Устройство для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред Советский патент 1983 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть- исполь зовано для бесконтактного измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред, движущихся по заданному направлению, в частности для измерения скорости перемещения бума ного полотна. Известно устройство для измерени скорости перемещения поверхностей сплошных сред, содержащий л&зер, фо мирователь.пучка излучения, фотопри емник, анализатор.поля рассеянного излучения, представляющий собой . растровую решётку с гармоническим законом пропускания излучения, расположенную перед фотоприемником, по следовательно соединенные блок обра ботки информации и регистрирующий . прибор ij . Недостатком этого устройства яв. яется невысокая точность измерения .скорости перемещения поверхностей сплошных сред, обусловленная относи тельно малой глубиной модуляции полезной составляющей информативного сигнала вследствие одновременного пересечения большим количеством дифракционных пятен светочувствит.льпоК площадки фотоприемника, что при водит к уменьшению отношения сигнал шум и, таким образом, к сниж-ению точности измерения. Известно устройство аналогичного назначения, принятое за прототип, со.цержащее лазер, оптический формирователь, выполненный в виде рассей Бающей и фокусирующей цилиндрически линз, ориентированных вдоль направления движения поверхности, анализа тор поля рассеянного излучения, выполне нный в виде оптической решетки расположенной перед фотоприемником, подключенным через блок обработки информакии к регистратору 2 . Для исключения влияния поперечных колебаний скорости, перпендикулярных плоскости, в которой движется поверхность , решетка расположена от исследуемой поверхности на расстоян равном расстоянию от нее до мнимой точки дивергенции расходящегося лазерного пучка. Недостатками прототипа являются малое отношение сигнал/шум на выхоД фотоприемника, обусловленное одновременным пересечением плоскости оптической решетки несколькими дифракционными пятнами, а также влияние поперечных колебаний поверхност в плоскости ее движения, амплитуда которых превышает поперечные размер решетки. Цель изобретения - повышение точ ности измерений за счет повышения отношения сигнал/шум и уменьшения влияния поперечных колебаний исследуемого объекта в плоскости движения среды. , Это достигается тем, ,что в известном устройстве для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред фотомаска выполнена в виде диафрагмы с отверстием, а вторая цилиндрическая линза ориентирована поперек направления движения, и ее фокусное расстояние превышает расстояние от нее до исследуемой по-верхности, при этом расстояния от исследуемой поверхности до фокальных плоскостей первой и второй цилиндрических линзравны между собой. На фиг.1 показано предлагаемое устройство в плоскости XOZ ; на фиг.2 то же, в плоскости Y02 . Устройство содержит источник когерентного излучения - лазер 1, излучающий близкий к телецентрическому пучок 2. . На пути распространения лазерного пучка 2 расположен двухкоординатный формирователь, состоящий из двух оптических элементов 3 н 4, установленных под углом 90° друг к другу, предназначенный для форвиирования сходимости лазерного пучка по двум координатам X и Y . После прохождения оптического элемента 3 (фиг.1) формируется гомоцентрический сходящийся пучок Ь, содержащий линию дивергенции, проекция которой, на плоскость ХОТ; изображена точкой Pi . За точкой дивергенции J распространяется гомоцентрический расходящийся лазерный пучок, облучающий на поверхности контролируемой среды площадку 6. На фиг.1 показана форма площадки G с учетом дивергенции лазерного пучка только в плоскости XOZ. Позицией 7 обозначен участок пичковой индикатрисы рассеяния когерентного излучения диффузной средой 8. На пути распространения рассеянного излучения установлена диафрагма 9 с отверстием, размер которого не превышает средний размер дифракционных пятен, образуемых в процессе рассеяния пучка когерентного излучения диффузной средой 8. За диафрагмой 9 в непосредственной близости от нее установлен фотоприемник 10. При этом плоскость его фотоэлектрической регистрации расположена от поверхности среды 8 на расстоянии, равном расстоянию от этой поверхности до точки Ф дивергенции лазерного пучка в плоскости XOZ , Выход фотоприемника 10 соединен с входом блока 11 обработки информации, а выход последнего с входом регистрирующего прибора 12. Вектор скорости перемещения среды по заданному направлению совпадает с осью X системы координат ХО . Оптический элемент 3 формирует дивергенцию пучка только в плоскости Х05;; а элемент 4 - диверг-енцию толь ко в плоскости 0 2, . В качестве опти ческих элементов 3 и 1 двухкоординатного формирователя пучка могут быть использованы, например, две ци линдрические положительные линзы. Оптические элементы 4 соответст венно сориентированы относительно вектора скорости перемещения среды по заданному направлению VQ . Оптический элемент 4 ф-рмирует гомоцент рический сходящийся лазерный пучок, дивергентный только в плоскости 40Z Линия дивергенции лазерного пучка в проекции на плоскость УО преобразу ется в точку Ф .Точка дивергенции Ф, расположена за поверхностью сред на расстоянии от нее, также равном расстоянию от этой поверхности до плоскости фотоэлектрической регистрации рассеянного излучения. Следовательно, предлагаемое устройство выполнено таким образом, что в нем обеспечено равенство . трех расстояний от поверхности среды: до плоскости фотоэлектрической регистрации до точки Ф дивергенции пучка в плоскости Х02, и до точки -7 дивергенции пучка в плоскости 02. , приче точки Ф и Ф расположены на одинаковом расстоянии по обеим сторонам от поверхности среды; точка Ф1расположена, до поверхности среды, а точка Р - за поверхностью среды, если рассматривать вдоль направлени распространения лазерного излучения облучающего поверхность среды. Облу чение контролируемой среды и фотоэлектрическая регистрация осуществлены в устройстве в направлениях, близких к к поверхности контролируемой среды. В результате рассеяния гомоцентрического пучка когерентного излучения диффузной поверхностью движущейся среды в плоскости-фотоэлектри ческой регистрации рассеянного ередои излучения образуется движущаяся .пятнистая дифракционная картина, характерный размер пятен в которой определяется выражением (l)s e ApJo, где Л - длина волны лазерного излу чения; Г„ - расстояние от поверхности среды до плоскости фотоэлектрической регистрации; D - диаметр (размер) площадки, облученной пучком на поверхности среды. При этсм скорость перемещения пя тем дифракционной картины с достаточной точностью описывается формулой (2) : V Vonir«lf(p), где Г(р - расстояние от поверхности среды до точки (или линии) дивергенции пучка. В случае облучения среды расходящимся пучком когерентного излучения знак в формуле (2) положительный, а в случае сходящегося пучка - отрицательный. В плоскости X02i (фигЛ) поверхность среды облучена дивергентным расходящимся пучком, поэтому для вычисления скорости перемещения пятен вдоль оси X следует выбрать знак в формуле (2) положительным, а в плоскости 02, поверхность среды облучена сходящимся пучком, поэт.ому для вычисления скорости перемещения пятен вдоль оси V следует выбрать знак отрицательным, что подтверждается экспериментально. При движении среды по заданному направлению зачастую имеют место поперечные колебательные перемещения среды, происходящие в плоскости расположения ее поверхности, которые приводят к появлению дополнительной частотноЛ составляющей на выходе фотоэлектрического преобразователя, а следовательно, и к погрешности в изм€грении скорости перемещения среды по заданному направлению, Согласно предлагаемому изобретению,чтобы уменьшить влияние поперечных колебательных перемещений среды на точность измерения скорости перемещения среды по заданному направлению, предлагаемое устройство выполнено таким образом, что в нем линия дивергенции пучка по координате, перпендикулярной направлению перемещения среды по заданному направлению , расположена за поверхностью среды на расстоянии от нее, равном расстоянию от этой поверхности до плоскости фотоэлектрической регистрации. Следовательно, для поперючных перемещений среды выполнено условие п Фг отношение fp/f,, , а-так как в поперечном направлении среда облучена сходящимся пучкс, скорость перемещения пятен дифракционной картины в этом направлении равна нулю (3) : Vy Vo(-)0. В зсщанном направлении перемещения среда облучена расходящимся пучком, поэтому скорость перемещения пятен дифракционной картины будет . равна удвоенной сксрости перемещения среды (учитывая равенство) , Vx-Vo H() 2V. С выхода фотоэлектрического преобразова,теля информативный сигнал, промодулированный частотой (Ь): , где Е - средний размер дифракционных пятен в плоскости фотоэлектрической регистрации 6), постзлс пает в блок 11 обработки информации, в котором производится вычисление измеряемого паргилетра - скорости Vo перемещения среды по заданному направлению. Полученная информация регистрируется в цифровом виде прибором 12.

