Способ определения формы воспроизводимой поверхности раздела двух сред , движущейся в канале Советский патент 1991 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидро- и газодинамике.

Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения.

На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа; на фиг.2 - схема хода лучей в оптическом канале.

Исследуемые среды 1 и поверхностью 3 раздела зондируются пучком 4 в устройстве, которое содержит смотровые окна 5, источник 6 света (например, лазер), дифференциальный фотоприемник 7, фокусирующую линзу 8, канал 9 ударной трубы и регистрирующее устройство 10. На фиг.2 также указаны углы а наклона пучка к плоскости поперечного сечения среды в канале

и угол р наклона поверхности в одной из ее точек.

Способ осуществляется следующим образом.

Зондирование среды 1 в канале наклонным пучком 4 обеспечивает преломление пучка поочередно всеми участками создаваемой поверхности 3 раздела. При пересе- чении поверхности раздела пучок отклоняется на некоторую величину.

Регистрируя разность световых потоков, падающих на две половины приемной площадки дифференциального фотодиода во все время начальным и конечным моментами пересечения пучком исследуемой поверхности раздела, получают сигнал I, характеризующий наклон исследуемой поверхности в каждый момент сканирования, т.е. и в каждой точке поверхности.

Скачки на временной зависимости отклонения прошедшего через среду пучка излучения между начальным и конечным моментами пересечения пучком поверхности раздела (т.е. на сигнале), возникающие при пересечении поверхности раздела пучком сразу в нескольких точках, могут быть устранены путем увеличения угла а наклона пучка до величины, превышающей наибольший угол наклона исследуемой поверхности. Однако, как следует из закона преломления, увеличение угла а ведет к уменьшению величины отклонения пучка при преломлении на поверхности раздела, т.е. уменьшает чувствительность способа, поэтому угол зондирования должен быть возможно меньшим. В связи с этим сначала направляют пучок под углом а к плоскости поперечного сечения среды в канале порядка угла дифракционной расходимости пучка. Если а не превосходит угла дифракционной расходимости 4/К -do, где К - волновое число; do - диаметр пучка в месте фокусировки, то, даже если поверхность раздела совпадает с плоскостью сечения канала, одни участки волнового фронта падают на поверхность раздела под углом, другие - по касательной или даже под углом противоположного знака. Отклонение пучка на измерительной площадке становится при этом неоднозначной, неопределенной функцией параметров поверхности раздела и не может быть интерпретировано. Если же поверхность раздела не является плоской, то при ее движении через зондирующий пучок появляются дополнительные точки пересечения, что каждый раз приводит к дополнительному отклонению пучка, сравнимому с отклонением при первом пересечении поверхности. При этом наблюдается

и

скачкообразное возрастание зарегистрированного сигнала, подобное по амплитуде и крутизне начальному и конечному фронтам сигнала,

5Зарегистрировав временную зависимость отклонения прошедшего через среду пучка, визуально обнаруживают наличие участка неоднократного пересечения пучком исследуемой поверхности по присутст10 вию на зарегистрированном сигнале скачкообразных изменений, близких по крутизне и амплитуде к начальному и конечному фронтам.

В случае обнаружения таковых для сня15 тия неоднозначности угол а наклона последовательно увеличивают и повторяют эксперимент до тех пор, пока упомянутые скачкообразные изменения не исчезнут. Их исчезновение свидетельствует об устране20 нии всех точек пересечения пучка с поверхностью, кроме одной. Таким образом, достигается наибольшая чувствительность для каждой конкретной поверхности раздела неизвестной заранее формы.

25Для определения угла наклона поверхности раздела используют то обстоятельство, что угол отклонения пучка д а. связан с углом (/ наклона поверхности системой уравнений, описывающих преломление лу30 ча на поверхности раздела и на остальных пересекаемых поверхностях пв sin a пст sin щ ;

Пет Sin «2 - Л1 Sin ОД ,

ni cos (аз - р) - па cos (ОА - р), 35 П2 sin OA - пст sin as ,

nCT sin as пв sin ОБ ;

да об -а,

где пв,птт, ni. П2 - показатели преломления соответственно воздуха, стенок канала, среды перед поверхностью раздела и среды за поверхностью раздела,

a,G2 ,оз , О4 .as , Об - углы наклона пучка к плоскости поперечного сечения среды в канале соответственно в воздухе до прохождения через исследуемые среды и канал в ближней к источнику излучения стенке канала, в среде 1 до пересечения с поверхностью раздела, в среде 2 после пересечения с поверхностью раздела, в дальней от источника излучения стенке канала, в воздухе после прохождения через канал и исследуемые среды.

