Теневое автоколлимационное устройство

Теневое автоколлимационное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

9Й." А Н" И Е

Союз Советских

Социалистических

Республик

О fl

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЙТИЛЬСТВУ (61) Дополнительное к an. саид-ву (22) Заявлено 19.02.76 (21) 2330511/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано,30.08.78. Бюллетень № 12 (46) Дата опубликования описания 05.04.78 (51) М. Кл.

G 02 В 27/38

Госудаастввнний квинтет

Соввта .4нннстроо СССР по р вам нвоорвтвннЯ н открктнй (53) УДК

535З22 (088.8) (72) Авторы изобретения

П. П. Боровский, А. ll Копылов, А. Н. Королев, Э. И. Красовский и Б. В. Наумов (71) Заявитель (54) ТЕНЕВОЕ АВТОКОЛЛИМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО 1л )в

" " v„v.*

=Л те å (1: то l ъФМ

Изобретение относится к оптическим прибо. рам для исследования оптических характеристик прозрачных сред, а именно дпя определения прост. ранствевной корреляции ".îñèâëÿþùåé градиента показатечя преломления, и может применяться при исследованиях оптических неоднородностей, в которых отклонения показателя преломления при изменении координат имеют стационарный характер, например при исследованиях в аэродинамической трубе при установившихся режимах. 10

Известны теневые приборы для исследования прозрачных неоднородностей, анализирующие их пространственные характеристики. Такие устройства состоят из двух идентичных частей, исследующих один и тот же участок среды под различными ра- 15 курсами. (1), (2).

Ближайшим по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее два раздельных идентичных теневых прибора, реагирующих на составляющую градиента показателя преломленияза исследуемой среды в двух выбранных точках пространства. Каждый из этих приборов состоит из осветительной — коллиматорной части с источником . света и приемной части с теневой диафрагмой и фотоприемником, отделенных от рабочих объемов с 21

1 исследуемой средой защитными стеклами. В процессе работы каждого прибора коллнматорный лучок света однократно проходит через соответствующий аюлнзируемый объем (3).

Определяемые корреляционные характернстн. ки процесса, развивающегося в среде, вычисляются путем совместной обработки сигналов, одновременно зарегистрированных на обоих приборах в виде временных реализаций для ряда расстояний между анализируемыми объемами среды. Для вы. числения коэффициента корреляции R (r) в этом случае (при условии однородности и кэотропности поля) применяется формула. где U>= 0 1и О = 0,. — текущие значения напряжений на выходе фотоприемников прибора А и прибора В, зарегистрированных в реализациях при расстояниях г между участка мн среды, через которые одновременно проходят световые пучки приборов А и В;

600499

3 г и г0 + r — радиусы-векторы, определяющие положение в пространстве анализируемых участков среды в выбранной системе координат; 3. и 9- - соответствующие углы отклого > кения световых пучков, вызываемые наличием градиентов показателя преломления в анализируемых объемах и приводящие к появлению пропорциональных им электрических сигналов U

и 0 Г ) о

Большой объем вычислений по формуле (1) вызывает йеобходимость использования цифровой 0 вычислительной техники, для чего в частности требуется применение аналого-цифровых преобразователей напряжения, а также множительных, квадрирующих и суммирующих устройств. Недостатком этого устройства является также необходимость взаимного механического перемещения друт относительно друга обоих приборов, входящих в устройство, для проведения измерений на различных расстояниях т Так как эксплуатация данной аппаратуры обычно происходит в условиях воздействю вибраций, то необходимость этих перемещений налагает повышенные требования к жесттсости конструкции и ведет к ее усложнению.

Цель изобретения — упрощение корреляционной обработки сигналов на выходе устройства для ох определения коэффициента корреляции и упрощение процесса изменения базы измерений.

Это достигается тем, что в известном теневом устройстве, содержицем два теневых прибора, состо. ящих из коллиматорной осветительной части с источником света и приемной части с теневой диафрагмой и фотоприемником, отделенных от рабочих объе мов с исследуемой средои защитными стеклами, в одном иэ теневых приборов усыновлен световозвращакацнй блок, выполненный в виде объектива с размером зрачка, превьшиющим базу измерения, в фокальной плоскости которого расположено зеркало перпендикулярно к оптической оси, проходящей посредине между рабочими объемами; перед фотоприемником находится собирательная линза, «о входной зрачок которой сопряжен с рабочими объе мами прибора, а оптическая ось второго теневого прибора ориентирована параллельно оптической оси первого прибора и отстоит от нее на расстоянии, меньшем размера области стационарности исследуе- 45 мого процесса.

На чертеже представлена оптическая схема предлагаемого теневого прибора.

