專利名稱：偏振光檢測和法拉第磁光效應(yīng)的電流一位移比較儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以光學(xué)、電磁學(xué)方法為特征的計量設(shè)備，是一種基于偏振光檢測和法拉第磁光效應(yīng)測量直線位移或角位移的電流—位移比較儀。
背景技術(shù)：
直線位移或角位移是一個基本的物理量，位移傳感器在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中量大而面廣?，F(xiàn)有位移傳感器中應(yīng)用較多的是電位器式位移傳感器，其結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但它屬于典型的接觸式傳感器，壽命、精度、可靠性都偏低。偏振光位移傳感器可以有與電位器式位移傳感器相似的結(jié)構(gòu)，而它的傳感部分則具有非接觸的優(yōu)點。偏振光位移傳感器要解決的一個基本問題是其固有的非線性，它是由光學(xué)上的馬呂斯定律引入的?，F(xiàn)有的技術(shù)方案是在機械部分進(jìn)行預(yù)校正或在電路部分進(jìn)行線性化處理。預(yù)校正的方法造成機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，校正的效果依賴于加工精度。而對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理需要A/D、單片機等裝置，使電路復(fù)雜化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于偏振光檢測和法拉第磁光效應(yīng)的電流—位移比較儀，它運用比較儀工作原理，通過由被控電流引起的法拉第旋光偏振角和被測位移引起的偏振角之間的比較，將工作點始終維持在線性度比較好的選定點，從而減小非線性誤差，提高測量準(zhǔn)確度。
本發(fā)明采取的測量原理是將被測量的直線位移X通過機械結(jié)構(gòu)(線性地)轉(zhuǎn)換為角位移θ，此角位移在偏振光檢測系統(tǒng)中則構(gòu)成了偏振光之起偏器與檢偏器透光軸間的夾角，根據(jù)馬呂斯定律，θ與透過檢偏器的光強J之間具有確定的關(guān)系，即J＝J0COS2θ(1)其中J0為光源光強，同時，用一個可控電流I在鐵芯中產(chǎn)生磁場H，根據(jù)法拉第磁光效應(yīng)，H將引起偏振光偏振面的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為θ′＝kH1 (2)其中k為費爾德常數(shù)，1為光學(xué)介質(zhì)的長度，通過光強檢測信號控制電流I使θ′＝θ在檢測系統(tǒng)為靜態(tài)時始終成立，則在J(θ)曲線上，工作點維持在一個選定點附近，因為此點具有系統(tǒng)可能達(dá)到的高靈敏度和良好線性度，所以不再需要專門處理非線性問題，此時電流I與位移X成正比，通過已有成熟技術(shù)檢測I可實現(xiàn)對X的測量。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，包括由比較放大器、電流驅(qū)動器、電流測量裝置組成的電流控制與計量裝置，它還包括1)機械轉(zhuǎn)換裝置包括兩個半徑分別為R1和R2的圓輪，一個能同時帶動兩圓輪轉(zhuǎn)動的傳動件；2)電磁裝置包括勵磁線圈、鐵芯，繞有勵磁線圈的鐵芯有一個開口氣隙；3)偏振光檢測裝置包括檢偏器、法拉第旋光元件、起偏器、發(fā)光元件和光電接收元件，鐵芯氣隙的兩側(cè)面分別裝有光學(xué)反射元件，起偏器同軸安裝在R1圓輪上，起偏器的一側(cè)裝有光學(xué)反射元件和發(fā)光元件，另一側(cè)裝有法拉第旋光元件，檢偏器同軸安裝在R2圓輪上，法拉第旋光元件的另一側(cè)裝有檢偏器，檢偏器的另一側(cè)裝有光學(xué)反射元件和光電接收元件。
以上的一個能同時帶動兩圓輪轉(zhuǎn)動的傳動件為相嚙合的齒條或摩擦傳動的導(dǎo)條。
本發(fā)明具有的有益效果是1)傳感部分為非接觸的偏振光檢測，運行可靠，使用壽命長；2)引入法拉第磁光效應(yīng)后將工作點固定在線性度比較好的點，從工作原理上解決光學(xué)系統(tǒng)固有的非線性問題，提高了測量準(zhǔn)確度；3)位移—電流比較儀為光、機、電(磁)的結(jié)合體，各部分相對簡單，性能價格比提高。


圖1是光學(xué)上的馬呂斯定律曲線；圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3是本發(fā)明的機械轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，在偏振光檢測系統(tǒng)中，偏振器與檢偏器透光軸之間的夾角θ同透過檢偏器的光強J之間有確定的關(guān)系，即如(1)式所示的馬呂斯定律，當(dāng)將θ預(yù)置45時，可獲得較好的線性工作區(qū)域。
