DE2605345A1

DE2605345A1 - Piezooptischer messumformer

Info

Publication number: DE2605345A1
Application number: DE19762605345
Authority: DE
Inventors: Georgy Mironowitsch Belitsky; Jury Wasiliewitsch Mironow; Wladimir Alexandrowi Schiryaew; Isaak Isaewitsch Slezinger
Original assignee: MOSKOVSK, University of
Current assignee: MOSKOVSK, University of
Priority date: 1975-02-12
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1976-09-02
Also published as: FR2300994B1; SE402489B; DE2605345B2; SU572667A1; SE7601527L; FR2300994A1; US4010632A; DE2605345C3

Description

Patentanwälte

Dipl.-lng. R. B E E T Z sen. Dipl.-lng. K. LAMPRECHT Dr.-Ing. R. B E E T Z jr.

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[München 22, Steinsdorfstr. Tel. (089)227201/227244/29 5910

Telegr. Allpatent München Telex 522048

11. i-'obi'u

I976

Mosi:o7sky Gosudarstvenny University;, imeni

M.V. Lomonosova-USSR, Moskau, (UdSSR)

Leninski 3 Gory

Piezooptischer Meßumformer

Die Erfindung betrifft einen Primär-Meßumformer mechanischer Größen in ein elektrisches Signal, insbesondere einen piezooptlschen Meßumformer.

Es sind zahlreiche in der experimentellen Technik weitgehend verwendete Primär-Meßumformer bekannt, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen-, induktive, kapazitive, magnetoelastische und piezoelektrische Geber (vgl. z. B. A. M. Turitschin "Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen", Verlag "Energija", Moskau-Leningrad, 1966).

53O-(P.62121/1)-MeHdSl

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Die Dehnungsmeßstreifen-, induktiven, kapazitiven und magnetoelastischen Geber sind parametrische Umformer, bei denen die Verformung eines elastischen Elementes eine Änderung des entsprechenden Parameters bewirkt. So wird bei einem Dehnungsmeßstreifengeber der elektrische Widerstand eines Drahtes, Filmes oder Halbleiters geändert, die mit dem elastischen Element starr verbunden sind. Bei den induktiven und kapazitiven Umformern treten als solche Parameter die Induktivität bzw. die Kapazität auf, die von einer Spaltgröße abhängig sind: im ersten Fall von der des Magnetleiters der Induktivitätsspule und im zweiten von der zwischen den Belägen eines Meßkondensators. Der Arbeitsweise der magnetoelastischen Umformer liegt die Abhängigkeit der magnetischen Permeabilität ferromagnetischer Werkstoffe von der Größe deren mechanischer Spannungen zugrunde.

Die piezoelektrischen Umformer stellen Generatoren dar, weshalb bei derartigen Umformern das Ausgangssignal nicht durch Änderung irgendeines Parameters, sondern durch Auftreten einer Potentialdifferenz bei einem Fühlelement erzeugt wird, die von dessen Verformung abhängt.

Die Hauptkenndaten der Primär-Umformer sind der Transformationskoeffizient der Umformung einer mechanischen Größe in ein elektrisches Signal (Empfindlichkeit) und der Meßbereich für Frequenzen, d. i. ein Frequenzbereich, in dem Messungen mit Hilfe derartiger Umformer mit bestimmter Genauigkeit vorgenommen werden können. Dieser Frequenzbereich ist direkt proportional zur Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) des Umformers, die ihrerseits durch die Steifigkeit des Fühlelementes des Umformers bestimmt ist. Es ist daher die Steifigkeit des Fühlelementes dieser Um-

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-p-

former zur Erweiterung des Meßbereiches zu vergrößern. Jedoch nimmt mit zunehmender Steifigkeit des Fühlelementes der Transformationskoeffizient (Empfindlichkeit) der Meßumformer ab.

Der Wunsch also, die Hauptkenndaten des Umformers ohne Änderung dessen Arbeitsweise zu verbessern, führt zu einander widersprechenden Forderungen. Die Steifigkeit des Fühlelementes des Umformers ist einerseits zur Erweiterung des Frequenzbereiches zu vergrößern, andererseits aber zwecks Vergrößerung des Transformationskoeffizienten (Empfindlichkeit) zu verringern.

Zum Vergleich der parametrischen Primär-Meßumformer verschiedener Art ist ein dimensionsloser Empfindlichkeitsfaktor (S) geeignet, wie das bei den Dehnungsmeßstreifengebern der Fall ist. Dieser Faktor ist als Verhältnis der relativen Änderung des Ausgangsparameters zur relativen Verformung des elastischen Elementes definiert. Dadurch gestattet e"s der dimensionslose Empfindlichkeitsfaktor, auf die Hauptkenndaten der Meßumformer, auf den Transformationskoeffizienten (Empfindlichkeit) und auf die Steifigkeit des Fühlelementes zu schließen. Je größer der dimensionslose Empfindlichkeitsfaktor des Umformers ist, desto besser sind dessen Hauptkenndaten.

Die verbreiteten Dehnungsmeßstreifengeber weisen einen niedrigen Wert des genannten Faktors (S ^ 2 für solche aus einem Draht, und S «rf150 bis 200 für solche aus einem Halbleiter) auf. Bei den induktiven und kapazitiven Umformern ist der Faktor S größenordnungsmäßig etwa gleich dem bei Dehnungsmeßstreifengebern mit einem Halbleiter. Die Herstellung von Geräten mit weitem Frequenzbereich und hoher Empfindlichkeit auf der Basis derartiger Umformer bereitet daher große Schwierigkeiten.

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Der Faktor S magnetoelastischer Meßumformer beträgt einige tausend, die Notwendigkeit aber, an sie größere mechanische Belastungen zu legen, beschränkt deren Anwendungsbereich.

Große Empfindlichkeit und Steifigkeit weisen piezoelektrische Umformer auf, aber die Ungleichmäßigkeit der Amplitudenfrequenzkennlinie im Niederfrequenzbereich macht sie ungeeignet für den Betrieb, weil derartige Umformer mit dynamischen Methoden zu eichen sind.

