SU1755076A2 - Оптический измеритель давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к приборостроению , может быть использовано дл  измерени  давлени ,  вл етс  усовершенствованием известного от ического измерител  давлени  по а.с. Me 1513377 и позвол ет расширить диапазон измер емого давлени . Оптический измеритель давлени  содержит два взаимно перпендикул рных пол ризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучени  1, 2, двух скрещенных пол ризаторов 3, 4 и 5, 6, установленных между ними в диагональном положении , четвертьволновых фазовых пластинок - переключаемой 7 и неподвижной 8, общего дл  обоих каналов льезоспти- ческого чувствительного элемента 9 и фотоприемиых устройств 10.11. К фотоприемным устройствам каждого канала подключен измерительный прибор 12 со шкалами грубого и точного отсчетов. Чувствительный элемент 9 выполнен из кристалла бастрона. 3 ил., 1 табл. w fc

Description

Риг.1

Изобретение относитс  к приборостроению и может быть использовано дл  измерени  давлени ,

Известен оптический измеритель давлени , содержащий два взаимно перпендикул рных пол ризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучени , двух скрещенных пол ризаторов, четвертьволновой фазовой пластинки, фотоприемного устройства и пьезооптического чувствительного элемента, общего дл  обоих каналов, расположенного в точке пересечени  каналов, снабженный измерительным прибором со шкалами грубого и точного отсчетов, который подключен к фотоприемному устройству каждого канала.

Луч света от источника монохроматического излучени , пройд  пол ризацион- но-оптическую систему, состо щую из скрещенных пол ризаторов и установленных между ними в диагональное положение четвертьволновой фазовой пластинки и чувствительного элемента, модулируетс  по интенсивности в результате фотоупругого взаимодействи  при действии на чувствительный элемент одностороннего давлени . Чувствительный элемент выбираетс  таким образом, чтобы его пьезооптические коэффициенты во взаимно перпендикул рных направлени х просвечивани  отличались между собой по абсолютной величине в не- , сколько раз, причем направлению просвечивани  с большим пьезооптическим коэффициентом соответствует также больша  толщина образца, а четвертьволнова  фазова  пластинка  вл етс  переключаемой .

Недостатком этого устройства  вл етс  малый диапазон измер емого давлени .

Цель изобретени  - расширение диапазона измер емого давлени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в оптическом измерителе давлени , содержащем два взаимно перпендикул рных пол ризационно-оптических канала, каждый из которых состоит из источника монохроматического излучени , двух скрещенных пол ризаторов, четвертьволновой фазовой пластинки, фотоприемного устройства, пьезооптического чувствительного элемента, общего дл  обоих каналов, расположенного в точке пересечени  каналов, выполненного из кристаллов, обладающего различными значени ми пьезооптических коэффициентов , соответствующих направлени м просвечивани  вдоль оптических осей каналов при направлении давлени , перпендикул рном оптическим ос м каналов, и/или с различными толщинами в направлении просвечивани  по оптическим ос м каналов, снабженного измерительным прибором со шкалами грубого и точного отсчетов, подключенного к фотоприемному устройству

каждого канала, и с переключаемой четвертьволновой фазовой пластинкой канала точного отсчета, пьеэооптический чувствительный элемент выполнен из кристалла бастрона BaxSn-xNbaOe.

На фиг.1 приведена принципиальна  схема оптического измерител  давлени ; на фиг.2 - примеры зависимостей относительной интенсивности света от давлени  дл  каналов точного (а) и грубого (б) отсчетов; на

фиг.З - условные шкалы измерительного прибора дл  каналов точного (а) и грубого (б) отсчетов.

Предлагаемый оптический измеритель давлени  (фиг,1) состоит из пол ризационно-оптических каналов точного (Т) и грубого (Г) отсчетов, каждый из которых содержит источник монохроматического излучени  1, 2, скрещенные пол ризаторы 3, 4 и 5, 6, установленные между пол ризаторами 3, 4

и 5, 6 в диагональном положении фазовую пластинку 7, 8 и пьезооптический чувствительный элемент 9 из кристалла бастрона, фотоприемное устройство 10, 11 и измерительный прибор 12, Фазова  пластинка 7 переключаема , фазова  пластинка 8 - неподвижна ,

Оптический измеритель давлени  (фиг.1) работает следующим образом.