其具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示，被測量位移引起機械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的傳動件3帶動R1圓輪2和R2圓輪4轉(zhuǎn)動，再分別帶動偏振光檢測裝置中的起偏器7與檢偏器5作相同角度的轉(zhuǎn)動，發(fā)光元件10發(fā)出的光束經(jīng)光學(xué)反射元件1分別通過起偏器7、法拉第旋光元件6、檢偏器5和光學(xué)反射元件1到達(dá)光電接收元件11，輸出的光電信號VG接到電流控制與計量裝置中的比較放大器12的輸入端，比較放大器12的另一輸入端接標(biāo)準(zhǔn)參考信號VS，比較放大器12的輸出經(jīng)電流驅(qū)動器13與電磁裝置中繞在鐵芯上的勵磁線圈8相連接后接電流測量裝置14，電流測量裝置由電流計或采樣標(biāo)準(zhǔn)電阻與信號放大器組成，電流計或采樣標(biāo)準(zhǔn)電阻與勵磁線圈相串聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)電阻的一端接信號放大器的輸入端，信號放大器的輸出端為測量系統(tǒng)輸出。
被測量的機械直線位移X以一定的線速度同時帶動半徑為R1和R2的圓輪轉(zhuǎn)動，因半徑差引起兩圓輪之間的一個角度差θ＝(R1-R2)X/(R1R2)(3)而與兩圓輪分別同軸轉(zhuǎn)動的起偏器與檢偏器之間也產(chǎn)生相同的角度差，從而完成了直線位移至角位移的線性轉(zhuǎn)換并通過偏振光檢測系統(tǒng)建立了它們與光強信號之間的聯(lián)系，但如直接以光強或光電檢測信號表達(dá)被測位移，則隨量程擴大，將引入由(1)式規(guī)定的非線性，因此，在本發(fā)明的位移—電流比較儀中，光強經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后得到的電信號VG并不直接用來作為位移的度量，而是作為電流I的控制信號。
勵磁線圈中的受控電流I在鐵芯與氣隙中建立起磁場H，根據(jù)全電流定律有o∫lHdl=∫FeHdl+∫gasHdl=1μ∫FeBdl+μ01μ0∫gasBdl=WI----(4)]]>其中H、B、W分別為場強、磁感應(yīng)強度和線圈匝數(shù)。由于鐵芯磁導(dǎo)率μ＞＞μ0(空氣磁導(dǎo)率)，于是有近似公式μ0BL＝WI(5)這里L(fēng)為鐵芯氣隙寬度，B為氣隙磁感應(yīng)強度平均值。則由(2)與(5)式可知，法拉第磁光效應(yīng)也引進(jìn)一個偏振面旋轉(zhuǎn)角度差，并且它與電流I成比例。當(dāng)位移和電流分別產(chǎn)生的兩個角度差大小相等、方向相反時，偏振面保持在初始工作點不變。這一條件可由光強的檢測得知并由其控制電流來實現(xiàn)，而被測量X將始終與電流I成正比，于是機械位移的測量問題被轉(zhuǎn)變?yōu)槌墒斓碾娏鳒y量問題，并且對整個位移測量量程而言，光電轉(zhuǎn)換都可工作在靈敏度高線性度好的點。
權(quán)利要求
1.偏振光檢測和法拉第磁光效應(yīng)的電流一位移比較儀，包括由比較放大器[12]、電流驅(qū)動器[13]、電流測量裝置[14]組成的電流控制與計量裝置，其特征在于它還包括1)機械轉(zhuǎn)換裝置包括兩個半徑分別為R1和R2的圓輪[2]、[4]，一個能同時帶動圓輪[2]、[4]轉(zhuǎn)動的傳動件[3]；2)電磁裝置包括勵磁線圈[8]、鐵芯[9]，繞有勵磁線圈[8]的鐵芯[9]有一個開口氣隙；3)偏振光檢測裝置包括檢偏器[5]、法拉第旋光元件[6]、起偏器[7]、發(fā)光元件[10]和光電接收元件[11]，鐵芯[9]氣隙的兩側(cè)面分別裝有光學(xué)反射元件[1]，起偏器[7]同軸安裝在R1圓輪[2]上，起偏器[7]的一側(cè)裝有光學(xué)反射元件[1]和發(fā)光元件[10]，另一側(cè)裝有法拉第旋光元件[6]，檢偏器[5]同軸安裝在R2圓輪[4]上，法拉第旋光元件[6]的另一側(cè)裝有檢偏器[5]，檢偏器[5]的另一側(cè)裝有光學(xué)反射元件[1]和光電接收元件[11]。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的偏振光檢測和法拉第磁光效應(yīng)的電流—位移比較儀，其特征在于所說的一個能同時帶動圓輪[2]、[4]轉(zhuǎn)動的傳動件[3]為相嚙合齒條或摩擦傳動的導(dǎo)條。
全文摘要
偏振光檢測和法拉第磁光效應(yīng)的電流—位移比較儀,包括電流控制與計量裝置,機械轉(zhuǎn)換裝置,電磁裝置,偏振光檢測裝置。被測量位移引起機械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的R1圓輪和R2圓輪轉(zhuǎn)動,分別帶動起偏器與檢偏器作相同角度的轉(zhuǎn)動,接收偏振光光強信號的光電接收元件的輸出端連接到電流控制與計量裝置中比較放大器的輸入端,其輸出端接電流驅(qū)動器的輸入端,電流驅(qū)動器與電磁裝置中勵磁線圈相連接后接電流測量裝置。輸出電信號為測量系統(tǒng)輸出。本發(fā)明傳感部分為非接觸的偏振光檢測,運行可靠,使用壽命長;引入法拉第磁光效應(yīng)后將工作點固定在線性度比較好的點,從工作原理上解決光學(xué)系統(tǒng)固有的非線性問題,提高了測量準(zhǔn)確度;該儀器為光、機、電(磁)的結(jié)合體,各部分相對簡單,性能價格比提高。
文檔編號G01N21/21GK1342893SQ0113424
公開日2002年4月3日 申請日期2001年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月29日
發(fā)明者李偉 申請人:浙江大學(xué)