RU2552128C1 - Фотоупругий элемент - Google Patents
Фотоупругий элемент Download PDFInfo
- Publication number
- RU2552128C1 RU2552128C1 RU2013153233/28A RU2013153233A RU2552128C1 RU 2552128 C1 RU2552128 C1 RU 2552128C1 RU 2013153233/28 A RU2013153233/28 A RU 2013153233/28A RU 2013153233 A RU2013153233 A RU 2013153233A RU 2552128 C1 RU2552128 C1 RU 2552128C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photoelastic element
- photoelastic
- piezoelectric
- stresses
- increase
- Prior art date
Links
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/241—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet by photoelastic stress analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре. Согласно изобретению фотоупругий элемент имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению прилагаемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности фотоупругого элемента имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны. Технический результат - увеличение напряжений в центральной (рабочей) части фотоупругого элемента и, как следствие, повышение чувствительности пьезоэлектрических датчиков, использующих данные фотоупругие элементы. 3 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.
Уровень техники
Эффект фотоупругости (пьезооптический эффект) используется для прецизионного измерения деформаций (или напряжений). Анизотропные механические напряжения в практически любом материале приводят к анизотропному изменению коэффициента преломления (двулучепреломлению). Это приводит к изменению угла поляризации света при прохождении сквозь такой материал. Существуют устройства, называемые пьезооптическими преобразователями, которые преобразуют величину изменения угла поляризации в величину электрического сигнала, пропорциональную величине деформации или напряжения. Известно, что датчики деформаций, на основе пьезооптических преобразователей, обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например с датчиками на основе тензорезистивных преобразователей (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48) [1]).
Пьезооптический преобразователь состоит из оптически связанных светодиода, поляризатора, фазовой пластинки, фотоупругого элемента, анализатора и фотоприемника. Форма фотоупругого элемента может быть различной: параллелепипед, цилиндр, усеченный конус.
Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому фотоупругому элементу является фотоупругий элемент, предложенный в патентах РФ №2422786 от 23.04.2010 и №2454642 от 29.03.2011 [2, 3]. В указанных патентах фотоупругий элемент выполнен в виде, либо цилиндра, либо усеченного конуса. Фотоупругий элемент изначально зажат в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечивает его работу, как на сжатие, так и на растяжение.
Недостатком данных конструкций фотоупругого элемента (ФЭ) является то, что, как показывают расчеты и эксперименты, напряжения в ФЭ сконцентрированы вблизи областей его касания с нагрузочным элементом пьезооптического датчика деформации, в котором закреплен ФЭ, и спадают к центру ФЭ, в то время как световой пучок датчика проходит именно через центральную часть ФЭ, т.е. в области минимальных напряжений. Это приводит к снижению чувствительности датчика.
В то же время, поскольку нагрузочный элемент, в котором закрепляется ФЭ, значительно превышает габариты ФЭ, это не позволяет уменьшить габаритные размеры пьезооптического датчика деформации и сделать его миниатюрным.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании такой формы фотоупругого элемента, которая обеспечит увеличение напряжений в центральной (рабочей) части фотоупругого элемента.
Технический результат - повышение чувствительности ФЭ к нагрузкам.
Кроме того, использование предлагаемого ФЭ в пьезооптических датчиках деформации позволит повысить чувствительность и точность измерений последних и уменьшить их габариты.
Поставленная задача решена за счет того, что известный фотоупругий элемент согласно изобретению имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению прилагаемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности фотоупругого элемента имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны.
Описание фотоупругого элемента и обоснование новых признаков
Описание заявляемого фотоупругого элемента поясняется Фиг.1, 2, 3.
На Фиг.1 показан пример фотоупругого элемента (ФЭ), который в плане имеет крестообразную форму, боковые поверхности которого имеют постоянный радиус кривизны. Для выяснения эффективности такой формы ФЭ было проведено численное моделирование упругих напряжений, возникающих в объеме ФЭ при рабочих усилиях. Изначально ФЭ был упруго сжат в направлении осей X и Y усилиями Px=Py=87.9 МПа. Рабочее усилие прилагалось вдоль оси Y и равнялось ΔPy=19.5 МПа. При моделировании варьировалась величина «врезки» d (см. Фиг.1) от 0 мм, для круглого элемента диаметром 12 мм, до 3.5 мм.
На Фиг.2(а, б, в, г, д) показаны результаты моделирования для разных форм ФЭ, при одинаковом рабочем усилии. На фигурах 2а-2д показаны изолинии величины разности напряжений Δσ=σx-σy, величине которой пропорционален выходной электрический сигнал пьезооптического преобразователя. Численные значения величины Δσ указаны на фигуре цифрами в МПа. Величина «врезки» на Фиг.2а, 2б, 2в, 2г, 2д равна 0 мм, 1.13 мм, 1.84 мм, 2.55 мм, 3.26 мм, соответственно.
На Фиг.3 показана зависимость величины Δσ от глубины «врезки» d. Из фигур видно, что по мере увеличения «врезки» напряжения (при одинаковом рабочем усилии) смещаются от периферии ФЭ к его центру, то есть в ту область, где проходит световой луч пьезооптического преобразователя. Например, для формы ФЭ, показанного на Фиг.2г (глубина «врезки» составляет 2.55 мм, при этом радиус «врезки» равен 5 мм, диаметр всего ФЭ 12 мм) увеличение Δσ по сравнению с круглым ФЭ составляет 32%. Таким образом, подтверждается увеличение напряжений, а следовательно, и выходного сигнала пьезооптического преобразователя с крестообразным ФЭ. Полученные результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Предельная глубина и форма «врезки» определяется прочностными характеристиками материала фотоупругого элемента.
