Теневое автоколлимационное устройство Советский патент 1978 года по МПК G02B27/38 

(54) ТЕНЕВОЕ АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение ошоснтся к оптическим прибо- рам для нсследшания оптических характеристик прозрачных сред, а именно для определення пространсгвенной корреляции составлявхцей градиента показате ш преломления, и может применяться при исследованиях оптических неоднородностей, в которых отклшешш показателя преломления при изменении координат имеют стационарный характер, например при исследованиях в азродинамической ipy6e при установивишхся режимах.

Известны теневые приборы для исследования прозрачных неоднородностей, ашлизирунхдие нх пространственные характеристики. Такие устройства состоят из двух идентичных частей, исследующих один и тот же участие среды под различными ракурсами; Ги, 2.

Ближайшим по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее два раздельных идентичных теневых прибора, реагируккцих на составляющую градиента показателя преломленНя исследуемой среды в двух выбранных точках про странства. Каждый из этих приборов состоит из осветительной - коллиматорной части с источником света и приемной части с теневой диафрагме и фотсшриемннком, отделенных от рабочих объеме с

исследуемот средот защитными стеклами. В процессе работы каждого прибора коллиматорный пучок света однократно проходит через соответствующий анализируемьга объем 3.

Определяемые корреляционные характеристики процесса, развивающегося в среде, вычисляются путем совместны обработки сигналов, одновременно зарегистрированных на обоих приборах в виде временных реализаций для ряда расстояний между анализируемыми объемами среды. Для вычисления коэффициента корреляции R (г) в этом сдучае (при условии однородности и изотропности поля) применяется формула.

где Jf Uc н UB () - текущие значения 1Ш1ряжешш на выходе фотоприемников прибора А и прибора В, зарегистрированных в реализациях при расстошшях между участками среды, через которые одновременно проходят свеювые пучки приборов А и В;

TO радиусы-векторы, определякхцие положение в пространстве ашлизируемых участков среды в выбранной шстеме координат;

Bji и©5 соответствугацие углы отклонения световых пучков, вызываемые наличием гра- g дкентов показателя преломления в анализируемых объемах и приводящие к появлению пропорциональных им электрических сигналов и

Большой объем вычислений по формуле (1) вызьшает йеобходимость использсжакия цифровой IQ В1,числительной техники, для чего в частности требуется применение аналого-цифровых преобразователей напряжения, а также множителыгых, квадрирующих и суммирующих устройств. Недостатком этого устройства является также необходимость jg взаимного механического переме1чения лруг относительно друга обоих пртборов, входящих в устршство, для проведения измерений на различных расстояниях 7 . Так как эксшгуатацдил данной ап паратуры обычно происходит в условиях воздействи вибраций, то необходимость эпос н емещешш налагает поБьпиенные требсжанвя к жеспсости конструкции и ведет к ее усложнению.

Цель изобретения - упрснцеиие корреляциояной обработки сигиалсш та выходе устройства для 25 определения коэффициента корреляции н упрощение процесса изменения базы измерений.

Это достигается тем, что в известном теневом устройстве, содержащем дэа теневых П1жбора, состоящих из коллиматорной осветительной части с ис- зо точикком света и приемнш части с теневой дкафрагл мш и фотоприемншсом, отделенных от рабочих объемов с исследуемой средой защитными стеклами, в одном из теневых приборсш установлен световозвращающий блок, вьшолненный в виде объектива с 35 размером зрачка, превышающим базу измерения, в фокальной плоскости которогоРасположено зеркало перпендикулярно к ттической оси, проходящей посредине между рабочиАШ объемами; перед фотоприемником находится собирательная линза, «О входной зрачок которш сопряхжн с работами объе мами прибора, а («тическая ось второго теневого прибора ориентирована параллельно оптичеосой оси первого прибора и отстсмт от нее на расстоянии, меньшем размера области стационарности нсследуе- 45 мого процесса.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого теневого прибора.

Теневой прибор имеет источник 1 света, расположенный на оптической оси 00 конденсатора 2. 50 Его изображение можно рассматривать как вторичный источник света, размер которого ограничен величиной светового отверстия в зеркале 3, плоскость которого пересекает оптическую ось в месте изображеш1я источника 1 света при угле f между осью 55 00 и нормалью к зеркалу. Вторичный источник света рашоложсн в фокальной плоскости объектива 4, которьо : находится рядом с защитным стеклом 5. Защитное стекло 5 представляет собш плоскопараллельную пластину, отделякнцую осветительную и 60

