DE2605345B2

DE2605345B2 - Piezooptischer Meßumformer

Info

Publication number: DE2605345B2
Application number: DE2605345A
Authority: DE
Inventors: Georgy Mironovitsch Belitsky; Jury Vasilievitsch Mironov; Vladimir Aleksandrovitsch Schiryaev; Isaak Isaevitsch Slezinger
Original assignee: Moskovskij Gosudarstvennyj Universitet Imeni Mv Lomonosova Moskau
Current assignee: Moskovskij Gosudarstvennyj Universitet Imeni Mv Lomonosova Moskau
Priority date: 1975-02-12
Filing date: 1976-02-11
Publication date: 1979-11-15
Also published as: US4010632A; FR2300994B1; DE2605345A1; DE2605345C3; SU572667A1; FR2300994A1; SE7601527L; SE402489B

Description

Die Erfindung betrifft einen piezooptischen Meßumformer, bei dem eine von der Meßgröße unabhängige Beleuchtungseinrichtung den Ursprung zweier optischer Kanäle festlegt und jeder Kanal einen Polarisator, einen Analysator und ein zwischen Polarisator und Analysator angeordnetes Phasenplättchen aufweist, bei dem außerdem beide Kanäle ein fotoelastisches Element durchsetzen, dessen mechanische Spannung durch die Meßgröße definiert ist, und der ferner eine fotoelektrische Empfangseinheit zum Auswerten der den beiden optischen Kanälen zugeordneten Signale unterschiedlicher Phasenlage enthält.

Ein Meßumformer dieser Art ist Gegenstand des deutschen Patents 25 21 319. Bei diesem Meßumformer wird das Licht einer oder zweier gemeinsam gespeister Lichtquellen auf getrennten Wegen zwei Fotowandlern zugeführt, die jeweils den Eingang von Fotoempfängern bilden, die hinsichtlich der erfaßten Lichtintensitätsänderungen in Gegenphase arbeiten. In das Meßergebnis gehen also die Eigenschaften zweier unterschiedlicher Meßwandler ein, die gegebenenfalls auch unterschiedlichen äußeren Einflüssen unterliegen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezooptischen Meßumformer der eingangs erwähnten

ίο Art so auszubilden, daß er sich bei niedrigem Rauschpegel und stabilem Empfindlichkeilsfaktor durch eine besonders gute Nullpunktstabilität auch gegenüber Temperatureinflüssen auszeichnet

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der beiden optischen Kanäle eine £°parate Lichtquelle besitzt, daß die beiden Lichtquellen durch einen einzigen Rechteckimpulsgenerator alternierend erregbar sind und daß der Eingang der fotoelektrischen Empfangseinheit durch einen einzigen fotoelektrischen Wandler gebildet ist

Im Rahmen der Erfindung wird von der aus der DE-OS 23 35 794 in Verbindung mit einer optoelektrischen Einrichtung anderer Art bekannten Möglichkeit Gebrauch gemacht, einen einzigen fotoelektrischen Wandler zeitlich nacheinander mit zwei verschiedenen gepulsten Lichtstrahlen zu beaufschlagen, um ein davon abgeleitetes elektrisches Ausgangssignal zu gewinnen. Auf diese Weise gelingt es, einen unterschiedlichen. Einfluß des Meßwandlers durch eine Änderung seiner

jn Eigenschaften auf das von zwei Lichtquellen stammende Meßlicht auszuschließen. Der Betrieb dieser beiden Lichtquellen mit Hilfe nur eines einzigen Rechteckimpulsgenerators in zeitlichem Nacheinander sorgt dabei für eine klare Trennung zwischen den beiden Lichtquellen.

In Weiterbildung der Erfindung läßt sich eine noch weitere Verringerung der Zeit- und Temperaturdrift des Nullpunktes erreichen, indem in aus der DE-AS 15 48 747 für eine fotoelektrische Abtasteinrichtung bekannten Weise ein zusätzlicher fotoelektrischer Bezugswandler mit dem Licht der beiden Lichtströme beaufschlagt wird, an den und an d?n Rechteckimpulsgenerator ein phasenempfindlicher Verstärker angeschlossen ist, und die elektrische Verbindung des

jj Rechteckimpulsgenerators mit den Lichtquellen über zwei an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers angeschlossene Stromregler gesteuert wird, wie dies im einzelnen im Patentanspruch 2 angegeben ist.

