СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ Российский патент 2002 года по МПК G01P3/50 

Изобретение относится к области измерений линейной скорости тел, осуществляющих перемещение 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 измерений линейной скорости движения тел (см. патент 2124210, 6 G 01 P 3/50, 1998 г.), заключающийся в создании стоячей электромагнитной волны двумя направленными навстречу друг другу вдоль одной прямой цугами когерентных электромагнитных волн, поляризованных в одной плоскости и при движении тела вдоль стоячей волны измеряют ее максимальную интенсивность в пучности, интенсивность на промежутке не более λ/4 от максимума пучности и время прохождения телом этого промежутка, а линейную скорость определяют по формуле:

где v - линейная скорость движения тела относительно стоячей электромагнитной волны;
λ - длина электромагнитной волны;
J₀ - максимальная интенсивность стоячей электромагнитной волны в пучности;
J - интенсивность стоячей электромагнитной волны по истечении времени Δt.
Недостатком данного способа является невозможность непрерывного определения скорости движения тела, так как цуги когерентных волн существуют ограниченное время.

Известен также способ измерения линейной скорости движения тела (см. а. с. 1760456, G 01 P 3/36, 1992 г.), 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.

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

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем обеспечения возможности определения линейной скорости равномерного движения тела.

Поставленная цель достигается тем, что излучают две электромагнитных волны навстречу друг другу, непрерывно изменяют положение в пространстве оси, вдоль которой происходит излучение, с угловой скоростью Ω и непрерывно измеряют разность фаз Δϕ этих двух волн в какой-либо точке между их источниками, при этом линейную скорость v определяют по формуле:


с - скорость распространения электромагнитных волн;
f₁ - частота колебаний первого генератора электромагнитных волн;
f₂ - частота колебаний второго генератора электромагнитных волн;
l₁ - расстояние от точки измерения разности фаз до первого генератора электромагнитных волн;
l₂ - расстояние от точки измерения разности фаз до второго генератора электромагнитных волн;
минимальное значение производной от разности фаз по времени за период 2π/Ω;
максимальное значение производной от разности фаз по времени за период 2π/Ω,
а направление вектора скорости определяют по положению оси, вдоль которой излучают электромагнитные волны, при котором наблюдается максимум производной разности фаз.

В предлагаемом способе определение линейной скорости, в том числе и равномерного движения тела, достигается тем, что навстречу друг другу излучают две электромагнитные волны произвольных частот и при этом непрерывно вращают ось, вдоль которой происходит излучение этих волн и в какой-либо точке между источниками электромагнитных волн непрерывно измеряют их разность фаз, по изменению которой определяют величину линейной скорости, а направление вектора скорости определяют по положению оси, вдоль которой излучают электромагнитные волны, при котором наблюдается максимум производной разности фаз.

Определение линейной скорости оказывается возможным благодаря тому, что вращение оси, вдоль которой излучаются электромагнитные волны, в плоскости расположения генераторов приводит к изменению разности фаз по гармоническому закону, в котором амплитуда изменения разности фаз оказывается пропорциональной проекции линейной скорости на плоскость, в которой происходит вращение оси, вдоль которой происходит излучение электромагнитных волн, а определение направления вектора скорости в этой плоскости оказывается возможным потому, что при положении оси, вдоль которой излучают электромагнитные волны, совпадающей с направлением вектора скорости на плоскости, в которой осуществляется вращение, наблюдается максимум производной разности фаз.

В то время как в известном способе определение изменения линейной скорости движения тела осуществляется через измерение разности изменений частот: колебаний, прошедших через среду с высоким показателем преломления, и колебаний биений электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме (или в воздухе), - невозможно определение скорости равномерного движения тела.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 2 представлен вектор линейной скорости в трехмерной системе координат.

Устройство (см. фиг.1) содержит генератор 1, генератор 2, расположенные на одной оси с измерителем разности фаз 3, причем расстояние от генератора 1 до измерителя разности фаз 3 равно l₁, а расстояние от генератора 2 до измерителя разности фаз 3 равно l₂.

Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Генератор 1 и генератор 2 непрерывно излучают навстречу друг другу электромагнитные волны с частотами f₁ и f₂ соответственно. Если скорость v движения этой системы равна нулю, то разница фаз колебаний генераторов будет равна
Δϕ = (2πf₁(t+Δt₁))-(2πf₂(t+Δt₂)), (1)
где Δt₁=l₁/c - время прохождения расстояния до точки наблюдения электромагнитной волной от первого генератора;
Δt₂= l₂/с - время прохождения расстояния до точки наблюдения электромагнитной волной от второго генератора;
с - скорость распространения электромагнитных волн.