приемную часть прибора от исследуемой среды. Защитное стекло 6 идентично по размерам защитному стеклу S и отделяет световозвращающий блок от исследуемой среды. Центры защитных стекол S и б находятся на оптической оси 00, а их поверхности перпендикулярны .к ней. Световозвращающий элемент состоит из объектива 7, в фокальной плоскости которого расположено зеркало 8. Оптическая ось объектива 7 совпадает с осью 00. Конденсатор 9 рядом с зеркалом 3 таким образом, что его (эттическая ось Oi 0 и фокальная плоскость пересекают ось 00 в месте расположения вторичного источника света, при этом угол между осями составляет 2v)- Центр зрачка собирательной линзы 10 находится на расстоянии g от штической оси Oi Oj. Зрачок линзы 10 расположен в плоскости, штически сопряженнш посредством линз (4 и 9) с плоскостью, находящейся в исследуемой среде. Пун. этом расстояние между злементарными объемами II и 12, для которых измеряется коэффици ент корреляции, может быть выражено формулсж

г 2R 2Кд,

где К - коэффициент подобия (увеличения) между линейными размерами в с(Х1ряженных плос костях. Величина зрачка линзы 10 спределяег величину сечений объемов среды 11 и 12. Фотоэлектртческий приемник 13 расположен таким образом, что шкицадь сечения световых лучей, сходящихся после прохождения линзы 10, полностью вписана в плоицияь его светочувствительиого слоя.

