SU1649315A1 - Photoelastic measuring transducer - Google Patents
Photoelastic measuring transducer Download PDFInfo
- Publication number
- SU1649315A1 SU1649315A1 SU894685022A SU4685022A SU1649315A1 SU 1649315 A1 SU1649315 A1 SU 1649315A1 SU 894685022 A SU894685022 A SU 894685022A SU 4685022 A SU4685022 A SU 4685022A SU 1649315 A1 SU1649315 A1 SU 1649315A1
- Authority
- SU
- USSR - Soviet Union
- Prior art keywords
- output
- prism
- photoelastic
- face
- faces
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени усилий, деформаций, давлений и ускорений. Целью изобретени вл етс повышение надежности и упрощение конструкций. Фотоупругий измерительный преобразователь содержит фотоупругий чувствительный элемент в виде призмы, входна грань которой оптически соединена с источником излучени , а выходна - с фотоэлектрическим приемником, выход которого электрически соединен с усилительно-регистрирующим блоком, причем входна и выходна грани призмы фотоупругого чувствительного элемента образованы плоскост ми , срезающими диагональные вершины основани призмы под углом Брюстера к плоскости основани , а оптические оси излучени , вводимого во входную грань и выводимого из выходной грани, нормальны к плоскост м этих граней. 6 ил ID (ЛThe invention relates to a measurement technique and can be used to measure forces, strains, pressures, and accelerations. The aim of the invention is to improve the reliability and simplification of structures. The photoelastic measuring transducer contains a photoelastic sensing element in the form of a prism, the entrance face of which is optically connected to a radiation source, and the output one to a photoelectric receiver, the output of which is electrically connected to an amplifier recording unit, with the input and output faces of the prism of the photoelastic sensing element formed by planes the diagonal vertices of the prism base at the Brewster angle to the base plane, and the optical axes of the radiation introduced into the input g earlier and output from the output face, are normal to the planes of these faces. 6 or ID (L
Description
О5 ЈъО5 Јъ
Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени усилий, деформаций, давлений и ускорений .The invention relates to a measurement technique and can be used to measure forces, strains, pressures, and accelerations.
Цель изобретени - повышение надежности и упрощение конструкции.The purpose of the invention is to increase reliability and simplify the design.
На фиг. 1 показан фотоупругий измерительный преобразователь, общий вид; на фиг. 2 - диагональное сечение чувствительного элемента; на фиг. 3 - эквивалентна оптическа схема устройства; на фиг. 4 - диагональное сечение призмы с четвертьволновой пластиной; на фиг. 5 - фотоупругий измерительный преобразователь с четвертьволновой пластиной, общий вид; на фиг. 6 - эквивалентна оптическа FIG. 1 shows a photoelastic measuring transducer, general view; in fig. 2 - diagonal section of the sensing element; in fig. 3 - equivalent optical design of the device; in fig. 4 is a diagonal section of a prism with a quarter-wave plate; in fig. 5 - photoelastic measuring transducer with a quarter-wave plate, general view; in fig. 6 is equivalent to optical
схема преобразовател с четвертьволновой пластиной.quarter-wave plate converter circuit.
Фотоупругий чувствительный преобразователь (фиг. 1) содержит источник 1 излучени , световод 2, чувствительный элемент 3 с входной 4 и выходной 5 гран ми, воспринимающий световод 6, фотоэлектрический приемник 7, усилительно-регистрирующий блок 8.The photoelastic sensing transducer (Fig. 1) contains a radiation source 1, a light guide 2, a sensing element 3 with an input 4 and an output 5 edges, a sensing light guide 6, a photoelectric receiver 7, an amplifier-recording unit 8.
На фиг. 1 покачана плоскость Р. срезающа вершину основани призмы под углом Брюстера ф5.FIG. 1 the plane P. is rocked. Cutting the top of the base of the prism at the Brewster angle f5.