Теневой прибор имеет источник 1 света, расположенный на оптической оси 00 конденсатора 2, 50

Его изображение можно рассматривать как вторич. ный источник света, размер которого ограничен величиной светового отверстия в зеркале 3, плоскость которого пересекает оптическую ocb в месте изображения источника 1 света при угле у между осью 55

00 и нормалью к зеркалу. Вторичный источник света расположен в фокальнои плоскости объектива 4, которьа находится рядом с защитным стеклом 5.

Защитное стекло 5 представляет собой плоскопараллельную пластину, отделяющую осветительную и:0

4 приемную часть прибора от исследуемой среды. 3ащитное стекло 6 идентично по размерам защитному стеклу 5 и отделяет световоэвращаииций блок от исследуемой среды. Центры защитных стекол

5 и 6 находятся на оптической оси ОО, а их поверхности перпендикулярны,к ней, Световозвращающий элемент состоит из объектива 7, в фокальной плоскости которого расположено зеркало 8. Оптическая ось объектива 7 совпадает с осью 00, Конденсатор

9 размещен рядом с зеркалом 3 таким образом, что его оптическая ось 01 О, и фокальная плоскость пересекают ocb 00 в месте расположения вторичного источника света, при этом угол между осями составляет 2р. Центр зрачка собирательной линзы 10 находится на расстоянии g от оптической оси

О 0 . Зрачок линзы 10 расположен в плоскости, оптически сопряженной посредством линз (4 и 9) с плоскостью, находящейся в исследуемой среде.

При этом расстояние между элементарными объемами 11 и 12, для которых измеряется коэффициент корреляции, может быть выражено формулой г= 2R= 2Kg, где К вЂ” коэффициент подобия (увеличения) между линейными размерами в сопряженных плос костях. Величина зрачка линзы 10 определяет величину сечений объемов среды 11 и 12. Фотозлектричеасий приемник 13 расположен таким образом, что площадь сечения световых лучей, сходящихся после прохождения линзы 10, полностью вписана в площадь его светочувствительного слоя.

В процсссе измерения лучи света, исходящие из вторичного источника света, заполняют апертуру объектива 4 и, пройдя его и защитное стекло 5, попадают в виде коллимированного пучка в исследуемый объем среды. Каждый из элементарных пучков проходит через элементарное сечение объема, практически не меняющего свою площадь из-за кол. лимированности пучка и малых размеров вторичного источника света и отстоящего от оптической оси на расстояние R. Благодаря тому, что зеркало 8 установлено перпендикулярно к оптической оси, элементарный пучок, пройдя защитное стекло 6 и объектив 7, отражается от зеркала 8 под тем же углом относительно оптической оси и выходит обратно в исследуемьй объем в направлении, строго параллельном направлению, под которым OH вышел из среды. При обычно имеющих место величинах градиента показателя преломления углы отклонения лучей в среде малы и сечение пучка, погзвшего вторично в среду, находится практически на том же расстоянии Rот оси 00,,но в симметричном относительно последней положении, т. е. расстояние между объемами 11 и 12 составляет г = 2R. При вторичном попадании в среду элементарный пучок уже имеет с осью 00 угол 9, равный, но обратный по знаку проинтегрированным по длине хода в среде (11) элементарным отклонениям, вызванным наличием составляющей градиента показателя преломления, перпендикулярной к направлению

600499 лучей, к ним алгебраически суммируются элементарные отклонения при проходе через объем среды 12.

Таким образом, в конце второго прохождения через среду суммарный угол отклонения равен разности углов отклонений на каждом участке

9 = Ог-&г.

После вторичного выхода из среды элементарные пучки света, пройдя объектив 4, образуют изображение вторичного источника света, смещенное относительно светового отверстия в плоскости зерка- >О ла 3. Часть света, отразившаяся от зеркального покрьпия (не попавшая в световое отверстие) образует теневую картину. Участок теневой картины, сопряженный с элементарными объемами 11 и 12, освещен световым потоком, по величине пропорциональным 9 9г-бэ.

Сфокусированный линзой 10 на поверхность чувствительного слоя фотоприемника 11 этот световой поток вызывает электрический сигнал U . Так как рабоюе сечение световозвращающего блока перекрывает световые пучки, проходящие через все

15 точки среды, расстояния между которыми наедятся в рабочем интервале данного прибора, то для выделения световых пучков, проходящих через точки, расположенные друг от друга на любом расстоянии

r иэ этого интервала, достаточно переместить линзу

10 и связанный с ней фотоприемник в сопряженное положейие. Следует отметить, что объемы 11 и 12 равнозначны, поэтому теневая картина имеет осевую

25 симметрию и для увеличения сигнала вместо линзы

10 можно использовать два симметрично расположенных элемента с соответствуимцими фотоприемниками, сигналы от которых складьгваются (либо с одним фотоприемником, площадь чувствительного слоя которого достаточно велика).