Viele dieser Nachteile besitzen piezooptische Meßumformer nicht. Die Wirkungsweise dieser Umformer beruht auf der Ausnutzung des piezooptischen Effektes, der darin besteht, daß die Lichtgeschwindigkeit in einem transparenten oder lichtdurchlässigen Pestkörper - einem sog. elastischen Element - von dessen mechanischer Spannung und der Orientierung des Lichtvektors bezüglich der Hauptspannungen, die diesen Spannungszustand charakterisieren, abhängt.

Der dimensionslose Empfindlichkeitsfaktor S derartiger Umformer kann hier abhängig vom Werkstoff des elastischen Elementes einige zehntausend und sogar hunderttausend erreichen. Dadurch können auf dieser Basis Geräte mit einem weiten Frequenzbereich von Null bis zu einigen zehntausend Hertz hergestellt werden, wobei das Ausgangssignal der Umformer einige Volt betragen kann, was dessen Verarbeitung wesentlich vereinfacht. Darüber hinaus weisen piezooptische Umformer aufgrund eines niedrigen Eigenrauschpegels einen großen dynamischen Bereich (von einigen tausend¹! auf.

Piezooptische Meßumformer sind bekannt (vgl. z. B. den SU-Erfinderschein 101 0^5, Kl. GOIl).

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Bei diesen Umformern durchläuft der Lichtstrom von der Lichtquelle der Reihe nach einen Polarisator, ein gegen durch eine Änderung eines zu messenden Parameters hervorgerufene Änderung mechanischer Spannungen empfindliches elastisches Element, eine Phasenschiebe-Platte, einen Analysator und trifft auf einen Fotoumformer auf, der das einfallende licht, in ein elektrisches Signal zur Zufuhr zu einem Anzeigegerät umsetzt, dessen Anzeige dem zu messenden Parameter entspricht.

Derartige Umformer werden mit Gleichstrom betrieben, was zum Auftreten eines großen Rauschpegels sowie einer Zeit- und einer Temperatur-Instabilität des Nullpunktes und des Empfindlichkeitsfaktors führt, die durch die Instabilität der Lichtquelle und des Fotoumformers bedingt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeiden dieser Nachteile einen piezooptischen Meßumformer zu schaffen, durch den ein geringerer Rauschpegel und eine erhöhte Zeit- und Temperatur-Stabilität des Nullpunktes und des Empfindlichkeitsfaktors gewährleistet sind.

Diese Aufgabe wird bei einem piezooptischen Meßumformer, bei dem der Lichtstrom einer Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung nacheinander durchläuft: einen Polarisator, ein gegen durch eine Änderung eines zu messenden Parameters hervorgerufene Änderung mechanischer Spannungen empfindliches elastisches Element, einen Analysator und eine Phasenschiebe-Platte zwischen dem Polarisator und dem Analysator, und auf einen Fotoumformer auftrifft, der das einfallende Licht in ein elektrisches Signal zur Zufuhr zu einem'Anzeigegerät umsetzt, dessen Anzeige dem

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zu messenden Parameter entspricht, erfindungsgemäß gelöst durch eine zusätzliche Lichtquelle, die so vor dem Polarisator angeordnet ist, daß ihr Lichtstrom den Polarisator durchläuft, eine zusätzliche Phasenschiebe-Platte, die zwischen dem Polarisator und dem Analysator so angeordnet ist, daß der Lichtstrom von der zusätzlichen Lichtquelle nach dem Polarisator die zusätzliche Phasenschiebe-Platte, das elastische Element und den Analysator durchläuft und auf den Fotoumformer auftrifft, und einen Rechteckimpulsgenerator, dessen Ausgänge elektrisch mit der Haupt-Lichtquelle und der zusätzlichen Lichtquelle so verbunden sind, daß auf den Fotoumformer abwechselnd einer der Lichtströme von der Haupt-Lichtquelle und der zusätzlichen Lichtquelle auftrifft, wobei die zusätzliche Phasenschiebe-Platte gegenüber der Haupt-Phasenschiebe-Platte so ausgerichtet ist, daß deren Achse der maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes senkrecht zur Achse der maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes der Haupt-Phasenschiebe-Platte ist.

Zur Verringerung der Zeit- und der Temperatur-Drift des Nullpunktes enthält der piezooptische Meßumformer vorteilhaft einen Bezugs-Fotoumformer, der im Strahlengang der Lichtströ\tie von der Haupt-Lichtquelle und der zusätzlichen Lichtquelle so angeordnet ist, daß auf ihn synchron mit dem Auftreffen der Lichtströme auf den ersten Fotoumformer die gleichen Lichtströme auftreffen, einen phasenempfindlichen Verstärker, dessen Eingänge an den Bezugs-Fotoumformer bzw. den Rechteckimpulsgenerator angeschlossen sind, und zwei einzelne Stromregler für jede Lichtquelle, deren Eingänge an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers so angeschlossen sind, daß die elektrische Verbindung des Rechteckimpulsgenerators mit den Lichtquellen über die Stromregler erfolgt.

Zur Verringerung der Zeit- und der Temperatur-Instabilität des Empfindlichkeitsfaktors enthält der piezooptische

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Meßumformer vorteilhaft weiter ein an den ersten Fotoumformer angeschlossenes Tiefpaßfilter und einen beiden Lichtquellen gemeinsamen Stromregler, dessen Eingang mit dem Tiefpaßfilter und dessen Ausgang mit dem Eingang des Rechteckimpulsgenerators verbunden ist.

Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen piezooptischen Meßumformer als Ausgangssignal Wechselstrom auftritt, nimmt der Rauschpegel des Umformers ab, was seinerseits den dynamischen Bereich vergrößert. Das Verwenden eines Wechselstrom-Gegenkopplungskreises erhöht wesentlich die Zeit- und die Temperatur-Stabilität des Nullpunktes, während es die Verwendung eines Gleichstrom-Gegenkopplungskreises gestattet, den Empfindlichkeitsfaktor zu stabilisieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen piezooptischen Meßumformers;

Fig. 2 den Strahlenverlauf bei dem Umformer nach Fig. 1;

Fig. 5 ein elektrisches Prinzipschaltbild eines Rechteckimpulsgenerators nach Fig. 1;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßumformers;

Fig. 5 den Strahlengang bei dem Umformer nach Fig. 4;

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Fig. 6 ein elektrisches Prinzipschaltbild eines Umformers nach Fig. 4;

Fig. 7a, b Zeitdiagramme zur Wirkungsweise des Umformers nach Fig. 1;

Fig. 8a bis j Zeitdiagramme zur Wirkungsweise des Umformers nach Fig. 4.

Der erfindungsgemäße piezooptische Meßumformer enthält zwei Lichtquellen 1 und 2 (Fig. l), deren Lichtströme A bzw. B nacheinander in Ausbreitungsrichtung der Lichtströme A, B einen beiden Lichtströmen A, B gemeinsamen Polarisator 3, für jeden Lichtstrom einzeln vorgesehene Phasenschiebe-Platten 4 und 5> ein beiden Lichtströmen A, B gemeinsames, gegen die durch eine Änderung des zu messenden, in eine Kraft N umzuwandelnden Parameters hervorgerufene änderung mechanischer Spannungen empfindliches elastisches Element 6 und einen beiden Lichtströmen A, B gemeinsamen Analysator 7 durchlaufen und auf einen Fotoumformer 8 auftreffen, der das auf ihn einfallende Licht in ein elektrisches Signal umformt oder -wandelt, das zu einem Anzeigegerät 9 oder einer Registriereinrichtung gelangt. Der Anzeiger 9 enthält einen phasenempfindlichen Verstärker 10 und ein Anzeige- oder Registriergerät 11.

Der erfindungsgemäße piezooptische Meßumformer enthält auch einen Rechteckimpulsgenerator 12, dessen Ausgänge an die Lichtquellen 1 und 2 so angeschlossen sind, daß die Lichtströme A und B abwechselnd auf dem Fotoumformer 8 auftreffen.

Das elastische Element 6 (Fig. 2) ist als Rechteck-Prisma mit lichtdurchlässigen oder transparenten Flächen

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13 und l4 ausgebildet, durch die die Lichtströme A und B von den Lichtquellen 1 und 2 hindurchtreten, und ist auf einem festen Lager 15 angeordnet.

Das elastische Element 6 besteht aus einem festen durchsichtigen Werkstoff, wie z. B. aus Silikatglas. Es können auch einige einen wesentlich größeren piezooptischen Effekt und einen größeren Elastizitätsmodul aufweisende Einkristalle verwendet werden, wodurch die Empfindlichkeit und die Eigenfrequenz des Umformers erhöht werden können.

Als Lichtquellen 1 und 2 können beliebige Strahler zum Einsatz gelangen. Am besten sind für diesen Zweck lichtemittierende Halbleiterdioden (Leuchtdioden, LED) geeignet, da'-sie schwingungsfest sind und kleine Abmessungen aufweisen.

Der Polarisator 3 kann z. B. von dichroitischen Polarisationsfolie gebildet sein, die das durchtretende Licht in ein linear polarisiertes umwandelt. Eine derartige Polarisationsfolie wird Polaroid genannt. Der Analysator 7 hat eine ähnliche Ausführung. Um maximale Empfindlichkeit zu erreichen, bildet die (in der Zeichnung durch einen Doppel-Pfeil angedeutete) Polarisationsebene des Polarisators 3 und des Analysators 7 mit der Richtung der maximalen oder minimalen (mechanischen) Normalspannung im elastischen Element 6 einen Winkel von + 45°. Da der Spannungszustand in der durchleuchteten Zone als gleichmäßig und einachsig angenommen werden kann, ist die maximale Normalspannung parallel zur Kraft N, während die Polarisationsebenen des Polarisators 3 und des Analysators 7 im Winkel von 45° zur Richtung dieser Kraft N geneigt sind, in die der zu messende Parameter umgesetzt ist. Die Polari-

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sationsebenen des Polarisators 3 und des Analysators 7 sind einander parallel.

.. · Die Phasenschiebe-Platten 4 und

5 bestehen aus einem doppelbrechenden Werkstoff, beispielsweise aus Glimmer. Sie dienen zum Erzeugen einer Ursprungsoder Anfangs-Phasendifferenz, was größe Linearität und Empfindlichkeit eines piezooptischen Umformers ermöglicht.

Die Phasenschiebe-Platten 4 und 5 sind durch eine von ihnen erzeugte Phasendifferenz 06 sowie durch Achsen F der maximalen und Achsen S der minimalen Geschwindigkeit gekennzeichnet, deren Richtung in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist. Als Achse F der maximalen Geschwindigkeit wird die Richtung des Lichtvektors der Welle bezeichnet, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der jeweiligen Platte maximal ist. Analog wird als Achse S der minimalen Geschwindigkeit die Richtung des Lichtvektors der Welle bezeichnet, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der jeweiligen Platte minimal ist. Die Achsen F und S sind bei einer Platte senkrecht zueinander. Die Phasenschiebe-Platten 4 und 5 sind so angeordnet, daß die Achse F der maximalen Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes der Platte 4 senkrecht zur Achse F der maximalen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Platte 5 ist.

Dies bewirkt eine Änderung der Lichtströme A und B bei der Einwirkung des zu messenden Parameters (bzw. der Kraft N) auf das elastische Element 6 um einen gleichen Betrag, jedoch mit verschiedenem Vorzeichen, wodurch beim erfindungsgemäßen piezooptischen Meßumformer als Ausgangssignal die Differenz der auf den Fotoumformer 8 auftreffenden Lichtströme A und B ausgenutzt werden kann.

