WO2016163902A1 - Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций - Google Patents
Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016163902A1 WO2016163902A1 PCT/RU2015/000220 RU2015000220W WO2016163902A1 WO 2016163902 A1 WO2016163902 A1 WO 2016163902A1 RU 2015000220 W RU2015000220 W RU 2015000220W WO 2016163902 A1 WO2016163902 A1 WO 2016163902A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- photoelastic element
- photoelastic
- element according
- piezoelectric transducer
- inner part
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 8
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 7
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 7
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 6
- 238000007689 inspection Methods 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 19
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 6
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 5
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 4
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 4
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 3
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 206010010214 Compression fracture Diseases 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229920006335 epoxy glue Polymers 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
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
Definitions
- the invention relates to instrumentation, in particular for measuring deformations (stresses) in various structures by means of piezoelectric transducers, and can be used in construction, transport, industrial production, and instrumentation.
- piezoelectric sensors are used for precision strain measurements, which have the highest sensitivity compared to others, for example, with strain gauge sensors.
- the operation of the piezo-optical sensor is based on the photoelasticity effect (piezo-optical effect), which consists in the fact that anisotropic mechanical stresses in almost any material lead to an anisotropic change in the refractive index of birefringence. This leads to a change in the angle of polarization of light when passing through such a material.
- piezoelectric transducers that convert the magnitude of the change in the angle of polarization into an electrical signal proportional to the magnitude of the strain or stress.
- the piezoelectric transducer consists of optically coupled: an LED, a polarizer, a phase plate, a photoelastic element, an analyzer, and a photodetector (US No. 4,777,358; US No. 4,648,274; US No. 4,970,385; US No. 6,219,139; US No. 8,887,577; US No. 6,055,053) )
- Traditional methods of measuring deformations the design of photoelastic elements and piezoelectric sensors are designed to measure one of the types of existing deformations: either compression-tensile deformation, or bending deformation, or torsion deformation. Based on the characteristics of each type of deformation, the corresponding designs of photoelastic elements and load elements are selected. Load the element is designed to transmit the deformation of the controlled object to the photoelastic element (PV) of the piezoelectric transducer.
- PV photoelastic element
- the photoelastic element is a sleeve made of a photoelastic material covering part of a rotating shaft (US No. 6.948.381; US No. 7,458,277). It is rigidly fixed to the surface of the shaft, which ensures the transfer of deformations arising on the shaft to the photoelastic material.
- a signal arises, which is further analyzed by the signal processing system. This system is designed to measure torsion strains that occur during shaft operation.
- a photoelastic element is known in the form of a cylinder, a truncated cone (US No. 8,887,577) or having a cross shape (PCT / RU2014 / 000767 dated 10/14/2014, priority date 11/29/2013 )
- the photoelastic element is initially compressed in two mutually perpendicular directions, which ensures its operation, both in compression and in tension, as well as temperature compensation of the signal when the temperature of the controlled object changes.
- the design of the load elements in these sensors is designed to transmit strain to the photoelastic element in two mutually perpendicular directions lying in a plane perpendicular to the optical axis of the piezoelectric transducer.
- the disadvantages of the described methods of measuring strains is that the existing design of the strain gauges allows you to measure either strains that occur along one selected axis, or in two mutually perpendicular directions, or torsion strains.
- These sensors do not allow equally effective measurement of compressive-tensile, bending, and torsional strains that occur in a controlled object in an arbitrary direction.
- the objective of the invention is to create such a form of a photoelastic element, the design of a piezoelectric transducer and a method for measuring deformations of any kind (compression-tension, bending, torsion) that occur in a controlled object in any direction.
- EFFECT increased sensitivity and accuracy of measurements, expansion of the field of application of strain gauges.
- the known photoelastic element of the piezoelectric transducer has a star-shaped plan with an unlimited number of rays with a single center, and the surfaces of the photoelastic element perpendicular to the optical axis of the piezoelectric transducer are made plane-parallel, and the side surfaces of the photoelastic element either flat, or have a constant and / or variable radius of curvature.
- the ratio of the linear size of the photoelastic element, in the plane perpendicular to the optical axis of the transducer, to its thickness, as shown by estimates, should lie within 2 + 5.
- the surfaces of the ends of the rays can be flat, either form a cylindrical surface, or can have a spherically convex or spherically concave shape .
- the photoelastic element can consist of two conjugated parts, an internal part and an external one.
- the inner part can have either a cylindrical shape, or, as described above, a star-shaped shape, while 5 the surfaces of the ends of the rays of the stars form a cylindrical surface, and the outer part has the shape of a ring whose inner diameter is not less than the outer diameter of the inner part of the photoelastic element.