Die Zeit- und Temperaturstabilität des Empfindlichkeitsfaktors läßt sich gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung, die im Patentanspruch 3 im einzelnen gekennzeichnet ist, noch weiter erhöhen durch eine Kombination eines an den ersten fotoelektri-

Vi sehen Wandler angeschlossenen Tiefpaßfilters mit einem den beiden Lichtquellen gemeinsamen Stromregler, der den Betrieb des Rechteckimpulsgenerators beherrscht.
Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen piezoopti-

W) sehen Meßumformer als Ausgangssignal Wechselstrom auftritt, nimmt der Rauschpegel des Umformers ab, was wiederum den dynamischen Bereich vergrößert. Die Verwendung eines Wechselstrom-Gegenkopplungskreises erhöht die Zeit- und die Temperaturstabilität des

h5 Nullpunktes wesentlich, während es die Verwendung eines Gleichstrom-Gegenkopplungskreises gestattet, den Empfindlichkeitsfaktor zu stabilisieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der

Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines piezooptischen Meßumformers,

F i g. 2 den Strahlenverlauf bei dem Umformer nach Fig. 1,

F i g. 3 ein elektrisches Prinzipschaltbild eines Rechteckimpulsgenerators nach F i g. 1,

Fig.4 ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels für einen piezooptischen Meßumformer,

Fig.5 den Strahlengang bei dem Umformer nach Fig. 4,

F i g. 6 ein elektrisches Prinzipschaltbild eines Umformers nach F i g. 4,

Fig.7a, 7b ZeitdiagraTime zur Wirkungsweise des Umformers nach F i g. 1,

F i g. 8a bis 8j Zeitdiagramme zur Wirkungsweise des Umformers nach F i g. 4.

Der dargestellte piezooptische Meßumformer enthält zwei Lichtquellen 1 und 2 (F i g. 1), deren Lichtströme A bzw B nacheinander in Ausbreitungsrichtung der Lichtströme A, B einen beiden Liehiströmen A, B gemeinsamen Polarisator 3, für jeden L^;chtstrcm einzeln vorgesehene Phasenschiebe-Platten 4 und 5, ein beiden Lichtströmen A, B gemeinsamen Polarisator 3, für jeden Lichtstrom einzeln vorgesehene Phasenschiebe-Platten 4 und 5, ein beiden Lichtströmen A, B gemeinsames, gegen die durch eine Änderung des zu messenden, in eine Kraft N umzuwandelnden Parameters hervorgerufene Änderung mechanischer Spannungen empfindliches elastisches Element 6 und einen beiden Lichtströmen A, B gemeinsamen Analysator 7 durchlaufen und auf einen Fotoumformer bzw. fotoelektrischen Wandler 8 auftreffen, der das auf ihn einfallende Licht in ein elektrisches Signal umformt oder -wandelt, das zu einem Anzeigegerät 9 oder einer Registriereinrichtung gelangt. Der Anzeiger 9 enthält einen phasenempfindlichen Verstärker 10 und ein Anzeige-oder Registriergerät 11.

Der erfindungsgemäße piezooptische Meßumformer enthält auch einen Rechteckimpulsgenerator 12, dessen Ausgänge an die Lichtquellen 1 und 2 so angeschlossen sind, daß die Lichtströme A und B abwechselnd auf dem Fotoumformer 8 auftreffen.

Das elastische Element 6 (Fig. 2) ist als Rechteck-Prisma mit lichtdurchlässigen oder transparenten Flächen 13 und 14 ausgebildet durch die die Lichtströme A und B von den Lichtquellen 1 und 2 hindurchtreten, und ist auf einem festen Lager 15 angeordnet.

Das elastische Element 6 besteht aus einem festen durchsichtigen Werkstoff, wie z. B. aus Silikatglas. Es können auch einige einen wesentlich größeren piezooptischen Effekt und einen größeren Elastizitätsmodul aufweisende Einkristalle verwendet werden, wodurch die Empfindlichkeit und die Eigenfrequenz des Umformers erhöht werden können.

Als Lichtquellen 1 und 2 können beliebige Strahler zum Einsatz gelangen. Am besten sind für diesen Zweck lichtemittierende Halbleiterdioden (Leuchtdioden, LED) geeignet, da sie schwingungsfest sind und kleine Abmessungen aufweisen,

Der Polarisator 3 kann z. B. von dichroitischen Polarisationsfolie gebildet sein, die das durchtretende Licht in ein linear polarisiertes umwandelt. Eine derartige Polarisationsfolie wird Polaroid genannt. Der Analysator 7 hat eine ähnliche Ausführung. Um maximale Empfindlichkeit zu erreichen, bildet die (in der Zeichnung durch einen Doppel-Pfeil angedeutete) Polarisationsebene des Polarisator 3 und des Analysators 7 mit der Richtung der maximalen oder minimalen (mechanischen) Normalspannung im elastischen EIement 6 einen Winkel von ±45°. Da der Spannungszustand in der durchleuchteten Zone als gleichmäßig und einachsig angenommen werden kann, ist die maximale Normalspannung parallel zur Kraft N, während die Polarisationsebenen des Polarisators 3 und des Analysa-

Ki tors 7 im Winkel von 45° zur Richtung dieser Kraft N geneigt sind, in die der zu messende Parameter umgesetzt ist Die Polarisationsebenen des Polarisators 3 und des Analysators 7 sind einander parallel.