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Als Fotoumformer 8 ist eine Siliziumfotodiode und als Anzeigegerät 11 ein Selbstschreiber (bzw. ein Oszillograf) verwendbar.

Der Rechteckimpulsgenerator 12 gemäß Fig. 3 ist ein bistabiler Multivibrator mit Transistoren 16 und 17. Die Impulsdauer des Generators 12 wird durch den Wert von Widerständen 18, 19 und Kapazitäten 20, 21 bestimmt. Zur Verbesserung der Flankensteilheit der Impulse sind Dioden 22, 23 vorgesehen. Widerstände 24 und 25 sorgen für eine Vorspannung der Dioden 22 und 23. An Kollektorwiderstände 26 und 27 sind die Basen von Emitterfolgern mit Transistoren 28 und 29 angeschlossen, die zur Anpassung des Multivibrators an Belastungskreise dienen, die an Emitterwiderstände 30 und 3I angekoppelt sind. Die Speisung des Rechteckimpulsgenerators 12 erfolgt mittels einer stabilen oder Konstant-Spannung U,.

Zur Verringerung der Zeit- und der Temperatur-Driften des Nullpunktes und der Empfindlichkeit kann vorteilhaft ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen piezooptischen Meßumformers verwendet werden.

Dazu ist im Meßumformer ein Referenz- oder Bezugs-Fotoumformer 32 (Fig. ²O vorgesehen, der unmittelbar hinter dem elastischen Element 6 (Fig. 5) in Ausbreitungsrichtung der Lichtströme A und B in deren Strahlengang so angeordnet ist, daß die gleichen Lichtströme auf ihn synchron mit dem Auftreffen auf den Fotoumformer 8 auftreffen.

Im Meßumformer dieses Ausführungsbeispiels sind auch vorgesehen ein phasenempfindlicher Verstärker 33 (Fig· ^)> dessen einer Eingang über einen Trennkondensator 3^ an den Bezugs-Fotoumformer 32 und dessen zweiter Eingang an einen

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der Ausgänge des Rechteckimpulsgenerators 12 angeschlossen ist, und zwei individuelle einzelne Stromregler 35 und 36 für jede Lichtquelle l und 2, deren einer Eingang jeweils an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 33» deren andere Eingänge an den zweiten Ausgang des Rechteckimpulsgenerators 12 und deren Ausgänge an die Lichtquellen 1 bzw. 2 angeschlossen sind.

Darüber hinaus sind im Meßumformer gemäß Fig. 4 ein an den Fotoumformer 8 angeschlossenes Tiefpaßfilter 37 und ein für die beiden Lichtquellen 1 und 2 gemeinsamer Stromregler 38 vorgesehen, dessen einer Eingang mit dem Tiefpaßfilter 37 verbunden und dessen Ausgang an den Eingang des Rechteckimpulsgenerators 12 angekoppelt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des Meßumformers ist der Fotoumformer 8 an einen der Eingänge des phasenempfindlichen Verstärkers 10 des Anzeigers 9 über einen Kondensator 39 angeschlossen. Der andere Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers 10 ist an den ersten Ausgang des Rechteckimpulsgenerators 12 angeschaltet.

Widerstände 40 und 4l stellen eine Last für die Fotoumformer 8 bzw. 32 dar.

Die Fotoumformer 8 und 32 arbeiten im Diodenbetrieb, was durch die Zuführung einer Speisespannung U_p gewährleistet wird. Die Stromregler 35> 36 und 38 werden durch stabile oder Konstant-Spannungen U, bzw. U₂^ gespeist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Bozugs-Fotoumformer 32 (Fig. 6) gleichfalls eine Siliziumfotodiode verwendbar.

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Der phasenempfindliche Verstärker 33 enthält auch einen Operationsverstärker 42. Ein Widerstand 43 bildet den Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers 42. Widerstände 44, 45, 46, 47 und 48 dienen zur Anpassung der Eingangskreise des Operationsverstärkers 42. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 42 ist über einen Trennkondensator 49 an einen Einwegdemodulator angeschlossen, der einen Transformator 50 und Transistoren 51 und 52 aufweist. Als Last des Demodulators wirkt ein Widerstand 53· Der Kondensator 54 wirkt als Filter. Die Bezugsspannung wird in den Demodulator vom Rechteckimpulsgenerator 12 über einen Widerstand 55 von der Sekundärwicklung eines Transformators 56 eingespeist. Der Ausgang des Demodulators ist mit den Eingängen der Stromregler 35 und 36 für die jeweiligen Lichtquellen 1 und 2 gekoppelt.

Der einzelne Stromregler 35 der Lichtquelle 1 enthält ebenso wie der phasenempfindliche Verstärker 33 einen Operationsverstärker 42 mit Widerständen 43 bis 47 sowie einen mit einem Transistor 57 aufgebauten Stromverstärker. Ein Widerstand 58 dient zur Begrenzung des Stromflusses über die Lichtquelle 1.

Der einzelne Stromregler 36 der Lichtquelle 2 ist analog dem einzelnen Stromregler 35 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß im Stromverstärker ein Transistor 59 vom anderen Leitungstyp verwendet wird. Ein Widerstand 60 ist analog dem Widerstand 58 zur Begrenzung des Stromflusses, und zwar dem über die Lichtquelle 2, bestimmt. Die Eingänge der beiden Stromregler 35 und 36 sind an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 33 angeschlossen, und als deren Lasten dienen die Lichtquellen 1 bzw. 2.

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Das Tiefpaßfilter 37 ist eine RC-Kette, die einen Widerstand 6l und einen Kondensator 62 enthält. Der Eingang des Tiefpaßfilters 37 ist an den Fotoumformer 8 und der Ausgang an den gemeinsamen Stromregler 38 der beiden Lichtquellen 1 und 2 angeschaltet.