Если v_x≠0, (см. фиг.2) величины Δt₁ и Δt₂ получают релятивистские добавки.

Тогда выражение для разности фаз будет иметь вид

Преобразуем выражение (3):

Если проекция вектора скорости v на плоскость ху составляет с осью, соединяющей генераторы, некоторый угол α, то (4) примет вид

где Δf=f₁-f₂
Вращая ось, соединяющую генераторы 1 и 2, с некоторой угловой скоростью Ω_xy в плоскости xy, с использованием выражения (5) получают зависимость величины Δϕ от угла поворота α в любой момент времени t, так как α = Ω_xyt+α₀,
Дифференцируя (5) по времени, получают

Величину

определяют измерителем разности фаз 3.

Выражение (6) представляет из себя гармоническую функцию с круговой частотой Ω_xy и постоянной составляющей 2πΔf. При этом амплитуда колебаний равна

Отсюда


Определив А_xy, по известным f₁, f₂, l₁, l₂ и Ω_xy по формуле (7) находят величину скорости v_xy (см. фиг.2), а направление вектора находят по положению оси, соединяющей генераторы 1 и 2, при котором наблюдается максимум величины v_xy.

Аналогично, вращая ось, соединяющую генераторы 1 и 2, с некоторой угловой скоростью Ω_xz в плоскости xz, с использованием выражения: \\6
получают зависимость величины Δϕ от угла поворота β в любой момент времени t, так как β = Ω_xzt+β₀,
Дифференцируя (8) по времени, получают

Величину

определяют измерителем разности фаз 3.

Выражение (9) представляет из себя гармоническую функцию с круговой частотой Ω_xz и постоянной составляющей 2πΔf. При этом амплитуда колебаний равна

Отсюда:


Определив А_xz, по известным f₁, f₂, l₁, l₂ и Ω_xz по формуле (10) находят величину скорости v_xz, а направление вектора (см. фиг.2) находят по положению оси, соединяющей генераторы 1 и 2, при котором наблюдается максимум величины v_xz.

Затем определяют величину вектора v_z= v_xz•sinβ и в итоге находят вектор линейной скорости

Пример: проводилось определение линейной скорости равномерного движения автомобиля в плоскости xy. Платформа, на которой расположены генераторы на расстоянии l друг от друга, равном 1 м, вращается в плоскости xy с угловой скоростью Ω_xy, равной 524 рад/с. Частота генератора 1 f₁=1•10¹⁰ Гц, частота генератора 2 f₂=1,001•10¹⁰ Гц. При этих условиях измеритель разности фаз 3 показал величину равную 0,01 рад/с,
а величину При этом величина А_ху оказалось равной 0,01 рад/с, а скорость v_xy в соответствии с формулой (7) равной 27,8 м/с. Показания спидометра автомобиля соответствовали 27,5 м/с.

Способ предназначен для измерений линейной скорости тел, осуществляющих перемещение в пространстве - космическом, воздушном, водном. Непрерывно изменяют в пространстве положение оси, вдоль которой излучают навстречу друг другу электромагнитные волны с угловой скоростью Ω, и непрерывно измеряют разность фаз Δϕ этих двух волн в какой-либо точке между их источниками. Величину линейной скорости определяют по формуле, учитывающей угловую скорость Ω, скорость распространения электромагнитных волн, частоты колебаний первого и второго генераторов электромагнитных волн, расстояния от точки измерения разности фаз до первого и второго генераторов, минимальное и максимальное значения производной от разности фаз по времени за период 2π/Ω. Направление вектора скорости определяют по положению оси, вдоль которой излучают электромагнитные волны, при котором наблюдается максимум производной разности фаз. Обеспечивается расширение функциональных возможностей. 2 ил.

Способ определения линейной скорости, заключающийся в том, что излучают две электромагнитные волны навстречу друг другу, отличающийся тем, что непрерывно изменяют положение оси, вдоль которой происходит излучение, в пространстве с угловой скоростью Ω и непрерывно измеряют разность фаз Δϕ этих двух волн в какой-либо точке между их источниками, величину линейной скорости v определяют по формуле


с - скорость распространения электромагнитных волн;
f₁ - частота колебаний первого генератора электромагнитных волн;
f₂ - частота колебаний второго генератора электромагнитных волн;
l₁ - расстояние от точки измерения разности фаз до первого генератора электромагнитных волн;
l₂ - расстояние от точки измерения разности фаз до второго генератора электромагнитных волн;
минимальное значение производной от разности фаз по времени за период 2π/Ω;
максимальное значение производной от разности фаз по времени за период 2π/Ω,
а направление вектора скорости определяют по положению оси, вдоль которой излучают электромагнитные волны, при котором наблюдается максимум производной разности фаз.