Устройство для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 4 П 9 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ АВГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ-10 Бюл. Р 3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯСКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙСПЛОШНЫХ СРЕД, содержащее лазер, оптический формйрователь, выполненныйв виде двух цилиндрических линз, одна из которых ориентирована вдольнаправления движения исследуемой поверхности, Фотоприемник, подключенный через блок обработки информациик регистратору, и анализатор полярассеянного излучения, выполненный в виде фотомаски, расположенной перед фотоприемником, при этом фокусное расстояние первой цилиндрическойлинзы меньше расстояния от нее доисследуемой пбверхности, а расстояния от точки пересечения оси лазерас исследуемой поверхностью до фокальной плоскости первой цилиндрическойлинзы и плоскости фотомаски равнымежду собой, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точностиизмерений за счет повышения отноше-.ния сигнал-шум и уменьшения влиянияпоперечных колебаний исследуемогообъекта в плоскости движения среды,фотомаска выполнена в виде диафрагмыс отверстием, а вторая цилиндрическая линза ориентирована поперек на"правления движения и ее Фокусноерасстояние превышает расстояние отнее до исследуемой поверхности, приэтом расстояния от исследуемой поверхности до фокальных плоскостейпервой и второй цилиндрических линзравны между собой.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред, движущихся по заданному направлению, в частности для 5 измерения скорости перемещения бумажного полотнаИзвестно устройство для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред, содержащий лазер, Фор мирователь.пучка излучения, Фотоприемник, анализатор, поля рассеянного излучения, представляющий собой растровую решетку с гармоническим законом пропускания излучения, рас положенную перед фотоприемником, последовательно соединенные блок обработки инФормации и регистрирующий . прибор )1Недостатком этого устройства яв яется невысокая точность измерения ,скорости перемещения поверхностей сплошных сред, обусловленная относительно малой глубиной модуляции по-, лезной составляющей информативного сигнала вследствие одновременного пересечения большим количеством диФракционных пятен светочувствительной площадки фотоприемника, что приводит к уменьшению отношения сигнал/ шум и, таким образом, к снижению30 точности измерения.Известно устройство аналогичного назначения, принятое за прототип, содержащее лазер, оптический Формирователь, выполненный в виде рассеи вающей и фокусирующей цилиндрических линз, ориентированных вдоль направления движения поверхности, анализатор поля рассеянного излучения, выполненный в виде оптическои решетки, 40 расположенной перед фотоприемником, подключенным через блок обработки информакии к регистратору 2 . Для исключения влияния поперечных колебаний скорости, перпендикулярных 45 плоскости, в которой движется поверхность, решетка расположена от исследуемой поверхности на расстоянии, равном расстоянию от нее до мнимой точки дивергенции расходящегося лазерного пучка.50 Недостатками прототипа являются малое отношение сигнал/шум на выходе фотоприемника, обусловленное одновременным пересечением плоскости оптической решетки несколькими диФракционными пятнами, а также влияние поперечных колебаний поверхности в плоскости ее движения, амплитуда которых превышает поперечные размеры 60 решетки.Цель изобретения - повышение точности измерений за счет повышения отношения сигнал/шум и уменьшения влияния поперечных колебаний иссле дуемого объекта в плоскости движениисреды.Это достигается темчто в из -вестном устройстве для измеренияскорости перемещения поверхностейсплошных сред фотомаска выполнена ввиде диафрагмы с отверстием, а вторая цилиндрическая линза ориентирована поперек направления движения,и ее фокусное расстояние превышаетрасстояние от нее до исследуемой по-.верхности, при этом расстояния отисследуемой поверхности до фокальныхплоскостей первой и второй цилиндрических линзравны между собой.На фиг.1 показано предлагаемоеустройство в плоскости ХОХ; на фиг.2то же, в плоскости 102,Устройство содержит источник ко-герентного излучения - лазер 1, из;,учающий близкий к телецентрическому пучок 2 На пути распространениялазерного пучка 2 расположен двухкоординатный формирователь, состоящий из двух оптических элементов 3 и4, установленных под углом 90 другк другу, предназначенный для формирования сходимости лазерного пучкапо двум координатам Х и 1 , Послепрохождения оптического элемента 3(фиг.1) формируется гомоцентрическийсходящийся пучок 5, содержащий линиюдивергенции, проекция которой, наплоскость Х 02 изображена точкой ф 1,За точкой дивергенции 4 распространяется гомоцентрический расходящийся лазерный пучок, облучающий наповерхности контролируемой средыплощадку 8. На фиг.1 показана форма площадки 6 с учетом дивергенциилазерного пучка только в плоскостиХ 07 Позицией 7 обозначен участокпичковой индикатрисы раСсеяниякогерентного излучения диффузнойсредой 8. На пути распространениярассеянного излучения установленадиафрагма 9 с отверстием, размер которого не превышает средний размердифракционных пятен, образуемых впроцессе рассеяния пучка когерентного излучения диффузной средой 8.