Der ebenso wie der phasenempfindliche Verstärker 33 aufgebaute gemeinsame Stromregler 38 der beiden Lichtquellen 1 und 2 besteht aus einem Operationsverstärker 42 mit Widerständen 43 bis 47 und einem mit einem Transistor 63 aufgebauten Stromverstärker, als dessen Last ein Widerstand 64 wirkt. Ein Kondensator 65 wirkt als Filter. Der eine Eingang des Operationsverstärkers 42 ist mit dem Tiefpaßfilter 37 gekoppelt, während dem anderen Eingang eine Bezugs spannung UV zugeführt wird. Ein Widerstand 66 dient zur stufenlosen Regelung der dem Eingang des Operationsverstärkers 42 zugeführten Bezugs spannung üV. Der Ausgang des gemeinsamen Stromreglers 38 der Lichtquellen 1 und 2 ist mit dem Rechteckimpulsgenerator 12 verbunden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Primärwicklung des Transformators 56 an den Transistor 28 des Generators 12 über einen Kondensator 67 und der Ausgang des Transistors 29 an die Eingänge der Stramregier 35 und 36 über einen Trennkondensator 68 angeschlossen.

Der phasenempfindliche Verstärker 10 des Anzeigers 9» sowohl gemäß Fig. 1 als auch gemäß Fig. 6, ist analog dem phasenempfindlichen Verstärker 33 in Fig. 6 ausgeführt.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen piezooptischen Meßumformers beruht auf der Ausnutzung eines Fotoelastizitätseffektes, der in der Entstehung einer optischen Anisotropie in ursprünglich isotropen Medien oder in einer Ände-

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rung der optischen Anisotropie in anisotropen Medien, beispielsweise in Kristallen unter dem Einfluß von im Medium zum Beispiel durch äußere Einwirkungen erzeugten mechanischen Spannungen, besteht. Hierbei ist der Wert der entstandenen optischen Anisotropie oder der ihrer Änderung proportional der mechanischen Spannung im Medium.

Die optische Anisotropie kommt in dem beim piezooptischen Meßumformer verwirktlichten Fall durch das Auftreten zweier Brechzahlen η und η in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die zu den Richtungen der mechanischen Hauptspannungen C, und TL im ebenen Spannungszustand des Mediums parallel sind, zum Ausdruck. Der Lichtstrahl teilt sich in derartigen Medien in zwei polarisierte Lichtstrahlen, nämlich in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Lichtstrahl, deren Polarisationsebenen mit der Richtung der mechanischen Hauptspannungen (K und zusammenfallen.

Die änderung der optischen Anisotropie kommt durch eine Änderung der Brechzahlen η und η und folglich

χ y

durch eine Änderung der Geschwindigkeits-Differenz der Wellenfronten des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles zum Ausdruck, was zur Entstehung oder Änderung deren Phasendifferenz Δ00 beim Austritt aus dem Medium führt (näheres s. z. B.: M.M. Procht, "Photoelasticity", New York, 19²U; William A. Shurkliff "Polarized Light, Production and Use", Harvard University, Press, Cambridge Massachussetts, 1962).

Der piezooptische Meßumformer arbeitet gemäß der Erfindung wie folgt.

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- Io -

Bei Ausbleiben des zu messenden Parameters ist die Kraft N=O; vgl. Fig. 7a, bei der auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Kraft N aufgetragen sind, Die Lichtquellen 1 und 2 (Fig. l) strahlen abwechselnd oder alternierend, da sie an die verschiedenen Ausgänge des Rechteckimpulsgenerators 12 angeschlossen sind, die Lichtströme A bzw. B aus; vgl. Fig. 7b, bei der auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Intensität F der Lichtströme A und B aufgetragen sind.

Der Lichtstrom A (Fig. 1) von der Lichtquelle 1 durchläuft den Polarisator 3 und wird linear polarisiert. In der Phasenschiebe-Platte 4 wird dieser Lichtstrahl in zwei Strahlen, einen ordentlichen und einen außerordentlichen, mit zueinander senkrechten Polarisationsebenen zerlegt, wobei die Stärke der Platte derart gewählt ist, daß die Phasendifferenz rx, dieser Strahlen '· _o Rad oder

X V °

■jj- beträgt, mit J\ = Licht-Wellenlänge, ist.

Anschließend durchläuft der Lichtstrom A das elastische Element 6, in dem der Lichtstrom keine Änderungen erfährt, weil die Kraft N=O ist. Nach dem Durchgang durch den Analysator 7 interferieren der ordentliche und der außerordentliche Strahl, weshalb auf den Fotoumformer 8 ein Lichtstrom bestimmter Intensität (F in Fig. 7b) fällt. Der Lichtstrom B von der Lichtquelle 2 (Fig. 1) geht durch den Analysator 3, die Phasenschiebe-Platte 5, die, ebenso wie die Phasenschiebe-Platte 4, eine 4: Rad

j, d.

oder -jr betragende Phasendifferenz &< des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles erzeugt. Da mechanische Spannungen im elastischen Element 6 ausbleiben, wird auch der Betrag des auf den Fotoumformer 8 fallenden Lichtstromes B gleich F_Q (Fig. 7b) sein.

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Bei Einwirkung des zu messenden Meßparameters tritt die Kraft N (Fig. l)auf. Im elastischen Element 6 entstehen daher mechanische Spannungen. Mit großer Genauigkeit kann man annähernd den Spannungszustand des elastischen Elementes 6 bei einem Druck bzw. Zug als eben gespannt annehmen. Deshalb wird die Richtung der maximalen Spannung <5T- mit der Richtung der Kraft N zusammenfallen, während die Spannung Ou = 0 ist. Da die Achse F der maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes der Phasenschiebe-Platte 4 mit der Richtung der maximalen mechanischen Spannung 6^ zusammenfällt und die Achse F der Phasenschiebe-Platte 5 zur Richtung von (^ senkrecht liegt, wird beim Durchgang des Lichtstromes A durch das gespannte elastische Element 6 zu der durch die Phasenschiebe-Platte 4 erzeugten Phasendifferenz Cb eine gewisse durch das elastische Element 6 erzeugte Phasendifferenz ΔO^ addiert und wird von der durch die Phasenschiebe-Platte 5 erzeugten Phasendifferenz oO die gleiche Phasendifferenz Δοόsubtrahiert. Infolgedessen wird der Lichtstrom A von der Lichtquelle 1 nach dem Durchgang durch den Analysator 7 und nach der Interferenz des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles ein Inkrement von + Af (Fig. 7b) und der Lichtstrom B von der Lichtquelle (Fig. 1) ein solches von - £.F (Fig. 7b) aufweisen. Der auf den Fotoumformer 8 (Fig. 1) auftreffende gesamte Lichtstrom wird sich mit der Zeit ändern, und am Ausgang des Fotoumformers 8 wird daher der Wechselanteil des Signals auftreten. Der Wechselanteil wird nach Verstärkung und Demodulation durch den phasenempfindlichen Verstärker 10 vom Gerät 11 registriert. Der Betrag des Wechselanteiles ist zu der an das elastische Element 6 des piezooptischen Umformers angelegten Kraft N proportional.