Die Phasenschiebe-Platten 4 und 5 bestehen aus einem doppelbrechenden Werkstoff, beispielsweise aus Glimmer. Sie dienen zum Erzeugen einer Ursprungsoder Anfangs-Phasendifferenz, was eine größere Linearität und Empfindlichkeit des piezooptischen Umformers ermöglicht

2ii Die Phasenschiebe-Platten 4 und 5 sind durch eine von ihnen erzeugte Phasendifferenz «o sowie durch Achsen Fder maxiamlen und Achse·. 5der minimalen Geschwindigkeit gekennzeichnet deren richtung in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet ist Als Achse F der

2ϊ maximalen Geschwindigkeit wird die Richtung des Lichtvektors der Welle bezeichnet, deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der jeweiligen Platte maximal ist Analog wird als Achse 5 der minimalen Geschwindigkeit die Richtung des Lichtvektors der Welle

in bezeichnet deren Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der jeweiligen Platte minimal ist. Die Achsen Fund 5 sind bei einer Platte senkrecht zueinander. Die Phasenschiebe-Platten 4 und 5 sind so angeordnet, daß die Achse F der maximalen Fortpflanzungsgeschwindigkeit des

ji Lichtes der Platte 4 senkrecht zur Achse F der maximalen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Platte 5 ist.

Dies bewirkt eine Änderung der Lichtströme A und B bei der Einwirkung des zu messenden Parameters (bzw.

4Ii der Kraft N) auf das elastische Element 0 um einen gleichen Betrag, jedoch mit verschiedenem Vorzeichnen, wodurch bei dem piezooptischen Meßumformer als Ausgangssignal die Differenz der auf den Fotoumformer 8 auftreffenden Lichtströme A und B ausgenutzt

j"> werden kann.

Als Fotoumformer 8 ist eine Siliziumfotodiode und als Anzeigegerät 11 ein Selbstschreiber (bzw. ein Oszillograph) verwendbar.
Der Rechteckimpulsgenerator 12 gemäß Fig. 3 ist

Vi ein bistabiler Multivibrator mit Transistoren 16 und 17. Die Impulsdauer des Generators 12 wird durch den Wert von Widerständen 18, 19 und Kapazitäten 20, 21 bestimmt. Zur Verbesserung der Flankensteilheit der Impulse sind Dioden 22,23 vorgesehen. Widerstände 24

μ urd 2." sorgen für eine Vorspannung der Dioden 22 und 23. An Kollektorwiderstände 26 und 27 sind die Basen von Emitterfolger.ι mit Transistoren 28 und 29 angeschlossen, die zur Anpassung des Multivibrators an Belastungskreise dienen, die an Emitterwiderstände 30

mi und 31 angekoppelt sind. Die Speisung des Rechteckimpulsgenerators 12 erfolgt mittels einer stabilen oder Konstant-Spannung U\,

Zur verringerung der Zeit- und der Temperatür-Driften des Nullpunktes und der Empfindlichkeit kann im

τ. Meßumformer ein fotoelektrischer Referenz- oder Bezugswandler 32 (Fig.4) vorgesehen sein, der unmittelbar hinter dem elastischen Element 6 (F i g. 5) in Ausbreitungsrichtung der Lichtströme A und Bin deren

Strahlengang so angeordnet ist, daß die gleichen Lichtströme auf ihn synchron mit dem Auftreffen auf den Fotoumformer 8 auftreffen.

Im Meßumformer dieses Ausführungsbeispiels sind auch vorgesehen ein phasenempfindlicher Verstärker 33 (F i g. 4), dessen einer Eingang über einen Trennkondensator 34 an den Bezugs-Fotoumformer 32 und dessen zweiter Eingang an einen der Ausgänge des Rechteckimpulsgenerators 12 angeschlossen ist, und zwei individuelle einzelne Stromregler 35 und 36 für jede Lichtquelle 1 und 2, deren einer Eingang jeweils an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 33, deren andere Eingänge an den zweiten Ausgang des Rechteckimpulsgenrators 12 und deren Ausgänge an die Lichtquellen 1 bzw. 2 angeschlossen sind.

Darüber hinaus sind im Meßumformer gemäß F i g. 4 ein an den Fotoumformer 8 angeschlossenes Tiefpaßfilter 37 und ein für die beiden Lichtquellen 1 und 2 gemeinsamer Stromreßler 38 vorgesehen, dessen einer Eingang mit dem Tiefpaßfilter 37 verbunden und dessen Ausgang an den Eingang des Rechteckimpulsgenerators 12 angekoppelt ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel des Meßumformers ist der Fotoumformer 8 an einen der Eingänge des phasenempfindiichen Verstärkers 10 des Anzeigeis 9 über einen Kondensator 39 angeschlossen. Der andere Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers 10 ist an den ersten Ausgang des Rechteckimpulsgenerators 12 angeschaltet.

Widerstände 40 und 41 stellen eine Last für die Fotoumformer 8 bzw. 32 dar.

Die Fotoumformer bzw. fotoelektrischen Wandler 8 und 32 arbeiten im Diodenbetrieb, was durch die Zuführung einer Speisespannung U? gewährleistet wird. Die Stromregler 35,36 und 38 werden durch stabile oder Konstant-Spannungen t/j bzw. Ld gespeist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist als Bezugs-Fotoumformer 32 (Fig. 6) gleichfalls eine Siliziumfotodiode verwendbar.

