УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2005 года по МПК G01P3/36 G08G1/01 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения линейной скорости движения транспортного средства, в том числе и кораблей.

Широко известны устройства измерения скорости движения судов (лаги), основанные на отражении ультразвуковых колебаний от дна водоемов (абсолютные лаги) или от подкильных слоев воды (относительные лаги) [1]. Недостатком таких устройств является необходимость непосредственного контакта чувствительных элементов с водой, что усложняет их установку и замену.

Известны оптические способы измерения скорости объекта, основанные на эффекте Доплера. Недостатком последних является низкая точность измерений при малых скоростях движения [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению являются лазерные интерферометры [3], построенные по двухлучевой схеме Майкельсона. С помощью такого устройства можно измерить расстояние до контролируемого объекта или его размер.

В состав известного устройства входит источник когерентного оптического излучения (например, лазер), светоделительное устройство, расположенное на пути пучка излучения источника, предназначенное для разделения этого излучения на два когерентных пучка, два световода для них, один из которых воздушный, два зеркальных отражателя этих пучков и устройство приема и обработки оптического излучения.

Достоинством такого устройства является высокая точность измерения расстояния и размера контролируемого объекта.

Недостатком такого устройства является невозможность его использования для измерения скорости движения транспортного средства.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка измерительного интерферометра, позволяющего, как и известное устройство, осуществлять измерение расстояния до контролируемого объекта, но и измерять линейную скорость движения при установке его на транспортном средстве.

Поставленная задача решается за счет того, что предложенное устройство содержит, как и известное, источник когерентного оптического излучения (например, лазер), светоделительное устройство, расположенное на пути пучка излучения источника, предназначенное для разделения этого излучения на два когерентных световых пучка, два световода для них, один из которых воздушный, два зеркальных отражателя этих пучков и устройство приема и обработки оптического излучения. Но в отличие от известного устройства в предлагаемом измерителе скорости движения объекта второй световод выполнен из материала с коэффициентом преломления света, большим, чем воздуха, а один из зеркальных отражателей установлен таким образом, чтобы обеспечить параллельность обоих световодов, и введено дополнительное полупрозрачное зеркало, предназначенное для сложения световых пучков двух световодов, причем светоделительное устройство, зеркальные отражатели и полупрозрачное зеркало снабжены диафрагмами.

Поставленная задача достигается также тем, что в качестве устройства приема и обработки оптического излучения использован фотоприемник, как наиболее простое регистрирующее оптическое устройство, обеспечивающее необходимую точность измерений.

Поставленная задача достигается также тем, что ширина апертуры фотоприемника выбирается близкой к ширине интерференционной линии. В этом случае точность измерений оказывается наиболее высокой.

Изобретение поясняется чертежом.

Предлагаемое устройство для измерения скорости движения транспортного средства состоит из источника когерентного оптического излучения 1 (например, лазера), светоделительного устройства 2, расположенного на пути пучка излучения источника и обеспечивающего деление пучка лазера на два когерентных световых пучка, диафрагм 3, двух световодов 4 и 5, установленных параллельно направлению движения транспортного средства, причем световод 4 - воздушный, с показателем преломления света n1, а второй световод 5 длиной L выполнен из материала с показателем преломления n₁>n (например, из оргстекла), двух неподвижных отражающих зеркал 6 и 7, обеспечивающих поворот падающих на них когерентных пучков света на угол 90°, причем зеркало 6 установлено таким образом, чтобы отраженный от него когерентный пучок света попал в световод 4, полупрозрачного зеркала 8, на которое падают пучки света обоих световодов, и устройство приема и обработки оптического излучения 9.

Устройство измерения скорости движения транспортного средства работает следующим образом. Лазер 1 создает пучок когерентного оптического излучения, который светоделительным устройством 2, расположенным на пути основного пучка излучения, расщепляется на два когерентных пучка, один из которых поступает в воздушный световод 4 с показателем преломления света n1, а второй пучок с помощью неподвижного отражающего зеркала 6 направляется параллельно первому, проходит через световод 5 длиной L, выполненный из материала с показателем преломления n₁>n (например, из оргстекла), и поступает на полупрозрачное зеркало 8. На это же зеркало 8 падает пучок, прошедший воздушный световод 4 после отражения его неподвижным зеркалом 7. В результате сложения обоих пучков когерентного излучения на полупрозрачном зеркале 8 формируется интерференционная картина, которая анализируется устройством 9 приема и обработки оптического излучения. Диафрагмы 3 необходимы для отсечки побочных лучей.

Если транспортное средство с установленным на нем предлагаемым измерительным устройством неподвижно, то, разность фаз интерферирующих лучей, прошедших через различные световоды 4 и 5, будет:

где λ₀ - длина волны света в вакууме.

