SU1091036A1

SU1091036A1 - Mechanical value converter

Info

Publication number: SU1091036A1
Application number: SU833541323A
Authority: SU
Inventors: Владимир Прокофьевич Кузенков; Игорь Владимирович Осипов; Елена Федоровна Дудник; Ирина Евгеньевна Мнушкина
Original assignee: Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1984-05-07

Abstract

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИ ВЕЛИЧИН,содержащий источник света и установленные по ходу луча пол ризатор , сегнетоэластичрский чувствительньй элемент, анализатор и фотоприемник , отличающийс тем, что, с целью увеличени чувствительности , сегнетоэластический чувствительный элемент вьтолнен в виде монодомена одного ориентационного состо ни . 2. Преобразователь по п.1, отличающийс тем, что чувствительный элемент выполнен из кристалла ванадата висмута, при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго пор дка, котора перпендикул рна заданному направлению действи усили , которое направлено; под углом 45 к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симметрии . A MECHANICALLY SIZE CONVERTER containing a light source and a polarizer, a ferroelastic sensitive element, an analyzer and a photodetector installed along the beam, characterized in that, in order to increase the sensitivity, the ferroelastic sensitive element is fulfilled as a single-domain single orientation state. 2. The converter according to claim 1, characterized in that the sensitive element is made of a bismuth vanadate crystal, the optical radiation being directed along a second-order axis, which is perpendicular to a given direction of force, which is directed; at an angle of 45 to the main crystallographic axis lying in the plane of symmetry.

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть исполь зовано при разработке устройств дл измерени сил, давлений, ускорений и других параметров. . Известно устройство дл измерени усили на сегнетоэластиках с полидо менной структурой, в котором криста сегнетоэластика, имеющий полидоменную структуру, подвергаетс механической деформации. В кристалле происходит прорастание доменов новой пространственной ориентации, а такж укрупнение или измельчение исходных двойников. После сн ти нагрузки доменна структура полностью восста навливаетс . Вследствие реориентаци оптической индикатрисы в доменах различных ориентационных состо ний происходит интегральное изменение интенсивности светового потока, про шедшего от источника света к фотоприемнику через кристалл и расположенные по разные стороны от него по л роиды 1 . Однако выходным параметром таког преобразовател вл етс аналогова величина - электрический ток или напр жение фотоприемника. Преобразо вание измер емой механической велич ны в цифровой код возможно только с помощью электронного блока аналогоцифрового преобразовател , что значительно усложн ет устройство. Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс преобразователь механических величи В этом устройстве сегнетоэластический чувствительный элемент, выполненный из молибдата гадолини , состоит из двух доменов, разделенных планарной доменной стенкой. Изображение доменной стенки с помощью полиризагщонно-оптической системы спроектировано на фотоматрицу. Внешнее механическое усилие, не превышающее дл данного чувствительного элемента порогового уровн (его значение определ етс тензором спонтанной деформации и геометрическими размерами кристалла), вызывает обраniMoe смещение доменной стенки относительно исходного положени параллельно самой себе. Реверсирование воздействи приводит к перемещению стенки в противоположном направлении , позвол ет непосредстргнно преоб ра:овипать мехамическог по действие Е ПОЗИЦИОННЫЙ цифровой код на вьходе фотоматриицы Г2, Однако максимальное обратимое смещение доменной стенки не превышает 300-500 мкм. Дальнейшее увеличение внешнего механического напр жени приводит к необратимому смещению. Это ограничивает точность преобразовани , так как при этой толщине стенки пор дка 1 мкм, относительна погрешность, определ ема величиной дискретизации пространственного разрешени , составл ет не менее 0,2%. Целью изобретени вл етс увеличение чувствительности. Поставленна цель достигаетс тем, что в преобразователе механических величин, содержащем источник света и установленные по ходу луча пол ризатор, сегнетоэластический чувствительный элемент,анализатор и фотоприемник,сегнетоэластический чувствительный элемент выполнен в виде монодомена .одного ориентационного состо ни , например, кристалла ванадата висмута , при этом оптическое излучение направлено вдоль оси второго пор дка, котора перпендикул рна заданному направлению действи усили ,которое направлено под углом 45° к главной кристаллографической оси, лежащей в плоскости симметрии . На фиг.1 изображен схематическиУ преобразователь; на фиг.2 - чувствительный элемент, выполненный из кристалла ванадата висмута. Преобразователь механических величин состоит из источника 1 света, щелевой диафрагмы 2, полиризатора 3, чувствительного элемента 4 с прорастающим клиновидны. доменом 5, устройства 6 приложени усили , анализатора 7 ,фотоматрицы 8 с фоточувствительной областью 9. Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от источника 1 света .проходит п елевую диафрагму 2, пол ризатор 3 и попадает на кристалл чувствительного элемента 4. Щелева диафрагма ограничивает просвечиваемую область чувствительного элемента, к которому через ycTpofiство приложени усили 6 подводитс механическое воздействие Р. В предлагаемом париантс-. (хгтнкни преобразовате.ч в качостис чупствительного элoмeflтл npirtvnif тч кристалл ва(глл.:1т иигмчт.-. -.-мThe invention relates to a measurement technique and can be used in the development of devices for measuring forces, pressures, accelerations and other parameters. . A device for measuring forces on ferroelastics with a multidomain structure is known, in which a crista ferroelastic, having a multi-domain structure, is subjected to mechanical deformation. In the crystal, the germination of domains of new spatial orientation, as well as the enlargement or refinement of the original twins, takes place. After the load is removed, the domain structure is completely restored. Due to the reorientation of the optical indicatrix in the domains of different orientational states, an integral change occurs in the intensity of the light flux, which passes from the light source to the photodetector through the crystal and is located on opposite sides of polaroid 1. However, the output parameter of such a converter is an analog value — an electric current or a photodetector voltage. The conversion of the measured mechanical value into a digital code is possible only with the help of an electronic unit of an analog-digital converter, which considerably complicates the device. The closest in technical essence to the invention is a mechanical magnitude transducer. In this device, a ferroelastic sensitive element made of gadolinium molybdate consists of two domains separated by a planar domain wall. The image of the domain wall using polyprizagchno-optical system is designed for photomatrix. An external mechanical force not exceeding a threshold level for a given sensitive element (its value is determined by the spontaneous deformation tensor and the crystal geometric dimensions) causes the domain wall to displace relative to the initial position parallel to itself. The reversal of the effect causes the wall to move in the opposite direction, allowing a direct transformation: to select the mechanism by the action of the E POSITION digital code at the input of the G2 photomatrix, However, the maximum reversible displacement of the domain wall does not exceed 300-500 microns. A further increase in external mechanical stress leads to irreversible displacement. This limits the accuracy of the conversion, since at this wall thickness of the order of 1 µm, the relative error determined by the spatial resolution sampling rate is at least 0.2%. The aim of the invention is to increase the sensitivity. The goal is achieved by the fact that in a mechanical quantity converter containing a light source and installed along the beam a polarizer, a ferroelastic sensitive element, an analyzer and a photodetector, the ferroelastic sensitive element is made in the form of a single domain of a single orientational state, for example, a bismuth vanadate crystal In this case, the optical radiation is directed along the second order axis, which is perpendicular to a given direction of action of the force, which is directed at an angle of 45 ° to the main crystallographic axis lying in the plane of symmetry. Figure 1 shows schematically the Converter; figure 2 is a sensitive element, made of bismuth vanadate crystal. The converter of mechanical quantities consists of a source of light 1, a slit diaphragm 2, a polyizer 3, a sensitive element 4 with a sprouting wedge shaped. domain 5, force application device 6, analyzer 7, photomatrix 8 with photosensitive area 9. The device operates as follows. Optical radiation from the source of light 1. Passes through a spherical diaphragm 2, polarizer 3 and hits the crystal of the sensing element 4. The slit aperture restricts the translucent region of the sensing element to which the mechanical action R is supplied through ycTpofity of the force 6. (transform.h into the sensitivity of the sensible elemfltl npirtvnif tch crystal va (gl.: 1 t and igmcht.-.-.- m