Диагональное сечение (фиг. 2) совпадает с плоскостью распространени светового потока, причем в точках A,B,C,D,E происходит многократное отражение пот. угломThe diagonal section (Fig. 2) coincides with the plane of propagation of the luminous flux, and at the points A, B, C, D, E there is repeated reflection of perspiration. by the corner
СО 01CO 01
Брюстера к плоскости основани призмы. Эквивалентна оптическа схема устройства, приведенна на фиг. 3, представл ет собой последовательное соединение идентичных пол рископов с параллельными пол ризаторами , причем роль пол ризатора играет область отражени светового луча от одной из граней основани (на фиг. 2, точки A,B,C,D,E), а фотоупругим элементом на эквивалентной схеме вл етс отрезок чувствительного элемента по пути распространени света между двум отражени ми от противоположных оснований: АВ, ВС, CD, DE.Brewster to the base plane of the prism. The equivalent optical design of the device shown in FIG. 3, is a series connection of identical risk fields with parallel polarizers, the role of a polarizer being played by the area of reflection of the light beam from one of the base faces (in Fig. 2, points A, B, C, D, E), and by a photoelastic element on the equivalent circuit, the sensitive element is cut along the path of light propagation between two reflections from opposite bases: AB, BC, CD, DE.
На фиг. 4 изображено диагональное сечение призмы чувствительного элемента, на одном из оснований которой размещена четвертьволнова пластина 9. Пол ризаторами в этом случае вл ютс только области отражени от нижней грани чувствительного элемента (точки AI, С, EI).FIG. Figure 4 shows a diagonal section of the prism of the sensing element, on one of the bases of which a quarter-wave plate 9 is placed. The polarizers in this case are only the reflection areas from the lower edge of the sensing element (points AI, C, EI).
Фотоупругими элементами на фиг. 6 также , как и в схеме фиг. 3, вл ютс отрезки чувствительного элемента по пути распространени света между двум отражени ми от противоположных граней A|Bi, BiCi, CiDi, D|E|, причем точки Bi и DI (фиг. 4) показаны в виде элементов Я/4.The photoelastic elements in FIG. 6 as in the diagram of FIG. 3, are the segments of the sensing element along the path of light propagation between the two reflections from the opposite faces A | Bi, BiCi, CiDi, D | E |, and the points Bi and DI (Fig. 4) are shown as I / 4 elements.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Свет ат источника 1 (фиг. 1) через излучающий световод 2 попадает на входную плоскость среза 4 призмы 3, проходит оптическую среду призмы и отражаетс от основани призмы в точке А (фиг. 2). Поскольку свет падает на входную плоскость среза нормально, а сама плоскость среза составл ет с плоскостью основани угол Брюстера, то отраженный луч полностью пол ризуетс . При каждом новом отражении в точках B,C,D,E пол ризаци сохран етс . Под действием нагрузки (усилие F, фиг. 1), приложенной к торцовым гран м призмы, линейно пол ризованный свет, проход щий через оптическую среду призмы, в результате фотоупругого эффекта становитс эллиптически пол ризованным. Степень эллиптичности зависит от величины нагрузки. Отразившись последний раз в точке Е (фиг. 2), свет становитс линейно пол ризованным и через выходную полость 5 среза (фиг.П поступает в воспринимающий свет тол ti. по которому подаетс на фотоэлектрический преобразовате ib 7, где преобразуегг в электрический сигнал, пропорциональный действующей нагрузке, а затем усиливаетс и обрабатываетс в усилительно-регистрирующем блоке 8 дл получени информации в необходимой форме.The light at source 1 (Fig. 1) passes through the radiating light guide 2 to the input cut-off plane 4 of the prism 3, passes the optical environment of the prism and reflects from the base of the prism at point A (Fig. 2). Since the light falls on the entrance cut plane normally, and the cut plane itself is the Brewster angle with the base plane, the reflected beam completely polarizes. With each new reflection at points B, C, D, E, the polarization is preserved. Under the action of a load (force F, Fig. 1) applied to the face faces of the prism, the linearly polarized light passing through the optical medium of the prism becomes elliptically polarized as a result of the photoelastic effect. The degree of ellipticity depends on the magnitude of the load. Reflected last time at point E (Fig. 2), the light becomes linearly polarized and through the output cavity 5 of the slice (Fig. P enters the receiving light only ti) through which it is fed to the photoelectric converter ib 7, where it is transformed into an electrical signal proportional to the actual load, and then amplified and processed in the amplifying-recording unit 8 to obtain information in the required form.