Der phasenempfindliche Verstärker 33 enthält auch einen Operationsverstärker 42. Ein Widerstand 43 bildet den Rückkopplungskreis des Operationsverstärkers 42. Widerstände 44, 45,46,47 und 48 dienen zur Anpassung der Eingangskreise des Operationsverstärkers 42. Das Ausgangssigna] des Operationsverstärkers 42 ist über einen Trennkondensator 49 an einen Einwegdemodulator angeschlossen, der einen Transformator 50 und Transistoren 51 und 52 aufweist. Als Last des Demodulators wirkt ein Widerstand 53. Der Kondensator 54 wirkt als Filter. Die Bezugsspannung wird in den Demodulator vom Rechteckimpulsgenerator 12 über einen Widerstand 55 von der Sekundärwicklung eines Transformators 56 eingespeist. Der Ausgang des Demodulators ist mit den Eingängen der Stromregler 35 und 36 für die jeweiligen Lichtquellen 1 und 2 gekoppelt

Der einzelne Stromregler 35 der Lichtquelle 1 enthält ebenso wie der phasenempfindliche Verstärker 33 einen Operationsverstärker 42 mit Widerständen 43 bis 47 sowie einen mit einem Transistor 57 aufgebauten Stromverstärker. Ein Widerstand 58 dient zur Begrenzung des Stromflusses über die Lichtquelle 1.

Der einzelne Stromregler 36 der Lichtquelle 2 ist analog dem einzelnen Stromregler 35 aufgebaut, mit der Ausnahme, daß im Stromverstärker ein Transistor 59 vom anderen Leitungstyp verwendet wird Ein Widerstand 60 ist analog dem Widerstand 58 zur Begrenzung des Stromflusses, und zwar dem über die Lichtquelle 2, bestimmt. Die Eingänge der beiden Stromregler 35 und

36 sind an den Ausgang des phasenempfindiichen Verstärkers 33 angeschlossen, und als deren Lasten dienen die Lichtquellen 1 bzw. 2.

Das Tiefpaßfilter 37 ist eine WC-Kette, die einen Widerstand 61 und einen Kondensator 62 enthält. Der Eingang des Tiefpaßfilters 37 ist an den Fotoumformer 8 und der Ausgang an den gemeinsamen Stromregler 38 der beiden Lichtquellen 1 und 2 angeschaltet.

Der ebenso wie der phasenempfindliche Verstärker 33 aufgebaute gemeinsame Stromregler 38 der beiden Lichtquellen 1 und 2 besteht aus einem Operationsverstärker 42 mil Widersländen 43 bis 47 und eiiiuni mit einem Transistor 63 aufgebauten Stromverstärker, als dessen Last ein Widerstand 64 wirkt. Ein Kondensator 65 wirkt als Filier. Der eine Eingang des Operationsverstärkers 42 ist mit dem Tiefpaßfilter 37 gekoppelt, während dem anderen Eingang eine Bezugssp.tnming (Λ zugeführt wird. Ein Widerstand 66 dient zur stufenlosen Regelung der dem Eingang des Operationsverstärkers 42 zugeführten Bezugsspannung I'-,. Der Ausgang des gemeinsamen Stromreglers 38 der Lichtquellen 1 und 2 ist mit dem Rechteckimpuisgcnerator 12 verbunden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Primärwicklung (its Transformators 56 an den Transistor 28 des Generators 12 über einen Kondensator 67 und der Ausfang des Transistors 29 an die Eingänge der Stromregler 35 und 36 über einen Trennkondensator 68 angeschlossen.

Der phasenempfindliche Verstärker 10 des Anzeigers 9. sowohl gemäß F i g. 1 als auch gemäß Fig. 6, ist analog dem phasenempfindiichen Verstärker 33 in F i g. 6 ausgeführt.

Die Wirkungsweise des dargestellten piezooptischen Meßumformers beruht auf der Ausnutzung eines Fotoelastizitätseffektes, der in der Entstehung einer optischen Anisotropie in ursprürglich isotropen Medien oder in einer Änderung der optischen Anisotropie in anisotropen Medien, beispielsweise in Kristallen unter dem Einfluß von im Medium zum Beispiel durch äußere Einwirkungen erzeugten mechanischen Spannungen, besteht. Hierbei ist der Wert der entstandenen optischen Anisotropie oder der ihrer Änderung proportional der mechanischen Spannung im Medium.

Die optische Anisotropie kommt in dem beim piezooptischen Meßumformer verwirklichten Fall durch das Auftreten zweier Brechzahlen n, und n, in zwei zueinander senkrechten Richtungen, die zu den Richtungen der mechanischen Hauptspannungen o^ und σ: im ebenen Spannungszustand des Mediums parallel sind, zum Ausdruck. Der Lichtstrahl teilt si-h in derartigen Medien in zwei polarisierte Lichtstrahlen, nämlich in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Lichtstrahl, deren Polarisationsebenen mit der Richtung der mechanischen Hauptspannungen O\ und Oi zusammenfallen.