Если транспортное средство с установленным на нем измерительным устройством перемещается, то, как показано в [4], разность фаз световых колебаний, прошедших через различные световоды, определяется соотношением: Δϕ=Δϕ₀+Δϕ_V,

где Δϕ₀ - опорная разность фаз при неподвижном транспортном средстве (1), а (2) - дополнительная разность фаз, возникающая при движении транспортного средства со скоростью V.

Для относительного сдвига полос δ в интерференционной картине на зеркале 8 при учете того, что , имеем:

Если в качестве устройства приема и обработки оптического излучения 9 использовать фотоприемник, ширина апертуры которого равна ширине интерференционной линии, то величина тока на выходе фотоприемника будет пропорциональна сдвигу полосы (3), а значит и линейной скорости движения транспортного средства.

Таким образом, предлагаемое устройство не только может измерять расстояния (или линейный размер) контролируемого объекта при стационарной установке, но и измерять линейную скорость движения при установке устройства на транспортное средство.

Из анализа формул (2) и (3) видно, что чувствительность такого измерителя скорости транспортного средства пропорциональна длине световодов L и зависит от коэффициента преломления света n₁ в материале световода 5. В предлагаемом нами устройстве в качестве световода 5 использовался полированный прямоугольный брусок из оргстекла (n₁=1,49) длиной L=600 мм.

Тарировка измерителя осуществлялась в соответствии с формулами (2) и (3), на основании которых ток фотоприемника прямо пропорционален скорости движения. Для осуществления настройки фотоприемник, ширина апертуры которого выбиралась близкой к ширине полосы интерференционной картины, устанавливался на юстировочное устройство, позволяющее его перемещать в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При установке апертуры фотоприемника на темную линию интерференционной картины индикатор тока дает минимальные показания, на светлую - максимальные. Регулируя напряжение питания усилителя фотоприемника добиваются совмещения min и max с началом и концом шкалы индикатора тока, в качестве которого использовался микроамперметр, имеющий 100 делений. Такой динамический диапазон соответствует изменению скорости движения транспортного средства в пределах от 0 до 210 км/час.

При установке измерителя с помощью двойной механической развязки на автомобиле и движении со скоростью 70 км/час стрелка индикатора отклонялась на 30 делений, что соответствовало расчетным данным. Это свидетельствует о реализуемости предлагаемого средства измерений.

Литература

1. Гидроакустическая энциклопедия. Под ред. В.И.Тимошенко, Изд. ТРТУ, 2000.

2. Франкфурт У.И., Фрэнк А.М. Оптика движущихся тел. М., 1972.

3. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под. ред. В.В.Клюева, т. 1, М.: Машиностроение, 1986.

4. Белоусов А.Г. Еще раз об эксперименте Физо по распространению света в подвижных и неподвижных средах. Труды международного конгресса - 2000 "Фундаментальные проблемы естествознания и техники", №1, т. 1, с.18-21.

Устройство для измерения скорости движения транспортного средства состоит из источника когерентного оптического излучения, светоделительного устройства, двух световодов, причем один из них воздушный, а второй изготовлен из материала с коэффициентом преломления света больше, чем у воздуха, двух неподвижных отражающих зеркал, одно из которых установлено таким образом, чтобы световоды были параллельны, полупрозрачного зеркала, на которое падают пучки света из обоих световодов, и образуется интерференционная картина, устройства приема и обработки оптического излучения и диафрагм, которыми снабжены светоделительное устройство, полупрозрачное зеркало и неподвижные отражающие зеркала. Технический результат - разработка лазерного интерферометра, позволяющего в стационарном состоянии измерять расстояние до контролируемого объекта или его размер, а при установке на транспортное средство - линейную скорость его движения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения скорости движения транспортного средства, содержащее источник когерентного оптического излучения, светоделительное устройство, расположенное на пути пучка излучения источника, предназначенное для разделения этого излучения на два когерентных световых пучка, два световода для них, один из которых воздушный, два зеркальных отражателя этих пучков и устройство приема и обработки оптического излучения, отличающееся тем, что второй световод выполнен из материала с коэффициентом преломления света, большим, чем воздуха, а один из зеркальных отражателей установлен таким образом, чтобы обеспечить параллельность пучков в параллельных световодах, и введено дополнительное полупрозрачное зеркало, предназначенное для сложения световых пучков двух световодов, причем светоделительное устройство, зеркальные отражатели и полупрозрачное зеркало снабжены диафрагмами.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве устройства приема и обработки оптического излучения использован фотоприемник.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ширина апертуры фотоприемника выбирается близкой к ширине интерференционной линии.