Глубина среза вершины основани призмы определ етс конструктивными услови ми ввода и вывода излучени . Например, при использовании световодов с диаметром жгута d,глубина среза по боковой грани h может быть прин таThe cut-off depth of the top of the prism base is determined by the design conditions for the input and output of radiation. For example, when using light guides with a rope diameter d, the cutting depth along the lateral face h can be taken
h l,2d sincpgh l, 2d sincpg
d:d:
00
Основани призмы должны иметь преимущественно квадратную форму, что вызваноThe prism bases should be predominantly square, which is caused by
следующими соображени ми. В квадратной призме диагональна плоскость расположена под углом 45° к боковым гран м.The following considerations. In a square prism, a diagonal plane is located at an angle of 45 ° to the lateral faces m.
Под действием измер емого усили , приложенного под углом 45° к плоскости падени света, свет распадаетс на две ортогональные моды, направление пол ризации которых составл ет угол 45° с направлением пол ризации, задаваемым пол ризаторами A,B,C,D,E (фиг. 2). Эти две моды вследствие фотоупругого эффекта распростран ютс вUnder the action of a measured force applied at an angle of 45 ° to the plane of incidence of light, the light falls into two orthogonal modes, the polarization direction of which is an angle of 45 ° with the polarization direction specified by polarizers A, B, C, D, E ( Fig. 2). Due to the photoelastic effect, these two modes propagate in
фотоупругой среде с разными скорост ми, что .риводит к накоплению разности фаз между цими. Как известно, интенсивность света, прошедшего через фотоупругую mac- тину, зажатую между двум параллельно ориентированными пол ризаторами, определ етс выражениемphotoelastic medium with different velocities, which leads to the accumulation of the phase difference between qimi. As is known, the intensity of light transmitted through a photoelastic articom, clamped between two parallel oriented polarizers, is determined by the expression
:Kx :iocosJ-Ј-, с: Kx: iocosJ-Ј-, s
(2)(2)
где Г - фазовый сдвиг, накопленный двум световыми модами в фотоупругой пластине. Дл оптически изотропной среды фазовый сдвиг задаетс выражениемwhere Γ is the phase shift accumulated by two light modes in the photoelastic plate. For an optically isotropic medium, the phase shift is given by
(дц-qi2)Ep,3(ds-qi2) Ep, 3
А где п о - показатель преломлени ;Where p o is the index of refraction;
qn nqi2- пьезооптические посто нные;qn nqi2- piezo-optic constants;
0- внешние механические напр жени ; л - длина волны света;0- external mechanical stresses; l is the wavelength of light;
1--рассто ние, которое проходит свет между двум отражени ми .1 is the distance that light travels between two reflections.
Из выражени (2) следует, что интенсивность света, прошедшего через систему (фиг. 1-3), определ етс выражениемFrom expression (2) it follows that the intensity of the light passing through the system (Fig. 1-3) is determined by the expression
г, гg, g
Если внешнее воздействие Г мало и можно прин ть- Г| ., то выражение (4) принимает видIf the external influence of F is small and it is possible to accept - G | ., the expression (4) takes the form
%(1-С1±Г +Гз±Г)(5)% (1-C1 ± G + Gz ± G) (5)
При малых Г квадратична зависимость 3 (Г) определ ет сравнительно невысокую чувствительность. В то же врем выражение (4) имеет участок, близкий к линейной зависимости П(Г), на котором чувствительность к малым внешним воздействи м намного выше. Обычно выход на линейный участок О (Г) осуществл ют, помеща между пол ризаторами фазовую пластину К/4 илиFor small Γ, the quadratic dependence 3 (Γ) determines a relatively low sensitivity. At the same time, expression (4) has an area close to the linear dependence P (D), in which the sensitivity to small external influences is much higher. Usually, the output to the linear section O (H) is carried out by placing a phase plate K / 4 or
3/4Я.3/4 I
В данной ситуации такой случай реализуетс в конструкции фиг. 1, если дополнительно приложить внешнюю посто ннуюIn this situation, such a case is realized in the construction of FIG. 1, if additionally enclosed is an external constant
-,-, ft2 До fl9 / U , .-, -, ft2 To fl9 / U,.