Die Änderung der optischen Anisotropie kommt durch eine Änderung der Brechzahlen n_x und n_y und folglich durch eine Änderung der Geschwindigkeits-Differenz der Wellenfronten des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls zum Ausdruck, was zur Entstehung oder Änderung deren Phasendifferenz Aa. beim Austritt aus dem Medium führt (näheres siehe z. B.: M. M. Fracht, »Photoelasticity«, New York, 1941; William A. Shurkliff, »Polarized Light, Production and Use«. Harvard University Press. Cambridee. Massachusetts, 1962).

Der piezooptische Meßumformer arbeitet wie folgt

Bei Ausbleiben des zu messenden Parameters ist die Kraft /V=O; (vgl. F i g. 7a), bei der auf der Abszisse die Zeit fund auf der Ordinate die Kraft /V aufgetragen sind. Die Lichtquellen 1 und 2 (F i g. 1) strahlen abwechselnd oder alternierend, da sie an die verschiedenen Ausgänge des Rechteckimpulsgenerators 12 angeschlossen sind, die Lichtströme A bzw. B aus (vgl. F i g. 7b), bei der auf der Vjszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Intensität Fder Lichtströme A und flaufgetragen sind.

Der Lichtstrom A (Fig. I) von der Lichtquelle 1 m durchläuft den Polarisator 3 und wird liner.r polarisiert. In der Phasenschiebe-Platte 4 wird dieser Lichtstrahl in zwei Strahlen, einen ordentlichen und einen außerordentlichen, mit zueinander senkrechten Polarisationscbenen zerlegt, wobei die Stärke der Platte derart :". gewählt ist, daß die Phasendifferenz <v, dieser Strahlen

.τ/2 Rad oder beträgt, mit A = Licht-Wellenlänge ist.

Anschließend durchläuft Her l.irhturnm A das elastische Element 6, in dem der Lichtstrom keine :n Änderungen erfährt, weil die Kraft N = O ist. Nach dem Durchgang durch den Analysator 7 interferieren der ordentliche und der außerordentliche Strahl, weshalb aul den Fotoumformer 8 ein Lichtstrom bestimmter Intensität (Fr, in Fig. 7b) fällt. Der Lichtstrom ßvon der ;-, Lichtquelle 2 (F i g. 1) geht durch den Analysator 3. die Phasenschiebe-Platte 5, die. ebenso wie die Phasenschiebe-Platte 4. eine , Rad oder^ betragende Phasendifferenz «n des ordentlichen und des außerordentlichen si Strah'~, erzeugt. Da mechanische Spannungen im elastischen Element 6 ausbleiben, wird auch der Betrag des auf den Fotoumformer 8 fallenden Lichtstromes B gleich F(F ig. 7b)sein.

Bei Einwirkung des zu messenden Meßparameters r. tritt die Kraft N (Fig. 1) auf. Im elastischen Element 6 entstehen daher mechanische Spannungen. Mit großer Genauigkeit kann man annähernd den Spannungszustand des elastischen Elements 6 bei einem Druck bzw. Zug als eben gespannt annehmen. Deshalb wird die -tu Richtung der maximalen Spannung o\ mit der Richtung der Kraft Λ/ zusammenfallen, während die Spannung (j; = 0 ist. Da die Achse Fder maximalen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes der Phasenschiebe-Platte 4 mit der Richtung der maximalen mechanischen Span- 4-, nung α-, zusammenfällt und die Achse Fder Phasenschiebe-Platte 5 zur Richtung von σ, senkrecht liegt, wird beim Durchgang des Lichtstromes A durch das gespannte elastische Element 6 zu der durch die Phasenschiebe-Platte 4 erzeugten Phasendifferenz λ₀ in eine gewisse, durch das elastische Element 6 erzeugte Phasendifferenz Δ*χ addiert und wird von der durch die Phasenschiebe-Platte 5 erzeugten Phasendifferenz oo die gleiche Phasendifferenz Δα subtrahiert Infolgedessen wird der Lichtstrom A von der Lichtquelle 1 nach dem Durchgang durch den Analysator 7 und nach der Interferenz des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls ein Inkrement von +AF (Fig. 7b) und der Lichtstrom B von der Lichtquelle 2 (Fig. 1) ein solches von — AF(F i g. 7b) aufweisen. Der auf den Fotoumformer 8 (Fig.7) auftreffende gesamte Lichtstrom wird sich mit der Zeit ändern, und am Ausgang des Fotoumformers 8 wird daher der Wechselanteil des Signals auftreten. Der Wechselanteil wird nach Verstärkung und Demodulation durch den phasenemp-Endlichen Verstärker 10 vom Gerät 11 registriert Der Betrag des Wechselanteils ist zu der an das elastische Element 6 des piezooptischen Umformers angelegten Kraft /Vproportional.

Der piezooptischc Meßumformer gemäß F i g. 4 unterscheidet sich vom Meßumformer gemäß F i g. 1 dadurch, daß die Lichtquellen I und 2 an den Rechteckimpulsgenerator 12 nicht direkt, sondern über die einzelnen Stromregler 35 und 36 (Fig. 6) angeschlossen sind.

Die Rechteckimpulse vom Ausgangstransistor 29 (Fig. 6) des Generators 12 gelangen über den Trennkondensator 68 an die Eingänge der beiden einzelnen Stromrcgler 35 und 36.

