Устройство для измерения скорости распространения возмущения в прозрачной среде Советский патент 1983 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерител ной технике и может найти применение при определении скорости движения различного рода возмущений и непрозрачных объектов в прозрачных средах: ударных волн и скачков уплотнения в аэродинамических трубах. Известно оптическое устр,ойство, применяемое при определении скорости ударной волны в ударной трубе, состоящее из двух оптических датчиков в виде теневых приборов, располо женных в двух сечениях ударной трубы на известном.расстоянии один от другого. В каждом сечении установлены оптические смотровые окна, через .которые визуализируется ударная волна. .В плоскостях изображения неоднородности (ударной волны) каждого тене вого прибора расположена диафрагма, вьщеляющая небольшой (точечный) учас ток из теневой картины. За диафрагма ми размещены фотоэлектрические прием ники типа ФЭУ. Сигналы с обоих ФЭУ поступают в блок обработки электри. ческих сигналов. При прохождении изображения ударной волны мимо диафрагм изменяет.ся их- освещеннос-ть и. с фотоприемни-ка снимаются два сигнала. Скорость определяется как отношение расстояния (базы) между измерительными сечениями и измеренному интерва лу времени между сигналами 1. Однако указанное устройство не по . воляет измерять скорость на малых базах. Так, при работе с теневыми приборами, типа ИАБ-451 минимальная база, обусловленная.габаритами и раз мерам поля зрения прибора (поле зрения прибора 250 мм), составляет 500 мм. Кроме того, использов.ание двух теневых приборов, двух фотоумно жителей и усилителей усложняет и удорожает эксперимент, а разброс их технических характеристик приводи к снижению пов.торяемости получаемых результатов при измерении скорости движения возмущения. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения скорости распространения возмущения . в прозрачной среде, содержащее последовательно расположенны.е вдоль оптической оси источник света, передающий объектив, рабочую камеру, при емный объектив, блок сдвига волновых фронтов, выполненный в виде расположенных в вершинах параллелограмма и параллельных между собой двух полу проз:рачных пластин - входной и йыход ной, и двух зеркал с блоке№О1 поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, прозрачный экран и диафрагму, расположенную в фокальной плоскости приемного- объектива, фотоэлектрический приемник излучения и блок обработки сигналов Г23. Преимущество этого устройства состоит в возможности измерения скорости на малых базах, достигающих 1-2 ьад что обусловлено возможностью осуществления сдйига оптических картин на малые величины и измер.ения этих величии сдвига с наи-более высокой интерференционной точностью. Однако в известном устройстве сдвиг изображенений оптичес.ких картин в каждом эксперименте возможен лишь в одном направлении, что ограничивает erp применение при .движении возмуще-. ния не в направлении сдвига, т.е в этом случае измеряется лишь составляющая вектора скорости на направление сдвига оптических картин . Для определения модуля вектора скорости и его направления в этом случае необходимо применение в устройстве двух блоков сдвига, в которых сдвиг картин осуществляется во взаимно .. перпендикулярных направлениях, но при- том точность измерения падает из-за введения, дополнительного оптического сдвигового блока, диафрагьи и второго приемно-регистрирующегб тракта. . Кроме того, скорость опред€ ляется. этим устройством только на одной базе, так как в нем возможно образование не более двух оптических картин, сдвигающихся одна относительно другой. . Для определения изменения величи- . вы скорости по полю-зрения устройст- ва требуется проведение серии однотипных экспериментов, в каждом из которых диафрагму необходимо смещать по изображению оптических картин в направлении сдвига, что также привадит к увеличению погрешности, .особенно при исследовании быстропротекающих процессов (например движение ударной волны от взрыва), когда повторяемость экспериментов-в серии невелика - . Цель изобретения - повышение точности измерения скорости распростра- .. нения возмущений в прозрачной среде. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для .измерения скорости распространения возмущения в прозрачной среде, содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света, передгиощий объектив, ра:брчую камеру,приемный объектив, блок сдвига волновых фронтов, выполненный :в виде расположенных в вершинах параллелограмма и параллельных между собой двух полупрозрачных пластин, и двух зеркал с блокг1ми поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей,диафрагму, расположенную в фокальной плоскости приемного объектива, фотоэлектрический приемник излучения и блок обработки сигналэв, дополнительно четыре светоделителя с блоками (ИХ поворота, расположенные по одному между каждыми из зеркал и полупрозрачными плйстинами параллельно им, амплитудный дискриминатор,- время-циф ровой преобразователь и задатчик сдв га волновых- фронтов, при этом про.