СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ Российский патент 1998 года по МПК G01P3/50 

Изобретение относится к области измерений линейной скорости тел, осуществляющих перемещение тел в пространстве: космическом, воздушном, водном и т. п. - и может быть использовано в тех областях науки и техники, где требуется определение линейной скорости.

Известен способ определения скорости движения тел, основанный на эффекте Доплера, заключающийся в том, что испускается два цуга когерентных волн, один из которых используется в качестве опорного и связанного с условно-неподвижным вещественным телом отсчета, а другой используется в качестве зондирующего, который после отражения от движущегося тела складывается с опорным. После детектирования результата сложения выделяется разностная частота ("доплеровское смещение"), которая является мерой скорости движения тела (см. Физика быстропротекающих процессов. Под ред. Н.А. Златина. - М.: Мир, 1971, с. 383 - 385).

Недостатком данного способа является привязка к условно-неподвижному вещественному телу отсчета и невозможность определения скорости движения тела при отсутствии первого.

Известен также способ измерения линейной скорости движения тела, заключающийся в том, что два когерентных пучка непрерывных электромагнитных волн излучаются навстречу друг другу вдоль одной прямой в вакууме (или в воздухе) с последующим разделением на две составляющих каждого. Две первых составляющих, продолжая распространяться в том же направлении, складываются на полупрозрачной пластинке, создавая интерференционную картину. Две вторые составляющие изменяют свое направление и попадают в замедляющую систему с высоким показателем преломления, ограниченной полупрозрачными пластинами, на которых создаются интерференционные картины. При ускоренном движении тела, с которым связано измерительное устройство, происходит изменение частот колебаний, прошедших через среду с высоким показателем преломления, и изменение частоты колебаний биений электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме (или в воздухе). По разности этих изменений определяют приращение линейной скорости (см. SU, а.с. 1760456, G 01 P 3/36, 1992).

Недостатком данного способа является невозможность определения линейной скорости равномерного движения тела.

Целью настоящего изобретения является расширение технологических возможностей способа путем обеспечения возможности определения линейной скорости равномерного движения тела на перемещениях, меньших четверти длины электромагнитной волн.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в создании стоячей электромагнитной волны двумя направленными навстречу друг другу вдоль одной прямой цугами когерентных электромагнитных волн, поляризованных в одной плоскости, при движении тела вдоль стоячей волны измеряют максимальную интенсивность в какой-либо пучности стоячей волны и далее измеряют время, по истечении которого при перемещении не более чем на λ/4 от точки максимума пучности измеряют интенсивность стоячей волны. После чего линейную скорость определяют по формуле:
v = (λarccos²(I/I₀))/2πΔt,
где
v - линейная скорость движения тела относительно стоячей электромагнитной волны;
λ - длина электромагнитной волны;
I₀ -максимальная интенсивность стоячей электромагнитной волны в пучности;
I - интенсивность стоячей электромагнитной волны по истечении времени Δt.
В предлагаемом способе определение линейной скорости движения тела осуществляется по результатам измерения двух интенсивностей стоячей волны на интервале от максимального значения до нуля, отстоящих друг от друга на расстоянии не более четверти длины электромагнитной волны проходимым телом за некоторое измеряемое время вдоль стоячей волны. Так как стоячая электромагнитная волна в однородном пространстве располагается линейно и распределение интенсивности в пространстве осуществляется однозначно по гармоническому закону, то определение линейной скорости движения тела при его линейном перемещении вдоль стоячей электромагнитной волны предлагаемым способом может быть осуществлено на расстояниях, меньших четверти длины волны как при равномерном, так и ускоренном движении. В то время как в известном способе определение изменения линейной скорости движения тела осуществляется через изменение разности изменения частот: колебаний, прошедших через среду с высоким показателем преломления, и колебаний биений электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме (или в воздухе), - и невозможно определение скорости равномерного движения тела.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит генератор гармонических колебаний 1, выход которого связан с излучателями электромагнитных колебаний 2, испускающих цуги электромагнитных волн, образующих стоячую электромагнитную волну 3, которую испускает антенна 4, связанная с приемником электромагнитных волн 5, выход которого подключен к входу измерителя интенсивности электромагнитного поля 6, первый выход которого соединен со стартовым входом, а второй с входом "Стоп" измерителя интервалов времени 7, причем последние четыре блока размещены и жестко связаны с движущимся со скоростью v телом 8 в направлении X.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. При включении генератор гармонических колебаний 1 начинает вырабатывать гармонические электрические колебания, под действием которых излучатели электромагнитных колебаний 2 начинают одновременно излучать навстречу друг другу вдоль одной прямой X цуги когерентных электромагнитных волн, которые при наложении образуют стоячую электромагнитную волну 3, описываемую уравнением:
ξ(X,t) = Acos(2πX/λ)cos(ωt+ϕ), (1)
где
ξ(X,t) - смещение;
A - амплитуда;
λ - длина электромагнитной волны;
X - расстояние от излучателя до точки, в которой определяется смещение;
ω - циклическая частота электромагнитных колебаний;
t - время;
ϕ - начальная фаза.