- the outer part of the photoelastic element can be made of material that is capable of elastic deformation and has a coefficient of thermal expansion close to the corresponding coefficient of the material of the inner part of the photoelastic element. Moreover, the outer part of the photoelastic element has a given stiffness depending on the range of measured strains and the design of the load element. 15 The stiffness of the ring should provide stresses in the photoelastic element arising from the application of the measured load below the threshold of brittle fracture or plastic deformation of the material from which the photoelastic element is made. The stiffness of the outer part is determined by the formula (1):
- K the stiffness of the outer part in the direction of the applied force
- F the applied force
- Ax th is the threshold strain of fracture or plastic deformation of the material of the inner part of the photoelastic element
- E is the Young's modulus of the inner part of the photoelastic element
- the inner and outer parts of the photoelastic element can have the same or different heights depending on the design of the load element.
- the inner diameter of the outer part of the photoelastic element may exceed the outer diameter of the inner part by a predetermined amount.
- the gap between the surfaces of the ends of the inner part and the outer part is filled with a binder that provides uniform, rigid conjugation of the parts, for example, silicate glue or epoxy-based glue.
- the inner part of the photoelastic element can be made of fused silica, which has a high threshold for compression fracture, which provides a high dynamic range of strain measurements and the reliability of the transducer.
- the processing technology of fused silica is well developed, which reduces the cost of the strain gauge design.
- the outer part of the photoelastic element can be made of Invar, since its coefficient of thermal expansion is close to quartz and Invar has the necessary elastic properties.
- spherical stops of a given diameter are placed on the plane perpendicular to the optical axis of the piezoelectric transducer and opposite the ends of the rays of the inner part of the photoelastic element.
- mounting sockets can be made in which the spherical stops are placed.
- Spherical stops are made of a material capable of elastic deformation with a given threshold of plastic deformation.
- the height of the latter should correspond to the diameter of the spherical stops or differ from it within no more than 50%.
- cylindrical stops can be used, the axes of which are parallel to the optical axis of the piezoelectric transducer.
- the outer part of the photoelastic element may be a ball or roller bearing, while the inner diameter of the bearing is not less than the outer diameter of the inner part of the photoelastic element.
- a possible gap between the inner part of the photoelastic element and the bearing may be filled with a binder to ensure uniformity and stiffness of contact, for example, silicate glue or epoxy-based glue.
- the outer diameter of the latter either coincides with the inner diameter of the bearing, or is less than the specified diameter of the bearing.
- a solid binder such as silicate glue or epoxy glue, can be used.
- the height of the bearing and the inner part of the photoelastic element may coincide or differ by a predetermined value depending on the design of the load element.
- the rigidity of the inner and outer rings of the bearing is selected depending on the range of measured strains and design load element.
- the stiffness of the rings should provide stresses in the photoelastic element arising from the application of the measured load below the threshold of brittle fracture or plastic deformation of the material from which the photoelastic element is made. The stiffness is calculated by the formula (1).
- the attachment points of the elements of the latter can be placed in the gaps between the side surfaces of the photoelastic element without going beyond the dimensions of the outer diameter of the photoelastic element, thus minimizing the transverse size of the piezoelectric transducer.
- the body of the piezoelectric transducer including the photoelastic element, can have a transverse dimension smaller than the diameter of the photoelastic element, so that the ends of the beams of the photoelastic element protrude beyond the dimensions of the housing through special holes. This allows you to use a piezoelectric transducer with a housing of the same design with load elements of various designs, depending on the type of object being monitored and the method of mounting the load element.
- the star-shaped shape of the photoelastic element provides a measure of the strain that occurs in any direction in a plane perpendicular to the optical axis of the piezoelectric transducer.
- a photoelastic element consisting of two parts, external and internal, in which the external part is made of a material capable of elastic deformation, provides a uniform distribution of the external load on the end face of the photoelastic element when the use of spherical or cylindrical stops, which reduces the likelihood of chipping of its ends and increases the dynamic range of the measured strains.
- spherical stops in conjunction with the outer part of the photoelastic element provides an effective transformation of deformations of any kind (compression, bending, and torsion) arising in the controlled object in an arbitrary direction into strains lying in a plane perpendicular to the optical axis of the piezoelectric transducer, which ensures their effective measurement by a piezoelectric transducer.
- the use of the own case of the piezoelectric transducer allows, firstly, to ensure reliable fixation of the elements of the piezoelectric transducer relative to its optical axis, and secondly, to use the same transducer in combination with load elements of various designs in depending on the method of their installation on a controlled object.
- the piezoelectric transducer becomes an independent device, the design of which does not depend on the type of load element, which expands the scope of this device.
- FIG. 1-21 The design of the inventive strain gauge Converter is illustrated in FIG. 1-21, where:
- FIG. Figure 1 shows an example of a photoelastic element (PV), which in plan has a star-shaped shape (pos. 1), whose side surfaces (pos. 2) have a variable radius of curvature, and the end surfaces (pos. 3) form a cylindrical surface.
- PV photoelastic element
- FIG. Figure 2 shows an example of a photoelastic element consisting of two parts - internal (item 1) and external (item 5).
- the inner part is star-shaped and made of optically transparent material, and the outer part is made in the form of a ring.
- the outer diameter of the inner part and the inner diameter of the outer part coincide or differ by a predetermined amount.
