Устройство для измерения скорости распространения возмущения в прозрачной среде

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАрПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ, содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света, передающий объектив, рабочую камеру, приемный объектив, блок сдвига волновых фронтов, выполненный, в виде расположенных в вершинах параллелограммаи параллельных между собой двух полупрозрачных пластин и двух зеркал с блоками поворота вокруг взаимно перпендикулярных осей, диафрагму, расположенную в фо.кальной плоскости приемного объектива, фотоэлектрический приемник излучения и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него дополнительно введены четыре светоделителя с блоками их поворота, расположенные по одному между каждыми из зеркал и полупрозрачными пластинами параллельно им, амплитудный дискрими- f натор, время-цифровой преобразоваW С . тель и задатчик сдвига волновых фронтов , при этом амплитудный дискриминатор своим входом соединен с выходом приемника, а выходом связан с первым входом блока обработки сигналов через v время-цифровой преобразователь, выходы залатчика сдвига волновых фрон .тов подключены к второму входу блока обработки сигналов и к входам блоков .поворота зеркал,под}упрозрачных плас;тин и светоделителей. О1 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(59 С 01 Р 3/38

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3377629/18-10 (22) 04.01.82 .(46) 30.03.83. Вюл, 9 12 (72) Б.Л. Васин, A.И; Харитонов, Г.В. Склизков, В.С. Сухоруких, С.А. Чаушанский,, И.В. Ершов, С.И. Федотов и Ю.Л. Шаров (71) Физический институт.им.П.Н.Лебе- дева AH СССР и Институт высоких температур. AH СССР (53) 532. 574 (088, 8)

- (56.) 1. Гейдон А., Герл. И. Ударная . труба в химической физике высоких температур. M., "Мир" 1966, с.158.

2 . Харитонов A.È., Ершов И.В.

Определение скорости движения неоднородности с помощью сдвигового устройства к теневому прибору. — В сб.

Физические методы исследования проз-. рачных неоднородностей. М., МДНТИП им..Ф.Э.Дзержинского, 1978, с.45-47 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ .СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯ

В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ, содержащее по..следовательно расположенные вдоль оптической оси источник света, передающий объектив, рабочую камеру, приемный объектив, блок сдвига волйовых

„„я0„„1008658 д фронтов, выполненный в виде расположенных в вершинах параллелограмма и параллельных между собой двух йолупрозрачных пластин и двух зеркал с блоками поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, диафрагму, расположенную в фокальной плоскости приемного объектива, фотоэлектрический приемник излучения и блок обработки сигналов, о т л и ч а- ю— щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерейий, в него дополнительно введены четыре светоделителя с блоками их поворота, расположен-. ные по одному между каждыми из зеркал и полупрозрачными пластинами параллельно им, амплитудный дискрими- ф натор, время-цифровой преобразова.тель и задатчик сдвига волновых фронтов,при этом амплитудный дискриминатор своим входом соединен с выходом приемника, а выходом.связан с первым входом блока обработки сигналов через Я время-цифровой преобразователь, выходы задатчика сдвига волновых фрон. тов подключены к второму входу блока обработки сигналов и к входам блоков .поворота зеркал, полупрозрачных плас- 4,)

"тин и светоделителей. 00

1008658

Известно оптическое устройство, применяемое при определении скорости ударной волны в ударной трубе, состоящее из двух оптических датчиков в виде теневых приборов, расположенных в двух сечениях ударной трубы на известном, расстоянии один от другого. 8 каждом сечении установлены 15 оптические смотровые окна, через .ко-, торые визуализируется ударная волна. ,В плоскостях изображения неоднородности (ударной волны) каждого теневого прибора расположена диафрагма, выделяющая небольшой- (точечный) участок из теневой картины. За диафрагмами размещены фотоэлектрические приемники типа ФЭУ. Сигналы с обоих ФЭУ поступают в блок обработки электри- 25 ческих сигналов. При прохождении изображения ударной волны мимо диафрагм изменяется их-освещенность и. с фотоприемника снимаются два сигнала.