Луч света от источника 2 монохроматического излучени , пройд  пол ризацион- но-оптическую систему, состо щую из скрещенных пол ризаторов 4, 6 и установленных между ними в диагональное положение четвертьволновой фазовой

пластинки 8 и чувствительного элемента 9, модулируетс  по интенсивности в результате фотоупругого взаимодействи  при действии на чувствительный элемент 9 одностороннего давлени  Рт. Изменение относительной интенсивности света Ik при действии давлени  Рт происходит по известному закону

50

Ik sin2 -д- д (A nk -dk),

(1)

где 6 (Ank dk) -индуцированна  давлением Рт разность хода;

Ank и dk - двупреломление и толщина чувствительного элемента в направлении просвечивани  к.

Величина 5 (A nk dk) св зана с пьеэо- оптическим коэффициентом зависимостью

d(Ar.k-dk) 4- Вт -dk-P

(2)

где m - направление давлени . Использу  (1) и (2), получим

(TT dk Ptn) (3)

Из формулы (3) следует, что Ik линейно зависит от Рт на линейном участке полуволны зависимости (3), что позвол ет програду- ировать изменение Ik в изменени х Рт.

Чувствительный элемент 9 выбираетс  таким образом, чтобы каналу точного отсчета Т соответствовал больший пьезооптический коэффициент лЈт, а каналу грубого отсчета Г - меньший.

Пор док измерени  Рт по каналам грубого Г и точного Т отсчетов следующий.

В начальный момент четвертьволнова  фазова  пластинка 7 включена. Если при действии Рт интенсивность lr по каналу Г изменитс  от 0 до 1 (фиг.2б), то по каналу Т интенсивность т изменитс  от точки 1 до точки 2 (фиг.2а) - 1-й диапазон измерений, Дальнейшее увеличение Рт приводит к изменению 1т за пределами линейного участка зависимости 1т(Рт). Выключение четвертьволновой фазовой пластинки 7 (фиг.1) из канала Т переводит значение т в начало линейного участка - в точку 1. Тогда при увеличении Рт значение Т снова будет измен тьс  в пределах от 0 до 10 (от точки 1 до точки 2), а значение 1Г - в пределах от 1 до 2 - 2-й диапазон измерений. При дальнейшем увеличении Рт включение фазовой пластинки 7 переводит значение IT на линейный участок зависимости Ir(Pm) в точку 3, значение К будет уменьшатьс  на линейном участке (от точки 3 до точки 4), который проградуирован в возрастающих значени х давлени . Соответственно значение Сбудет измен тьс  в пределах от 2 до 3 (3-й диапазон ). В точке 4 фазова  пластинка 7 выключаетс , интенсивность IT измен етс  до значени  в точке 3, и при дальнейшем увеличении Рт значение Т будет мен тьс  на линейном участке от точки 3 до точки 4 (от 10 до 0), а значение г - от 3 до 4 (4-й диапазон ). Включа  и выключа  фазовую пластинку 7, можно посто нно выводить рабочую точку на линейные участки зависимости ЦРт).

В таблице указаны диапазоны давлени , в пределах которых возрастающее давление измер етс  при увеличении интенсивности 1Т(1, 2, 5, 6, 9, 10,13,14,17,18, 21. 22,25, 26, 29,30, 33, 34,37, 38,41,42,45,

46, 49, 50) - нижн   шкала точного отсчета или при уменьшении IT (3, 4, 7, 8, 11, 12, 15, 16.19, 20, 23, 24, 27.29,31, 32, 35, 36, 39, 40, 43, 44, 47, 48) - верхн   шкала точного отсчета . Прибор точного отсчета снабжен переключателем диапазонов, св занным с фазовой пластинкой 7. Номер диапазона точного отсчета определ етс  по шкале грубого отсчета (фиг.Зб).

