27.VII.1965 Niemiecka Republika Demokratyczna Opublikowano: 20.X.1969 58178 KI. 42 k, 7/05 MKP UKD omi Am Twórca wynalazku: mgr inz. Gerd Jager * Wlasciciel patentu: Institut fiir Regelungstechnik, Republika Demokratyczna) Berlin (Niemiecka Urzadzenie do przetwarzania sily na impulsowe sygnaly elektryczne Przedmiotem wynalazku jest urzadzenie do przetwarzania sily na impulsowe sygnaly elektrycz¬ ne, w którym wielkosc mierzonej sily jest prze¬ twarzana bezposrednio w kodowy sygnal impul¬ sów elektrycznych.Znane sa urzadzenia do przetwarzania sily na sygnaly elektryczne, w których przezroczyste osrod¬ ki fotoelastyczme poddane mechanicznemu dziala¬ niu sily przylozonej do pewnej plaszczyzny, skre¬ caja plaszczyzne polaryzacji dla przechodzacej li¬ niowo przez ten osrodek spolaryzowanej wiazki swiatla. Liczbe obrotów plaszczyzny polaryzacji (skrecen) mozna obliczac na drodze elektrycznej, za pomoca impulsów. W tym celu, w znanych ukladach, przez fotoelastyczny osrodek przechodzi równolegle, liniowo spolaryzowane swiatlo, którego promienie przechodza dalej przez analizator i zo¬ staja skupione za pomoca ukladu soczewek na fo¬ todiodzie.Jezeli osrodek fotoelastyczny znajdzie sie pod dzialaniem sily, to plaszczyzna polaryzacji obróci sie kilkakrotnie zaleznie od dzialajacej sily tak, ze przez fotodiode przechodzi odpowiednia liczba sy¬ gnalów odpowiadajacych rozjasnieniom i sciemnie- niom. Dla uzyskania odpowiednich sygnalów im¬ pulsowych (impulsy O/L), wlacza sie do odbior¬ nika fotoelektrycznego uklad ksztaltujacy impulsy, który moze skladac sie na przyklad ze stopnia wstepnego (wzmacniacza) oraz przerzutnika 10 15 25 30 Schmitfa, sygnaly O/L z wyjscia tego przerzutni¬ ka napedzaja licznik.Kodowy sygnal wyjsciowy w postaci impulsów elektrycznych uzyskuje sie w ten sposób, ze po¬ miedzy polaryzatorem, a analizatorem umieszcza sie element pomiarowy wykonany z materialu fo- toelastycznego, którego przekroje ulozone sa pro¬ stopadle do kierunku dzialania sily. Jezeli stosu¬ nek przekrojów wynosi: 1:2:4:8:16:... to sto¬ sunek wartosci naprezen wystepujacych przy roz¬ ciaganiu lub -sciskaniu w poszczególnych prze¬ krojach, wyraza sie jak 1 : 2 : 4 : 8 :16 :...Wówczas w poszczególnych przekrojach elementu pomiarowego uzyskuje sie sterujace poszczególne fotodiody sygnaly rozjasnien i sciamnien, odpo¬ wiadajace kodowi Gray'a, poniewaz skrecenie plaszczyzny polaryzacji jest wprost proporcjonalne do naprezenia. Obok wyzej opisanego sposobu zna¬ na jest jeszcze w technice impulsów inna mozli¬ wosc uzyskania kodowego sygnalu wyjsciowego.Kod nanosi sie na tarcze lub na kodowa; plytke •czujnikowa, na która przenoszone sa przesunie¬ cia wywolane przez dzialanie sily. Odczyt naste¬ puje w sposób mechaniczny za pomoca szczotek lub tez na drodze fotoelektrycznej. Poszczególne rastry odtwarzane sa na czujniku fotoelektrycznym dzieki czemu otrzymuje sie na jego wyjsciu sy¬ gnal kodowy.Opisany sposób daje zadowalajace wyniki tylko przy bardzo duzych silach. Przy malych silach 581783 liczba rozjasnien i sciemnien jest za mala pod wzgledem wymagan zdolnosci rozdzielczej urzadze¬ nia, co oznacza, ze zakres pomiarowy moze byc po¬ dzielony tylko na