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Der piezooptische Meßumformer gemäß Pig. 4 unterscheidet sich vom Meßumformer gemäß Fig. 1 dadurch, daß die Lichtquellen 1 und 2 an den Rechteckimpulsgenerator 12 nicht direkt, sondern über die einzelnen Stromregler 35 und 36 (Fig. 6) angeschlossen sind.

Die Rechteckimpulse vorn Ausgangstransistor 29 (Fig. 6) des Generators 12 gelangen über den Trennkondensator 68 an die Eingänge der beiden einzelnen Stromregler 35 und 36.

Der Operationsverstärker 42 wird bei den Stromreglern 35 und 36 als Folger, d. h. als Stromverstärker (dessen Spannungs-Verstärkerfaktor gleich Eins ist), betrieben.

Von den Verstärkern 42 gelangen die Rechteckimpulse an den Transistor 57 des Reglers 35 bzw. den Transistor 59 des Reglers 36. Die Transistoren dienen zur Anpassung des Ausgangswiderstandes der Verstärker 42 an einen geringen Widerstand der Lichtquellen 1 und 2. An die Basen dieser Transistoren 57 und 59 gelangt zum selben Zeitpunkt ein Rechteckimpuls gleicher Polarität, da aber diese Transistoren 57* 59 entgegengesetzten Leitungstyp haben, sperrt der eine Transistor unter der Wirkung dieses Impulses, während der andere leitet. Dadurch wird ein alternierender oder wechselweiser Betrieb der Lichtquellen 1 und 2 gewährleistet.

Der durch die Instabilität der Lichtquellen 1 und 2 bedingte Ausgleich bzw. Abgleich der Zeit- und der Temperatur-Drift des Nullpunktes wird durch Einführung des zusätzlichen oder Bezugs-Fotoumformers 32 erreicht. Der Bezugs-Fotoumformer 32 wird im Strahlengang der Lichtströme 1 und 2 so angeordnet, daß die Lichtströme 1, 2

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auf den Bezugs-Fotoumformer 32 unter Umgehung des Analysators ¹J_s wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, auftreffen. Bei einer derartigen Anordnung des Bezugs-Fotoumformers 32 werden die auf diesen von den Lichtquellen 1 und 2 einfallenden Lichtströme A, B durch den zu messenden Parameter in der die Bauteile 3, 4, 5, 6, 7 einschließenden Polarisationsoptik nicht moduliert und sind nur vom Strahlungsvermogen der Lichtquellen 1 und 2 abhängig.

Das Signal vom Bezugs-Fotoumformer 32 (Fig. 6) wird durch den Operationsverstärker 42 des phasenempfindlichen Verstärkers 33 verstärkt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 42 ist durch die Widerstände 43 und 45 bestimmt. Nach der Verstärkung wird das Signal vom Fotoumformer 32 durch den aus den zwei Transistoren 5I und 52 aufgebauten Einwegdemodulator gleichgerichtet. Die Bezugsspannung wird dem Demodulator vom Generator 12 über die Sekundärwicklung des Transformators 56 zugeführt. Das gleichgerichtete Signal gelangt an die Eingänge der einzelnen Stromregler 35 und 36 der Lichtquellen 1 und 2, die die Ströme der Lichtquellen 1 und 2 abhängig von der Phase des vom Demodulator kommenden Signals regeln bzw. einstellen.

Fig. 8 zeigt die zeitlichen Signalverläufe bei den Bauteilen des Meßumformers gemäß Fig. 4, nämlich

a) des Signals am Ausgang des Rechteckimpulsgenerators 12 und an den einen der Eingänge der einzelnen Stromregler 35 und 36;

b) des Lichtstromes A der Lichtquelle 1;

c) des Lichtstromes B der Lichtquelle 2;

d) des Ausgangssignals der Fotoumformer 32 und 8j

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e) des Signa]s am Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers 33J

i) des Signals am Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 33 und an den zweiten Eingängen der einzelnen Stromregler 35 und 36;

g) des Stromes der Lichtquelle 1 (Ausgang des einzelnen Stromreglers 35);

h) des Stromes der Lichtquelle 2 (Ausgang des einzelnen Stromreglers ~j>6);

i) des Signals am Ausgang des Tiefpaßfilters 37 und am Eingang des gemeinsamen Stromreglers 38]

j) des Signals am Ausgang des gemeinsamen Stromreglers 38 und der Kollektorspannung des Transistors 29 des Generators 12; wobei an der Ordinate in a, d, e, f, i, j die Spannung (U), in b, c, der Lichtstrom (F) und in g, h die Stromstärke (I) aufgetragen sind.

Bei gleichem Strahlungsvermögen der Lichtquellen 1 und 2 (Fig. 6) sind die von jeder Lichtquelle 1 und 2 auf die Fotoumformer 32 und 8 auftreffenden Lichtströme gleich, und am Ausgang der Fotoumformer 32 und 8 bleibt der Wechselanteil des Signals aus, der Gleichanteil wird hierbei gleich U_Q (für die Zeit 0 bis t-^ Fig. 8d) und das Ausgangssignal des Anzeigers 9 wird Null sein.