При размещении крестообразного ФЭ в пьезооптическом преобразователе, узлы крепления элементов последнего могут быть размещены в промежутках между боковыми поверхностями ФЭ, не выходя за габариты внешнего диаметра ФЭ (заштрихованные области на Фиг.1). Таким образом, поперечный размер преобразователя не будет превышать диаметр ФЭ.
В качестве материала фотоупругого элемента может быть использован, например, плавленый кварц, обладающий высоким порогом разрушения на сжатие, что обеспечивает высокий динамический диапазон измерений деформаций и надежность преобразователя. Кроме того, технология обработки плавленого кварца хорошо развита, что удешевляет конструкцию тензометрического преобразователя.
Описание работы устройства
Фотоупругий элемент работает следующим образом.
При приложении измеряемой нагрузки к фотоупругому элементу вдоль одной из его осей возникают дополнительные напряжения Δσx и Δσy в центральной части ФЭ. В результате возникает дополнительная разность фаз ±Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент. Разность фаз обусловлена двулучепреломлением нагруженного ФЭ. Изменение фазы поляризации приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника. В случае пьезооптического преобразователя, он регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала. Величина выходного сигнала преобразователя пропорциональна величине Δσ=Δσx-Δσy, которая пропорциональна величине измеряемого напряжения (деформации).
Claims (1)
- Фотоупругий элемент, отличающийся тем, что имеет в плане крестообразную форму, фронтальные поверхности которого, параллельные направлению прилагаемых усилий, являются оптически плоскими, а боковые поверхности фотоупругого элемента имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013153233/28A RU2552128C1 (ru) | 2013-11-29 | 2013-11-29 | Фотоупругий элемент |
PCT/RU2014/000767 WO2015080620A1 (ru) | 2013-11-29 | 2014-10-14 | Фотоупругий элемент |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013153233/28A RU2552128C1 (ru) | 2013-11-29 | 2013-11-29 | Фотоупругий элемент |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2552128C1 true RU2552128C1 (ru) | 2015-06-10 |
Family
ID=53199438
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013153233/28A RU2552128C1 (ru) | 2013-11-29 | 2013-11-29 | Фотоупругий элемент |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2552128C1 (ru) |
WO (1) | WO2015080620A1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1649315A1 (ru) * | 1989-04-26 | 1991-05-15 | Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова | Фотоупругий измерительный преобразователь |
RU111646U1 (ru) * | 2011-05-27 | 2011-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Устройство для измерения механических напряжений |
RU115474U1 (ru) * | 2011-05-27 | 2012-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Устройство для измерения механических напряжений |
US20130036830A1 (en) * | 2010-04-23 | 2013-02-14 | Alexander Vladimirovich Poyarkov | Tensometric transducer |
-
2013
- 2013-11-29 RU RU2013153233/28A patent/RU2552128C1/ru active
-
2014
- 2014-10-14 WO PCT/RU2014/000767 patent/WO2015080620A1/ru active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1649315A1 (ru) * | 1989-04-26 | 1991-05-15 | Институт кристаллографии им.А.В.Шубникова | Фотоупругий измерительный преобразователь |
US20130036830A1 (en) * | 2010-04-23 | 2013-02-14 | Alexander Vladimirovich Poyarkov | Tensometric transducer |
RU111646U1 (ru) * | 2011-05-27 | 2011-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Устройство для измерения механических напряжений |
RU115474U1 (ru) * | 2011-05-27 | 2012-04-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Устройство для измерения механических напряжений |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2015080620A1 (ru) | 2015-06-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN104807536A (zh) | 具有温度补偿的光纤光栅二维振动传感器 | |
RU2422786C1 (ru) | Тензометрический преобразователь | |
CN202075070U (zh) | 采用光纤布拉格光栅式杆力传感器测量受力的装置 | |
US20160161348A1 (en) | Rod-Shaped Force Transducer With Simplified Adjustment | |
CN102506688A (zh) | 一种电阻应变式厚度测量装置及其测量方法 | |
CN109696262A (zh) | 一种超薄型应变式力传感器 | |
RU2552128C1 (ru) | Фотоупругий элемент | |
CN211668674U (zh) | 一种应变型压向力传感器 | |
JP2016540474A (ja) | 複数の架線における摩耗監視のための装置 | |
CN105547868B (zh) | 基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法 | |
CN213239282U (zh) | 一种温度补偿式光纤压力传感器 | |
RU2454642C1 (ru) | Тензометрический датчик (варианты) | |
RU115474U1 (ru) | Устройство для измерения механических напряжений | |
RU2530467C1 (ru) | Тензометрический датчик | |
RU111646U1 (ru) | Устройство для измерения механических напряжений | |
CN105091729B (zh) | 一种采用因瓦钢引伸杆的应变式引伸计 | |
RU2629918C1 (ru) | Чувствительный элемент | |
RU2498242C1 (ru) | Тензорезисторный преобразователь силы | |
RU2530466C1 (ru) | Тензометрический преобразователь | |
RU148259U1 (ru) | Тензометрический динамометр | |
RU2469437C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром | |
RU2584383C1 (ru) | Измеритель осевых сил | |
RU162934U1 (ru) | Тензометрические весы | |
RU111629U1 (ru) | Устройство для измерения механических напряжений (варианты) | |
CN202075071U (zh) | 一种光纤布拉格光栅式杆力传感器 |