Решая эту систему для всех возможных р при заданных п и а , получают зависи- мость F (р) углового отклонения луча да отугла # отугла наклона поверхности. Если известно, что в некоторой моменту пересечения поверхности раздела угол наклона преломляющей поверхности равен , то по

40

45

50

зависимости Распределяются углы наклона (t) поверхност и во все моменты времени t

F(P(t))

FW

При движении поверхности вдоль канала со скоростью U координаты точки пересечения связаны с моментом времени следующим соотношением:

ттй

dy - Udt-xtgos

О)

Отсюда

dy

Udt

tg a + (t) т.е. площадь под кривой

U

tg a + tg p

равна протяженности поперек канала про- сканированного за соответствующий промежуток времени участка исследуемой поверхности раздела. Полная протяженность поверхности равна поперечному размеру среды D, поэтому величина р0 подбирается так, чтобы площадь под кривой

tg a + tg p равнялась D.

Получив зависимость р (t) с помощью соотношений (1), определяют y(t) и x(t) - координаты точек исследуемой поверхности во все моменты пересечения с пучком, т.е. определяется форма исследуемой поверхности раздела двух сред. Изложенная процедура позволяет обойтись без механической тарировки системы.

Изменение угла да наклона зондирующего пучка при пересечении им поверхности раздела является промежуточной величиной и исключается из окончательного выражения для обработки зарегистриро- ванного сигнала, не требуя непосредственного определения.

Кроме того, не требуется устанавливать приемную площадку под определенным заданным углом к зондирующему пучку, не требуется измерение этой величины и, следовательно, не вносится дополнительных погрешностей.

Существенной характеристикой является пространственное разрешение. Сфокусированный пучок позволит получить лучшее пространственное разрешение. В первом приближении пучок фокусируется в точку, а затем конически расходится. При этом в небольшой окрестности фокуса раэ0

5

решение оказывается очень высоким, а при удалении от него быстро ухудшается. Как правило, в практических задачах требуется не только хорошее, но и равномерное по исследуемому объему пространственное разрешение. Этого можно достичь, фокусируя пучок посередине между стенками до диаметра, равного произведению протяженности среды вдоль пучка на угол дифракционной расходимости пучка. При этом максимальный диаметр пучка (реализующийся на стенках канала) превышает минимальный примерно на 40%,

Радиус W одномодового пучка, сфокусированного до радиуса W0, растет с расстоянием Z от места фокусировки как

0

5

0

5

0

5

0

5

W2 (Z) W§ (1 + (л2

KW2) )Дифференцируя это отношение по W0 при фиксированном Z, минимальное значение наибольшего радиуса пучка в канале заданного поперечного размера D 2Z достигается при фокусировке пучка в средней

9 D области канала до радиуса Wo -JT .

Поскольку угол дифракционной расходимости пучка равен 2/KW0), наилучшее равномерное пространственное разрешение получается при диаметре пучка в месте фокусировки 2W0, равном произведению протяженности среды вдоль пу-ка D на угол дифракционной расходимости пучка.

Способ осуществляется следующим образом.

Направляют пучок 4, излучаемый источником 6, через смотровые окна 5 в канале ударной трубы 9. Фокусируют пучок 4 линзой 8 в среднюю область среды в канале, размер которой порядка произведения протяженности среды вдоль .учкэ на угол диф- ракционной расходимости пучка. Направляют пучок 4 под углом порядка угла дифракционной расходимости пучка к плоскости поперечного сечечия канала (под острым или тупым углом к направлению движения поверхности раздела). Заполняют канал исследуемой средой 1, например газом, контролируя начальные параметры среды 1 (состав и, например, давление и температуру). Устанавливают дифференциальный фоттоприемник 7 на оси пучка 4 на расстоянии, при котором поперечный размер пучка примерно равен размеру приемной площадки фотоприемника 7. При этом ориентируют границу между площадками фотодиода в вертикальной плоскости, проходящей через пучок так, чтобы разностный сигнал от обеих половин был равен нулю. Создают в канале 9 движущуюся поверх

ность 3 раздела, например, возбуждая в среде 1 ударную волну. Затем измеряют скорость движения поверхности 3 раздела. Регистрируют временную зависимость отклонения прошедшего через среду пучка излучения между, начальным и конечным моментами пересечения пучком поверхности раздела. Визуально определяют наличие на зарегистрированной временной зависимости скачкообразных изменений, близких по крутизне и амплитуде к начальному и конечному фронтам. Увеличивают угол наклона пучка 4 и повторяют операции 6-9 до исчезновения упомянутых скачкообразных изменений,

По измеренным начальным параметрам и скорости поверхности раздела определяют отношение показателей преломления на поверхности раздела. По последней зарегистрированной временной зависимости определяют форму поверхности раздела двух сред.

Предлагаемый способ был применен для определения формы фронта ударных волн в газах. При этом средой 1 является газ перед ударнбй волной, а 2 - газ, сжатый и нагретый волной. Способ реализован1 на ударной трубе с каналом поперечного сечения 25x25 мм, снабженным круглыми смотровыми окнами из органического стекла диаметром 30 мм. В качестве источника света используется лазер. Лазер предпочтителен ввиду простоты получения коллимированного пучка. Для простоты настройки предпочтительны лазеры с непрерывной генерацией в видимом диапазоне.