duze dzialki. W tym przypadku wytwarzanie jednoznacznych impulsów sprawia trudnosci, a ponadto osrodki fotoelastyczne musza byc poddawane tylko czystemu rozciaganiu lub sciskaniu. ' .W miejscach polaczen poszczególnych warstw wystepuja takze naprezenia scinajace, które za¬ klócaja zadany staj\ naprezenia i obnizaja wytrzy¬ malosc elementu. W celu ominiecia zakresu pomia¬ ru, w którym wystepuje nakladanie sie niepozada¬ nych naprezen scinajacych z naprezeniami rozcia¬ gajacymi i sciskajacymi, wymiary poszczególnych warstw musza byc odpowiednio dobrane, wskutek czego element pomiarowy przybiera stosunkowo duze wymiary. Przy duzych wymiarach elementu pomiarowego wystepuje tu dodatkowa wada, po¬ legajaca na odwzorowywaniu kazdej poszczególnej warstwy oddzielnym ukladem optycznym.Przekroje poszczególnych warstw elementu po¬ miarowego musza byc dokladnie dobrane odpo¬ wiednio do kodu, w przeciwnym bowiem razie element pomiarowy jest bezuzyteczny. Inaczej mó¬ wiac dokladny kod uzyskuje sie wiec w tym przy¬ padku przez dokladne dobranie przekrojów ele¬ mentu pomiarowego. W innym urzadzeniu do przetwarzania sily na sygnaly elektryczne, kod musi byc umieszczony na wsporniku (tarcza, ply¬ ta). We wszystkich wypadkach rodzaj kodu jest niezmienny. Pierwszy sposób oparty jest na ko¬ dzie Gray'a, podczas gdy drugi sposób pozwala stostfwac tylko kod, który znajduje sie na plytce czujnikowej.Zadaniem wynalazku jest stworzenie urzadze¬ nia do przetwarzania sily, jako wielkosci fizycz¬ nej, za pomoca przetwornika pomiarowego, na ko¬ dowane sygnaly w postaci impulsów elektrycznych, w którym przetwarzanie odibywa sie bezposred¬ nio w elemencie pomiarowym, a wiec bez specjal¬ nych elementów dodatkowych. Element pomiaro¬ wy odznacza sie malymi wymiarami i juz przy malych silach (do 1 kp) pozwala uzyskiwac duza liczbe impulsów. Prócz tego w urzadzeniu tym moz¬ na stosowac zmienny rodzaj kodu.Zadanie to zgodnie z wynalazkiem zostalo roz¬ wiazane w ten sposób, ze w urzadzeniu do prze¬ twarzania sily na wielkosci elektryczne material fotoelastyczny, poddawany naprezeniu i przeswie¬ tlany spolaryzowanym swiatlem monochromatycz¬ nym, poprzez analizator, daje obraz interferencyj¬ ny odpowiadajacy stanowi naprezenia, przy czym material fotoelastyczny jest obciazany tylko na zgi¬ nanie.Wówczas powstaja równolegle prazki interferen¬ cyjne, których liczba, liczona pomiedzy wlóknem neutralnym, a dowolnym miejscem w materiale fo- toelastycznym przy okreslonymi momencie zgina¬ nia M, ma scisly zwiazek z naprezeniem zginaja¬ cym panujacym w tym miejscu. Liczac w tym punkcie prazki interferencyjne, które przechodza pod wplywem przylozonego momentu zmieniaja¬ cego sie od zera do wartosci M otrzymuje sie ta¬ ka sama liczbe prazków, jaka otrzymaloby sie 4 przy obciazeniu materialu fotoelastycznego stalym momentem M, liczac prazki pomiedzy .warstwa ne¬ utralna a tym miejscem.W ten sposób otrzymuje sie okresowe zmiany 5 intensywnosci swiatla (sinusoidalne), których licz¬ ba okresów przy, kazdym punkcie ustalonego za¬ kresu odwzorowywania ma zawsze .taki sam zwia¬ zek funkcjonalny z wielkoscia pomiarowa (mo¬ ment wzglednie mierzona sila). Jezeli w ustalo- 10 