Так как интенсивность электромагнитной волны I пропорциональна квадрату амплитуды, то из (1) следует, что закон изменения интенсивности стоячей электромагнитной волны будет описываться уравнением:
I = I₀cos²(2πX/λ)cos²(ωt+ϕ), (2)
где
I₀cos²(2πX/λ) - выражение, описывающее огибающую стоячей волны.

Когда антенна 4 пересекает максимум пучности стоячей волны, интенсивность в котором
I = I₀cos²(2πX₁/λ), (3)
в ней формируется импульс тока, пропорциональный I, который усиливается приемником электромагнитных колебаний 5 и подается на вход измерителя интенсивности электромагнитного поля 6, с первого выхода которого на стартовый вход измерителя интервалов времени 7 поступает сигнал, запускающий отсчет времени.

После того, как тело 8 проходит некоторое расстояние
ΔX = X₂-X₁ (4)
не более λ/4, соответствующее расстоянию между максимумом пучности и узлом стоячей волны, измеритель интенсивности регистрирует некоторое значение интенсивности стоячей электромагнитной волны
I = I₀cos²(2πX₂/λ) (5),
в соответствие которому на втором выходе измерителя интенсивности электромагнитного поля 6 появляется сигнал, поступающий на вход "Стоп" измерителя интервалов времени 7, прекращая счет времени. В результате измеритель интервалов времени 7 регистрирует время Δt, которое потребовалось телу 8, чтобы преодолеть расстояние от точки X₁ до точки X₂.

Если из (3) и (5) выразим X₁ и X₂:


и подставим в (4), то получим

Тогда линейная скорость, которую имело движущееся тело 8 по отношению к стоячей электромагнитной волне, будет
у

Способ предназначен для измерения линейной скорости движения тел, осуществляющих перемещение в пространстве: космическом, воздушном, водном. Способ позволяет определять линейную скорость движения тел по отношению к стоячей электромагнитной волне на перемещениях, меньших четверти длины электромагнитной волны. Способ заключается в создании стоячей электромагнитной волны двумя направленными навстречу друг другу вдоль одной прямой цугами когерентных электромагнитных волн, поляризованных в одной плоскости. При движении тела вдоль стоячей волны измеряют максимальную интенсивность пучности образовавшейся стоячей волны. Измеряют время, по истечении которого достигают некоторой интенсивности стоячей волны, которую также измеряют. По полученным интенсивностям, времени и длине волны определяют искомую скорость. 1 ил.

Способ измерения линейной скорости движения тел, заключающийся в создании стоячей электромагнитной волны двумя направленными навстречу друг другу вдоль одной прямой цугами когерентных электромагнитных волн, поляризованных в одной плоскости, отличающийся тем, что при движении тела вдоль стоячей электромагнитной волны измеряют ее максимальную интенсивность в пучности, измеряют интенсивность стоячей электромагнитной волны на расстоянии не более λ/4 от максимума пучности с помощью устройства, жестко связанного с телом, и измеряют время прохождения телом этого расстояния, а линейную скорость определяют по формуле:

где V - линейная скорость движения тела относительно стоячей электромагнитной волны;
λ - длина электромагнитной волны;
J_o - максимальная интенсивность стоячей электромагнитной волны в пучности;
J - интенсивность стоячей электромагнитной волны по истечении времени Δt.р