Der Operationsverstärker 42 wird bei den Stromreglern 35 und 36 als Folger, d. h. als Stromverstärker (dessen Spannungs-Verstärkerfaktor gleich Eins ist), betrieben.

Von den Verstärkern 42 gelangen die Rechteckimpulse an den Transistor 57 des Reglers 35 bzw. den Transistor 59 des Reglers 36. Die Transistoren dienen

rip« Aijsagncrswirjprctanfjpc

Vprctär-

ker 42 an einen geringen Widerstand der Lichtquellen 1 und 2. An die Basen dieser Transistoren 57 und 59 gelangt zum selben Zeitpunkt ein Rechteckimpuls gleicher Polarität, da aber diese Transistoren 57, 59 entgegengesetzten Leitungstyp haben, sperrt der eine Transistor unter der Wirkung dieses Impulses, während der andere leitet. Dadurch wird ein alternierender oder wechselweiser Betrieb der Lichtquellen 1 und 2 gewährleistet.

Der durch die Instabilität der Lichtquellen 1 und 2 bedingte Ausgleich bzw. Abgleich der Zeit- und der Temperatur-Drift des Nullpunktes wird durch Einführung des zusätzlichen oder Bezugs-Fotoumformers 32 erreicht. Der Bezugs-Fotoumformer 32 wird im Strahlengang der Lichtströme 1 und 2 so angeordnet, daß die Lichtströme 1, 2 auf den Bezugs-Fotoumformer 32 unter Umgehung des Analysators 7, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist, auftreffen. Bei einer derartigen Anordnung des Bezugs-Fotoumformers 32 werden die auf diesen von den Lichtquellen 1 und 2 einfallenden Lichtströme A, B durch den zu messenden Parameter in der die Bauteile 3, 4, 5, 6, 7 einschließenden Polarisationsoptik nicht moduliert und sind nur vom Strahlungsvermögen der Lichtquellen 1 und 2 abhängig.

Das Signal vom Bezugs-Fotoumformer 32 (Fig. 6) wird durch den Operationsverstärker 42 des phasenempfindlichen Verstärkers 33 verstärkt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 42 ist durch die Widerstände 43 und 45 bestimmt. Nach der Verstärkung wird das Signal vom Fotoumformer 32 durch den aus den zwei Transistoren 51 und 52 aufgebauten Einwegdemodulator gleichgerichtet. Die Bezugsspannung wird dem De.Modulator vom Generator 12 über die Sekundärwicklung des Transformators 56 zugeführt. Das gleichgerichtete Signal gelangt an die Eingänge der einzelnen Stromregler 35 und 36 der Lichtquellen 1 und 2, die die Ströme der Lichtquellen 1 und 2 abhängig von der Phase des vom Demodulator kommenden Signals regeln bzw. einstellen.

Fig.8 zeigt die zeitlichen Signalverläufe bei den Bauteilen des Meßumformers gemäß F i g. 4, nämlich

a) des Signals am Ausgang des Rechteckimpulsgenerators 12 und an den einen der Eingänge der einzelnen Stromregler 35 und 36;

b) des Lichtstromes A der Lichtquelle 1;

c) des Lichtstromes B der Lichtquelle 2;

d} des Ausgangssignais der Foioumformer 32 und 8; e) des Signals am Eingang des phasenempfindlichen Verstärkers 33;

f) des Signals am Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers 33 und an den zweiten Eingängen der einzelnen Stromregler 35 und 36;

g) des Stromes der Lichtquelle 1 (Ausgang des einzelnen Stromreglers 35);

h) des Stromes der Lichtquelle 2 (Ausgang des

einzelnen Stromreglers 36);
i) des Signals am Ausgang des Tiefpaßfilters 37 und am Eingar g des gemeinsamen Stromreglers 38;
j) des Signals am Ausgang des gemeinsamen Stromreglers 38 und der Kollektorspannung des Transistors 29 des Generators 12; wobei an der Ordinate in a, d, e, f, i, j die Spannung (U). in b, c der Lichtstrom (F) und in g, h die Stromstärke (I) aufgetragen sind.

Bei gleichem Strahlungsvermögen der Lichtquellen I und 2 (F i g. 6) sind die von jeder Lichtquelle 1 und 2 auf die Fotoumformer 32 und 8 auftreffenden Lichtströme gleich, und am Ausgang der Fotoumformer 32 und 8 bleibt der Wechselanteil des Signals aus, der Gleichanteil wird hierbei gleich U_n (für die Zeit 0 bis t\, F i g. 8d) und das Ausgangssignal des Anzeigers 9 wird Null sein.

