Способ определения механических напряжений в оптически прозрачных пьезоэлектрических пластинах

Способ определения механических напряжений в оптически прозрачных пьезоэлектрических пластинах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

()956424

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Севе Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 17.12.80 (21) 3223638/18-28 с присоединением заявки— (23) Приоритет— (43) Опубликовано 07.09.82, Бюллетень № 33 (45) Дата опубликования описания 07.09.82 (51)М.Кл. G01В11/16

G01 L 1/24

Государственный комитет

СССР ле делам изобретений и открытий (53) УДК 531.781.2:

:620.171.5 (088.8) ! "-<4Ь1и q

Ф. Ф. Колпаков, В. Я. Баржин, Е. А. Милькевич

О. А. Мещеряков, В. М. Читова и В. Е. Алехин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

НАПРЯ)КЕНИИ В ОПТИЧЕСКИ ПРОЗРАЧНЫХ

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛАСТИНАХ

Р=с d-г, Изобретение относится к технике измерений физико-механических параметров изделий и может быть использовано для определения величины механических напряжений в нагруженных прозрачных материалах и изделиях.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения механических напряжений в оптически прозрачных пьезоэлектрических пластинах, заключающийся в том, что нагружают пьезоэлектрическую пластину, облучают ее монохроматическим линейно-поляризованным световым пучком, измеряют интенсивность прямо проходящей компоненты и по ее величине определяют величину механических напряжений 11).

Такой способ характеризуется недостаточно высокой чувствительностью, а следовательно, и невысокой точностью измерений. Это обусловлено тем, что пьезоэлектрические кристаллы обладают низкими упругооптическим и вторичным к нему электрооптическим эффектами, за счет которых осуществляется получение информации о механических напряжениях.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что при осуществлении способа определения механических напряжений в оптически прозрачных пьезоэлектрических пластинах, заключающегося в том, что нагружают пьезоэлектрическую пластину, облучают ее монохроматическим линейнополяризованным световым пучком, из меряют интенсивность прямо проходящей компоненты и по ее величине ойределяют величину механических напряжений, перед нагружением пластину помещают в

10 жидкий диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью.

Сущность способа состоит в следующем.

При воздействии на пьезоэлектрическую

15 пластину сжимающвго иЛи растягивающего усилия благодаря свойственному пьезоэлектрическим материалам пьезоэффекту на поверхности такой пластины возникают заряды, причем .заряд Р, возникающий в каждой локальной области пластины, пропорционален деформации этой области и равен где r — величина механического напряжения; с — модуль упругости пьезоэлектрика;

d — пьезоэлектрический модуль.

956424

20

Распределение зарядов на поверхности пьезоэлектрической пластины >будет полностью соответствовать картине механических напряжений, возникающих в ней при воздействии усилий.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для реализациями способа.

Устройство содержит сканирующий источник 1 монохроматического линейно-поляризованного светового пучка, сканирующий синхронно с ним приемник 2 светового излучения, распространяющегося нормально к металлическим, прозрачным электродам 3 и 4, которые нанесены на противопложные прозрачные стенки герметично закрывающегося упругой мембраной 5 сосуда 6. Внутри сосуда, содержащего диэлектрическую жидкость 7 с низкой диэлектрической проницаемостью, например сероуглерод, и установленного на жестком основании 8, размещена нагружаемая через мембрану 5 посредством поршня 9 пьезоэлектрическая пластина 10, Облучае>мые стороны ее параллельны прозрачным стенкам сосуда с нанесенными на них электрода,ми 3 и 4.

Способ осуществляется следующим образом.

В определенный, момент времени 4 световой пучок с выхода источника 1 проходит через прозрачные стенки сосуда 6, электроды 3 и 4, диэлектрическую жидкость, а также через помещенную в нее пластину 10 и принимается приемником 2.

Пластину 10 по>мещают между электродами 3 и 4 в сосуд 6, заполненный диэлектрической жидкостью.

