Устройство для измерения скорости распространения возмущения в прозрачной среде

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИН 1 Р 3/ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСН ЕЛЬСТВУ в м.П,Н соких00 ОЪ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ.(56.) 1. Гейдон А., Герл. И. Ударная . труба в химической Физике высокихтемператур. М "Мир" 1966, с,158,2, Хари. тонов А.И., Ершов И.В.Определение скорости движения неоднородности с помощью сдвигового устройства к теневому прибору. - В сб.Физические методы исследования проз-.рачных неоднородностей. М., МДНТИПим.,Ф.Э.Дзержинского, 1978, с.45-47(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ.СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЗМУЩЕНИЯВ ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ, .содержащее последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света, передающий объектив, рабочую камеру, приемный объектив, блок сдвига волйовых,.801008658 Фронтов, выполненный в виде располо- женных 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, расположенные по одному между каждыми из зеркал и полупрозрачными пластинами параллельно им, амплитудный дискрими-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 черезвремя-цифровой преобразователь, выходы задатчика сдвига волновых фрон,тов подключены к второму входу блокаобработки сигналов и к входам блоков .поворота зеркал, полупрозрачных плас"тин и светоделителей.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 трубына известном, расстоянии олин от другого, В каждом сечении установлены 15оптические смотровые окна, через .ко-,торые визуализируется ударная волна.,В плоскостях изображения неоднородности (ударной волны) каждого теневого прибора расположена диафрагма, р),выделяющая небольшой точечный) участок из теневой картины. За диафрагмами размещены Фотоэлектрические приемники типа ФЭУ. Сигналы с обоих фЭУпоступают в блок обработки электрических сигналов. При прохожденииизображения ударной волны мимо диафрагм изменяется их освещенность и. сфотоприемника снимаются два сигнала,Скорость определяется как отношениерасстояния (базы) между измерительными сечениями и измеренному интерва-лу времени между сигналами 1 ,(Однако указанное устройство не позволяет измерять скорость на малыхбазах. Так, при работе с теневымиприборами. типа ИАБминимальнаябаза, обусловленная. габаритами и размерам поля зрения прибора поле зрения прибора 250 мм), составляет500 мм. Кроме того, использование 40двух теневых приборов, двух фотоумножителей и усилителей усложняет иудорожает эксперимент, а разбросих технических характеристик приводитк снижению повторяемости получаемых 45результатов при измерении скоростидвижения возмущения.Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для измеренияскорости распространения возмущения.в прозрачной среде, содержащее пос-ледовательно расположенные вдоль оптической оси источник евета, передающий объектив, рабочую камеру, приемный объектив, блок сдвига волновыхфронтов, выполненный в виде расположенных в вершинах параллелограммаи параллельных между собой двух полупрозрачных пластин - входной и выходной, и двух зеркал с блоками поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей, прозрачный экран и диафрагму, расположенную в Фокальнойплоскости приемного. объектива, фотоэлектрический приемник излучения иблок обработки сигналов 2, 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 величинсдвига 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-.3 е 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 картин осуществляется во взаимно перпендикулярных направлениях, но при этом точность измерения падает из-за введения, дополнительного оптического сдвигового блока, диафрагмы 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 быстропротекающих процессов например движение ударной волны от взрыва), когдаповторяемость 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.:объектин,.блок сдвига волновых фронтов, выпойненный .в виде располо женных в 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 вве18 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 4 а, 4 б, 4 е и 4 ъ возмущения 4 схематически изображены на Фиг. 2 и 5), непрозрачную диафрагму 24 с отверстием 25, совмещенную с плоскостью экрана 23 на Фиг, 1 экран .идиафрагма изображены несколько разнесенными вдоль "оптической оси, что.сделано для наглядности пояснения состава предлагаемо.го устройства), Фотоэлектрический приемник 26 излученйя,амплитудный дискриминатор 27, соединенный своимвходом 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. дены четыре светоделителя с блокамз 1 их поворота, расположенные по одному между каждыми нз .