- the gap between the parts in the region of the ends of the star can be filled with a hardening binder, ensuring contact uniformity (item 6).
- FIG. Figure 3 shows an example of the placement of spherical stops (pos. 7) along the periphery of a photoelastic element consisting of two parts. Spherical stops are located opposite the ends of the beams for the most efficient transfer of deformations to the inner part of the photoelastic element (item 1). Instead of spherical stops, cylindrical stops can be used, the axes of which are parallel to the optical axis of the piezoelectric transducer.
- FIG. Figure 4 shows an example of a photoelastic element, in the outer part of which, opposite the ends of the rays of the inner part, mounting sockets (pos. 8) are made for a fixed fit of the spherical stops.
- FIG. 5 shows an example of a photoelastic element, the outer part of which is either a ball or roller bearing (key 9).
- FIG. Figure 6 shows an example of a photoelastic element, the outer part of which is either a ball or roller bearing (key 9), and the inner part is made in the form of a cylinder (key 1).
- FIG. 7 shows an example of fixing the elements of a piezoelectric transducer using the gap between the beams of a star-shaped photoelastic element (item 4).
- Bearing elements (pos. 10) according to the number of gaps, form a frame in which the light source (pos. 1 1), a polarizer (pos. 12), a phase plate (according to 13), a photoelastic element (pos. 1), an analyzer ( pos. 14), photodetector (pos. 15).
- the use of a common frame allows for reliable fixation of all elements of the transducer relative to its optical axis (key 16).
- the frame is located in the housing (pos. 17), the transverse dimension of which in the plane perpendicular to its optical axis does not exceed the diameter of the photoelastic element, the ends of which (pos. 3) protrude beyond the dimensions of the housing through specially made holes (pos. 18).
- FIG. Figure 8 shows an example of securing a photoelastic element in a load element (key 19) using the adjusting screws (key 20) located opposite each of the spherical stops (key 7).
- the screws may have mounting sockets at their end for fixing the spherical stops (key 21).
- FIG. Figure 9 shows an example of fixing a photoelastic element in a load element in the form of a collet clamp (key 19).
- FIG. Figure 10 shows an example of fixing a photoelastic element in a load element of a combined form - a collet clamp (key 19) with screws (key 20).
- a device for measuring deformations comprising a piezoelectric transducer housing with a photoelastic element housed in it, which is fixed in the load element, operates as follows.
- the photoelastic element is fixed in the load element mounted on the controlled object in the initially compressed state, for example, using a collet or screw clamp.
- Deformations are transmitted to the photoelastic element by means of spherical stops that transform the measured deformations into deformations lying in a plane perpendicular to the optical axis of the piezoelectric transducer, which leads to additional compression (+ ⁇ ) or extension (- ⁇ ) of the photoelastic element.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, может быть использовано для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством пьезооптических преобразователей. Устройство для измерения деформаций содержит корпус пьезооптического преобразователя с размещенным в нем фотоупругим элементом, который закреплен на контролируемом объекте с помощью нагрузочного элемента посредством сферических упоров. Поверхности фотоупругого элемента перпендикулярные оптической оси выполнены оптически плоскими, а боковые поверхности имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны. Фотоупругий элемент имеет в плане звездообразную форму с неограниченным количеством лучей с единым центром, что обеспечивает измерение деформации, возникающей в любом направлении в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя.
Description
УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ
ДЕФОРМАЦИЙ
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством пьезооптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.
Известно, что для прецизионного измерения деформаций используются пьезооптические датчики, которые обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например, с тензорезистивными датчиками. В основе работы пьезооптического датчика лежит эффект фотоупругости (пьезооптический эффект), который заключается в том, что 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. Пьезооптический преобразователь состоит из оптически связанных: светодиода, поляризатора, фазовой пластины, фотоупругого элемента, анализатора и фотоприемника (US No. 4,777,358; US No. 4,648,274; US No. 4,970,385; US No. 6,219,139; US No. 8,887,577; US No. 6,055,053). Традиционные методы измерений деформаций, конструкции фотоупругих элементов и пьезооптических датчиков предназначены для измерения одного из видов существующих деформаций: либо деформации сжатия- растяжения, либо деформации изгиба, либо деформации кручения. Исходя из особенностей каждого вида деформаций, выбираются соответствующие конструкции фотоупругих элементов и нагрузочных элементов. Нагрузочный
элемент предназначен для передачи деформации контролируемого объекта на фотоупругий элемент (ФЭ) пьезооптического преобразователя.
Для измерения деформаций кручения известна конструкция, в которой фотоупругий элемент представляет собой втулку из фотоупругого материала, охватывающую часть вращающегося вала (US No. 6.948.381 ; US No. 7,458,277). Он жестко закреплён на поверхности вала, что обеспечивает передачу деформаций, возникающих на валу, на фотоупругий материал. В результате возникающих напряжений в фотоупругом материале в оптической системе, в которую встроен фотоупругий элемент, возникает сигнал, который далее анализируется системой обработки сигнала. Данная система предназначена для измерения деформаций кручения, возникающих при работе вала.