:)ыч-tloCOS- - COS -COS2 --COS--f (4:) Cty-tloCOS- - COS -COS2 --COS-f (4
нагрузку или разместить фазовую пластину Я,/4 или 3/4Х, (фиг. 5). На боковую грань чувствительного элемента по линии, соедин ющей срезанные грани, например 4 и 5, приклеиваетс пластина А./4 или 3/4А,, вы- полненна из двупреломл ющего кристалла, собственные моды которого пол ризованы под углом 45° к плоскости падени света. Дл чувствительного элемента с пластиной Х/4 при посто нной нагрузке, дающей фазовый сдвиг л/2, интенсивность на выходе из грани 5 чувствительного элемента 3 выражаетс следующим образом:load or place the phase plate I, / 4 or 3 / 4X, (Fig. 5). An A. / 4 or 3 / 4A ,, plate made of a birefringent crystal, whose eigenmodes are polarized at an angle of 45 ° to the plane of incidence, is glued to the side face of the sensing element along the line connecting the cut edges. Sveta. For a sensing element with an X / 4 plate at a constant load giving a phase shift of l / 2, the intensity at the exit from face 5 of sensing element 3 is expressed as follows:
г л.hl
г,+тg + t
Звых 30С052Sound 30С052
Г -1-ЯG -1-I
)cos2(r2+z)x) cos2 (r2 + z) x
((
l±i)cos2(l± Z2l ± i) cos2 (l ± Z2
TLTl
(6)(6)
которое эквивалентноwhich is equivalent to
(±) ((±) (
I-sirjUix 11-sinF24I-sirjUix 11-sinF24
y rl- sinlV X(-g- Кy rl-sinlV X (-g- K
При малых измер емых механических воздействи х выражение (7) принимает видFor small measurable mechanical effects, expression (7) takes the form
I-П -Г2-Г3-Г4,I-P-G2-G3-G4,
J в ы : J /J in s: J /
(8)(eight)
В случае, если посто нна нагрузка вызывает фазовый сдвиг 3/4Х. или поставлена фазова пластина 3/4Х., то, в частности, вместо выражени (8) имеемIn case a constant load causes a 3 / 4X phase shift. or a 3 / 4X phase plate is installed, then, in particular, instead of expression (8) we have
70(l±Il±§±l5±Il).(9)70 (l ± Il ± § ± l5 ± Il). (9)
CjCj
Кроме того, чувствительность предлагаемого преобразовател зависит от направлени приложени силы в плоскости основа- 35 срезающими диагональные вершины оснони чувствительного элемента.In addition, the sensitivity of the proposed converter depends on the direction of application of force in the plane of the base 35 cutting off the diagonal vertices of the osnoni of the sensitive element.