Распределение наведенных зарядов на каждом электроде будет повторять картину распределения зарядов на соответствующей стороне пьезоэлектрической пластины. При сканировании светового луча по поверхности пластины 10 между точками выхода пучка из первого электрода 3 и входа в пластину 10, а также между точками выхода этого пучка из этой пластины и входа во второй электрод 4 установятся разности потенпиалов, пропорциональные плотностям поверхностных зарядов, которые возникают на облучаемых сторонах пластины 10 под воздействием возникающих в ней механических напряжений, вызванных ее нагружением. Поскольку при этом пьезоэлектрическая пластина помещена в диэлектрическую жидкость, а электрооптический эффект, свойственный таким жидкостям, на много порядков превышает электрооптический и упругооптяческий эффекты, присущие пьезоэлектрическим материалам, то эффективность модуляции сканирующего светового пучка будет на несколько порядков превышать уровень модуляции в самой пластине 10, т. е. при известных способах определения механических напряжений, Причем, чтобы обеспечить минимальное ослабление модулирующего электрического поля в диэлектрической жидкости, необходимо выбирать жидкость с низкои диэлектрической проницаемостью е, так как между напряженностью

Е прикладываемого к диэлектрику электрического поля и напряженностью Е электрического поЛя внутри диэлектрика существует связь Е = Е!а. При этом напряженность электрического поля между точками входа и выхода светового пучка в сосуде 6 будет определяться концентрацией поверхностных зарядов о; в месте прохождения пучка через поверхность пластины 10 где е — диэлектрическая проницаемость диэлектрической жидкости. Поскольку концентрация зарядов о; в каждой -ой точке пластины .10 непосредственно связана с величиной механических напряжений

r, возникающих в пьезоэлектрической пластине, то напряженность Е; поля мериду каждьгми двумя противолежащими точками электродов 3 и 4 является функцией этих напряжений. В реузльтате для интенсивности прямо проходящей компоненты светового излучения, проходящего через пластину 10 в каждой i-ой точке ее облучаемой поверхности, нолучают

1„; = 4 Ip sillÐ и В, Lto,> (r ) lе) где Ip — интенсивность светового излучения на выходе источника 1;

L — длина пути светового пучка в диэлектрической жидкости;

В,. — электроопти ческая постоянная

Керра диэлектрической жидкости.

Из приведенной зависимости видно, что при сканировании световььм пучком IIQ поверхности нагружаемой пластины 10 все изменения интенсивности прямо проходящей компоненты светового пучка будут соответствовать изменениям плотности o ., поверхностных зарядов, возникающих под воздействием механических напряжений а .значит, содержать информацию о распределении этих механических напряжений в пластине 10. Причем чувствительность и, как следствие, точность измерений при использовании предлагаемого способа будут значительно выше, чем при применении слабо проявляющихся в пьезоэлектриках линейных электроаптического и уяругооптического эффектов.

Использование предлагаемого способа определения механических напряжений в оптически прозрачных пьезоэлектрических

956424

Формула изобретения

Составитель Н. Долгова

Техред В. Рыбакова Корректор Н. Осиповская

Редактор 3. Бородкина

Заказ 872/679 Изд. № 216 Тираж 514 Подписное

НПО «Поиск> Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К 35, Раушская наб., д. 4/5

Тип. Харьк. фил. пред. «Патент» пластинах позволяет повысить точность измерений, что дает возможность .более эффективно осуществлять поиск оптимальных конструкций как самих пьезоэлектрических элементов, так и базирующихся на их использовании пьезоэлектрических резонаторов и чувствительных элементов измерительных преобразователей.

Способ опрвделения механических напряжений в оцтически прозрачных пьезоэлектрических пластинах, заключающийся в том, что нагружают пьезоэлектрическую пластину, облучают ее монохроматическим линейно-поляризованным световым пучком, измеряют интенсивность прямо проходящей компоненты и по ее велинине определяют величину механических напря5 жений, отличающийся твм, что, с целью повышения тонности, перед нагружением пластину помещают В жидкий диэлектрик с низкой диэлектрической проницаемостью.

Источник информации, принятый во внимание при экспертизе:

1. Желудев И. С. Электрические кри15 сталлы. М., «Наука», .1979, с. 145 — 155 (лрототип)