Es sei angenommen, daß die Lichtquelle 1 (Fig. 6) ihr Strahlungsvermögen (z. B. infolge einer Temperaturänderung oder mit der Zeit) erhöht hat, während bei der

gleich Lichtquelle 2 das Strahlungsvermögen/hoch (Zeit t, bis t~, Fig. 8b, c) geblieben ist. Dann erscheint an den Ausgän-

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gen der Fotoumformer 32 und 8 ein sich änderndes Signal (Fig. 8d), und am Ausgang des Anzeigers 9 ist das Signal von Null verschieden, und da der einwirkende Parameter (Kraft N=O) ausbleibt, bildet dieses Signal eine Nullpunktdrift des Umformers. Zur Kompensation der Nullpunktdrift wird das Signal vom Fotoumformer 32 durch den phasenempfindlichen Verstärker 33 (Fig. 6 und 8e, f) verstärkt und demoduliert und in die einzelnen Stromregler 35 und 36 (Fig. 6) der Lichtquellen 1 und 2 eingespeist. Der einzelne Stromregler 35 verringert den Strom der Lichtquelle 1 und der einzelne Stromregler 36 vergrößert den Strom der Quelle 2 (Fig. 8g, h) so, daß die Lichtströme von den Lichtquellen 1 und 2 ausgeglichen werden. Nachdem die Ströme gleich (Zeit tg bis t-,, Fig. 8g, h) geworden sind, bleibt der Wechselanteil am Ausgang der Fotoumformer 32 und 8 aus, und der Pegel des Gleichanteils des Ausgangssignals des Fotoumformers 32 steigt etwas an und ist vom Anfangspegel U_Q (Fig. 8d) verschieden.

Die Lichtströme A, B von den Lichtquellen 1 und 2 (Fig. 6) treffen synchron auf die Fotoumformer 32 und 8, d. h. sie ändern sich mit der Zeit gleich, weshalb beim Ausbleiben eines veränderlichen Signals am Fotoumformer 32 solch ein Signal auch am Fotoumformer 8 fehlt, und da nur der Wechselanteil des Fotoumformers 8 eine Information über den zu messenden Parameter trägt, wird das Ausbleiben dieses Wechselanteiles dem Nullpegel des Umformers entsprechen. Das Vorsehen einer (für jede Lichtquelle 1 und 2 getrennten) differenzierenden Rückführung gestattet es also, die Nullpunktdrift des erfindungsgernäßen piezooptischen Umformers wesentlich zu vermindern.

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Die Empfindlichkeit des piezooptischen Umformers ist proportional zur Größe des Lichtstromes, und da der Strom des Fotoumformers zu dem auf ihn einfallenden Lichtstrom proportional ist, bleibt der Betrag des Empfindlichkeitsfaktors des piezooptischen Umformers bei der Konstanthaltung des Viertes U am B^lotoumformer 8 (Fig. 8d) konstant.

Im erfindungsgemäßen Umformer ist eine Stabilisier-Schaltung für die Empfindlichkeit des Umformers vorgesehen. Diese Schaltung setzt sich aus dem Tiefpaßfilter 37 und dem gemeinsamen Stromregler 38 zusammen.

Diese Schaltung arbeitet wie folgt.

Das Tiefpaßfilter 37* hier eine RC-Kette, trennt vom Ausgangssignal des Fotoumformers 8 den Mittelwert U ab, woraufhin das Signal zum gerneinsamen Str-omregler 38 für die beiden Lichtquellen 1 und 2 gelangt. Dem anderen Eingang dieses Strorr.reglers 38 wi^d eine Bezugs-Gleichspannung U₁- zugeführt. Im Stroraregler 38 wird der Mittelwert des vom Fotoumformer 8 kommenden Signals mit dem Wert des Bezugssignals U;- verglichen, und abhängig vom Vorzeichen der Ungleichheit zwischen ihnen (U - U₁-) verringert bzw. vergrößert der Stromregler 38 die Speisespannung des Ausgangstransistors 29 des Rechteckirapulsgenerators 12. Dieser Transistor 29 arbeitet im Schalterbetrieb, weshalb die Größe dessen Kollektorspeisung die des an den Eingängen der Stromregler 35 und 36 eintreffenden Signals bestimmt, die ihrerseits die Größe der Ströme über die Lichtquellen 1 und 2 bestimmen.

Es sei nun die Arbeit des Umformers mi'c der Stabilisierung der Empfindlichkeit nach dem Zeitpunkt t-, (Fig. 8) betrachtet. Wie oben erwähnt, liegt der Mittelpegel oder -wert des Ausgangssignals des Fotoumformers 8 (Fig. 6),

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nachdem die Lichtquelle 1 (Fig. 6) ihr Strahlungsvermögen geändert hat und sich die Lichtströme von den beiden Lichtquellen 1 und 2 (Fig. 8d) angeglichen haben, etwas höher als der Anfangspegel U . An den Eingängen des Operationsverstärkers 42 des Reglers 38 treffen Signale verschiedener Größe ein: dem einen Eingang wird nach wie vor die Bezugsspannung UU und dem anderen der Mittelwert Ü der Spannung U vom Fotoumformer 8, die etwas höher als U ist; zugeführt. Die Differenz dieser Spannungen U-U₁-(Fig. 8i) wird durch den Verstärker 42 (Fig. 8j) verstärkt und in den Transistor 63 gespeist, der die Kollektorspannung des Ausgangstransistors 29 des Generators 12 verringert. Die Größe des AusgangsSignaIs des Generators 12 (Zeit t-, bis too , Fig. 8a) nimmt ab.