тиволежащие светоделители установлены по периметру параллелограмма так, ; что.-оптические оси, проходящие через них., параллельны сторонам параплелограмма, амплитудный дискриминатор своим входом соедикен с приемника, а.выходом связан с первым входом блока обработки сигналов через время-цифровой преобразователь, выходы задатчика сдвига волновых фронтов подключены к второму входу .блока обработки сигналов и к входам блоков поворота зеркал, полупрозрачных пластин и светоделителей. На фиг. 1 представлена схема пред лагаемого устройства (оптические оси обозначены штрих-пунктирныьт линиями на фиг. ,2 - оптические картины-в плоскости экрана, сдвинутые одна относительно другой в направлении распро.странения возмущения (например плоского фронта ударной волны); на фиг. 3 и 4 - электрические сигналы с фотрпрйемника при относительном расположении изображений оптических картин и отверстия диафрагмы, показанном на фиг. соответственно, при движений возмущения слева направо, как показано стрелкой на фиг. и-В противоположном направлении, т.е справа налево; на фиг. 5 - изображения оптических картин, сдвинутых попарно одна относительно другой в дву взаимно перпендикулярных направления (горизонтальном и вертикальном);,на фиг. 6 и 7 - электрические сигналы на выходе фотоэлектрического приемника при относительном расположении изобрашсений- оптических картин и отве стия диафрагмы, показанном на фиг.5 Устройство содержит источник 1 света, передающий объектив 2 коллиматора, рабочую камеру 3, в которой распространяется возмущение 4 (последнее обозначено пунктирной линией со стрелкой,указывающей направление его движения), приемный объектив 5, блок б сдвига . волновых фронтов (на фиг. 1 контуры сдвигового блока условно обозначены пунктирной линией), включающийдве полу1трозрачные пластины - входную 7 и выходную В и два зеркала ,9 и 10, расположенные все в вершинах паргшлелограмма и параллельные между собо светоделители 11-14, установленные по периметру па)аллелограго4а между каждым из зеркал 10 и 11 и соответст вующими входной 7 и выходной 8 полупрозрачными пластинами, блоки 15 и 1 поворота зеркал 9 и 10, блоки 17 и 18 поворота полупрозрач1дах пластин 7 и 8, блоки 19-22поворота светоделителей 11-14, прозрачный экран 23 для наблюдения оптических картин (наблюдаемые в плоскости экрана оптические картины с1,Б,в,и1-, с движущимися по ним изображениями 4а, 4в, 4в и 41, возмущения 4 схематически изображены на фиг. 2 к 5), непрозрачную диафрагму 24 с отверстием 25, совмещенную с плоскостью экрана 23 на фиг. 1 экран .и диафрагма изображены несколько разнесенными вдоль оптической оси, что сделано для наглядности пояснения состава предлагаемого устройств а) , фотоэлектрический приемник 26 излучения,амплитудный дискриьотнатор 27, соединенный своим входом с выходом фотоэлектрического приемника 26, а выходом связанный с первым входом блока 28 обработки сигналов через время-цифровой преобразователь 29, задатчик 30 сдвига волновых фронтов, подключенный к второму входу блока 28 обработки сигнала и к входам блоков 15-22 поворота соответственно зеркал 9 и 10, полупрозрачных пластин и 8 и светоделителей 11-14, вспомогательные прозрачные экраны 31 и 32.На фиг. 3-7 обозначены моменты времени t,t2,ta, t, в которые соответствующие изображения 4о(,45,4в и 4г (фиг. 2 и 5) проходят мимо отверстия 25 диафрагмы 24, величины- q сдвига оптических картин (волновых фронтов) соответственно в горизонтальном, (вдоль оси X) и вертикальном (вдоль оси Y) направлениях. Устройство работает следующим образом. Свет от источника .1 преобразуется передающим объективом 2 коллиматора в параллельный пучок и направляется на рабочую кciMepy 3, по которой распространяется исследуемое возмущение 4. Изображения возмущения 4 фокусируются приемным объективом 5 через сдвиговый блок 6 в плоскости э крана 23.. Сдвиговый блок 6 разделяет падающий на него (на входную полупрозрачную пластину 7) световой пучок на четыре основных пучка и сдвигает волновые фронты цоследних один относительно другого. Сдвиг волновых фронтов осуществляется блоками 15-22 поворота зеркал, полуп озрачных . пластин и светоделителей. Сигналы на блоки 15-22 поступают от задатчика 30 сдвига и задают поворот указ нных оптических элементов (7-14) на требуемые величины углов вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Сдвинутые волновые фронты выходят из сдвигового блока 6 через его полупрозрачную пластину 8 и попадают на экран 23. Один из образовавшихся основных пучков (1-ый) последователь но отражается от полупрозрачной пластины 7, проходит через светоделитель 12, отражается от зеркала 10., проходит через светоделитель 13, отражается от полупрозрачной пластины 8 и попадает на экран 23. Кратко путь, проходи Ф1й 1-,ым пучком, можно записать в виде 7-12-10-13-8-23. Пути III .III и IV-ro основных пучков, падаюецих на экран 23, запишутся аналогичным образом. 