nym zakresie odwzorowywania wybierze sie takie punkty, w których liczby porzadkowe prazków in¬ terferencyjnych (liczby- okresów), liczac pomiedzy tymi miejscami, a warstwa neutralna (wspólny punkt odniesienia) maja sie do sieb,ie jak 1 :2 :4 : 15 8..., a w punktach tych umiesci sie pomiarowy czujnik fotoelektryczny, wówczas na jego wyjsciu otrzyma sie elektryczne sygnaly kodoWe! Zagadnienie kodowania jest dzieki temu spro¬ wadzone tylko do regulacji polozenia czujnika fo- 20 toelektrycznego. Jak z powyzszego wynika dziala¬ nie urzadzenia nie polega na liczeniu impulsów czujnikiem fotoelektrycznym, lecz na odróznianiu jaki istnieje stan (L lub O, rozjasnienie lub sciem¬ nienie). Z „wypowiedzi" O/L poszczególnych czuj- 25 ników wynika kodowy sygnal impulsów. Do czuj¬ ników fotoelektrycznych z reguly wlaczane sa stop¬ nie wstepne (wzmacniacze) i przerzutniki Schmitfa, na wyjsciu których otrzymuje sie elektryczny sy¬ gnal kodowy odpowiedni do rodzaju kodu. 30 Czytelnosc kodu zalezna jest od poziomu inten¬ sywnosci w warstwie neutralnej. Na przyklad, je¬ zeli w tym miejscu wystepuje minimalna lub mak¬ symalna intensywnosc, kodowanie przebiega wedlug kodu Gray'a, podczas gdy sredni poziom intensy- 35 wnosci daje kod Dual'a. Przy optyczno-naprezenio- wyni elemencie pomiarowym, poziom w warstwie neutralnej moze byc odpowiednio zmieniany przy pomocy kompensatora optycznego, na przyklad typu Babinet, Soleil, Senarmont itp. Taki kompen- 40 sator musialby byc dodatkowo wmontowany w urzadzenie przedstawione jako przyklad wykona¬ nia.Urzadzenie do przetwarzania sily na sygnaly elektryczne wedlug wynalazku jest blizej objasnio- 45 ne na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przed¬ stawia schematycznie uklad urzadzenia, a fig. 2 pokazuje element fotoelektryczny w widoku per¬ spektywicznym.Polaryzator 1 i analizator 2 sa oswietlane przez 50 zródlo 3 swiatla monochromatycznego. Plaszczyzny polaryzacji polaryzatora 1 i analizatora 2 -sa do siebie prostopadle. Pomiedzy polaryzatorem 1 a analizatorem 2 znajduje sie fotoelastyczny material 4, stanowiacy tu element pomiarowy, obciazany na 55 zginanie za pomoca dzwigni 7. Powstajace równo¬ legle prazki interferencyjne, sa odtwarzane przez optyczny uklad 6 na fotoelektrycznych czujnikach 5, które przy odpowiednim polozeniu wysylaja wyjsciowy elektryczny sygnal kodowy, odpowiedni 60 do kodu. Fotoelastyczny material 4 (element po¬ miarowy) spelnia tu tylko role wskaznika (fig. 2), natomiast momenty obciazajace w przewazajacej czesci przejmowane sa przez plaska metalowa sprezyne 8, do której przymocowany jest fotoela- 65 styczny material 4. /58178 5 Dzieki temu neutralne wlókno w fotoelastycz- nym materiale 4 zmienia swoje polozenie tak, ze przebiega ono umownie wewnatrz plaskiej metalo¬ wej sprezyny 8. Jest to duza zaleta urzadzenia wedlug wynalazku, bowiem przy takiej samej 5 wielkosci optycznego ukladu 6, wykorzystywana do kodowania czesc obrazu interferencyjnego, wy¬ pada wieksza. Kombinacja elementu pomiarowego z plaska metalowa sprezyna ma jeszcze te zale- / te, ze wyeliminowane sa w znacznym stopniu nie- 10 korzystne wlasciwosci sprezynowania fotoelastycz- nego materialu 4. PL