В процессе; измерения лучи света, исходящие «3 вторичного источника света, заполняют апертуру объектива 4 и, пройдя его и защитное стекло 5, попадают в виде коллимированного пучка в исследуемый объем среды. Каждый из элементарных пучков проходит через элементарное сечение объема, практически не менякнцего свою площадь из-за коллимированности пучка и малых размеров вторичного источника света и отстоящего от оптическш оси на расстояние R. Благодаря тому, тго зеркало 8 установлено перпендикулярно к оптической оси, элементарный пучок, пройдя защитное стекло 6 и объектив 7, отражается от зеркала 8 под тем же утлом относительно оптической оси и выходит обратно в исследуемый объем в направлении, строго параллельном направлению, под которьпъ он вьшкл из среды. Цри обычно имеющих место величинах градиента показателя преломления углы отклонения лучей в среде малы и сечение пучка, попавшего вторично в среду, находится практически }ia том же расстоянии R от оси 00, ио в симметричном относительно последней положении, т. е. расстояние между объемами И и 12 составляет г 2R. При вторичном попадании в среду элементарный пучок уже имеет с осью 00 угол ©.j , равный, но обратш ш по знаку проинтегрированным по длине хода t в среде (11) элементарным отклонениям, вызванным наличием составляющей градиента показателя преломления, перпендикулярна к направлению лучей, к ним алгебраически суммируются элементар ные отклонения при проходе через объем среды 12 Таким образом,в конце второго прохождения через среду суммарный угол отклонения равен разности углов отклонений на участке После вторичного выхода из среды элементарные пучки света, пройдя объектив 4, образуют изображение вторичного источника света, смещенное относите.льно светового отверстия в. плоскости зерка ла 3. Часть света, отразившаяся от зеркального покрытия (не пславигая в световое отверстие) образует теневую картину. Участок теневш картины, сопряженный с элементарными объемами 11 и 12, освещен световым потоком, по величине пропорциональным 0 Oi-Sj. Сфокусированный шгазой 10 ш поверхность чувствительного слоя фотоприемника 11 зтот световой поток вызьшает электрический сигнал Ui. Так как рабочее сечение светшозвращаккцего блока перекрывает световые пучки, проходящие через все точки среды, расстояния между которыми находятся в рабочем интервале данного прибора, то для выделения светсжых пучков, проходящих через точки, расположенные друг от друга на любом расстояшш г из этого интервала, достаточно переместить линзу 10 и свяэ&нный с ней фотсприемник в сопряженное положение. Следует отметить, что объемы 11 и 12 равнозначны, поэтому теневая картина имеет осевую симметрию и для увеличения сигшша вместо линзы 10 можно использовать два симметртчво расположён ных элемента с соответствующими фотшриемниками, сигналы от которых складываются (либо с одним фотшриемником, площадь чувствительного слоя которого достаточно велика). Второй теневой прибор, работающий однсшременно с шисанным, имеет обычную оптическую схему, т.е. его световой пучок проходит только через один рабочий объем. Прибор может бьпъ выполнен как по схеме с однократным проходом через рабочий объем, так и с двукратным. Автоколлимационный вариант предпочтительнее с точки зрения удобства эксплуатации благодаря конструктивному сходству с первым прибором, особенно в случае размещения обоих приборов в одном корпусе. Так как в процессе исследований изучается корреляция составляющей градиента показателя преломления, пертендикулярной к оптической оси первого теневого прибора (направлению светового пучка), то и оптическая ось второго теневого прибора должна быть параллельна оптической оси первого теневого прибора, чтобы замерять воздействие тот же составляющей. Второй теневой прибор имеет световозвращающий элемент в виде автоколлимационного зеркала 14. Оптическая ось Ог Oj прибора параллельна оптической оси 00 первого прибора и отстоит от последней на расстоянии d, которое должно быть меньше размеров области ста1шонарности для исследуемого процесса. Часть светового потока, прошедшего рабочий объем 15, отраженшя поверхностью зеркала 3, целиком попадает га фотоприемник 16. Электрический сигнал Uj, снимаемьш с фогоприемника 16, пропорционален углу отклонения светового пучка в рабочем объеме. Расчет коэффициента корреляции при этом должен производиться по формуле, которую можно получить из формулы (1) путем преобразований ,...r) вл-Вг, где Mr (Qfo ковариаиия углов; D (©75.и D (вг5) - дисперсия соответствующих величин. Известно, что для величин, измеренных в стационарной области )) где D (вг5 - вг&.н - дисперсия разности углов отклонения пучка света, приобретаемая при его прохождении через среду вблизи точек с координатами TS и го + Тв стационарной области. Для этого случая формула (2) преобразуется ( ter,&fsv .D(e)4i)(&,&r;.T). DC Ч) -1 1 ) ) Эта формула справедш1ва при однократном рохожрении светачерез анализируемые объемы. читывая, что на выходе П1жборов происходит заись электрических сигнале Uj (врЗ) и Ui (B friW) проторщиснальных углам вРв efS+rtфорула (4) П1жнимает вид i(r)i- -д .°: . (5) 2Uj(&rJ В тех случаях, когда теневой прибор, измерящий составляющую градиента показателя преломния, выполжн по автоколлимационной схеме, ть луч проходит два раза по анализируемому объеу, формула (5) преобразуется в Uf . ) Прт использовании формулы (6) оба прибора, ходящие в устройсгао, могут быть расположены и проведении измерений в произвольно выбраных точках, -но в пределах упомянутой области, где беспечивается стационарность исследуемого про- , сса. , Из формулы (6) видно, что для проведения новного объема расчетов при вычислении коэфициента корреляции по реализащшм величин Uj Uj, требуются только квадрирова1ше и суммированне, выпошшемые авнитеяьно простым авалоговы г1 внчвслнтельными устршстяямн в процессе ясшертменп. Остпьные сферацнм в связт с объемом вычислений мотут быть проведены безпртменения вытаслнтеш ноб техники. TaioiM образом, использование описанного устройства упрощает f fevsy р1асчета коэффициента корреляции составляющей градиента показателя преломления по реализациям выходньп сигналов приборсЬ. Р|счет может быть выполнен с использованием ака логшых квадирукщих и суммнрунхцих устройсп. Исчезает необходимость пртменения срввнительно сложных цифршых вычяслительных устройств и sjBaлого-щфровых преобразсжателей. Чтобы осуществить смену базы, для которое определяется коэффшдаент корреляции, в процессе црстедения измерений достаточно передвинуть {Ж п{жбора небольшой блок с фотсшрнемнтсом вместо передвижения прибора целиком. Формула изобретения Теневое авт соллимационное устройство, содержащее два теневых прибора, состоящих иэ коллиматорной осветительной части с HCIOVOIKOM света, ж част с теневой диафрагмой и фотсшриемннком. от деленных от рабочих объемов с исследуемой средой защитными стеклами, отличающееся тем. что, с целью упрощения корреляционнс) обработки выходных снполсш и изменения базы измере 1Й в одном из теневых приборов установлен световозврАц кщнй блок, выполненный в виде объектива с размером зрачка, превьпшкхцим базу измерения, в фокальной плоскости которого расположено зеркало перпендикулярно к штической оси, проходящей посредане между рабочими объемами; перед фотоприемНИКОМ установлена собирательная линза, входной зрачсйк которой сопряжен с рабочими объемами прибора, а оптическая ось второго теневого прибора ориентирована параллельно (Н1тиче зс( со пе1шого пук бора и отстоит от нее на расстояния, меньшем размера области стационарности исследуемого процесса. Источники информации, принятые во внимаЕие при экшертизе:, . Авторское свидетельство СССР N 161626, кп. G 02 В 27/30, 1963. 2.Васильев Л. А. Теневые методы. М.,Ьука, 1968, С.52. 3.Вильсон Д., Дамкомара Д. Статические свойства турбулентных фл туаций, Fluid nechanics , 1970, 43, ч. . 29.