крнгтапле, ниже температуры фазоного перехода (255 С), возможно существование двух кваэиперпендикул рных наборов доменных стенок, раздел ющих два ориентационных состо ни . 5krngtaple, below the phase transition temperature (255 ° C), the existence of two qua-perpendicular sets of domain walls separating two orientation states is possible. five

Тензор спонтанной деформации в смежных доменах имеет различное значение компонент. Вследствии этого доменна стенка представл ет область оптической неоднородности с перемен- ю ным коэффициентом преломлени по толщине . Толщина доменной границы codтавл ет величину пор дка 1 мкм. Экспериментально установлено, что при распространении коллимированного is линейно-пол ризованного света вдоль доменной стенки он не измен ет плоскости пол ризации и расходитс под небольшим углом вследствие дифракции, а также за счет изменени показател 20 преломлени по толщине стенки. В то же врем прохождени света сквозь толщу кристалла св зано с двупреломлением и подчин етс соответствующим законам.The spontaneous strain tensor in adjacent domains has different component values. Because of this, the domain wall represents the region of optical inhomogeneity with a variable refractive index in thickness. The thickness of the domain wall is in the order of 1 micron. It has been established experimentally that with the propagation of collimated is linearly polarized light along a domain wall, it does not change the polarization plane and diverges at a small angle due to diffraction, as well as due to a change in the refractive index 20 across the wall thickness. At the same time, the passage of light through the thickness of the crystal is associated with birefringence and obeys the relevant laws.

