Способ определения продольного смещения вращающихся диффузно-рассеивающих объектов Советский патент 1992 года по МПК G01P3/36 G01B11/00 

Изобретение относится к спекл-оптике, в частности к измерительной технике, и может найти применение для определения продольного смещения диффузно-рассеи- вающих объектов в машиностроении, биологии и других отраслях науки и техники,

Известен способ определения расстояния до движущегося объекта, включающий

освещение объекта когерентным излучением, формирование двух оптических сигналов из рассеянного излучения с последующей их фоторегистрацией 1.

Недостатком данного способа является необходимость проведения сложной пространственной фильтрации с помощью когерентно-уложенного волоконно-оптического фильтра, а также необходимость формирования двух сигналов, сравниваемых при помощи дифференциального усилителя.

Наиболее близким по технической сущ- ности к заявляемому объекту является способ определения продольного смещения движущихся диффузно-отражающих объектов, включающий освещение объекта когерентным излучением с заданной степенью расходимости, частотную модуляцию полученного рассеянного спекл-поля и фотоэлектрическую регистрацию 2.

Однако извэстный способ не позволяет определять продольное смещение объек- та.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения продольного смещения объекта.

Цель достигается тем, что в способе оп- ределения продольного смещения диффуз- но-рассеивающих объектов путем освещения объекта когерентным излучением с заданной степенью расходимости, фотоэлектрической регистрации спекл-поля, образованного рассеянным от исследуемого объекта излучением, и анализа электрического сигнала, отличием является то, что анализ электрического сигнала осуществляется путем разложения его в спектр и опреде- ление продольного смещения диффузно- рассеивающего объекта производят по амплитуде спектральной гармоники.

Способ осуществляют следующим образом.

Лазерным пучком с заданной степенью расходимости от лазера 1 освещают диф- фузно-рассеивающий объект 2, движущийся с некоторой скоростью V в направлении, перпендикулярном оси распространения пучка, и находящийся на расстоянии Z от . фокуса линзы 3 (фиг. 1 и 2), Диаметр освещаемого участка поверхности диффузно-рассе- ивающего объекта - а, ширина перетяжки - го, Движение объекта приводит к изменению спекл-поля, образованного рассеянным от этого объекта когерентным излучением. С помощью фотоэлектрического датчика 5, расположенного на расстоянии R от исследуемого объекта, через полевую диафрагму 4 регистрируют и преобразуют флуктуации интенсивности спекл-поля в электрический сигнал,который поступает на анализатор 6 спектра, посредством которого производят разложение полученного элект- рического сигнала в спектр. С целью оптимальной работы устройство необходимо, чтобы размер полевой диафрагмы 4 фотоэлектрического датчика 5 был соизмерим с размером единичного спекла.

Регистрируют амплитуду А спектральной гармоники в спектре флуктуации интенсивности спекл-поля от диффузно- рассеивающего объекта, находящегося в положении, характеризуемом координатой Zi. затем объект смещают в направлении распространения лазерного пучка и регистрируют амплитуду А спектральной гармоники флуктуации интенсивности спекл-поля от диффузно-рассеивающего объекта в положении Z2, далее 2з, ZA и т.д.

Перемещение исследуемого объекта в продольном направлении приводит к изменению геометрических параметров схемы, таких как размер освещаемой зоны на поверхности этого вращающегося объекта, что вызывает изменение размеров спеклов. Изменение геометрических параметров схемы приводит также к изменению радиуса кривизны волнового фронта освещающего пучка, что вызывает изменение скорости пробегания спеклов через апертуру фотоэлектрического датчика и скорости декор- реляции спеклов. В результате этого происходит изменение амплитуды А спектральной гармоники флуктуации интенсивности рассеянного спекл-поля.

Произведенные измерения зависимости амплитуды спектральной кривой от продольного смещения исследуемого объекта позволяют получить калибровочную кривую, с помощью которой можно определить продольное смещение объекта. На отдельных участках измерение амплитуды спектральной гармоники прямо пропорционально продольному смещению объекта.

