Теневой фотоэлектрический способ и теневой прибор для исследования нестационарных процессов Советский патент 1986 года по МПК G01N21/41 G02B27/60 

2. Теневой прибор для исследования нестационарных процессов способом по п, 1, включаннций в себя осветительную и приемную части, щель в осветительной и нож Фуко в приемной части прибора, фотоэлектрическую приставку и регистрирующий осциллограф, отличающийся

807776

тем, что в поле предметов теневого прибора установлена дополнительная диафрагма-щель, края которой параллельны кромкам ножа Фуко и осветительной щели теневого прибора, а ширина - больше или равна ширине дифракционной картины исследуемой н еоднородности.

1. Теневой фотоэлектрический способ исследования нестационарных процессов, заключающийся в том, что в плоскости изображения теневого прибора вьделяют участок в виде щели малой ширины меньше размеров исследуемой неоднородности, края которой параллельны кромкам ножа Фуко, и осуществляют фотоэлектрическую регистрацию светового потока, проходящего через' щель, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности способа, ножом Фуко перекрывают изображение щели на величину, большую или равную ширине дифракционного максимума исследуемой неоднородности, и производят регистрацию сигнала, поступающего с фотоэлектрической приставки, при повышенном в 10-100 раз по сравнению с обычным коэффициенте усиления фотоэлектрической приставки.i(ЛС00/J 2

Изобретение относится к области оптико-физических способов исследования нестационарных процессов и прозрачных неоднородностей и может быть использовано в экспериментальной аэродинамике и аэрофизике.

Известен способ определения допол1 ительнЬй разности хода световых лучей и интенсивности скачка уплотнения на модели с помощью использования дифракционных явлений на плоских оптических неоднородностях.

Однако, с помощью данного метода можно измерять фотографическим способом только прямые скачки уплотнения при начальных плотностях р 0,75 х X 10 г/см и перепаде плотности на скачке Л/р, 3. Известны теневые приборы с фотоэлектрической регистрацией, состоящие из источника света, коллиматорной и приемной частей, щели в осветительной части и ножа Фуко в приемной части прибора, фотоэлектрической приставки и регистратора.

Основным недостатком этого типа устройств является их относительно малая чувствительность к изменению параметров процесса. Кроме того, регистрируется интегральная характеристика процесса (изменение показателя преломления). Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является теневой фотоэлектрический способ исследования нестационарных неоднородностей, заключающийся в том, что в плоскости изображения теневого прибора вьщеляется участок в ввде щели малой .ширины/меньше размеров исследуемой неоднородности, края которой параллельны кромкам ноа Фуко, и осуществляется фотоэлектрическая регистрация светового потока, проходящего через щель. Теневой прибор с фотоэлектрической регистрацией для реализации данного способа

5 состоит из источника света, коллиматорной и приемной частей, щели в осветительной части, ножа Фуко в приемной части прибора, диафрагмы - щели малых размеров (меньше размеров исследуемой неоднородности) в плоскости изображения теневого прибора, фотоэлектрической приставки и осциллографа, с помощью которых осуществляется теневой фотоэлектрический метод.

5 Использование теневого фотоэлектрического способа исследования нестационарных оптических неоднородностей позволяет получать данные о структуре процесса, его характерных зонах,

0 измерить ряд параметров исследуемых неоднородностей. Например, при применении теневого фотоэлектрического способа для исследования процесса распространения ударной ВО/1НЫ в ударной

5 трубе можно получить не только общее представление о структуре ударной волны, но также измерить продолжительность потока, скорости ударной волны и контактной поверхности, размеры зон неравновесных процессов за фронтом ударной волны и т.д.

В приближении геометрической оптики чувствительность f теневого фотоэлектрического способа определяется выражением

,Bhij

где С, - постоянная, определяемая

углом наклона характерис0 тической кривой фотоумножителя и регистрирующих устройств-.

в - постоянная, зависящая от яркости источника света, поглощения системы и т.д. h - высота открытой части изображения осветительной щели теневого прибора; 1 - фокусное расстояние основного объектива приемной части теневого прибора. К недостаткам известного технического решения относится то,что реальная чувствительность способа ограничивается дифракцией на исследуемой неоднородности и визуализирующей диафрагме прибора и фоновой засветкой Дифракционные ограничения связаны с разрешающей силой и чувствительностью прибора и могут быть уменьшены только при ухудшении этих характеристик ,

Из-за высокой чувствительности фотоэлектрической системы практическая чувствительность способа очень существенно зависит также от величины фоновых засветок, обусловливаемых рассеянием света на неоднородности, оптических и конструктивньсс элементах. Величина фонового сигнала определяется общей величиной светового потока, проходящего через все поле прибора. С увеличением светового потока возрастает роль шумов, уменьшается минимальная величина освещенности, которая еще может быть зарегистрирована. Влияние дифракционных явлений на ухудшение чувствительности прибора и способа наиболее сильно сказывается при изучении слабых неоднородностей.

Цель изобретения - повышение чувствительности теневого фотоэлектрического способа и теневого прибора с фотоэлектрической регистрацией для его осуществления.

Это достигается тем, что в теневом фотоэлектрическом способе исследования нестационарных процессов, заключающемся в том, что в плоскости изображения теневого прибора выделяют участок в виде щели малой ширины меньше размеров исследуемой неоднородности, края которой параллель ны кромкам ножа Фуко, и осуществляют фотоэлектрическую регистрацию светового потока, проходящего через щель, ножом Фуко перекрывают изображение щели на величину большую или равную ширине дифракционного максимума ис077764

следуемой недднородности, и производят регистрацию сигнала, поступающего с фотоэлекрической приставки, при повьшенном в 10-100 раз по сравнению с обычным коэффициенте усиле- ния фотоэлектрической приставки.

При этом, в теневом приборе, реализующем теневой фотоэлектрический способ,включающем в себя осветительную и приемную части, щель в осветительной и нож в приемной части прибора, фотоэлектрическую приставку и регистрирующий осциллограф, в поле предметов теневого прибора установлена дополнительная диафрагма-щель, края которой параллельны кромкам ножа Фуко и осветительной щели теневого прибора, а ширина -.больше или равна ширине дифракционной картины

20 исследуемой неоднородности.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема теневого прибора.

Теневой прибор содержит освети25 тельнзто часть, включающую осветитель 1 и щель 2, коллиматорную часть 3, дополнительную диафрагму-щель 4, нож 5 Фуко и приемную часть, включакяцую фотоэлектрическую приставку 6 и ре,д гистрирующий осциллограф 7.

В рабочем поле, находящемся между оптическими элементами коллиматорной части 3 устанавливают дополнительную диафрагму-щель 4, края которой параллельны краям ножа 5 Фуко и щели 2 осветителя 1 теневого прибора, а ширина - больше или равна дифракционной картине. Ножом теневого прибора полностью перекрывают изображение щели и устанавливают его от края изображе40ния щели на расстояние большем или равном ширине дифракционного максимума. Регистрацию сигнала осуществляют с помощью фотоэлектрической приставки 6 и осциллографа 7 при повышенном по сравнению с обычным коэффициенте усиления фотоэлектрической аппаратуры (в 10-100 раз). Фоновый сигнал резко уменьшается, так как он пропорционален площади рабочего

поля прибора. Так, для прибора

ИАБ-451, у которого диаметр рабочего поля 230 мм, установка в поле предметов диафрагмы размером см приводит к уменьшению фонового сигнала в 40 раз. Вместе с тем, ухудшение чувствительности из-за дифрации практически не наступает. Уменьшение ,4юнового сигнала позволяет в 10 -

100 раз увеличить усиление регист- рирующей аппаратуры (диапазон усиления 10-100 выбирается из условия оптимальной настройки фотоэлектрической аппаратуры и требуемой величины полезного сигнала на экране осциллографа) и тем самым существенно увеличить чувствительность измерений. Способ применим яри обычной настройке прибора, но особенно он эффективен при почти полном перекрытии изображения щели ножом, когда освещенность поля изображения (нулевая освещенность) и соответственно влияния фона| малыо

Таким образом, установкой дополнительной диафрагмы в поле предметов прибора, настройкой тейевого прибора на получение дифракционной картины неоднородности добиваются существенного з меньшения фоновых засветок и значительного увеличения отношения сигнал/шум. I Такая настройка позволяет работать при сравнительно низких пороговых световых потоках, исследовать слабые неоднородности.

В качестве примера осуществления данного изобретения можно привести теневой прибор ИАБ-451 с одноканальной фотоэлектрической приставкой и осциллографом, типа С1-17 в качестве регистратора. В поле предметов теневого прибора устанавливают диафрагмущель шириной 20-30 мм, края которой параллельны кромкам ножа Фуко и осветительной щели прибора. Величина щели в осветительной части теневого прибора 0,2 мм. Изображение щели перекрывается на 0,5 мм. На осциллографе устанавливают максимальный коэффициент усиления. Прибор применяют для исследования процесса распространения ударной волны в ударной трубе при давлении рабочего газа Р 30.мм рТоСт. и скорости ударной волны 1000 м/с. Полученная амплитуда сигнала в 6 раз превышала амплитуду сигнала, которая получалась в подобных же экспериментах при обычной настройке прибора без дополнительной диафрагмы. Сигнал был настолько велик, что произошел выброс за пределы экрана осциллографа.

Данное изобретение по сравнению с известными техническими решениями, обладает повыпенной чувствительность и точностью, а также повышает надежность результатов измерения.