Пример сн ти  отсчета. По шкале грубого отсчета (фиг.Зб) стрелка показывает значение давлени  между делени ми 4 и 5. Это соответствует 5-му диапазону шкалы точного отсчета.

Переключателем диапазонов шкалы точного отсчета, который включает или вы ключает фазовую пластинку 7, включаетс  диапазон 5. В этом положении фазова  пластинка 7 включена, интенсивность IT увеличиваетс  при увеличении Рт. По нижней шкале точного отсчета, котора  соответствует диапазону 5. стрелка показывает точное давление 8,6 в пределах этого диапазона. Результат - 48,6 усл.ед, давлени .

Приведем характеристики устройства при использовании в качестве чувствительного элемента кристалла бастрона Bao,4Sro.6Nb206, дл  которого пьезооптические коэффициенты имеют следующие значени : 21. м2/Н (соответствует

каналу точного отсчета) и л§2 0,42 м2/Н (соответствует каналу грубого отсчета.

В конкретном исполнении толщины чувствительного элемента во взаимно перпендикул рных направлени х просвечивани  равны di da м. При этом число полуволн А/2 зависимости МРт), укладывающихс  на полуволновом участке зависимости Ir(Pm), равно

п .,50

Л& d3 Я§2

Дл  оценки диапазона и точности измерени  давлени  запишем известное выражение дл  разностей фаз, индуцированной приложенным внешним давлением в чувствительном элементе

A.d(Ank.dk) dk fm Af

(4)

(Дгъ dk)

dk-flfcn -АР

индуцированна  давлением разность хода; л 180°;

dk - толщина чувствительного элемента а направлении просвечивании k:

ЛЈт - пьезооптический коэффициент;

А - длина световой волны (0,63 мкм).

При реальной точности определени  разности фаз 0,5° точность измерени  давлени  б Рт по каналу точного отсчета

«5Рт -и-ю Н/м2ЯГ ЛТ2 dl

0,17 кг/см2.

(5)

Диапазону измер емого давлени  А Рт по каналу точного отсчета соответствует индуцированна  разность хода А/4 (линейный участок полуволны), соответственно - 45°.

Следовательно

ДРт-дрт ,0 кг/см2. (6)

При этом диапазон измер емого давлени  А Рг дл  оптического канала грубого отсчета в п - 50 раз превышает диапазон Д Рт дл  канала точного отсчета

А Рг - 50 А Рт 750 кг/см2. (7)

Таким образом, данное устройство дает возможность измер ть давление до 750 кг/см с абсолютной точностью. 0,18 кг/см , что соответствует относитег-ь- ной погрешности/3-0,02%.

Дл  сравнени  приведем параметры прототипа: Д Рг « 45 кг/см , погрешность /9-0,06%.

Количество пор дков точного отсчета п можно при необходимости корректировать в нужную сторону соотношением толщин чувствительного элемента di и da. При необходимости п - 100 толщины чувствительного элемента должны отличатьс  в 2 раза, на- пример di - 10-Ю м, . Легко проанализировать, что в этом случае при сохраненном диапазоне давлени  ДРГ - -750 кг/см точность определени  давлени  по каналу точного отсчета будет равна ДРт 0,09атм.

Применение предлагаемого измерител  позвол ет существенно расширить диапазон измер емого давлени  при сохранении высокой точности измерени .

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Оптический измеритель давлени  по авт.св. № 1513377,отличающийс  тем. что, с целью расширени  диапазона измер емого давлени , в нем пьезооптический чувствительный элемент выполнен из кристалла бастрона BaxSn-xNb206.

   fO 9 87654321 О

   i i I i i i

   L tI

   2345076$ 10

   I I I I IjillllMlittllllt LJLltllllJlllltJllliMlllll

   0 S 10 15 2O 25 Jff 35 4O 45 50

   фигЗ