За диафрагмой 9 в непосредственнойблизости 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 Р дивергенции лазерного пучка в плоскости Х 02, Выходфотоприемника 10 соединен с входомблока 11 обработки информации, а выход последнего с входом регистрирующего прибора 12, Вектор скоростиперемещения среды по заданному направлению совпадает с осью Х системы координат Х 02 .Оптический элемент 3 Формируетдивергенцию пучка только в плоскостиа 974899 50 В заданном направлении перемещения среда облучена расходящимся пучком, поэтому скорость перемещенияпятен дифракционной картины будет .55 равна удвоенной скорости перемещениясреды (учитывая равенство)г-г,р 1 (4)Ч=ч,(1 =ач,.С выхода Фотоэлектрического преобразователя йнформативный сигнал,промодулированный частотой (э):г:гМ (,где с 1) - средний размер дифракционе= мо,65 ХО, а элемент 4 - дивергенцию только в плоскости УОЕ, В качестве оптических элементов 3 и 4 двухкоординатного формирователя пучка могут быть использованы, наприМер, две цилиндрические положительные линзы. Оптические элементы 3 и 4 соответственно сориентированы относительно вектора скорости перемещения среды по заданному направлению 7 д . Оптический элемент 4 ф .рмирует гомоцентрический сходящийся лазерный пучок, дивергентный только в плоскости У 0 . Линия дивергенции лазерного пучка в проекции на плоскость 102 преобразуется в точку Р .Точка дивергенции Ф расположена за поверхностью среды на расстоянии бт 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 1 дивергенции п)очка в плоскости ХОЪ и до точки ча дивергенции пучка в плоскости 01, причем точки Р 1 и СР расположены на одинаковом расстоянии по обеим сторонам от поверхности среды; точка Ф:расположена,до поверхности среды, а точка Ж - за поверхностью среды, если рассматривать вдоль направления распространения лазерного излучения, облучающего поверхность среды. Облучение контролируемой среды и Фотоэлектрическая регистрация осуществлены в устройстве в направлениях, близких к нормали к поверхности контролируемой среды.В результате рассеяния гомоцентрического пучка когерентного излучения дифФузной поверхностЬю движущейся среды в плоскости фотоэлектрической регистрации рассеянного средой излучения образуется движущаяся .пятнистая дифракционная картина, характерный размер пятен в которой определяется выражением (1): где Й - длина волны лазерного излу.чения;Г " расстояние от поверхностиясреды до плоскости фотоэлектрической регистрации;3 - диаметр (размер) площадки,облученной пучком на поверхности среды.При этом скорость перемещения пятен дифракционной картины с достаточной точностью описывается формулой (2) г 5 10 15 20 25 30 35 40 45 где- расстояние от поверхностиФсреды до точки (или линии)дивергенции пучка,В случае облучения среды расходящимся пучком когерентного излучениязнак в формуле (2) положительный,а в случае сходящегося пучка - отри"цательный. В плоскости ХОК (фиг1)поверхность среды облучена дивергентным расходящимся пучком, поэтому длявычисления скорости перемещения пятен вдоль оси Х следует выбрать знакв формуле (2) положительным, а вплоскости (01 поверхность среды облучена сходящимся пучком, поэтомудля вычисления скорости перемещенияпятен вдоль оси У следует выбратьзнак отрицательным, что подтверждается экспериментально.При движении среды по заданномунаправлению зачастую имеют место поперечные колебательные перемещениясреды, происходящие в плоскости расположения ее поверхности, которыеприводят к появлению дополнительнойчастотно.1 еоставляющей на выходефотоэлектрического преобразователя,а следовательно, и к погрешности визмерении скорости перемещения среды по заданному направлению. Согласно предлагаемому изобретению,чтобы уменьшить влияние поперечных колебательных перемещений среды наточность 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 поверхностьюсреды на расстоянии от нее, равномрасстоянию от этой поверхности доплоскости фвтоэлектрической регистрации. Следовательно, для поперечныхперемещений среды выполнено условиеГ: и и отношение Р(1 - 4, а такФгкак в поперечном направлении средаоблучена сходящимся пучком, скоростьперемещения пятен дифракциоиной кар"тины в этом направлении равна нулю97 4899 Составитель Ю. Власовактор Л. Письман Техред А.Бабинец Корректор Ю. Макаренко аказ 8047/2 Тираж 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5илиал ППП тент, г. ужгород, ул. Проектная, 4 ческой регистрации (8 К), посту"пает в блок 11 обработки информации,в котором производится вычислениеизмеряемого параметра " скоростиЧр перемещения среды по заданномунаправлению. Полученная инФормация 5регистрируется в цифровом виде прибором 12. Таким образом, предлагаемое устройство исключает поперечную состав ляющую скорости перемещения пятен дифракционной картины в плоскости фотоэлектрической регистрации, обусловленную поперечными колебательными перемещениями среды в плоскостиее поверхности при движении средыпо заданному направлению, тем самымсущественно уменьшает влияние поперечных колебательных перемещений,что приводит к повышению точности измерения скорости перемещения средыпо заданному направлению. В то жевремя устройство обладает повышеннымотношением сигнал/шум, поскольку взоне отверстия диафрагмы может одновременно находиться не более одногодифракционного пятна.