Es sei angenommen, daß die Lichtquelle 1 (F i g. 6) ihr Strahlungsvermögen (z. B. infolge einer Temperaturänderung oder mit der Zeit) erhöht hat, während bei der Lichtquelle 2 das Strahlungsvermögen gleich hoch (Zeit i: bis ?2. F i g. 8b, 8c) geblieben ist. Dann erscheint an den Ausgängen der Fotoumformer 32 und 8 ein sich änderndes Signal (Fig. 8d), und am Ausgang des Anzeigers 9 ist das Signal von Null verschieden, und da der einwirkende Parameter (Kraft N = 0) ausbleibt, bildet dieses Signal eine Nullpunktdrift des Umformers. Zur Kompensation der Nullpunktdrift wird das Signal vom Fotoumformer 32 durch den phasenempfindlichen Verstärker 33 (Fig. 6 und 8e, 8f) verstärkt und demoduliert und in die einzelnen Stromregler 35 und 36 (Fig. 6) der Lichtquellen 1 und 2 eingespeist. Der einzelne Stromregler 35 verringert den Strom der Lichtquelle 1 und der einzelne Stromregler 36 vergrößert den Strom der Quelle 1 (Fig. 8g, 8h) so, daß die Lichtströme von den Lichtquellen 1 und 2 ausgeglichen werden. Nachdem die Ströme gleich (Zeit f? bis ?3, Fig. 8g, 8h) geworden sind, bleibt der Wechselanteil am Ausgang der Fotoumformer 32 und 8 aus, und der Pegel des Gleichanteils des Ausgangssignals des Fotoumformers 32 steigt etwas an und ist vom Anfangspegel LO(Fig.8d)verschieden.

Die Lichtströme A, B von den Lichtquellen 1 und 2 (F i g. 6) treffen synchron auf die Fotoumformer 32 und 8, d. h., sie ändern sich mit der Zeit gleich, weshalb beim Ausbleiben eines veränderlichen Signals am Fotoumformer 32 solch ein Signal auch am Fotoumformer 8 fehlt, und da nur der Wechselanteil des Fotoumformers 8 eine Information über den zu messenden Parameter trägt, wird das Ausbleiben dieses Wechselanteils dem Nullpegel des Umformers entsprechen. Das Vorsehen einer (für jede Lichtquelle 1 und 2 getrennten) differenzierenden Rückführung gestattet es also, die Nullpunktdrift des piezooptischen Umformers wesentlich zu vermindern.

Die Empfindlichkeit des piezooptischen Umformers ist proportional zur Größe des Lichtstromes, und da der Strom des Fotoumformers zu dem auf ihn einfallenden Lichtstrom proportional ist, bleibt der Betrag des Empfindlichkeitsfaktors des piezooptischen Umformers bei der Konstanthaltung des Wertes Uo am Fotoumforrner 8 (F i g. 8d) konstant In dem dargestellten piezooptischen Umfotmer kann eine Stabilisier-Schaltung für die Empfindlichkeit des Umformers vorgesehen sein. Diese Schaltung setzt sich aus dem Tiefpaßfilter 37 und dem gemeinsamen Stromregler 38 zusammen und arbeitet wie folgt.

Das Tiefpaßfilter 37, hier eine RC-KeUe, trennt vom Ausgangssignal des Fotoumformers 8 den Mittelwert U ab, woraufhin das Signal zum gemeinsamen Stromregler 38 für die beiden Lichtquellen 1 und 2 gelangt. Dem anderen Eingang dieses Stromreglers 38 wird eine Bezugs-Gleichspannung LA zugeführt. Im Stromregler 38 wird der Mittelwert des vom Fotoumformer 8 kommenden Signals mit dem Wert des Bezugssignals LA verglichen, und abhängig vom Vorzeichen der Ungleichheit zwischen ihnen (LJ — LA) verringert bzw. vergrößert der Stromregler 38 die Speisespannung des Ausgangstransistors 29 des Rechteckimpulsgenerators 12. Dieser Transistor 29 arbeitet im Schalterbetrieb, weshalb die Größe dessen Kollektorspeisung die des an den Eingängen der Slromregler 35 und 36 eintreffende! Signals bestimmt, die ihrerseits die Größe der Ströme über die Lichtquellen I und 2 bestimmen.

Es sei nun die Arbeit des Umformers mit der Stabilisierung der Empfindlichkeit nach dem Zeitpunkt t, (Fig. 8) betrachtet. Wie oben erwähnt, liegt der Mittelpegel oder -wert des Ausgangssignals des Fotoumformers 8 (Fig. 6) nachdem die Lichtquelle 1 (F i p.. 6) ihr Strahlungsvermögen geändert hat und sich die Lichtströme von den beiden Lichtquellen 1 und 2 (Fig. 8d) angeglichen haben, etwas höher als der Anfangspegel LO. An den Eingängen des Operationsverstärkers 42 des Reglers 38 treffen Signale verschiedener Größe ein: Dem einen Eingang wird nach wie vor die Bezugsspannung U--, und dem anderen der Mittelwert Ü der Spannung U vom Fotoumformer 8, die etwas höher als U_n ist, zugeführt. Die Differenz dieser Spannungen U- LA (F i g. 8i) wird durch den Verstärker 42 (F i g. 8j) verstärkt und in den Transistor 63 gespeist, der die Kollektorspannung des Ausgangstransistors 29 des Generators 12 verringert. Die Größe des Ausgangssignals des Generators 12 (Zeit f) bis too. Fig. 8a) nimmt ab.