Характернь м свойствам сегнетоэлас- 75 тиков вл етс переключение кристалла из одного ориентированного состо ни в другое под действием внешних механических напр жений. Форма тензора спонтанной деформации позвол ет опре- о делить направление и вид механического нагружени (сжатие-раст жение, сдвиг, изгиб), способствующего образованию доменов нового ориентационного состо ни . Значение компонент тензора деформаций позвол ет судить о величине механических напр жений, необходимых дл переключени кристалла: одноосные механические напр жени , 22 также механические напр - , жени , имеющие сдвиговую компоненту (а 1, способствуют образованию нового, нергетически более выгодного состо ни .A characteristic feature of ferroelastics is the switching of a crystal from one oriented state to another under the action of external mechanical stresses. The shape of the spontaneous deformation tensor makes it possible to determine the direction and type of mechanical loading (compression – tension, shear, bending), which promotes the formation of domains of the new orientation state. The value of the deformation tensor components allows one to judge the magnitude of the mechanical stresses required to switch the crystal: uniaxial mechanical stresses, 22 also mechanical stresses, strains having a shear component (a 1, contribute to the formation of a new, non-energetically more favorable state.

В варианте выполнени преобразовател механических величин чувствительньш элемент имеет форму пр мо угольного параллелепипеда (фиг.2) и подвергаетс деформации сжати -раст жени в главной плоскости симметрии ХУ. В этом случае на краю пластины, при увеличении нагрузки, вначале формируетс клиновидный зародыш другогоIn the embodiment of the mechanical quantities converter, the sensitive element has the shape of a right-angle parallelepiped (Fig. 2) and is subjected to compression-strain deformation in the main plane of XY symmetry. In this case, at the edge of the plate, as the load increases, a wedge-shaped embryo of another

ориенташюнно о соето пч . Л;11М 1, прорастающего домена имоот ф( чш кого клина, обра опапного дпум домсч ными стенками. Образование заро/иПпа в определенном участке кристалла можно инициировать путем нанесени локального микроповреждени , например царапины, на боковой грани кристалла.Orientashyunno about soeto pch. L; 11M 1, the germinating domain of the outflow (of a wedge that forms an opal wall). The formation of a wedge / in a certain part of the crystal can be initiated by applying local microdamage, such as scratches, on the lateral face of the crystal.

Дальнейшее увеличение механического напр жени вызывает пр мой рост клиновидного домена 5 сквозь толщу кристалла в разрешенном кристаллографическом направлении (32° к оси X и Y) без существенного изменени толщины клина, котора дл ванадата висмута не превышает трех толщин пленарной доменной стенки.A further increase in mechanical stress causes a direct growth of the wedge-shaped domain 5 through the thickness of the crystal in the allowed crystallographic direction (32 ° to the X and Y axis) without a significant change in the thickness of the wedge, which for bismuth vanadate does not exceed three plenary domain wall thicknesses.

Экспериментально установлено, что величина удлинени клиновидного домена св зана линейной зависимостьюIt was established experimentally that the magnitude of the elongation of the wedge-shaped domain is associated with a linear dependence

,4.,four.

С изменением прикладываемой.механической нагрузки, при этом после сн ти механического воздействи , не превышающего порогового уровн , доменна структура возвращаетс в исходное состо ние и изменение доменной структуры под действием механического воздействи вл етс воспроизводимой функцией.With a change in the applied mechanical load, and after removing the mechanical action not exceeding the threshold level, the domain structure returns to its original state and the change in the domain structure under the action of the mechanical action is a reproducible function.

Вырезав чувствительный элемент толщиной , обеспечивающей фазовую задержку 4--(1+2К), и установив пол ризатор 3 параллельно анализатору 7 под углом 45 к ос м и Y кристалла, получают проекцию клиновидного домена на фоточувствительной поверхности фотоматрицы 8 в виде светлой линии на темном фоне. Расположив пол ризатор и анализатор под углом 90° друг к другу, получают обратное изображение (темной линии на светлом фоне). Дл увеличени изображени можно применить простую оптическую систему, например линзу, установив ее между анализато ,ром и фотоматрицей.Cutting the sensitive element with a thickness that provides a phase delay of 4 - (1 + 2K) and setting the polarizer 3 parallel to the analyzer 7 at an angle of 45 to the axes and Y of the crystal, get a projection of the wedge-shaped domain on the photosensitive surface of the photomatrix 8 as a bright line on a dark background. By placing the polarizer and the analyzer at an angle of 90 ° to each other, a reverse image is obtained (a dark line on a light background). You can use a simple optical system, such as a lens, to magnify the image by placing it between the analyzer, the rum and the photomatrix.

В преобразователе механических величин за счет использовани сегнетоэластика с клиновидньп1 доменом в качестве чувствитель()ого э.аемента увеличена чувствительмость более чем на пор док.In the converter of mechanical quantities, due to the use of a ferroelastic with a wediform domain as a sensitivity (), the sensitivity has been increased by more than an order of magnitude.

//

. N . N

Фиг, 2FIG 2

Claims

MECHANICAL VALUE CONVERTER containing a light source and a polarizer installed along the beam, a ferroelastic sensor, an analyzer and a photodetector, characterized in that, in order to increase sensitivity, the ferroelastic sensor is made in the form of a single domain of one orientation state.

2. The Converter according to claim 1, characterized in that the sensing element is made of a bismuth vanadate crystal, while the optical radiation is directed along the second-order axis, which is perpendicular to the specified direction of action g of the force that is directed; at an angle of 45 ° to the main crystallographic axis lying in the plane of symmetry SU., „1091036

Figure 1