7-11-9-14-8-23 III7-11-13-8-23 IV7-12-14-8-23 Из фиг. 1 видно, что оптические пути I, II, III и IV-ro пучков - оди наковые, последнее достигнуто благодаря расположению противолежащих све тоделителей 12, 14 и 11, 13 по периметру параллелограмма так, что оптические оси, проходящие через эти противолежащие светоделители, параллельны сторонам параллелограмма (в вер 11инах параллелограмма лежат полупрозрачные п 1астины 7, 8 и зеркала 9,10). Интенсивности же пучков 1,11,111 и IV - различные, что достигается в предлагаемом устройстве специгшьным выбором коэффициентов отражения и пропускания светоделителей 1114. Различие пучков, падающих на экран 23, по интенсивности необходиМО для обработки сигналов с фотоприемнйка 26 с целью однозначного определения координат вектора скорости перемещения исследуемого возмущения При движении возмущения 4 (фиг.1) по каждой из четырех картин а ,б , В и т, (фиг. 2 и 5) в плоскости экрана 23 перемещаются четыре изображения этого возмущения: 4ot, 45,4 в и 4г. При наличии сдвига между оптическими картинами в момент прохождения этих изображений возмущения мимо отверстия 25 диафрагмы 24 на выходе фотоэлектрического приемника возникают электрические сигналы (четыре - сигн ла, см. фиг. 3, 4 и 6, 7) соответствующёй амплитуды. При э.том амплитуд каждого сигнала пропорциональна инт сивности пучка, образующего ту или иную из четырех оптических картин в плоскости экрана 23, а чередование сигналов различ;ной интенсивности за висит от задаваемого направления сд га картин и от направления движения возмущения. Электрические сигналы с выхода фотоприемника 26 поступают н вход амплитудного дискриминатора 27, который имеет четыре-параллельных канала с различными пороговыми уровнями. На выходах каналов амплитудного дискриминатора формируются четыре импулЬса, временное положение Кс1ждого из которых соответствует временным сдвигам электрических сигналов, поступающих с фотоприемника 26.С выходов амплитудного дискриминатора 27импульсы поступают на вход времяцифрового преобразователя 29, который преобразует интервалы времени, соответствующие временным задержкам между импульсами в каналах амплитудного дискриминатора, в цифровые коды.Последние хранятся в памяти время-цифрового преобразователя и передаются на вход блока 28 обработки сигналов-, на другой вход которого с задатчика 30 сдвига вводятся электрические сигналы, соответствующие заданному сдвигу волновых фронтов. Сигналы, поступаквдие в блок 28 обработки с выходов время-цифрового преобразователя 29, несут информацию о порядке следования импульсов с фотоприемника и о временных интервал. лах между этими импульсами.. С .другой стороны, сигналы с задатчика 30 несут информацию о величинах сдвига ц, и q соответствующих волновых фронтов один относительно другого, т.е. о базах измерения. На основе пол.ученной информации с блоков 29 и 28обработки вычисляет модуль и угол наклона d. к оси X вектора скорости движения возмущения, в соотгг вествии с формулами. Qjc q у (t2qi-b В зависимости от заданного направления сдвига оптических картин, образуемых пучками I, II, III и 1У, можно определить либо изменение скорости вдоль известной траектории движения путем сдвига оптических картин вдоль этой траектории (фиг. 2-4), либо Модуль и направление вектора скорости (|V f, ot) при произволь-, ном и заранее неизвестном направлении распространения возмущения путем сдвига оптических картин в двух ортогональных направлениях (фиг. 5-7). Одновременно с измерением скоростиустройство позволяет наблюдать на вспомогательных экранах 31 и 32 (фиг. 1) интерференционные картины прозрачной неоднородности, в которой распространяется возмущение.

П

/jrjff

30

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАрПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ, содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света, передающий объектив, рабочую камеру, приемный объектив, блок сдвига волновых фронтов, выполненный, в виде расположенных в вершинах параллелограммаи параллельных между собой двух полупрозрачных пластин и двух зеркал с блоками поворота вокруг взаимно перпендикулярных осей, диафрагму, расположенную в фо.кальной плоскости приемного объектива, фотоэлектрический приемник излучения и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены четыре светоделителя с блоками их поворота, расположенные по одному между каждыми из зеркал и полупрозрачными пластинами параллельно им, амплитудный дискрими- f натор, время-цифровой преобразоваW С .тель и задатчик сдвига волновых фронтов, при этом амплитудный дискриминатор своим входом соединен с выходом приемника, а выходом связан с первым входом блока обработки сигналов через v время-цифровой преобразователь, выходы залатчика сдвига волновых фрон.тов подключены к второму входу блока обработки сигналов и к входам блоков .поворота зеркал,под}упрозрачных плас;тин и светоделителей. О1 00

г S / I

4S

fir

Лх

.