В общем виде огибающую спектра флуктуации интенсивности динамического спекл-поля, образованного при рассеянии лазерного гауссового пучка на движущемся диффузно-рассеивающем объекте, можно выразить следующим соотношением:

vJtУ 9

fw -Tj- Тс exp(-w тс ),

где тс постоянная времени, которая является функцией продольной координаты Z. Экспериментальная зависимость fw представлена на фиг. 3. Оптимальным для регистрации продольного смещения является прямолинейный участок данной кривой.

Применение изобретения поясняется конкретным примером.

Исследовалась возможность определения продольного смещения вращающегося диффузно-пропускающего диска путем регистрации изменения амплитуды спектральной гармоники спекл-поля, образованного рассеянным от излучаемого объекта лазерным излучением, на частоте вращения при смещении объекта в продольном направлении. Частота вращения диска равна 60 Гц. Расстояние от оси вращения до центра освещаемого участка диска равно 45 мм. Фокусное расстояние линзы - 11 см. Размер отверстия полевой диафрагмы равен 120 мкм.

Полученные данные приведены на графиках фиг. 3 и 4. Для схемы измерения продольного смещения диффузно-рассеи- вающих объектов (фиг. 1), имеющей геомет- рические параметры освещающего пучка, изображенные на фиг. 2, произведенные измерения позволяют получить калибровочную кривую (фиг. 3), с помощью которой можно определить величину продольно- го смещения объекта. На фиг. 3 показано изменение амплитуды спектральной гармоники (частота 60 Гц) флуктуации интенсивности спекл-поля от фазового диска при смещении его в продольном направлении. На фиг. 4 показан участок калибровочной кривой, на котором изменение амплитуды прямо пропорционально продольному смещению объекта.

Изобретение позволяет расширить диа- пазон измерения продольного смещения

диффузно-рассеивающего объекта в сравнении с прототипом на порядок.

Таким образом, заявляемый способ позволяет расширить диапазон измерения продольного смещения объекта.

Формула изобретения

Способ определения продольного смещения вращающихся диффузно-рассеиваю- щих объектов путем освещения объекта когерентным излучением с заданной степенью расходимости, фотоэлектрической регистрации спекл-поля, образованного рассеянным от объекта излучением, и анализа электрического сигнала, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений продольного смещения объекта, анализ электрического сигнала осуществляют путем разложения его в спектр и определение продольного смещения диффузно-рассеивающего объекта производят за счет измерения амплитуды спектральной гармоники на частоте вращения объекта по соответствующей калибровочной кривой.

Использование изобретение относится к спекл-оптике, в частности к измерительной технике, и может найти применение для определения продольного смещения диф- фузно-рассеивающих объектов в машиностроении, биологии и т.д Лазерным пучком с заданной степенью расходимости освещают диффузно-рассеивающий объект, движущийся с некоторой скоростью в направлении, перпендикулярном оси распространения пучка, и находящийся на некотором расстоянии от фокуса линзы. Движение объекта приводит к изменения спекл-поля, образованного рассеянным от этого объекта когерентным излучением. С помощью фотоэлектрического датчика регистрируют и преобразуют флуктуации интенсивности спекл-поля в электрический сигнал, который анализируют путем разложения полученного электрического сигнала в спектр, Регист- рируют амплитуду А спектральной гармоники в спектре флуктуации интенсивности спекл-поля от диффузно-рассеиваю- щего объекта, находящегося в положении, характеризуемом координатой ZL Затем объект смещают в направлении распространения лазерного пучка и регистрируют амплитуду А спектральной гармоники флуктуации интенсивности спекл-поля от диф- фузно-рассеивающего объекта в положении 2.2, далее Zs, 2. Произведенные измерения зависимости амплитуды спектральной кривой от продольного смещения исследуемого объекта позволяют получить калибровочную кривую, с помощью которой можно определить продольное смещение объекта. На отдельных участках изменение амплитуды спектральной гармоники прямо пропорционально продольному смещению объекта 4 ил сл С vj Qv СЛ vj О 00

Фиг Л

t 6 8 10 72 74 IS 18 20 22 21 26 28 зЛгТ,сп

Физ.З

7

a

r

u

Z2Z;

Фиг. 2

А,м8

285

295 2,яп