Способ определения поля скоростей перемещений поверхности объекта Советский патент 1988 года по МПК G01B11/16 

со

00

N

со

4:

Изобретение относиися к определению деформаций конструкций оптическими методами.

Цель изобретения - расширение диапазона определяемых скоростей перемещений и определение их направлений посредством формирования цветного изображения объекта, в котором цвет определяется величиной и знаком скорости.

На фиг. 1 изображена принципиальная оптическая-схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - варианты выполнения оптического фильтра.

Устройство, реализующее способ, содержит три монохроматических источника 1-3 света с длинами волн, лежащими в различных областях видимого спектра, три расщи- рителя 4-6 световых пучков от источников 1-3 света, освещающих исследуемый объект 7, интерферометр 8 Фабри-Перо, одно из зеркал которого выполнено с возможностью возвратно-поступательного продольного перемещения, собирающий объектив 9, оптический фильтр 10 и скоростную кинокамеру 11.

Способ осуществляют следующим образом.

Сформированные с помощью расщирите- лей 4-6 световые пучки от монохроматических источников 1-3 с длинами волн, лежащими в различных областях видимого спектра, освещают исследуемый объект 7. Отраженное объектом излучение разлагается в спектр интерферометром 8 Фабри-Перо, одно из зеркал которого вьшолнено с возможностью возвратно-поступательного продольного перемещения. Прощедщеё через интерферометр излучение проектируется в фокальную плоскость собирающего объектива 9, где установлен оптический фильтр 10. Съемку объекта исследования производят скоростной кинокамерой 11.

Оптический фильтр 10 представляет собой систему прозрачных штрихов на непрозрачной основе, имеющих щирину, форму и взаимное расположение, подобное интерференционным кольцам с различными длинами волн излучения.

Два из возможных вариантов оптического фильтра с тремя прозрачными щтри- хами (по одному для каждой лины волны) показаны на фиг. 2. Положение центрального щтриха для Я,2, удовлетворяющей усло- виюА,.,з, совпадает с положением интерференционного кольца для А,2, а щтрихи с крайними длинами волн К и Я,з смещены относительно соответствующих им интерференционных колец в противоположных друг другу направлениях на величину, равную их щирине.

Положение интерференционного кольца с Длиной волны Я, определяется выражением

K 2t-n-cos f,

(1)

0

где k - порядок интерференции;

/ - расстояние между зеркалами;

п - показатель преломления среды в интерферометре Фабри-Перо; Ф угол отражения лучей от зеркал. Высокоскоростное перемещение поверхности деформируемого объекта приводит к

Q доплеровскому сдвигу отраженного излучения, а следовательно, к cкaн poвaнию интерференционной картины по оптическому фильтру. При этом первоначально имевщее монохроматическую окраску изображение неподвидного объекта будет приобретать

5 различные цветовые оттенки, в зависимости от положения прозрачных штрихов, соответствующих длинам волн Ki и Хз, и направления скоростей различных точек поверхности. Поскольку порядок k интерференции увеличивается к центру интерференционной картины, то при допплеровском сдвиге интерференционное кольцо должно перемещаться к центру, если длина волны излучения уменьщается (объект движется к интерферометру и к периферии, если длина вол5 ны возрастает (движение объекта направлено от интерферометра). Если прозрачный щтрих, относящийся к интерференционному кольцу с К, сдвинут по направлению к центру интерференционной картины, то изменение цветового оттенка поверхностных об0 ластей объекта, движущихся к интерферометру, будет направлено от Я,2 и К, а удаляющихся - от Я,2 к Я,з. При смещении того же штриха в противоположном направлении изменение оттенков приближающихся и удаляющихся участков будет об5 ратным.