Луч лазера направляется через смотровые окна и фокусируется линзой 8 с f 10 см в центре канала до минимального диаметра 0,1 мм, что равно произведению поперечного размера канала 25 мм на угол дифракционной расходимости пучка 4/(Kd0) 4/(107 -1О-4) 4-1 (Г3рад 0,23°.

Путем поворота оптической скамьи, на которой смонтирована вся оптическая часть схемы, пучок 4 направляют под углом порядка угла дифракционной расходимости пучка к плоскости поперечного сечения канала. Исследуемый газ напускают в канал 9 из баллонов высокого давления. Начальное давление в канале контролируется образцовым вакуумметром МО-1227, а температура равна комнатной.

Устанавливают дифференциальный фотоприемник 7 на оси пучка 4 на расстоянии, при котором поперечный размер пучка примерно равен размеру приемной площадки фотоприемника. Перемещая фотоприемник на подставке вдоль оптической скамьи, регулировочными винтами в двух поперечных

направлениях обеспечивают равенство нулю разностного сигнала от двух площадок. Ударная волна, возбуждалась в газе, заполняющем канал 9 ударной трубы, при разрыве алюминиевой диафрагмы под действием перепада давлений, создаваемого между каналом 9 и камерой высокого давления. Скорость движения ударной волны 3 определялась двумя пьезодатчиками

на базе 30 мм с погрешностью в 1,3%.

Преломление пучка на поверхности раздела приводило к отклонению его на приемной поверхности фотодиода и тем самым к изменению распределения светового потока по его площадкам. Электрический сигнал, пропорциональный разности фото-ЭДС наводимых на обеих площадках фотодиода, регистрировался запоминающим осциллографом 10 во все моменты пересечения пучка ударной волной,

После получения зависимости без скачков рассчитывались показатели преломления газа по обе стороны от ударной волны по измеренному манометром начальному

давлению газа в канале и измеренной скорости ударной волны с использованием соотношений п - 1 k р ;

рг (у-1)М2

Я (У + 1)М2+2

где п - показатель преломления газа; р- плотность газа; k - постоянная Гладстона- Дэйла; у- показатель адиабаты; М - число Маха ударной волны, Индексы 1 и2соответствуют газу до и после ударной волны.

Отличие плотности за искривленной ударной волной от рассчитываемой по формуле для прямой (определяющееся квадратом косинуса угла наклона ударной волны

0 не превосходит 1-2%. Итоговая погрешность восстановления формы ударной волны составляет около 5% от характерного размера по каждой из координат. Протяженность фронта вдоль канала имеет в уеловиях проведенных экспериментов порядок десятой доли миллиметра, что соответствует абсолютной погрешности порядка 5 мкм. 8 поперечном направлении характерной величиной является поперечный размер каналаПри реализации способа не требуется

априорных знаний о возможной форме поверхности раздела двух сред, что значительно расширяет область применения способа, ограничивая его только требованием воспроизводимости этой формы.

Формула изобретения 1. Способ определения формы воспроизводимой поверхности раздела двух сред, движущейся в канале, в пючзющий освещение поверхности раздела наклонным к ней пучком оптического излучения и регистрацию временной зависимости отклонения пучка, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения, пучок направляют под углом к плоскости поперечного сечения одной из сред в канале, равным углу дифракционной расходимости пучка, и последовательно увеличивают угол наклона пучка к указанной плоскости, причем воспроизведение поверхности раздела и регистрацию временной зависимости производят для каждого значения угла наклона, а увели0

чение угла наклона осуществляют до воли- чины, при которой исчезают скачки на временной зависимости отклонения пучка, и для этой величины угла по временной зависимости определяют форму поверхности раздела двух сред.

2. Способ по п.1,отличающийся тем, что, с целью повышения точности, пучок фокусируют в среднюю область среды в канале до диаметра, размер которого равен произведению протяженности среды вдоль пучка на угол дифракционной расходимости пучка.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гидро- и газодинамике. Целью изобретения является расширение области применения и увеличение точности. Способ включает освещение поверхности наклонным пучком оптического излучения. Сначала пучок направляют под углом к плоскости поперечного сечения канала порядка угла дифракционной расходимости пучка, затем последовательно увеличивают угол наклона пучка, причем для каждого значения угла наклона регистрируют временную зависимость отклонения прошедшего через среду пучка, вызванного пересечением пучка с поверхностью раздела. Увеличение угла наклона пучка осуществляют до величины, при которой исчезают скачки на этой временной зависимости между начальным и конечным моментами пересечения пучком поверхности раздела, и для этой величины угла наклона пучка по упомянутой временной зависимости определяют форму поверхности раздела двух сред. Отклонение прошедшего через среду пучка определяют по изменению распределения мощности излучения относительно заданной плоскости. Кроме того, пучок фокусируют в область середины канала, размер которой - порядка произведения протяженьости среды вдоль пучка на угол дифракционной расходимости пучка.2 ил. СП о о СА Јь оо ,Ј

raj/

5

jj XSX4NX X 4 Sy ..#/#

N -/,

(pua.i

Редактор А.Мотыль

Фиг.2

Составитель В.Варнавский

Техред М.МоргенталКорректор М.Демчик