Второй теневой прибор, работающий одновременно с описанным, имеет обычную оптическую схему, т.е. его световой пучок проходит только че рез один рабочий объем. Прибор может быль выполнен как по схеме с однократным проходом че- 4О рез рабочий объем, так и с двукратным, Автоколлимационный вариант предпочтительнее с точки зрения удобства эксплуатации благодаря конструктивному сходству спервым прибором,,особенно в случае размещения обоих приборов в одном корпусе. 45

Так как в процессе исследований изучается корреляция составляющей градиента показателя преломления, перпендикулярной к оптической оси первого теневого прибора (направлению светового пучка), то и оптическая ось второго теневого прибора долж- 5О на быть параллельна оптической оси первого теневого прибора, чтобы замерять воздействие той же составляющейй.

Второй теневой прибор имеет световозвращающий элемент в виде автоколлимационного зеркала 14. Оптическая ось 0> Oг прибора параллельна оптической оси 00 первого прибора н отстоит от последней на расстоянии d, которое должно быль меньше размеров области стационарности для ис60 следуемого процесса. Часть светового потока, про. шедшего рабочий объем 15, отраженная поверхностью зеркала 3, целиком попадает на фотопг иемник

16.

Электрический сигнал Ог, снимаемый с фотоприемника 16, пропорционален углу отклонения светового пучка в рабочем объеме.

Вгсчет коэффициента корреляции при этом должен производиться по формуле, которую можно получить из формулы (1) путем преобразований

В 8 - Ф, e= ) г о в, г1

1ефе,,„

Известно, что для величин, измеренных в стационаркой области

n(e -е, =г1це-,)-ще„-, e-„,-, ),

Для этого случая формула (2) преобразуется

re,ьа. ° 1 -1э(в.)

Ъю;) I

2 В(Е„)

Эта формула справедлива при однократном прохождении света через анализируемые объемьь

Учитывая, что на выходе приборов происходит за. пись электрических сигналов Ue {Врф) и U (Йу буфф), пропорциональных углам 6РВ и г3+г, фор. мула (4) принимает вид 1а 8 8

Я (т )= 1 о ° (5)

В тех случаях, когда теневой прибор, измеряющий составляиицую градиента показателя преломления, выполнен по автоколлимационной схеме, есть луч проходит два раза по анализируемому объему, формула (5) преобразуется в

Ui (8--6- Д

Rb ) = g

Uã, (8,— )

При использовании формулы (6) оба прибора, входящие в устройство, могут быль расположены при проведении измерений в произвольно выбранных точках, но в пределах упомянутой области, где обеспечивается стационарность. исследуемого процесса.

Из формулы (6) видно, что для проведения основного объема расчетов при вычислении коэффициента корреляции по реализациям величин U и Ог, требуются только квадрирование и суммироЦНИИПИ заказ 1896/60 Тираж 621 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, тл. Проектная, 4

7 ванне, выполняемью сравнительно простыми анало. говыьм вичислительными устройствами в процессе. зкатеримента. Остальные мерацин в связи с малым объемом вычислений могут быль проведены без применения вычислительной темники.

Таким образом, использование а1исанного устройства упрощает схему расчета коэффициента корреляции составляющей градиента показателя преломления по реализациям выходных сигналов приборов.

Расчет может быль выполнен с использованием ана логовых квадирующих и суммирующих устройств.

Исчезает необходимость применения сравнительчо сложных цифровых вычислительных устройств н аналого-цифровых преобразователей.

Чтобы осуществить смену базы, для которой определяется коэффициент корреляции, в процессе проведения измерений достаточно передвинуть внуФ. ри прибора небольшой блок с фотоприемником вместо передвижения прибора целиком.

Формула изобретения

Теневое автоколлимационное устройство, содар. жащее два теневых црнбора, состоящих нз каллиоп- 25 торной осветительной части с источником света, приеМ ной части с теневой диафрагмой и фотоприемником, от деленных от рабочих объемов с исследуемой средой защитнымн стеклами, о т л и ч а ю щ е е с я тем. что, с целью упрощения корреляционной обработки .г выходных сигналов н изменения базы измерений в одном нз теневых приборов установлен световозвращающнй блок, выполненный в виде объектива с размером зрачка, превьппакнцим базу измерения, в фокальной плоскости которого расположено зеркало перпендикулярно к оптической осн, проходящей посредине между рабочими объемамн; перед фотопрнем. ником установлена собирательная линза, входной зрачок которой сопряжен с рабочими объемами прибора, а оптическая ось второго теневого прибора ориентирована параллельно оптической oem первого прн. бора и отстоит от нее на расстоянии, меньщем размера области стационарносп исследуемого процесса, Источники информации, припятью во внимание при экспертизе:

1. Авторское свидетельство СССР У 161626, кл. 6 02 В 27/30, 1963.

2. Васильев Л. А. Теневые методы. М.,Ъаука", 1968, с.52.

3. Вильсон Д., Дамкомара Д. Статические свойства турбулентных флуктуаций, F 41d пес1ил са, 1970, 43, ч. 2,с. 29.