зеркал и полупрозрачными пластинами параллельно им, амплитудный дискриминатор, время-цифровой преобразователь и задатчик сдвига волновых фронтов, при этом проти" . волежащие светоделители установлены по периметру параллелограмма так, чтооптические оси, проходящие через них параллельны сторонам параллело грамма, амплитудный дискриминатор своим входом соединен с выходом приемника, а,выходом связан с первым входом блока обработки 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 ЗО 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 4 р фиг. б и 7 - электрические сигналы на выходе Фотоэлектрического приемника при относительном расположении изображенийоптических картин и отверстия диафрагма, показанном на фиг.5.Устройство содержит источник 1 света, передающий объектив 2коллиматора, рабочуюкамеру 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), включающийдве 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 65 На фиг. 3-7 обозначены моменты времени С.,С 2,1, й+, в которые соот- ветствующйе изображения 4 а,46,48 и 4 ъ (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 (вдольоси У) 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 7) 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 на10 111 7-11-13-8-23 151 Ч 7-12-14-8-23 Из Фиг, 1 видно, что оптические пути 1, 11, 111 и 1 Ч-го пучков - одинаковые, последнее достигнуто благо 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 1,11,111 и 1 Ч - различные, что достигается 30 в предлагаемом устройстве специальным выбором коэффициентов отражения и пропускания. светоделителей 1114. Различие пучков, падающих на экран 23, по интенсивности необходи мо для обработки сигналов с фотоприемника 26 с целью однозначного определения координат вектора скорости перемещения исследуемого возмущения.При движении возмущения 4 (фиг,1) 40по каждой из четырех картин С, б,8 иъ фиг. 2 и 5) в плоскости экрана23 перемещаются четыре изображенияэтого возмущения: 4 м, 45,4 в и 4 ъ.При наличии сдвига между оптическими 45картинами 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 б, 7) соответст вующей 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 б 0 вход амплитудного дискриминатора Х.У У Х тс 1 д Ы- Х Чу с 6 = В зависимости от заданного направления сдвига оптических картин, образуемых пучками 1, 11, 111 и 1 Ч,можно определить либо изменение скорости вдоль известной траектории движения путем сдвига оптических картинвдоль этой траектории.(фиг. 2-4),либо модуль и направление вектораскорости (Ч 1, оС) при произволь-.ном и заранее неизвестном направлении распространения возмущенияпутем сдвига оптических картин вдвух ортогональных направлениях(фиг. 5-7). Одновременно с измерением скорости.устройство позволяетнаблюдать на вспомогательных. экранах 31 и 32 (фиг. 1) интерференционные картины прозрачной неоднородности, в которой распространяетсявозмущение,экран 23. Один из образовавшихсяосновных пучков (1-ый) последовательно отражается от полупрозрачнойпластины 7, проходит через светоделитель 12, отражается от зеркала 10,проходит через светоделитель 13, отражается от полупрозрачной пластины8 и попадает на экран 23. Краткопуть, проходимый 1-.ым пучком, можнозаписать в виде 7-12-10-13-8-23.Пути 11 111 и 1 Ч-го основных пучков, падающих на экран 23, запишутся аналогичным образом. 11 7-11-9-14-8-23 27, который имеет четыре .параллельных канала с различными пороговыми .уровнями, На выходах каналов амплитудного дискриминатора Формируютсячетыре импулЬса, временное положениекаждого из которых соответствует временным сдвигам электрических сигналов,поступающих с фотоприемника 26.Свыходов амплитудного дискриминатора27 импульсы поступают на вход времяцифрового преобразователя 29, которыйпреобразует интервалы времени, соответствующие временным задержкам меж.ду импульсами в каналах амплитудногодискриминатора, в цифровые коды,Последние хранятся в памяти время-цифрового преобразователя и передаютсяна вход блока 28 обработки сигналов;на другой вход которого с эадатчика30 сдвига вводятся электрическиесигналы, соответствующие. заданномусдвигу волновых Фронтов,Сигналы, поступающие в блок 28обработки с выходов время-цифровогопреобразователя 29, несут информациюо порядке следования импульсов сфотоприемника и о временных интерва-.,лах между этими импульсами,. С .другойстороны, сигналы с задатчика 30 несут информацию о величинах сдвига цхи ц соответствующих волновых фронтоводнй относительно другого, т.е. обазах измерения. На основе полученной информации с блоков 29 и 30 блок28 обработки вычисляет модуль Чи угол наклона о к оси Х вектораскорости движения возмущения в соотвествии с формулами.1008658 Составитель Ю. Власовдактор А. Лежнина Техред М.коштура Корректор Л. Бокшан нлиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная,Заказ 2330/55 ВНИИП по 113035, Тираж 871 Государственного лам изобретений и осква, Ж 35, Рауш Подписноеомитета СССРоткрытийкая наб., д. 4/