Das Signal vom Generator 12 (Fig. 6) wird den einzelnen Stromreglern 35 und J>6 über den Trennkondensator 68 zugeführt, wodurch es bipolar (Fig. 8a) wird. Die positive Halbwelle dieses Signals macht den Transistor 59 leitend und sperrt den Transistor 57, während die negative Halbwelle den Transistor 57 leitend macht und den Transistor 59 sperrt. Die Transistoren arbeiten im Halbschalterbetrieb, d. h. sie sperren bei der einen Halbwelle und arbeiten im Verstärkerbetrieb bei der zweiten Halbwelle, weshalb die Stromgröße der Lichtquellen 1 und 2 durch die Größe des vom Rechteckimpulsgenerators ankommenden Signals der beiden Halbwellen festgelegt wird. Da dieses Signal Im vorliegenden Fall abgenommen hat. nehmen auch die Ströme der Lichtquellen 1 und 2 um den gleichen Wert (Fig. 8g, h) ab. Als Folge verringern sich die Lichtströme von den Lichtquellen 1 und 2 (Fig. 8b, c) und der mittlere Pegel des Ausgangssignals des Fotoumformers 8 (Fig. 8d), wobei angestrebt wird, den VJert der Bezugsspannung Ut-, d. h. den Anfangswert U , zu erreichen.

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Dadurch wird der Mittelwert des Signals des Fotoumformers 8 konstant gehalten, was zur Stabilisierung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Meßumformers führt.

Es ist zu beachten., daß das Ausgangs signal des Fotoumformers 8 bei Einwirkung des zu messenden Parameters einen Wechselanteil, ebenso wie im Umformer gemäß Fig. dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 7 dargestellt ist, enthält. In diesem Fall wird im elastischen Element 6 eine bestimmte Phasendifferenz &x erzeugt. Diese Phasendifferenz Λ·> wird bei Arbeit de:" Lichtquelle 1 zu der durch die Phasenschiebe-Platte 4 erzeugten Phasendifferenz oC_Q addiert und bei Arbeit der Lichtquelle 2 von der durch die Phasenschiebe-Platte 5 erzeugten Phasendifferenz oO subtrahiert, weshalb die Inkremente der von den Lichtquellen 1 und 2 kommenden Lichtströme gleichen Betrag und verschiedene Vorzeichen (+AF und -^F* Fig. 7a) aufweisen, während der Mittelwert des Ausgangssignals bei Einwirkung des zu messenden Parameters unverändert bleibt, weshalb am Eingang des gemeinsamen Stromreglers J5S (Fig. 6) keine Ungleichheit vorliegt, und keine Regelung stattfindet.

Der erfindungsgemäße piezooptische Meßumformer gewährleistet eine Verringerung der Nullpunktdrift um einen Faktor von ca. 10 und gestattet es, den Empfindlichkeitsfaktor zu stabilisieren und den Rauschpegel des Meßumformers beträchtlich herabzusetzen.

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Claims

Patentansprüche
Piezooptischer Meßumformer,

bei dem der Lichtstrom einer Lichtquelle in Ausbreitungsrichtung nacheinander durchläuft:

einen Polarisator, ein gegen durch eine Änderung eines zu messenden Parameters hervorgerufene Änderung mechanischer Spannungen empfindliches elastisches Element, einen Analysator und eine Phasenschiebe-Platte zwischen dem Polarisator und dem Analysator, und

auf einen Fotoumformer auftrifft, der das einfallende Licht in ein elektrisches Signal zur Zufuhr zu einem Anzeigegerät umsetzt, dessen Anzeige dem zu messenden Parameter entspricht,

gekennzeichnet durch

eine zusätzliche Lichtquelle (2), die so vor dem Polarisator (3) angeordnet ist, daß ihr Lichtstrom (B) den Polarisator ('j>) durchläuft,

eine zusätzliche Phasenschiebe-Platte (5), die zwischen dem Polarisator (3) und dem Analysator (7) so angeordnet ist, daß der Lichtstrom (B) von der zusätzlichen Lichtquelle (2) nach dem Polarisator (J) die zusätzliche Phasenschiebe-Platte (5), das elastische Element (6) und den Analysator (7) durchläuft und auf den Fotoumformer (8) auftrifft, und

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einen Rechteckimpulsgenerator (12), dessen Ausgänge elektrisch mit der Haupt-Lichtquelle (1) und der zusätzlichen Lichtquelle (2) so verbunden sind, daß auf den Fotoumformer (8) abwechselnd einer der Lichtströme (A, B) von der Haupt-Lichtquelle (l) und der zusätzlichen Lichtquelle (2) auftrifft,

wobei die zusätzliche Phasenschiebe-Platte (5) gegenüber der Haupt-Phasenschiebe-Platte (4) so ausgerichtet ist, daß deren Achse (F) der maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes senkrecht zur Achse (F) der maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes der Haupt-Phasenschiebe-Platte (4) ist.
2. Meßumformer nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

einen Bezugs-Fotoumformer (32), der im Strahlengang der Lichtströme (A, B) von der Haupt-Lichtquelle (l) und der zusätzlichen Lichtquelle (2) so angeordnet ist, daß auf ihn synchron mit dem Auftreffen der Lichtströme (A, B) auf den ersten Fotoumformer (8) die gleichen Lichtströme (A; B) auftreffen,

einen phasenempfindlichen Verstärker (33), dessen Eingänge an den Bezugs-Fotoumformer (32) bzw. den Rechteckimpulsgenerator (12) angeschlossen sind, und

zwei einzelne Stromregler (35, 36) für jede Lichtquelle (1, 2), deren Eingänge an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers (33) so angeschlossen sind, daß die elektrische Verbindung des Rechteckimpulsgenerators (12) mit den Lichtquellen (1, 2) über die Stromregler (35, 36) erfolgt.

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3- Meßumformer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein an den ersten Fotoumformer (8) angeschlossenes Tiefpaßfilter (37) und einen beiden Lichtquellen (1, 2) gemeinsamen Stromregler (58), dessen Eingang mit dem Tiefpaßfilter (37) und dessen Ausgang mit dem Eingang des Rechteckimpulsgenerators (12) verbunden ist.

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