Для измерения одноосных деформаций сжатия известны фотоупругие элементы в форме параллелепипеда (US No. 4,002,934). В данных датчиках конструкция нагрузочного элемента выбирается такой, чтобы обеспечивать однородную нагрузку на одну из граней фотоупругого элемента в направлении, перпендикулярном оптической оси пьезооптического преобразователя.
Для измерения напряжений сжатия-растяжения, возникающих в двух взаимно перпендикулярных направлениях, известен фотоупругий элемент в виде цилиндра, усеченного конуса (US No. 8,887,577) или имеющего крестообразную форму (PCT/RU2014/000767 от 14.10.2014, дата приоритета от 29.11.2013). В данных конструкциях фотоупругий элемент изначально сжат в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что обеспечивает его работу, как на сжатие, так и на растяжение, а также температурную компенсацию сигнала при изменении температуры контролируемого объекта. Конструкция нагрузочных элементов в данных датчиках предназначена для передачи деформации на фотоупругий элемент в двух взаимно перпендикулярных направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя.
Недостатками описанных способов измерения деформаций является то, что существующие конструкции датчиков деформации позволяют измерять либо деформации, возникающие по одной выделенной оси, либо в двух взаимно перпендикулярных направлениях, либо деформации кручения. Данные датчики не позволяют одинаково эффективно измерять деформации сжатия-растяжения, изгиба и кручения, возникающие в контролируемом объекте в произвольном направлении.
Задача изобретения заключается в создании такой формы фотоупругого элемента, конструкции пьезооптического преобразователя и способа измерения деформаций любого вида (сжатия-растяжения, изгиба, кручения), возникающих в контролируемом объекте в любом направлении.
Технический результат - повышение чувствительности и точности измерений, расширение области применения датчиков деформации.
Поставленная задача решена за счет того, что известный фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя, согласно изобретению, имеет в плане звездообразную форму с неограниченным количеством лучей с единым центром, причем поверхности фотоупругого элемента, перпендикулярные оптической оси пьезооптического преобразователя, выполнены плоскопараллельными, а боковые поверхности фотоупругого элемента - либо плоскими, либо имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны.
Отношение линейного размера фотоупругого элемента, в плоскости перпендикулярной оптической оси преобразователя, к его толщине, как показали оценки, должно лежать в пределах 2 + 5. Поверхности торцов лучей могут быть плоскими, либо образовывать цилиндрическую поверхность, либо могут иметь сферически выпуклую или сферически вогнутую форму.
Для повышения динамического диапазона измеряемых деформаций фотоупругий элемент может состоять из двух сопряженных частей, внутренней части и внешней. Внутренняя часть может иметь либо цилиндрическую форму, либо, описанную выше, звездообразную форму, при 5 этом поверхности торцов лучей звезды образуют цилиндрическую поверхность, а внешняя часть имеет форму кольца, внутренний диаметр которого не меньше внешнего диаметра внутренней части фотоупругого элемента.
Внешняя часть фотоупругого элемента может быть выполнена из ю материала, способного к упругой деформации и имеющего коэффициент температурного расширения, близкий к соответствующему коэффициенту материала внутренней части фотоупругого элемента. При этом, внешняя часть фотоупругого элемента имеет заданную жесткость в зависимости от диапазона измеряемых деформаций и конструкции нагрузочного элемента. 15 Жесткость кольца должна обеспечивать напряжения в фотоупругом элементе, возникающие при приложении измеряемой нагрузки, ниже порога хрупкого разрушения или пластической деформации материала, из которого изготовлен фотоупругий элемент. Жесткость внешней части определяется по формуле (1):
20 К = F/Axth= C F€/(athD), (1 ) где К - жесткость внешней части в направлении прилагаемой силы, F - прилагаемая сила, Axth - пороговая деформация разрушения или пластической деформации материала внутренней части фотоупругого элемента, Е - модуль Юнга внутренней части фотоупругого элемента, σί/7 -
25 порог разрушении или пластической деформации материала внутренней части фотоупругого элемента, D - линейный размер внутренней части фотоупругого элемента в направлении прилагаемой силы, С - коэффициент запаса прочности, который определяет, во сколько раз напряжения, возникающие во внутренней части фотоупругого элемента, меньше зо порогового значения.
Внутренняя и внешняя части фотоупругого элемента могут иметь одинаковую или разную высоту в зависимости от конструкции нагрузочного элемента.
Внутренний диаметр внешней части фотоупругого элемента может превышать внешний диаметр внутренней части на заданную величину. В этом случае промежуток между поверхностями торцов внутренней части и внешней частью заполняется связующим веществом, обеспечивающим однородное жесткое сопряжение частей, например силикатным клеем или клеем на основе эпоксидной смолы. Внутренняя часть фотоупругого элемента может быть выполнена из плавленого кварца, обладающего 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.
Внешняя часть фотоупругого элемента может быть выполнена из инвара, так как его коэффициент температурного расширения близок к кварцу и инвар обладает необходимыми упругими свойствами.