Непрерывное изменение оттенков от А,2 к 1,1 и от 2 к Яз возможно в том случае, когда время сканирования интерференционных колец различного цвета по соответст0 вующим им прозрачным штрихам одно и то же. Поскольку постоянные интерферометра для различных длин волн относятся как квадраты длин волн, а доплеровские сдвиги - как длины волн в первой степени, то при одинаковом коэффициенте отражения зер5 кального покрытия для различных длин волн, времена сканирования по прозрачным щтри- хам оптического фильтра будут относиться как длины волн в первой степени. Для того, чтобы время перемещения интерференционных колец по щтрихам было неизменным,

0 необходимо, чтобы спектральные щирины интерференционных колец с различными К также относились как длины волн в первой степени. Удовлетворить этому условию можно либо за счет соответствующего выбора

г источников света, либо за счет изменения коэффициента R отра жения зеркальных покрытий для различных длин волн, в соответствии с зависимостью распределения интенсивности в интерференционном кольце:

sin

(2)

L i-ci

где б - центральная ширина кольца, причем значению соответствует диапазон длин волн ДЯ,Я,

Если скорость какой-либо точки поверх- иости исследуемого объекта достигает значения, для которого допплеровский сдвиг ДХ2 равен ширине прозрачного штриха для А,2, цветовой оттенок точки будет пол- ностью определяться длинами волн монохроматических излучений KI и Я,з, в зависимости от направления скорости по отношению к ИФП. Дальнейшее увеличение скорости приведет к постепенному уменьшению монохроматической яркости от максимума до нулевого значения, которое будет иметь место при перемеш.ении интерференционного кольца на удвоенную ширину прозрачного штриха. Таким образом, вдвое увеличивается диапазон измеряемых скоростей по срав- нению с прототипом.

Съемка рабочей кинограммы процесса динамической деформации сопровождается последующей съемкой цветной тарировочной кинограммы с той же частотой кадров при возвратно-поступательном продольном перемещении одного из зеркал интерферометра 8. Изменение расстояния t между зеркалами приводит к изменению порядка k, интерференции, т.е. к сканированию интерференционной картины:

к

При этом

(3)

dA :dl,, :l/ka:l/k3 A,:A,:l3,

т. е. изменение / эквивалентно допплеровс- кому сдвигу излучения.

Следовательно, каждому значению t может быть сопоставлено определенное значение скорости как по ее абсолютной вели- чине, так и по направлению.

Путем сравнения кинограмм может быть определена скорость любой точки поверх

15

10 20

2о

25

35

40

ности исследуемого объекта. Для отслеживания полного рабочего диапазона измеряемых скоростей тарировочное сканирование осуществляют в пределах удвоенной спектральной ширины прозрачных штрихов в двух взаимно противоположных направлениях.

Формула изобретения

Способ определения поля скоростей перемещений поверхности объекта, заключающийся в том, что объект освещают монохроматическим излучением, отраженное о0ъек- том излучение разлагают в спектр интерферометром Фабри-Перо, выходящее из интерферометра излучение проектируют в фокальную плоскость приемного объектива, устанавливают в фокальной плоскости оптический фильтр в виде системы прозрачных штрихов на непрозрачной основе, через который производят скоростную фотосъемку объекта, и по распределению освещенности на изображении объекта определяют поле скоростей перемещений поверхности объекта, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона определяемых скоростей и определения их направлений, объект освещают одновременно тремя монохроматическими излучателями, длины волн которых лежат в различных областях видимого спектра, производят скоростную фотосъемку объекта через оптический фильтр, имеющий три полосы пропускания, одна из которых совпадает с несмещенными интерференционными кольцами со средней длиной волны, а две другие, сдвинутые в противо-. положных направлениях по отношению к соответствующим кольцам, - с крайними длинами волн по ширине интерференционных колец, снимают тарировочную цветную кинограмму объекта с той же частотой кадров при возвратно-поступательном перемещении одного из зеркал интерферометра, а распределение цветности на кинограмме объекта учитывают при определении поля скоростей.

Изобретение относится к определению деформаций конструкций оптическими методами. Цель изобретения - расширение диапазона определяемых скоростей перемещений посредством формирования цветного изображения объекта, в котором цвет определяется величиной и знаком скорости. Способ осуществляегся следующи.м образом. Сформированные с помощью расширителей световые пучки от монохроматических источников с длинами волн, лежащими в различных областях видимого спектра, освещают объект. Отраженное объектом излучение разлагается в спектр интерферо.метром Фабри-Перо, одно из зеркал которого выполнено с возможностью возвратно-поступательного продольного перемещения. Прощед- шее через интерферометр излучение проектируется в фокальную плоскость собирающего объектива, где установлен оптический фильтр. Съемка объекта производится скоростной кинокамерой. 2 ил. (Л

//

3 Д

Фиа. 2