Таким образом, предлагаемое устройство исключает поперечную составляющую скорости перемещения пЯтен дифракционной картины в плоскости фотоэлектрической регистрации, -о.бусловленную поперечными колебательными перемещениями среды в плоскости ее поверхности при движении среды по заданному направлению, тем самым существенно уменьшает влияние поперечных колебательных перемещений,

что приводит к повышению точности измерения скорости перемещения среды по заданному направлению. В то же время устройство обладает повышенньм отношением сигнал/шум, поскольку в зоне отверстия диафрагмы может одновременно находиться не более одногр дифракционного пятна.

УСТРОЙСТВО ДЛИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СПЛОЩНЬТХ СРЕД, содержащее лазер/ оптический формирователь, выполненный в виде двух цилиндрических линз, одна из которых ориентирована вдоль направления движения исследуемой поверхности, фотоприемник, подключенный через блок обработки информации к регистратору, и анализатор поля рассеянного излучения, выполненный в виде фотомаски, расположенной перед фотоприемником, при этом фокусное расстояние первой цилиндрической линзы меньше расстояния от нее до исследуемой поверхности, а расстояния от точки пересечения оси лазера с исследуемой поверхностью до фокальной плоскости первой цилиндрической линзы и плоскости фотомаски равны между собой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет повышения отношения сигнал-шум и уменьшения влияния поперечных колебаний исследуемого объекта в плоскости движения среды, фотомаска выполнена в виде диафрагмы с отверстием, а вторая цилиндричес- 1 кая линза ориентирована поперек правления движения и ее фокусное расстояние превьвиает расстояние от нее до исследуемой поверхности, при этом расстояния от исследуемой поверхности до фокальных плоскостей первой и второй цилиндрических линз равны между собой. ;о эо со