Для передачи измеряемой деформации любого вида (сжатие-растяжение, изгиб, кручение) на фотоупругий элемент по внешней поверхности внешней части фотоупругого элемента в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя и напротив торцов лучей внутренней части фотоупругого элемента, размещают сферические упоры заданного диаметра. Для фиксации сферических упоров относительно лучей фотоупругого элемента, на внешней поверхности внешней части фотоупругого элемента могут быть выполнены установочные гнезда, в которых размещаются сферические упоры.
б
Сферические упоры изготавливаются из материала, способного к упругой деформации с заданным порогом пластической деформации.
Для наиболее эффективной передачи деформации с нагрузочного элемента на фотоупругий элемент, высота последнего должна соответствовать диаметру сферических упоров или отличаться от него в пределах не более 50%.
Вместо сферических упоров могут использоваться цилиндрические упоры, оси которых параллельны оптической оси пьезооптического преобразователя. Внешняя часть фотоупругого элемента может представлять собой шариковый или роликовый подшипник, при этом внутренний диаметр подшипника не меньше внешнего диаметра внутренней части фотоупругого элемента. Возможный зазор между внутренней частью фотоупругого элемента и подшипником может быть заполнен связующим веществом, обеспечивающим однородность и жесткость контакта, например силикатным клеем или клеем на основе эпоксидной смолы.
При использовании подшипника в качестве внешней части фотоупругого элемента и внутренней части - в виде цилиндра, внешний диаметр последнего либо совпадает с внутренним диаметром подшипника, либо меньше внутреннего диаметра подшипника на заданную величину. Для обеспечения надежного контакта между частями может быть использовано твердое связующее вещество, например силикатный клей или клей на основе эпоксидной смолы.
Высота подшипника и внутренней части фотоупругого элемента могут совпадать или отличаться на заданную величину в зависимости от конструкции нагрузочного элемента.
Жесткость внутреннего и внешнего кольца подшипника выбирается в зависимости от диапазона измеряемых деформаций и конструкции
нагрузочного элемента. Жесткость колец должна обеспечивать напряжения в фотоупругом элементе, возникающие при приложении измеряемой нагрузки, ниже порога хрупкого разрушения или пластической деформации материала, из которого изготовлен фотоупругий элемент. Жесткость рассчитывается по формуле (1).
При размещении фотоупругого элемента в пьезооптическом преобразователе, узлы крепления элементов последнего могут быть размещены в промежутках между боковыми поверхностями фотоупругого элемента, не выходя за габариты внешнего диаметра фотоупругого элемента, таким образом, достигается минимизация поперечного размера пьезооптического преобразователя. При этом, чем больше этих промежутков, или другими словами, чем больше лучей в фотоупругом элементе, тем проще обеспечить жесткость размещения элементов пьезооптического преобразователя относительно его оптической оси. Корпус пьезооптического преобразователя, включающего фотоупругий элемент, может иметь поперечный размер меньше диаметра фотоупругого элемента, таким образом, чтобы торцы лучей фотоупругого элемента выступали за габариты корпуса через специальные отверстия. Это позволяет использовать пьезооптический преобразователь с корпусом одной конструкции с нагрузочными элементами различных конструкций, в зависимости от вида контролируемого объекта и способа монтажа нагрузочного элемента.
Звездообразная форма фотоупругого элемента обеспечивает измерение деформации, возникающей в любом направлении в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя.
Использование фотоупругого элемента, состоящего из двух частей, внешней и внутренней, в котором внешняя часть выполнена из материала, способного к упругой деформации, обеспечивает равномерное распределение внешней нагрузки на торец фотоупругого элемента при
использовании сферических или цилиндрических упоров, что уменьшает вероятность скалывания его торцов и увеличивает динамический диапазон измеряемых деформаций.
Использование твердого связующего вещества в промежутке между внутренней и внешней частями фотоупругого элемента обеспечивает однородность контакта между ними.
Использование сферических упоров в совокупности с внешней частью фотоупругого элемента обеспечивает эффективное преобразования деформаций любого вида (сжатия, изгиба и кручения), возникающих в контролируемом объекте в произвольном направлении, в деформации, лежащие в плоскости, перпендикулярной к оптической оси пьезооптического преобразователя, что обеспечивает их эффективное измерение пьезооптическим преобразователем.
Использование собственного корпуса пьезооптического преобразователя, с поперечным размером не больше диаметра фотоупругого элемента, позволяет, во-первых, обеспечить надежную фиксацию элементов пьезооптического преобразователя относительно его оптической оси, во- вторых, использовать один и тот же преобразователь в комбинации с нагрузочными элементами различных конструкций в зависимости от способа их монтажа на контролируемом объекте. В данном случае пьезооптический преобразователь становится самостоятельным устройством, конструкция которого не зависит от вида нагрузочного элемента, что расширяет область применения этого устройства.
