、机、电(磁)的结合体，各部分相对简单，性能价格比提高。

                         附图说明

图1是光学上的马吕斯定律曲线；

图2是本发明的结构原理图；

图3是本发明的机械转换装置结构原理图。

                       具体实施方式

如图1所示，在偏振光检测系统中，偏振器与检偏器透光轴之间的夹角θ同透过检偏器的光强J之间有确定的关系，即如(1)式所示的马吕斯定律，当将θ预置45度时，可获得较好的线性工作区域。

其具体结构如图2、图3所示，被测量位移引起机械转换结构的传动件3带动R1圆轮2和R2圆轮4转动，再分别带动偏振光检测装置中的起偏器7与检偏器5作相同角度的转动，发光元件10发出的光束经光学反射元件1分别通过起偏器7、法拉第旋光元件6、检偏器5和光学反射元件1到达光电接收元件11，输出的光电信号V_G接到电流控制与计量装置中的比较放大器12的输入端，比较放大器12的另一输入端接标准参考信号V_S，比较放大器12的输出经电流驱动器13与电磁装置中绕在铁芯上的励磁线圈8相连接后接电流测量装置14，电流测量装置由电流计或采样标准电阻与信号放大器组成，电流计或采样标准电阻与励磁线圈相串联，标准电阻的一端接信号放大器的输入端，信号放大器的输出端为测量系统输出。

被测量的机械直线位移X以一定的线速度同时带动半径为R1和R2的圆轮转动，因半径差引起两圆轮之间的一个角度差：

        θ＝(R1-R2)X/(R1R2)                        (3)

而与两圆轮分别同轴转动的起偏器与检偏器之间也产生相同的角度差，从而完成了直线位移至角位移的线性转换并通过偏振光检测系统建立了它们与光强信号之间的联系，但如直接以光强或光电检测信号表达被测位移，则随量程扩大，将引入由(1)式规定的非线性，因此，在本发明的位移—电流比较仪中，光强经光电转换后得到的电信号V_G并不直接用来作为位移的度量，而是作为电流I的控制信号。

励磁线圈中的受控电流I在铁芯与气隙中建立起磁场H，根据全电流定律有

其中H、B、W分别为场强、磁感应强度和线圈匝数。由于铁芯磁导率μ＞＞μ₀(空气磁导率)，于是有近似公式

         μ₀BL＝WI                                      (5)

这里L为铁芯气隙宽度，B为气隙磁感应强度平均值。则由(2)与(5)式可知，法拉第磁光效应也引进一个偏振面旋转角度差，并且它与电流I成比例。当位移和电流分别产生的两个角度差大小相等、方向相反时，偏振面保持在初始工作点不变。这一条件可由光强的检测得知并由其控制电流来实现，而被测量X将始终与电流I成正比，于是机械位移的测量问题被转变为成熟的电流测量问题，并且对整个位移测量量程而言，光电转换都可工作在灵敏度高线性度好的点。

Claims (2)

1.偏振光检测和法拉第磁光效应的电流—位移比较仪，包括由比较放大器[12]、电流驱动器[13]、电流测量装置[14]组成的电流控制与计量装置，其特征在于它还包括：

1)机械转换装置：包括两个半径分别为R1和R2的圆轮[2]、[4]，一个能同时带动圆轮[2]、[4]转动的传动件[3]；

2)电磁装置：包括励磁线圈[8]、铁芯[9]，绕有励磁线圈[8]的铁芯[9]有一个开口气隙；

3)偏振光检测装置：包括检偏器[5]、法拉第旋光元件[6]、起偏器[7]、发光元件[10]和光电接收元件[11]，铁芯[9]气隙的两侧面分别装有光学反射元件[1]，起偏器[7]同轴安装在R1圆轮[2]上，起偏器[7]的一侧装有光学反射元件[1]和发光元件[10]，另一侧装有法拉第旋光元件[6]，检偏器[5]同轴安装在R2圆轮[4]上，法拉第旋光元件[6]的另一侧装有检偏器[5]，检偏器[5]的另一侧装有光学反射元件[1]和光电接收元件[11]；

其中被测量位移引起机械转换结构的传动件[3]带动R1圆轮[2]和R2圆轮[4]转动，再分别带动偏振光检测装置中的起偏器[7]与检偏器[5]作相同角度的转动，发光元件[10]发出的光束经光学反射元件[1]分别通过起偏器[7]、法拉第旋光元件[6]、检偏器[5]和光学反射元件[1]到达光电接收元件[11]，输出的光电信号V_G接到电流控制与计量装置中的比较放大器[12]的输入端，比较放大器[12]的另一输入端接标准参考信号V_S，比较放大器[12]的输出经电流驱动器[13]与电磁装置中绕在铁芯上的励磁线圈[8]相连接后接电流测量装置[14]。

2.根据权利要求1所述的偏振光检测和法拉第磁光效应的电流一位移比较仪，其特征在于：所说的一个能同时带动两个半径分别为R1和R2的圆轮[2]、[4]转动的传动件[3]为相啮合齿条或摩擦传动的导条。

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