Когда сила совпадает с линией, соедин ющей срезанные грани, например 4 и 5 на фиг. 2, пол ризаци одной из собственных световых мод совпадает с пол ризацией,When the force coincides with the line connecting the cut edges, for example 4 and 5 in FIG. 2, the polarization of one of its own light modes coincides with the polarization,
задаваемой пол ризатором, и действие силы не создает в фотоупругой среде двулуче- преломлени , так как в ней распростран етс только одна эта мода. Поэтому интенсивность света в описываемой системе не зависит от приложенной указанным способом силы. Максимальна чувствительность элемента достигаетс дл направлени приложени силы, показанного на фиг. 1. Если направление приложени силы составл ет угол ф с оптимальным направлением и лежит в плоскости основани , чувствительность задаетс выражениемspecified by the polarizer, and the action of force does not create a birefringence in the photoelastic medium, since only this one mode propagates in it. Therefore, the intensity of light in the described system does not depend on the force applied by the indicated method. The maximum sensitivity of the element is achieved to direct the application of the force shown in fig. 1. If the direction of application of the force is an angle φ with the optimal direction and lies in the plane of the base, the sensitivity is given by
,reos2 p,, reos2 p,
;ю);Yu)
где Копт - чувствительность дл направлени приложени силы, показанного на фиг. 1.where Copt is the sensitivity to direct the application of the force shown in FIG. one.
В предложенном фотоупругом измерительном преобразователе отсутствуют пол ризационные элементы в виде пленок, призм и т.п.In the proposed photoelastic measuring transducer there are no polarization elements in the form of films, prisms, etc.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU894685022A SU1649315A1 (en) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | Photoelastic measuring transducer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU894685022A SU1649315A1 (en) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | Photoelastic measuring transducer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SU1649315A1 true SU1649315A1 (en) | 1991-05-15 |
Family
ID=21444626
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU894685022A SU1649315A1 (en) | 1989-04-26 | 1989-04-26 | Photoelastic measuring transducer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
SU (1) | SU1649315A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015080620A1 (en) * | 2013-11-29 | 2015-06-04 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Фирма Подий" | Photoelastic element |
-
1989
- 1989-04-26 SU SU894685022A patent/SU1649315A1/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР № 1273755, кл. G 01 L 1/34, 1985. Фотоупругий виброизмерительный преобразователь.- Контрольно-измерительна техника. ЭЙ, 1988, № 3, с. 11 - 15. Савельев В. И. Курс общей физики. Т. 2, М.: Наука, 1978, с. 423. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015080620A1 (en) * | 2013-11-29 | 2015-06-04 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Фирма Подий" | Photoelastic element |
RU2552128C1 (en) * | 2013-11-29 | 2015-06-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Photoelastic element |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5113131A (en) | Voltage measuring device having electro-optic sensor and compensator | |
US4740081A (en) | Optical measuring apparatus | |
EP0321252B1 (en) | Optical fiber sensor | |
US5694205A (en) | Birefringent-biased sensor having temperature compensation | |
CA2148310A1 (en) | Method and device for the optical determination of a physical quantity | |
US4309110A (en) | Method and apparatus for measuring the quantities which characterize the optical properties of substances | |
US4970385A (en) | Temperature measuring device utilizing birefringence in photoelectric element | |
US4920261A (en) | Birefringent optical fiber device for measuring of ambient pressure in a stabilized temperature environment | |
US5255068A (en) | Fringe pattern analysis of a birefringent modified spectrum to determine environmental temperature | |
JP2001349872A (en) | Magnetic sensor | |
US5561522A (en) | Integrated birefringent-biased pressure and temperature sensor system | |
US5589931A (en) | System to determine environmental pressure and birefringent-biased cladded optical sensor for use therein | |
SU1649315A1 (en) | Photoelastic measuring transducer | |
US4668085A (en) | Photo-elastic sensor | |
JPS59166873A (en) | Optical applied voltage and electric field sensor | |
US3438710A (en) | Optical sign detector | |
JPS5899761A (en) | Electric field/magnetic field measuring apparatus with light | |
JPH0639341Y2 (en) | Optical electric field detector | |
JP2993082B2 (en) | Integrated optical interferometer | |
JP2722500B2 (en) | Acousto-optic light switch | |
JPS6135321A (en) | Optical sensor | |
JPS59119334A (en) | Pressure sensor | |
SU1052894A1 (en) | Piezooptical pressure converter | |
SU383406A1 (en) | Piezo optic dynamometer | |
SU1104399A1 (en) | Medium refraction index measuring method |