Das Signal vom Generator 12 (Fig. 6) wird den einzelnen Stromreglern 35 und 36 über den frennkondensator 68 zugeführt, wodurch es bipolar (Fig. 8a) wird. Die positive Halbwelle dieses Signals macht den Transistor 59 leitend und sperrt den Transistor 57, während die negative Halbwelle den Transistor 57 leitend macht und den Transistor 59 sperrt. Die Transistoren arbeiten im Halbschalterbetrieb, d. h., sie sperren bei der einen Halbwelle und arbeiten im Verstärkerbetrieb bei der zweiten Halbwelle, weshalb die Stromgröße der Lichtquellen 1 und 2 durch die Größe des vom Rechteckimpulsgenerators 12 ankommenden Signals der beiden Halbwellen festgelegt wird. Da dieses Signal im vorliegenden Fall abgenommen hat, nehmen auch die Ströme der Lichtquellen 1 und 2 um den gleichen Wert (F i g. 8g, 8h) ab. Als Folge verringern sich die Lichtströme von den Lichtquellen 1 und 2 (F i g. 8b, 8c) und der mittlere Pegel des Ausgangssignals des Fotoumformers 8 (F i g. 8d), wobei angestrebt wird, den Wert der Bezugsspannung Us₁ d. h. den Anfangswert i/o, zu erreichen.

Dadurch wird der Mittelwert des Signals des Fotoumformers 8 konstant gehalten, was zur Stabilisierung der Empfindlichkeit des piezooptischen Meßumformers führt

Es ist zu beachten, daß das Ausgangssignal des Fotoumformers 8 bei Einwirkung des zu messenden

Pa.-ar: :ters tinen Wechselanteil, ebenso wie im Umformer gemäß Fig. 1, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 7 dargestellt ist, enthält. In diesem Fall wird im elastischer Element 6 eine bestimmte Phasendifferenz Διχ erzeugt. Diese Phasendifferenz Δα. wird bei Arbeit der Lichtquelle 1 zu der durch die Phasenschiebe-F'latte 4 erzeugten Phasendifferenz «o addiert und bei Arbeit der Lichtquelle 2 von der durch die Phasenschiebe-Platte 5 erzeugten Phasendifferenz «o subtrahiert, weshalb

die Inkremente der von den Lichtquelien 1 und 2 kommenden l.ichtströme gleichen Betrag und verschiedene Vorzeichen ( + AFund -AF, Fig. 7a) aufweisen, während der Mittelwert des Ausgangssignals bei Einwirkung des zu messenden Parameters unverändert bleibt, weshalb am Eingang des gemeinsamen Stromreglers 38 (F i g. 6) keine Ungleichheit vorliegt und keine Regelung stattfindet.

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Claims

Patentansprüche:

1. Piezooptischer Meßumformer, bei dem eine von der Meßgröße unabhängige Beleuchtungseinrichtung den Ursprung zweier optische·· Kanäle festlegt und jeder Kanal einen Polarisator, einen Analysator und ein zwischen Polarisator und Analysator angeordnetes Phasenplättchen aufweist, bei dem außerdem beide Kanäle ein fotoelastisches Element durchsetzen, dessen mechanische Spannung durch die Meßgröße definiert ist, und der ferner eine fotoelektrische Empfangseinheit zum Auswerten der den beiden optischen Kanälen zugeordneten Signale unterschiedlicher Phasenlage enthält,
dadurch gekennzeichnet,

daß jeder der beiden optischen Kanäle eine separate Lichtquelle (1; 2) besitzt, daß die beiden Lichtquellen (1; 2) durch einen einzigen Rechteckimpulsgenerator (12) alternierend erregbar sind und daß der Eingang der fotoelei'trischen Empfangseinheit durch einen einzigen foiuelektrischen Wandler (8) gebildet ist.

2. Meßumformernach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch

einen fotoelektrischen Bezugswandler (32), der im Strahlengang der Lichtströme (A, B) von der Haupt-Lichtquelle (1) und der zusätzlichen Lichtquelle (2) so angeordnet ist, daü auf ihn synchron mit dem Auf treffen der Lichtströme (A, BJ auf den ersten fotoelektrischen Wandler (8) die gleichen Lichtströme (A, 5^auftreffen,

durch einen Ohasenempfindlichen Verstärker (33), dessen Eingänge an den Bezugswandler (32) bzw. den Rechteckimpulsgonerato- (12) angeschlossen sind, und

durch zwei einzelne Stromregi, · (35, 36) für jede Lichtquelle (1, 2), deren Eingänge an den Ausgang des phasenempfindlichen Verstärkers (33) so angeschlossen sind, daß die elektrische Verbindung des Rechteckimpulsgenerators (12) mil den Lichtquellen (1,2) über die Stromregler (35,36) erfolgt.

3. Meßumformer nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch

ein an den ersten fotoelektrischen Wandler (8/ angeschlossenes Tiefpaßfilter (37) und einen beiden Lichtquellen (1, 2) gemeinsamen Stromregler (38), dessen Eingang mit dem Tiefpaßfilter (37) und dessen Ausgang mit dem Eingang des Rechteckimpulsgenerators (12) verbunden ist.