Скорость определяется как отношение 3 расстояния (базы) между измерительными сечениями и измеренному интерва- лу времени между сигналами (1). (Однако указанное устройство не позволяет измерять скорость на малых базах. Так, при работе с теневыми приборами. типа NAB-451 минимальная база, обусловленная габаритами и размерам поля зрения прибора (поле зрения прибора 250 мм), составляет

500 мм. Кроме того, использование 40 двух теневых приборов, двух фотоумножителей и усилителей усложняет и удорожает эксперимент, а разброс их технических характеристик приводит к снижению повторяемости получаемых 45 результатов при измерении скорости движения возмущения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения скорости распространения возмущения . в прозрачной среде, содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси источник евета, передающий объектив, рабочую камеру, приемный объектив, блок сдвига волновых фронтов, выполненный в виде расположенных в вершинах параллелограмма и параллельных между собой двух полупрозрачных пластин - входной и выходной, и двух зеркал с блоками поворота вокруг двух взаимно перпендику- 60 лярных осей, прозрачный экран и диафрагму, расположенную в фокальной плоскости приемного. объектива, фотоэлектрический приемник излучения и блок обработки сигналов j2). 65

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при определении скорости движения различного рода возмущений к непрозрачных объектов в прозрачных средах: ударных волн и скачков уплотнения в 5 аэродинамических трубах.

Преимущество этого устройства состоит в воэможности измерения скорости на малых базах, достигающих 1-2 мм что обусловлено воэможностью осуществления сдвига оптических картин на малые величины и измерения этих величин сдвига с наиболее высокой интерференционной точностью.

Однако в известном устройстве сдвиг иэображенений оптических картин в каждом эксперименте возможен лишь в одном направлении, что ограничивает его применение при,движении возмуще-.

I ния не в направлении сдвига, т.е. в этом случае измеряется лишь составляющая вектора скорости на направле ние сдвига оптических картин, Для .определения модуля вектора скорос- . ти и его направления в этом случае необходимо применение в устройстве двух блоков сдвига, в которых сдвиг кар(тин осуществляется во взаимно перпендикулярных направлениях, но при этом точность измерения падает из-за введения, дополнительного оптического сдвигового блока, диафраг- . мы и второго приемно-регистрирующего тракта.

Кроме того, скорость определяется, этим устройством только на одной базе, так как в нем возможно образо вание не более двух оптических картин, сдвигающихся. одна относительно другой.

Для определения изменения величины скорости по полю зрения устройст- ва требуется проведение серии однотипных экспериментов, в каждом из которых диафрагму необходимо смещать . по изображению оптических картин в направлении сдвига, что также приводит к увеличению погрешности, особенно при.исследовании быстропроте-. кающих процессов (например движение ударной волны от взрыва), когда повторяемость экспериментов в серии невелика" цель изобретения - повышение точности измерения скорости распространения возмущений в прозрачной среде.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для,измерения скорости распространения возмущения в прозрачной среде, содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света, передающий объектив,. рабочую камеру,приемный.:объектия,.блок сдвига волновых фронтов, выполненный .в виде располо« женных s вершинах параллелограмма и параллельных между собой двух полупрозрачных пластин, и двух зеркал с блоками поворота вокруг двух .взаимно перпендикулярных осей,диафрагму, расположенную в фокальной плоскости приемного объектива, фотоэлект« рический приемник излучения и блок обработки сигналев, дополнительно вве1008658

18 поворота полупрозрачных пластин

7 и 8, блоки 19-22 поворота светоделителей 11-14, прозрачный экран 23 для наблюдения оптических картин (наблюдаемые в плоскости экрана оптические картины а, 5, е, н ъ, с движущимися по ним изображениями 4а, 4б, 4е и 4ъ возмущения 4 схематически изображены на фиг. 2 и 5), непрозрачную диафрагму 24 с отверстием 25, совмещенную с плоскостью экрана 23 (на фиг. 1 экран .и диафрагма изображены несколько разнесенными вдоль

"оптической оси, что.сделано для наглядности пояснения состава предлагаемо.го устройства), фотоэлектрический приемник 26 излученйя,амплитудный дискриминатор 27, соединенный своим входом с выходом фотоэлектрического приемника 26, а выходом связанный с первым входом блока 28 обработки сигналов через время-цифровой преобразователь 29, задатчик 30.сдвига волновых фронтов, подключенный к второму .. входу блока 28 обработки сигнала и к входам блоков 15-22 поворота соответственно зеркал 9 и 10, полупрозрачных пластин 7 и 8 и светоделителей

11-14, вспомогательные прозрачные экраны 31 и 32.