Конструкция заявляемого тензометрического преобразователя поясняется Фиг. 1-21 , где:
1 - внутренняя часть фотоупругого элемента,
2 - боковые поверхности фотоупругого элемента,
3 - торцы лучей фотоупругого элемента,
4 - промежутки между боковыми поверхностями фотоупругого элемента,
5— внешняя часть фотоупругого элемента,
6 - связующее вещество,
7 - сферические упоры,
8 - установочные гнезда для сферических упоров,
9 - шариковый или роликовый подшипник,
10 - несущие элементы пьезооптического преобразователя,
11 - источник света,
12 - поляризатор,
13 - фазовая пластина,
14 - анализатор,
15 - фотодетектор,
16 - оптическая ось пьезооптического преобразователя,
17 - корпус пьезооптического преобразователя,
18 - отверстия в корпусе пьезооптического преобразователя,
19 - нагрузочный элемент,
20 - регулировочные винты,
21 - установочные гнезда в винтах для фиксации сферических упоров.
На Фиг. 1 показан пример фотоупругого элемента (ФЭ), который в плане имеет звездообразную форму (поз.1), боковые поверхности которого (поз.2) имеют переменный радиус кривизны, а поверхности торцов (поз.З) образую цилиндрическую поверхность. Данная конструкция ФЭ имеет ряд существенных преимуществ. Во-первых, такая форма ФЭ позволяет
измерять деформации, возникающие в любом направлении в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя. Во- вторых, как показали расчеты, такая форма приводит к увеличению напряжения Δσ = σχ - σγ, в центральной части ФЭ по сравнению с круглым ФЭ при одинаковой внешней нагрузке. Увеличение напряжений происходит именно в той части ФЭ, где проходит световой пучок поляризованного света преобразователя. То есть, такая форма ФЭ приводит к увеличению эффективности преобразователя. В-третьих, данная форма ФЭ позволяет разместить узлы крепления элементов пьезооптического преобразователя в промежутках между боковыми поверхностями ФЭ (поз.4), не выходя за габариты внешнего диаметра ФЭ. Таким образом, поперечный размер пьезооптического преобразователя не будет превышать диаметр ФЭ, что позволяет использовать пьезооптический преобразователь в собственном корпусе с нагрузочными элементами различной конструкции. На Фиг. 2 показан пример фотоупругого элемента, состоящего из двух частей - внутренней (поз.1 ) и внешней (поз.5). Внутренняя часть имеет звездообразную форму и выполнена из оптически прозрачного материала, а внешняя часть выполнена в виде кольца. Внешний диаметр внутренней части, и внутренний диаметр внешней части совпадают или отличаются на заданную величину. Зазор между частями в области торцов звезды может быть заполнен отвердевающим связующим веществом, обеспечивающим однородность контакта (поз.6).
На Фиг. 3 показан пример размещения сферических упоров (поз.7) по периферии фотоупругого элемента, состоящего из двух частей. Сферические упоры располагаются напротив торцов лучей для наиболее эффективной передачи деформаций на внутреннюю часть фотоупругого элемента (поз.1). Вместо сферических упоров могут использоваться цилиндрические упоры, оси которых параллельны оптической оси пьезооптического преобразователя.
На Фиг. 4 показан пример фотоупругого элемента, во внешней части которого напротив торцов лучей внутренней части выполнены установочные гнезда (поз.8) для фиксированной посадки сферических упоров.
На Фиг. 5 показан пример фотоупругого элемента, внешняя часть которого представляет собой либо шариковый, либо роликовый подшипник (поз.9).
На Фиг. 6 показан пример фотоупругого элемента, внешняя часть которого представляет собой либо шариковый, либо роликовый подшипник (поз.9), а внутренняя часть выполнена в виде цилиндра (поз.1 ).
На Фиг. 7 показан пример закрепления элементов пьезооптического преобразователя с использованием промежутка между лучами звездообразного фотоупругого элемента (поз.4). Несущие элементы (поз.10) по числу промежутков образуют каркас, в котором располагаются источник света (поз.1 1), поляризатор (поз.12), фазовая пластина (по.13), фотоупругий элемент (поз.1), анализатор (поз.14), фотодетектор (поз.15). Использование общего каркаса позволяет обеспечить надежную фиксацию всех элементов преобразователя относительно его оптической оси (поз.16). Каркас располагается в корпусе (поз.17), поперечный размер которого в плоскости, перпендикулярной его оптической оси не превышает диаметр фотоупругого элемента, торцы которого (поз.З) выступают за габариты корпуса через специально выполненные отверстия (поз.18).
На Фиг. 8 показан пример закрепления фотоупругого элемента в нагрузочном элементе (поз.19) с помощью регулировочных винтов (поз.20), расположенных напротив каждого из сферических упоров (поз.7). Винты могут иметь на своем конце посадочные гнезда для фиксации сферических упоров (поз.21).
На Фиг. 9 показан пример закрепления фотоупругого элемента в нагрузочном элементе в виде цангового зажима (поз.19).