1 дены четыре светоделителя с блокамз их поворота, расположенные по одному между- каждыми нз .зеркал и полупрозрачными пластинами параллельно им, амплитудный дискриминатор, время-цифровой преобразователь и задатчик сдви-5 га волновых. фронтов, при этом проти. волежащие светоделители установлены по периметру параллелограмма так, . что.-оптические оси, проходящие через них., параллельны сторонам параллело- 10 грамма, амплитудный дискриминатор своим входом соединен с выходом приемника, a,âûõoäîì связан с первым входом блока обработкн сигналов через время-цифровой преобразователь, выходы эадатчика сдвига волновыхк фронтов подключены к второму входу .,блока обработки сигналов и к входам .блоков поворота зеркал, полупрозрачных пластин и светоделителей. На фиг..1. представлена схема предлагаемого устройства (оптические оси обозначены штрих-пунктирными линиями); на фиг. 2 - оптические картины.в плоскости экрана, сдвинутые одна относительно другой в направлении распространения возмущения (например плоского фронта ударной волны); на фиг.. 3 и 4 — электрическйе сигналы .с фотоприемника при относительном расположении изображений оптических картин и отверстия диафрагмы, показанном на фиг. 2 - соответственно, при движении возмущения слева направо, как показано стрелкой на фиг.2. и .в противоположном направлении, т.е. 35 справа налево; на фиг. 5 - изображения оптических картин, сдвинутых попарно одна относительно другой в двух взаимно перпендикулярных направлениях (горизонтальном и вертикальном);,на 4g фиг. б и 7 - электрические сигналы на выходе фотоэлектрического приемника при относительном расположении изображений оптических картин и отверстия диафрагмы, показанном на фиг.5.

Устройство содержит источник 1 света, передающий объектив 2 коллиматора, рабочую камеру 3, .в которой распространяется воз" мущение 4 (последнее обозначено пунктирной линией со стрелкой, указывающей направление его движения), приемный объектив 5, блок б сдвига . волновых фронтов (на фиг. 1 контуры сдвигового блока условно обозначены пунктирной линией), включающий две полупрозрачные пластины — входную 7. и выходную 8 и два зеркала,9 и 10, расположенные все в вершинах параллелограмма и параллельные между собой, светоделители 11-14, установленные -О по периметру:паРаллелограмма между каждым из зеркал 10 и 11 и соответствующими входной 7 и выходной 8 полупрозрачными пластинами, блоки 15 и 16 поворота зеркал 9 и 10, блоки 17 и

На фиг. 3 7 обозначены моменты времени t<,t2,tz, t+, в которые соот- ветствующйе изображения 4а,45,4й и

4ъ (фиг. 2 и 5) проходят мимо отверстия 25 диафрагмы 24, величины ц, и сдвига оптических картин (волновых фронтов) соответственно в горизонтальном (вдаль оси Х) и вертикальном (вдоль оси Y) направлениях.

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника 1 преобразуется передающим объективом 2 коллиматора в параллельный пучок и направляется на рабочую камеру 3, по которой распространяется исследуемое возмущение

4. Иэображения возмущения 4 фокусируются приемным объективом 5 через сдвиговый блок б в плоскости экрана 23.

Сдвиговый блок б разделяет падающий на него (на входную полупрозрачную пластину 73 световой пучок на четыре основных пучка и сдвигает волновые фронты последних один относительно другого. Сдвиг волновых фронтов осуществляется блоками 15-22 поворота зеркал, полупрозрачных пластин и светоделителей. Сигналы на блоки 15-22 поступают от эадатчика 30 сдвига и задают поворот указанных оптических элементов (7-14) на требуемые величины углов вокруг

:двух взаимно перпендикулярных осей.

Сдвинутые волновые фронты выходят из сдвигового блока б через его полупрозрачную пластину 8 и попадают на

1008658 экран 23. Один из образовавшихся основных пучков (I-ый) последовательно отражается от полупрозрачной пластины 7, проходит через светоделитель 12, отражается от зеркала 10, проходит через светоделитель 13, отражается от полупрозрачной пластины

8 и попадает на экран 23. Кратко путь, проходимый 1-.ым пучком, можно записать в виде 7-12-10-13-8-23.

Пути II» III u IV-го основных пучков, падающих на экран 23, запишутся аналогичным образом.

II 7-11-9-14-8-23 »0

III 7-11-13-8-23 t5

IV 7-12-14-8-23

Из фиг. 1 видно, что оптические пути I, II, III u IV-ro пучков — одинаковые, последнее достигнуто благо- 2О даря расположению противолежащих светоделителей 12, 14 и 11, 13 по периметру параллелограмма так, что оптические оси, проходящие через эти противолежащие светоделители, параллельны сторонам параллелограмма (в вершинах параллелограмма лежат полупрозрачные пластины 7, 8 и зеркала 9,10) .

Интенсивности же пучков I II III и IV — различные, что достигается в предлагаемом устройстве специальным выбором коэффициентов отражения и пропускания. светоделителей 1114. Различие пучков, падающих на экран 23, по интенсивности необходи- 35 мо для обработки сигналов с фотоприемника 26 с целью однозначного определения координат вектора скорости перемещения исследуемого возмущения.

При движении возмущения 4 (фиг.1) 4р по каждой из четырех картин с»,о, Е иъ (фиг. 2 и 5) в плоскости экрана

23 перемещаются четыре изображения этого возмущения: 4а, 45,4 в и 4ъ.

При наличии сдвига между оптическими 45 картинами в момент прохождения этих иэображений возмущения мимо отверстия 25 диафрагмы 24 на выходе фото" электрического приемника возникают электрические сигналы (четыре . сигнала, см. фиг. 3, 4 и 6, 7) соответствующей амплитуды. При этом амплитуда каждого сигнала пропорциональна интенсивности пучка, образующего ту или иную из четырех оптических картин в плоскости экрана 23, а чередование 55 сигналов различной интенсивности зависит от задаваемого направления сдвига картин и от направления движения возмущения. Электрические сигналы с выхода фотоприемника 26 поступают на 6О вход амплитудного дискриминатора

27, который имеет четыре .параллельных канала с различными пороговыми . уровнями. На выходах каналов амплитудного дискриминатора формируются четыре импулЬса, временное положение каждого из которых соответствует временным сдвигам электрических сигналов,поступающих с фотоприемника 26.С выходов амплитудного дискриминатора

27 импульсы поступают на вход времяцифрового преобразователя 29, который преобразует интервалы времени, соответствующие временным задержкам меж.ду импульсами в каналах амплитудного дискриминатора, в цифровые коды.Последние хранятся в памяти время-цифрового преобразователя и передаются на вход блока 28 обработки сигналов; на другой вход которого с эадатчика

30 сдвига вводятся электрические сигналы, соответствующие. заданному сдвигу волновых фронтов.

Сигналы, поступающие в блок 28 обработки с выходов время-цифрового преобразователя 29, несут информацию о порядке следования импульсов с фотоприемника и о временных интерва-., лах между этими импульсами.. С .другой стороны, сигналы с задатчика 30 несут информацию о величинах сдвига «»х и q соответствующих волновых фронтов однй относительно другого, т.е. о базах измерения. На основе полученной информации с блоков 29 и 30 блок

28 обработки вычисляет модуль IV и угол наклона d, к оси Х вектора скорости движения возмущения в cooTr. вествии с формулами.

Х У У Х

Ы = arctg -"-« Х Чу

В зависимости от заданного направления сдвига оптических картин, образуемых пучками I 1?, III u IVg можно определить либо изменение скорости вдоль известной траектории движения путем сдвига оптических картин вдоль этой траектории.(фиг. 2-4), либо модуль и направление вектора скорости (J V f, d ) при произволь- . ном и заранее неизвестном направлении распространения возмущения путем сдвига оптических картин в двух ортогональных направлениях (фиг. 5-7). Одновременно с измерением скорости .устройство позволяет наблюдать на вспомогательных. экранах 31 и 32 (фиг. 1) интерференционные картины прозрачной неоднородности, в которой распространяется возмущение.

1008658 филд

1008658

А@7

Составитель Ю. Власов

Редактор А. Лежнина Техред М.Коштура Корректор Л. Бокшан

Заказ 2330/55 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж«35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4