На Фиг. 10 показан пример закрепления фотоупругого элемента в нагрузочном элементе комбинированного вида - цангового зажима (поз.19) с винтами (поз.20).
Устройство для измерения деформаций, содержащее корпус пьезооптического преобразователя с размещенным в нем фотоупругим элементом, который закреплен в нагрузочном элементе, работает следующим образом.
Для измерения деформаций фотоупругий элемент закрепляют в нагрузочном элементе, смонтированном на контролируемом объекте, в изначально сжатом состоянии, например, с помощью цангового или винтового зажима.
Для измерения деформаций, лежащих в одной плоскости (сжатия - растяжения) может использоваться фотоупругий элемент, изображенный на фиг. 1 , 2. Для измерения деформаций любого типа (сжатия-растяжения, изгиба, кручения), возникающих в произвольном направлении, используется фотоупругий элемент, показанный на фиг. 3, 4. Деформации передаются на фотоупругий элемент посредством сферических упоров, которые преобразуют измеряемые деформации в деформации, лежащие в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя, что приводит к дополнительному сжатию (+ σ) или растяжению (- σ) фотоупругого элемента. В результате в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз +Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент, что приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника пьезооптического преобразователя, который регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала.
Claims
1. Устройство для измерения деформаций, содержащее корпус пьезооптического преобразователя с размещенным в нем фотоупругим 5 элементом, который закреплен в нагрузочном элементе, отличающийся тем, что, корпус пьезооптического преобразователя выполнен с возможностью его использования в различных видах нагрузочных элементов, а нагрузочный элемент выполнен с возможностью обеспечивать требуемое изначальное сжатие фотоупругого элемента, ю
2. Устройство для измерения деформаций по п.1 , отличающееся тем, что поперечный размер корпуса пьезооптического преобразователя в плоскости, перпендикулярной его оптической оси, не превышает поперечный размер фотоупругого элемента.
3. Устройство для измерения деформаций по п.1 , отличающееся тем, что 15 нагрузочный элемент снабжен винтами для закрепления фотоупругого элемента.
4. Устройство для измерения деформаций по п.1 , отличающееся тем, что нагрузочный элемент выполнен в виде цангового зажима для закрепления фотоупругого элемента.
20 5. Устройство для измерения деформаций по п.4, отличающееся тем, что нагрузочный элемент снабжен регулировочными винтами.
6. Фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя, поверхности которого, перпендикулярные оптической оси пьезооптического преобразователя, выполнены оптически плоскими, а боковые
25 поверхности имеют постоянный и/или переменный радиус кривизны, отличающийся тем, что имеет в плане звездообразную форму с неограниченным количеством лучей с единым центром.
7. Фотоупругий элемент по п. 6, отличающийся тем, что боковые поверхности фотоупругого элемента выполнены плоскими.
30 8. Фотоупругий элемент по п. 6, отличающийся тем, что поверхности торцов лучей выполнены плоскими.
9. Фотоупругий элемент по п. 6, отличающийся тем, что поверхности торцов лучей образуют цилиндрическую поверхность.
10. Фотоупругий элемент по п. 6, отличающийся тем, что поверхности торцов лучей имею сферически выпуклую или сферически вогнутую форму.
5 11. Фотоупругий элемент по п. 6, отличающийся тем, что изначально сжат в направлениях, соответствующих направлениям лучей фотоупругого элемента.
12. Фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя, отличающийся тем, что состоит из двух сопряженных частей - внутренней части и ю внешней, причем внутренняя часть имеет звездообразную форму с неограниченным количеством лучей с единым центром, а поверхности торцов лучей звезды образуют цилиндрическую поверхность, при этом внешняя часть имеет форму кольца с заданной жесткостью.
13. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что отношение 15 линейного размера фотоупругого элемента, в плоскости перпендикулярной оптической оси преобразователя, к его толщине, лежит в пределах 2 + 5.
14. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его внутренняя часть имеет цилиндрическую форму.
20 15. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что внутренний диаметр его внешней части совпадает с внешним диаметром внутренней части фотоупругого элемента.
16. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что внутренний диаметр его внешней части превышает внешний диаметр внутренней
25 части фотоупругого элемента на заданную величину, при этом промежуток между внутренней и внешней частями заполнен твердым связующим веществом.
17. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что поверхности внутренней части фотоупругого элемента, перпендикулярные оптической зо оси пьезооптического преобразователя, являются плоскопараллельными.
18. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что боковые поверхности его внутренней части выполнены плоскими.
19. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что боковые поверхности его внутренней части имеют постоянный и/или переменный
5 радиус кривизны.
20. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его внутренняя и внешняя части выполнены из материалов с близким коэффициентом температурного расширения.
21. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его внутренняя и ю · внешняя и части совпадают по высоте.
22. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его внутренняя и внешняя и части отличаются по высоте на заданную величину.
23. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что с внешней стороны его внешней части в зоне торцов лучей его внутренней части
15 размещены сферические упоры заданного диаметра.
24. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его толщина отличается от диаметра сферических упоров не более чем на 50%.
25. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что в его внешней части напротив торцов лучей внутренней части выполнены установочные
20 гнезда для сферических упоров заданного диаметра.
26. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что с внешней стороны его внешней части в зоне торцов лучей внутренней части размещены цилиндрические упоры заданного диаметра и длины, оси которых параллельны оптической оси пьезооптического
25 преобразователя.
27. Фотоупругий элемент по п. 26, отличающийся тем, что длина цилиндрических упоров совпадает с высотой внешней части фотоупругого элемента.
28. Фотоупругий элемент по п. 26, отличающийся тем, что длина зо цилиндрических упоров и высота внешней части фотоупругого элемента отличаются на заданную величину.
O 2016/163902
16
29. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его внешняя часть представляет собой шариковый подшипник с заданной жесткостью его внутреннего и внешнего колец.
30. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что его внешняя часть представляет собой роликовый подшипник с заданной жесткостью его внутреннего и внешнего колец.
31. Фотоупругий элемент, по п. 29 или 30, отличающийся тем, что внешний диаметр его внутренней части меньше внутреннего диаметра подшипника на заданную величину и зазор между внутренней частью и внутренней поверхностью подшипника заполнен твердым связующим веществом.
32. Фотоупругий элемент по п. 12, отличающийся тем, что он изначально сжат в направлениях, соответствующих направлениям лучей внутренней части фотоупругого элемента.
33. Способ измерения комбинированных деформаций, возникающих в произвольном направлении в контролируемом объекте, заключающийся в том, что деформации передаются на фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя, закрепленный на контролируемом объекте с помощью нагрузочного элемента, посредством сферических упоров, которые преобразуют деформации произвольного вида и направления в деформации, лежащие в плоскости, перпендикулярной оптической оси пьезооптического преобразователя, что приводит к дополнительному сжатию или растяжению фотоупругого элемента, в результате чего в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент, которая приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника пьезооптического преобразователя, который регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2015/000220 WO2016163902A1 (ru) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2015/000220 WO2016163902A1 (ru) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2016163902A1 true WO2016163902A1 (ru) | 2016-10-13 |
Family
ID=57072713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2015/000220 WO2016163902A1 (ru) | 2015-04-08 | 2015-04-08 | Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2016163902A1 (ru) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2530467C1 (ru) * | 2013-07-09 | 2014-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Тензометрический датчик |
| RU2530466C1 (ru) * | 2013-07-09 | 2014-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Тензометрический преобразователь |
-
2015
- 2015-04-08 WO PCT/RU2015/000220 patent/WO2016163902A1/ru active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
| RU2530467C1 (ru) * | 2013-07-09 | 2014-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Тензометрический датчик |
| RU2530466C1 (ru) * | 2013-07-09 | 2014-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" | Тензометрический преобразователь |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9417142B2 (en) | Axial force sensor | |
| Zhang et al. | 2-D medium–high frequency fiber Bragg gratings accelerometer | |
| WO2001059420A1 (en) | Methods and apparatus for measuring differential pressure with fiber optic sensor systems | |
| EA004197B1 (ru) | Тензометрический датчик для измерения механических деформаций заклинивания при первоначальной установке и автоматическая калибровка на основе этого заклинивания | |
| JPH01158326A (ja) | 温度測定装置 | |
| US8887577B2 (en) | Tensometric transducer | |
| US7612886B2 (en) | Fiber-optic seismic sensor | |
| Valis et al. | Composite-material-embedded fiber optic Fabry-Perot strain rosette | |
| US20060197012A1 (en) | Shear and pressure/transverse strain fiber grating sensors | |
| Tang et al. | Effectiveness and optimization of fiber Bragg grating sensor as embedded strain sensor | |
| WO2016163902A1 (ru) | Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций | |
| CN105890533A (zh) | 一种材料表面应变光纤光栅反向差动检测传感器件 | |
| CN106595531A (zh) | 一种高精度自温补的光纤光栅转角传感器及其方法 | |
| EP3173752A1 (en) | Transducer with stiffness adjustment | |
| François et al. | An embedded 3d strain tensor sensor based on the eshelby’s inclusion | |
| Davidi et al. | The importance of fiber coating and bonding process in accurate high spatial resolution strain measurements | |
| US5952647A (en) | Force measuring apparatus with optical sensor enabling limitation of eccentricity defects in particular for bathroom scales and method of manufacturing apparatus of this kind | |
| Yuan et al. | Fiber optic differential interferometer | |
| RU2530467C1 (ru) | Тензометрический датчик | |
| RU2530466C1 (ru) | Тензометрический преобразователь | |
| RU2527135C1 (ru) | Датчик разности давлений | |
| Nielsen | Investigation of optical fibers as sensors for condition monitoring of composite materials | |
| Kuttner et al. | Deformation Transducers | |
| RU2552128C1 (ru) | Фотоупругий элемент | |
| CN110940365B (zh) | 一种增大干涉型光纤传感器灵敏度的机械放大结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15888615 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15888615 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |