RU2649653C1

RU2649653C1 - Method of the moving object characteristics determining and device for its implementation

Info

Publication number: RU2649653C1
Application number: RU2017100498A
Authority: RU
Inventors: Виктор Константинович Баранов; Сергей Аркадьевич Бельков; Сергей Григорьевич Гаранин; Анатолий Григорьевич Голубинский; Дмитрий Альбертович Ириничев
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2018-04-04

Abstract

FIELD: optics.

SUBSTANCE: group of inventions refers to the technique of optical recording, namely to the technique of laser sounding and photoelectric registration of backward reflected radiation, mainly of fast processes, and allows to determine the mass characteristics of moving objects. Device for implementation of the moving objects characteristics determining method comprises at least one laser radiation source and at least one collimator, a contact screen of known mass and the object under investigation consecutively arranged in the course of laser radiation propagation, wherein the contact screen is mounted with the possibility of its movement towards the collimator due to interaction with the object under investigation flying on it. In addition, it contains one hardware-software complex for determining the speed of a moving object under study based on the Doppler shift frequency in the backward reflected radiation, in which the contact screen is made of a transparent material passing through itself a part of the laser radiation in the forward and reverse directions reflected from the object under study, hardware-software complex is based on the opto-heterodyne determination of a moving object speed according to the Doppler shift frequency in the back reflected radiation, contact screen specific weight is selected in the range of 1÷100 times greater than the investigated object specific weight, and the distance between the collimator and the contact screen is selected to be greater than or equal to the length of the longitudinal dimension of the object under study.

EFFECT: increasing the validity of measurement results.

14 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к технике оптической регистрации, а именно, к технике лазерного зондирования и фотоэлектрической регистрации обратно отраженного излучения, преимущественно быстропротекающих процессов, и позволяет определять массовые характеристики (удельную массу и объемную плотность) движущихся объектов.The invention relates to techniques for optical recording, in particular, to a technique for laser sensing and photoelectric registration of back-reflected radiation, mainly fast processes, and allows you to determine the mass characteristics (specific gravity and bulk density) of moving objects.

Массовые характеристики определяются путем измерения скорости движения контактного экрана, ускоряющегося в процессе оседания на него исследуемого движущегося объекта, по величине доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, обратно отраженного от контактного экрана и регистрируемого с помощью фотодиода и осциллографа. Вычисление характеристик движущихся объектов происходит с помощью доплеровских методов определения скорости движения, включая аппаратно-программные комплексы (АПК) VIZAR (А.П. Кузнецов, С.А. Колесников, А.А. Голубев и др., «Лазерный интерферометр для измерения массовой скорости веществ в ударно-волновых экспериментах на протонографической установке ТВН-ИТЭФ» // ж. «Приборы и техника эксперимента» // 2011, №3, с. 116-125.) и PDV (оптогетеродинное определение скорости движущихся объектов) (О.Т. Strand, D.R. Goosman, С. Martinez, T.L. Whitworth, W.W. Kuhlow, «Compact System for High Speed Velocimetry Using Heterodyne Techniques)) // Rev. Sci. Instr. 77, 083108, 2006), с использованием второго закона Ньютона для тела переменной массы и закона сохранения импульса, применяемым к контактному экрану и движущемуся объекту до и после их взаимодействия. Исследуемыми движущимися объектами могут быть: облако летящей пыли, слой откола и его фрагменты, пуля, осколки взрыва, ударная волна в газе и др.Mass characteristics are determined by measuring the speed of the contact screen, accelerating during the deposition of the investigated moving object on it, by the magnitude of the Doppler shift of the laser radiation frequency, reflected back from the contact screen and recorded using a photodiode and an oscilloscope. The characteristics of moving objects are calculated using Doppler methods for determining the speed of movement, including VIZAR hardware-software complexes (APK) (A.P. Kuznetsov, S.A. Kolesnikov, A.A. Golubev et al., “Laser interferometer for measuring mass the velocity of substances in shock-wave experiments on the protonographic installation of TVN-ITEF ”// J.“ Instruments and experimental equipment ”// 2011, No. 3, pp. 116-125.) and PDV (opto-heterodyne determination of the speed of moving objects) (O. T. Strand, DR Goosman, S. Martinez, TL Whitworth, WW Kuhlow, Compact System for High Speed Velocimetry Usin g Heterodyne Techniques)) // Rev. Sci. Instr. 77, 083108, 2006), using Newton’s second law for a body of variable mass and the law of conservation of momentum, applied to the contact screen and moving object before and after their interaction. The moving objects studied can be: a cloud of flying dust, a spall layer and its fragments, a bullet, explosion fragments, a shock wave in a gas, etc.

Известны способ и устройство определения массовых характеристик движущихся объектов с помощью пьезодатчиков (А.Л. Михайлов, В.А. Огородников, B.C. Сасик и др. (всего 29 соавторов), «Экспериментальное исследование процесса выброса частиц с ударно-нагруженной поверхности» / Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны. // Сборник докладов на международной конференции «XV Харитоновские, тематические, научные чтения // с. 564-571, Саров 2013 г.), в которых механические усилия, образующиеся при ударе микрочастиц облака пыли с контактной поверхностью датчика, установленного на пути движения облака, вследствие пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрический сигнал, регистрируются осциллографом, и с помощью программы численной обработки зарегистрированных сигналов определяются: объемная плотность потока частиц, налетающего на торец пьезодатчика; удельная масса потока частиц, налетающего на единицу поверхности датчика; суммарный импульс налетающего потока частиц, скорость потока частиц. В качестве контактной поверхности применялся латунный экран, под которым располагалась пластина из пьезокерамики. Чувствительная зона датчика имела диаметр 5 мм и площадь ~ 0,2 см². Для измерения массовых характеристик облака движущихся микрочастиц выполнялась предварительная калибровка датчиков. импульсами давления, имевшими амплитудно-временные параметры, близкие к измеряемым пылевым потокам. Относительная погрешность определения удельной массы движущегося облака пыли составила ±30%.A known method and device for determining the mass characteristics of moving objects using piezoelectric sensors (A.L. Mikhailov, V.A. Ogorodnikov, BC Sasik et al. (Total 29 co-authors), "Experimental study of the process of ejection of particles from a shock-loaded surface" / Extreme state of matter. Detonation. Shock waves. // Collection of reports at the international conference "XV Kharitonov, thematic, scientific readings // p. 564-571, Sarov 2013), in which the mechanical forces generated by the impact of microparticles of a dust cloud with contact on top due to the piezoelectric effect, they are converted into an electrical signal, recorded by an oscilloscope, and using a program for numerically processing the recorded signals, the following are determined: volumetric density of the particle flux incident on the end of the piezoelectric sensor; specific gravity of a particle stream incident on a surface unit of the sensor; total momentum of the incident particle flow, particle flow rate. A brass screen was used as a contact surface, under which a piezoceramic plate was located. The sensitive zone of the sensor had a diameter of 5 mm and an area of ~ 0.2 cm ² . To measure the mass characteristics of a cloud of moving microparticles, a preliminary calibration of the sensors was performed. pressure pulses having amplitude-time parameters close to the measured dust flows. The relative error in determining the specific mass of a moving dust cloud was ± 30%.

Недостатком данного способа и устройства являются: наличие электрического напряжения в датчике, что ограничивает его применение в опасных условиях и требует организации определенных мер безопасности; недостаточная точность пространственного разрешения, связанная с большими габаритами датчика; ограничение возможности многоканальной регистрации, связанное с большим размером датчика и сложным техническим оснащением каждого канала; большая погрешность измерений и необходимость предварительной калибровки на специально оснащенном стенде.The disadvantage of this method and device are: the presence of electrical voltage in the sensor, which limits its use in hazardous conditions and requires the organization of certain safety measures; insufficient accuracy of spatial resolution associated with the large size of the sensor; limitation of the possibility of multichannel registration associated with the large size of the sensor and the complex technical equipment of each channel; large measurement error and the need for preliminary calibration on a specially equipped stand.

Наиболее близкими к заявляемым являются способ и устройство определения характеристик движущегося объекта («Ejection of material from shocked surfaces», J.R. Asay, L.P. Mix, F.C. Perry // Applied Physics Letters, Vol. 29, No. 5, 1 September 1976, p. 284-287), в котором на пути движущегося облака микрочастиц, выброшенного с тыльной поверхности ударно нагруженной пластины, на определенном расстоянии от тыльной поверхности устанавливают непрозрачный контактный экран известной удельной массы, на тыльную сторону которого (с помощью оптического коллиматора) непрерывно во времени направляют лазерное излучение и непрерывно во времени регистрируют обратно отраженную от контактного экрана часть лазерного излучения, по величине доплеровского сдвига частоты с помощью АПК VIZAR непрерывно во времени определяют скорость движения контактного экрана, возникающую под действием осаждающегося на нем облака микрочастиц, по известной во времени скорости движения контактного экрана определяют момент начала его движения, соответствующий моменту прилета облака микрочастиц к контактному экрану, и, деля известное расстояние между ударно нагруженной пластиной и контактным экраном на время движения облака микрочастиц в этом пространственном промежутке, определяют среднюю скорость облака микрочастиц, движущегося на контактный экран, и далее с помощью известных зависимостей скорости и массы (по второму закону Ньютона для тела с переменной массой и закону сохранения импульса), примененных к контактному экрану и движущемуся облаку микрочастиц до и после их взаимодействия, непрерывно во времени определяют усредненную по площади экрана объемную плотность исследуемого объекта в момент взаимодействия с контактным экраном, а также удельную массу исследуемого объекта, осевшего на единице площади контактного экрана.Closest to the claimed are a method and apparatus for determining the characteristics of a moving object ("Ejection of material from shocked surfaces", JR Asay, LP Mix, FC Perry // Applied Physics Letters, Vol. 29, No. 5, 1 September 1976, p. 284-287), in which on the path of a moving cloud of microparticles ejected from the back surface of the shock-loaded plate, an opaque contact screen of known specific gravity is installed at a certain distance from the back surface, the laser side of which (using the optical collimator) is continuously directed in time with time Izlu the part of the laser radiation that is reflected back from the contact screen and is continuously recorded in time; by the magnitude of the Doppler frequency shift using the VIZAR AIC, the speed of the contact screen arising under the action of a cloud of microparticles deposited on it is continuously determined in time from the speed of the contact screen known in time determine the moment of the beginning of its movement, corresponding to the moment of arrival of the cloud of microparticles to the contact screen, and dividing the known distance between the shock-loaded pl the thickness of the cloud of microparticles in this spatial gap, determine the average speed of the cloud of microparticles moving on the contact screen, and then using the known dependences of speed and mass (according to Newton’s second law for a body with variable mass and the law of conservation of momentum), The microparticles applied to the contact screen and the moving cloud before and after their interaction continuously determine the volume density of the studied object averaged over the screen area at the instant acting with the contact screen, as well as the specific gravity of the test object deposited per unit area of the contact screen.

Положительным качеством данного способа, относительно аналога, является отсутствие предварительной калибровки на специальном стенде, моделирующим характеристики исследуемого облака пыли, и отсутствие в датчике электрического напряжения, ограничивающего возможность безопасного использования.A positive quality of this method, relative to the analogue, is the lack of preliminary calibration on a special stand simulating the characteristics of the dust cloud under study, and the absence of an electric voltage in the sensor that limits the possibility of safe use.

Недостатком данного способа и устройства являются: приближенное определение значения скорости объекта, налетающего на контактный экран, которое вычисляется как среднее значение на пути движения от ударно нагруженной пластины до контактного экрана, и, как следствие этого, в результате измерений получается приблизительная оценка усредненной по площади экрана плотности исследуемого объекта в момент взаимодействия с контактным экраном, а также удельной массы исследуемого объекта, осевшего на единице площади контактного экрана.The disadvantage of this method and device are: an approximate determination of the speed value of an object flying onto a contact screen, which is calculated as the average value on the path from the shock-loaded plate to the contact screen, and, as a result of this, as a result of measurements, an approximate estimate of the screen area averaged the density of the investigated object at the time of interaction with the contact screen, as well as the specific gravity of the studied object, settled on a unit area of the contact screen.

Известно, что при движении в атмосфере или каком-либо другом газе облако микрочастиц испытывает гидродинамическое торможение. При этом, чем более мелкие частицы присутствуют в облаке пыли, тем более сильное торможение они испытывают, и тем более значительно среднее значение скорости движения микрочастиц на каком-либо отрезке движения будет отличаться от мгновенной скорости в конце пути.It is known that when moving in the atmosphere or some other gas, a cloud of microparticles experiences hydrodynamic drag. Moreover, the smaller particles are present in the dust cloud, the more severe they are inhibited, and the more significantly the average value of the speed of the microparticles on any segment of the movement will differ from the instantaneous speed at the end of the path.

Кроме того, если облако микрочастиц состоит из жидких капель, то при движении в воздухе или каком-либо другом газе крупные капли могут дробиться на существенно более мелкие, что может происходить в любой части своего пути, включая и конечный отрезок, и мгновенная скорость движения вновь образованных более мелких капель в конце пути будет существенно меньше среднего значения скорости движения капель, определяемого на всем пути.In addition, if the cloud of microparticles consists of liquid droplets, then when moving in air or any other gas, large droplets can be split into substantially smaller ones, which can occur in any part of its path, including the final segment, and the instantaneous speed of motion again the smaller droplets formed at the end of the path will be significantly less than the average droplet velocity determined along the entire path.

Задачей изобретения является создание способа и устройства определения характеристик движущихся объектов с более высокой достоверностью характеристик движущихся объектов, получаемых в результате измерений.The objective of the invention is to provide a method and device for determining the characteristics of moving objects with higher reliability of the characteristics of moving objects obtained as a result of measurements.

Технический результат заявляемого способа и устройства заключается в повышении достоверности результатов измерений путем замены в вычислениях средней скорости движения исследуемого объекта, налетающего на контактный экран, определяемую косвенным способом по времени его движения на заранее определенном расстоянии, на мгновенную скорость его движения, экспериментально определяемую по доплеровскому сдвигу частоты в зондирующем лазерном излучении перед моментом взаимодействия с контактным экраном и, как следствие этого, увеличение достоверности определения характеристик исследуемого объекта.The technical result of the proposed method and device consists in increasing the reliability of the measurement results by replacing in calculations the average speed of the investigated object flying onto the contact screen, determined indirectly by the time of its movement at a predetermined distance, by the instantaneous speed of its movement, experimentally determined by the Doppler shift frequencies in probing laser radiation before the moment of interaction with the contact screen and, as a consequence of this, an increase in reliability of determining the characteristics of the investigated object.

Технический результат достигается тем, что в предполагаемом способе определения характеристик движущихся объектов, включающем неупругое взаимодействие исследуемого объекта с лицевой стороной установленного на пути его движения контактного экрана известной удельной массы, непрерывное во времени облучение тыльной стороны контактного экрана лазерным излучением, регистрацию части лазерного излучения, обратно отраженной от тыльной стороны контактного экрана, непрерывное во времени определение скорости его движения по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, отличающийся тем, что часть лазерного излучения пропускают через контактный экран на движущийся исследуемый объект, дополнительно регистрируют часть лазерного излучения, обратно отраженного от исследуемого объекта, определяют мгновенную скорость движения исследуемого объекта по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении с помощью известных взаимозависимостей скорости и массы, примененных к контактному экрану и исследуемому объекту до и после их взаимодействия, с использованием значения экспериментально определенной мгновенной скорости движения исследуемого объекта, определяют непрерывно во времени усредненную по площади экрана объемную плотность исследуемого объекта в момент взаимодействия с контактным экраном, а также удельную массу исследуемого объекта, осевшего на единице площади контактного экрана.The technical result is achieved by the fact that in the proposed method for determining the characteristics of moving objects, including inelastic interaction of the test object with the front side of the known specific gravity of the contact screen mounted on the path of its movement, continuous irradiation of the back side of the contact screen with laser radiation in time, registration of part of the laser radiation, back reflected from the back of the contact screen, continuous in time determination of its speed by Doppler frequency shift in the backward reflected radiation, characterized in that part of the laser radiation is passed through the contact screen to the moving object under investigation, an additional part of the laser radiation is recorded back-reflected from the object being studied, the instantaneous speed of the object under study is determined from the frequency of the Doppler shift in the backward reflected radiation with using the known interdependencies of speed and mass, applied to the contact screen and the studied object before and after their interaction, with mations values experimentally determined instantaneous speed of movement of the object is determined continuously bulk density averaged over the area of the screen in time of the test object at the time of interaction with a contact screen, and a specific gravity of the test object deposited on a unit area of the contact screen.

Технический результат достигается также тем, что в заявляемом устройстве для определения характеристик движущегося объекта, включающем в себя по меньшей мере один источник лазерного излучения и последовательно расположенные по ходу распространения лазерного излучения по меньшей мере один коллиматор, контактный экран известной массы и исследуемый объект, причем контактный экран установлен с возможностью перемещения его в сторону коллиматора из-за взаимодействия с налетающим на него исследуемым объектом, а также по меньшей мере один аппаратно-программный комплекс определения скорости движущегося объекта по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, новым является то, что контактный экран выполнен из прозрачного материала, пропускающего через себя часть лазерного излучения в прямом и обратно отраженном от исследуемого объекта направлениях, аппаратно-программный комплекс выполнен на основе оптогетеродинного определения скорости движущегося объекта по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, удельная масса контактного экрана выбрана в диапазоне 1÷100 раз больше удельной массы исследуемого объекта, а расстояние между коллиматором и контактным экраном выбрано больше или равно длине продольного размера исследуемого объекта.The technical result is also achieved by the fact that in the inventive device for determining the characteristics of a moving object, which includes at least one source of laser radiation and sequentially located along the propagation of laser radiation, at least one collimator, a contact screen of known mass and the object under study, moreover, a contact the screen is mounted with the ability to move it towards the collimator due to interaction with the investigated object flying on it, as well as at least one hardware-software complex for determining the speed of a moving object by the frequency of the Doppler shift in the back-reflected radiation, the new one is that the contact screen is made of transparent material that passes through itself part of the laser radiation in the directions that are directly and back reflected from the object under study, the hardware-software complex is made based on the opto-heterodyne determination of the speed of a moving object from the frequency of the Doppler shift in the back-reflected radiation, the specific mass of the contact screen is selected in the range of 1 ÷ 100 times the specific gravity of the investigated object, and the distance between the collimator and the contact screen is chosen to be greater than or equal to the length of the longitudinal size of the studied object.

Кроме того, контактный экран выполнен из однородного материала, оптически прозрачного для лазерного излучения.In addition, the contact screen is made of a homogeneous material that is optically transparent to laser radiation.

Толщина контактного экрана выбрана из условия, что время пробега акустической волны по его толщине от 10 до 100 раз меньше времени оседания исследуемого объекта на контактном экране.The thickness of the contact screen is selected from the condition that the travel time of the acoustic wave through its thickness is from 10 to 100 times less than the settling time of the object under study on the contact screen.

Контактный экран выполнен из перфорированного материала, например, решетки или сетки.The contact screen is made of perforated material, for example, a grid or mesh.

К имеющемуся перфорированному контактному экрану добавлен по меньшей мере один перфорированный контактный экран, установленный по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и имеющимся перфорированным контактным экраном.At least one perforated contact screen is added to the existing perforated contact screen, installed in the direction of the test object between at least one collimator and the existing perforated contact screen.

Дополнительно по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и добавочным по меньшей мере одним перфорированным контактным экраном установлен контактный экран, выполненный из однородного материала.Additionally, in the direction of the test object, between the at least one collimator and the additional at least one perforated contact screen, a contact screen made of a homogeneous material is installed.

Контактный экран разделен на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами.The contact screen is divided into separate parts with the same or different specific gravities.

Контактный экран разделен на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, расположенные на цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом цилиндрической формы, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактного экрана по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров.The contact screen is divided into separate parts with the same or different specific gravities located on a cylindrical surface coaxial with the cylindrical object under study, and laser radiation is directed to individual parts of the contact screen in radial directions perpendicular to the common axis of the cylinders.

Контактный экран выполнен перфорированным и дополнен по меньшей мере еще одним перфорированным контактным экраном с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы, расположенными на цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом, и установленным по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и имеющимся перфорированным контактным экраном, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактных экранов по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров.The contact screen is perforated and supplemented by at least one more perforated contact screen with separate parts of the same or different specific gravity located on a cylindrical surface coaxial with the object being studied and installed along the direction of the object under investigation between at least one collimator and the existing perforated contact screen, and laser radiation is directed to individual parts of the contact screens in radial directions perpendicular to the common axis of the cylinder .

Дополнительно по ходу движения исследуемого объекта между по меньшей мере одним коллиматором и дополнительным по меньшей мере одним перфорированным контактным экраном, установлен контактный экран, выполненный из однородного материала с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы и расположенными на цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом.Additionally, in the direction of movement of the investigated object between at least one collimator and at least one more perforated contact screen, a contact screen is installed made of a homogeneous material with separate parts of the same or different specific gravity and located on a cylindrical surface coaxial with the studied object.

Контактный экран разделен на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, расположенные на сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом сферической формы, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактного экрана по радиальным направлениям сферической поверхности.The contact screen is divided into separate parts with the same or different specific gravities located on a spherical surface concentric with the object being studied in a spherical shape, and laser radiation is directed to individual parts of the contact screen in the radial directions of the spherical surface.

Контактный экран выполнен перфорированным и дополнен по меньшей мере еще одним перфорированным контактным экраном с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы, расположенными на сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом, а лазерное излучение направлено на отдельные части контактных экранов по радиальным направлениям сфер.The contact screen is perforated and supplemented with at least one more perforated contact screen with separate parts of the same or different specific gravity located on a spherical surface concentric with the object being studied, and the laser radiation is directed to individual parts of the contact screens in the radial directions of the spheres.

Дополнительно по ходу движения исследуемого объекта установлен контактный экран, выполненный из однородного материала с отдельными частями одинаковой или различной удельной массы и расположенными на сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом.Additionally, in the direction of movement of the test object, a contact screen is installed made of a homogeneous material with separate parts of the same or different specific gravity and located on a spherical surface concentric with the test object.

Использование эффекта частичного пропускания лазерного излучения через контактный экран на исследуемый движущийся объект по сравнению с глухим обратным отражением от контактного экрана, использованном в прототипе, позволяет увеличить достоверность получаемых результатов, так как при вычислении характеристик исследуемого объекта с использованием второго закона Ньютона для тела переменной массы и закона сохранения импульса вместо приблизительного значения скорости движущегося объекта, равного среднему значению скорости движения на заранее измеренном расстоянии до взаимодействия с контактным экраном, применяется более точное экспериментально определенное мгновенное значение скорости движущегося объекта, полученное с помощью лазерного излучения, пропущенного через контактный экран, непосредственно в момент перед взаимодействием с контактным экраном.The use of the effect of partial transmission of laser radiation through the contact screen to the moving object under study compared to the dull back reflection from the contact screen used in the prototype allows to increase the reliability of the results, since when calculating the characteristics of the object under study using Newton’s second law for a body of variable mass and the law of conservation of momentum instead of the approximate value of the speed of a moving object, equal to the average value of the speed of movement a pre-measured distance to interact with a contact screen is used in more detail experimentally determined instantaneous value of the velocity of the moving object obtained by the laser radiation passed through the contact screen, at the moment prior to the reaction with a contact screen.

Использование в вычислениях массовых характеристик исследуемого объекта мгновенной скорости его движения, экспериментально определенной непосредственно перед моментом взаимодействия с контактным экраном, по сравнению со средней скоростью движения исследуемого объекта, определенной в прототипе, на заранее измеренном отрезке движения, позволяет увеличить достоверность определяемых значений массовых характеристик движущегося объекта, из-за меньшей величины погрешности одного из параметров, участвующих в вычислениях, а именно, скорости движения исследуемого объекта до взаимодействия с контактным экраном.The use of the instantaneous speed of its motion experimentally determined immediately before the moment of interaction with the contact screen in the calculation of the mass characteristics of the object under study, compared with the average speed of the object studied, defined in the prototype, on a pre-measured interval of motion, allows to increase the reliability of the determined values of the mass characteristics of the moving object , due to the smaller error of one of the parameters involved in the calculations, namely, the speed STI movement of the subject prior to the interaction with the contact screen.

Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта АПК PDV, по сравнению с АПК VIZAR, примененным в прототипе, позволяет увеличить достоверность значений массовых характеристик, получаемых в результате измерений, в виду того, что АПК PDV способен одновременно определять скорости движения нескольких объектов по частотам доплеровского сдвига в обратно отраженном лазерном излучении, и, конкретно, в нашем случае, одновременно экспериментально определять скорость движения исследуемого объекта перед взаимодействием с контактным экраном и скорость движения контактного экрана в результате оседания на нем движущегося объекта, в отличие от прототипа, где АПК VIZAR, способный определять скорость движения лишь одного объекта, был задействован для определения скорости движения контактного экрана при взаимодействии с исследуемым объектом, а скорость движения исследуемого объекта до взаимодействия с контактным экраном, вынужденно определялась расчетным путем, как среднее значение скорости движения с большей величиной погрешности.The use of PDV in the device for determining the characteristics of a moving object in comparison with VIZAR used in the prototype allows to increase the reliability of the mass characteristics obtained as a result of measurements, since PDV is able to simultaneously determine the speed of several objects by Doppler frequencies shear in backward reflected laser radiation, and, specifically, in our case, simultaneously experimentally determine the speed of the object under study before interacting with a tactile screen and the speed of the contact screen as a result of settling of a moving object on it, unlike the prototype, where the VIZAR AIC, capable of determining the speed of only one object, was used to determine the speed of the contact screen when interacting with the object under study, and the speed of the investigated Before interacting with the contact screen, it was compulsorily determined by calculation, as the average value of the speed of movement with a larger error.

Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана, толщина которого выбрана из условия, что время пробега акустической волны по его толщине от 10 до 100 раз меньше времени оседания исследуемого объекта на контактном экране, позволяет увеличить достоверность массовых характеристик, получаемых в результате измерений, в виду того, что при этом: становятся мало заметными газодинамические движения акустической волны по толщине контактного экрана, лицевая и тыльная поверхности контактного экрана приобретают одинаковую скорость движения; более точно соблюдаются условия применимости закона сохранения импульса и по скорости движения тыльной стороны контактного экрана, определяемой по частоте доплеровского сдвига в обратно отраженном излучении, с меньшей погрешностью определяются массовые характеристики исследуемого объекта.The use of a contact screen in the device for determining the characteristics of a moving object, the thickness of which is selected from the condition that the travel time of an acoustic wave in its thickness is 10 to 100 times less than the settling time of the investigated object on the contact screen, which allows to increase the reliability of mass characteristics obtained as a result of measurements, since in this case: the gas-dynamic movements of the acoustic wave along the thickness of the contact screen become less noticeable, the front and back surfaces of the contact screen are acquire the same speed; the conditions of applicability of the law of conservation of momentum and the speed of movement of the back side of the contact screen, which is determined by the frequency of the Doppler shift in the back-reflected radiation, are more accurately observed, and the mass characteristics of the object under study are determined with less error.

Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана из перфорированного материала, например, сетки или решетки, с известным коэффициентом проницаемости для движущегося исследуемого объекта (например, облака пыли) позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае реализуется возможность непрерывной регистрации во времени, одновременно, и скорости движения исследуемого объекта, прошедшего через контактный экран, и его массовых характеристик в месте постановки контактного экрана. В этом случае увеличивается объем регистрируемой информации об исследуемом объекте, что увеличивает достоверность характеристик исследуемого объекта, получаемых в результате измерений.The use in the device for determining the characteristics of a moving object of a contact screen made of perforated material, for example, a grid or a lattice, with a known permeability coefficient for a moving object under study (for example, dust clouds) allows to increase the reliability of the characteristics obtained as a result of measurements, since in this case the possibility of continuous registration in time, at the same time, and the speed of the investigated object passing through the contact screen, and its mass characteristics Tick at the location of the contact screen. In this case, the amount of recorded information about the investigated object increases, which increases the reliability of the characteristics of the studied object obtained as a result of measurements.

Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта нескольких контактных экранов, установленных по ходу движения исследуемого объекта на некотором расстоянии один от другого, где наиболее близкие к исследуемому объекту выполнены из перфорированного материала, позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае возникает возможность определения с более высоким пространственным разрешением массовых и кинематических характеристик исследуемого объекта в местах постановки контактных экранов вдоль трассы его движения. Эти измерения представляют интерес, когда исследуемый объект изменяет свои характеристики в процессе движения. Например, при движении облака насыщенного пара какого-либо вещества, когда часть его массы теряется из-за оседания на стенках канала или выпадения в осадок в виде дождя.The use in the device for determining the characteristics of a moving object of several contact screens installed in the direction of the studied object at a certain distance from one another, where the closest to the studied object are made of perforated material, allows to increase the reliability of the characteristics obtained as a result of measurements, since In this case, it becomes possible to determine with higher spatial resolution the mass and kinematic characteristics of the studied object in stach contact screens along the path of its movement. These measurements are of interest when the object under study changes its characteristics during movement. For example, when a cloud of saturated vapor of a substance moves, when part of its mass is lost due to sedimentation on the walls of the channel or precipitation in the form of rain.

Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана, разделенного на отдельные участки с одинаковыми или различными удельными массами, позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае реализуется возможность определения характеристик в различных точках поперечного сечения объекта и увеличивается пространственная разрешающая способность этих измерений.The use in the device for determining the characteristics of a moving object of a contact screen, divided into separate sections with the same or different specific gravities, allows to increase the reliability of the characteristics obtained as a result of measurements, since in this case it is possible to determine the characteristics at different points of the cross-section of the object and the spatial resolution of these measurements.

В случае, если исследуемый объект по своему поперечному сечению однородный, то применение контактного экрана, разделенного на отдельные участки с различными удельными массами, увеличивает динамический диапазон регистрации его массовых характеристик, что более точно определяет их значения. Или, наоборот, когда исследуемый объект является неоднородным по своему сечению, то применение контактного экрана, разделенного на отдельные участки с одинаковыми удельными массами, уменьшает относительную погрешность определения его массовых характеристик и увеличивает пространственное разрешение выполняемых измерений.If the object under study is homogeneous in its cross section, then the use of a contact screen divided into separate sections with different specific masses increases the dynamic range of registration of its mass characteristics, which more accurately determines their values. Or, on the contrary, when the object under study is heterogeneous in cross section, the use of a contact screen divided into separate sections with the same specific masses reduces the relative error in determining its mass characteristics and increases the spatial resolution of the measurements.

Применение в устройстве для определения характеристик движущегося объекта контактного экрана, разделенного на отдельные участки с одинаковыми или различными удельными массами, установленными на цилиндрической (сферической) поверхности, позволяет увеличить достоверность характеристик, получаемых в результате измерений, так как в этом случае реализуется возможность более точного определения в пространстве массовых характеристик объекта сложной геометрической формы, включая определение пространственно-временной симметрии его движения.The use in the device for determining the characteristics of a moving object of a contact screen, divided into separate sections with the same or different specific masses mounted on a cylindrical (spherical) surface, allows to increase the reliability of the characteristics obtained as a result of measurements, since in this case the possibility of more accurate determination is realized in the space of mass characteristics of an object of complex geometric shape, including the determination of the spatiotemporal symmetry of its motion Nia.

Массовые характеристики движущегося объекта определяют путем применения второго закона Ньютона для тела переменной массы, который в частном случае трансформируется в решение дифференциального уравнения Мещерского, описывающее движение контактного экрана с изменяющейся массой, а также при использовании закона сохранения импульса для замкнутой системы, включающей в себя исследуемый движущийся объект (например, облако пыли) и контактный экран до и после их взаимодействия.The mass characteristics of a moving object are determined by applying Newton’s second law for a body of variable mass, which in a particular case is transformed into a solution of the Meshchersky differential equation describing the motion of a contact screen with a changing mass, and also when using the law of conservation of momentum for a closed system, which includes the moving an object (for example, a cloud of dust) and a contact screen before and after their interaction.

Уравнение Мещерского, описывающее движение тела с переменной массой, имеет следующий вид:The Meshchersky equation describing the motion of a body with variable mass has the following form:

где m(t)=m_o+m_ио(t) - удельная масса контактного экрана m_о с осажденной на нем удельной массой исследуемого объекта m_ио;where m (t) = m _o + m _io (t) is the specific mass of the contact screen m _o with the specific gravity of the investigated object m _io deposited on it;

U(t)=V_ио-V_э(t) - скорость исследуемого объекта V_ио относительно скорости контактного экрана V_э(t).U (t) = V _io -V _e (t) is the speed of the investigated object V _io relative to the speed of the contact screen V _e (t).

Уравнение (1) имеет аналитическое решение, когда мгновенная скорость налетающего исследуемого объекта много больше скорости движения контактного экрана V_ио>>V_э(t), то есть U(t)≈V_ио.Equation (1) has an analytical solution when the instantaneous speed of the incident test object is much higher than the speed of the contact screen V _io >> V _e (t), that is, U (t) ≈V _io .

Выражая удельную массу исследуемого объекта, осажденную на контактном экране m_ио(t) через объемную плотность налетающего исследуемого объекта ρ_ио(x,t), уравнение (1) трансформируется в дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными для скорости движения контактного экранаExpressing the specific mass of the studied object deposited on the contact screen m _io (t) through the bulk density of the incident test object ρ _io (x, t), equation (1) is transformed into a differential equation with separable variables for the speed of movement of the contact screen

Анализируя выражение (2) можно сказать, что производная по времени от скорости движения контактного экрана пропорциональна величине мгновенной плотности налетающего исследуемого объекта, выраженной в относительных единицах полной массы экрана в рассматриваемый момент времени. Analyzing expression (2), we can say that the time derivative of the speed of movement of the contact screen is proportional to the instantaneous density of the incident object under study, expressed in relative units of the total mass of the screen at the moment in time.

Общее решение уравнения (2) имеет следующий вид:The general solution of equation (2) has the following form:

где V₀=0 - начальная скорость контактного экрана при t=0.where V ₀ = 0 is the initial speed of the contact screen at t = 0.

В общем случае, когда плотность исследуемого объекта описывается сложной функцией, интеграл (3) определяется численным интегрированием.In the general case, when the density of the studied object is described by a complex function, the integral (3) is determined by numerical integration.

Величину погрешности численных расчетов определим с помощью закона сохранения импульса для замкнутой системы, включающей в себя исследуемый объект и контактный экран до и после их взаимодействия, представляемый формулами:The magnitude of the error in numerical calculations is determined using the law of conservation of momentum for a closed system, which includes the studied object and the contact screen before and after their interaction, represented by the formulas:

Согласно правилам оценки погрешностей результатов эксперимента, относительная погрешность удельной массы исследуемого объекта, являющейся функцией нескольких параметров, определяется следующим выражениемAccording to the rules for estimating the errors of experimental results, the relative error of the specific mass of the studied object, which is a function of several parameters, is determined by the following expression

где δm_ио, δm_о, δV_э, δV_ио - относительные погрешности физических величин (4), (5).where δm _io , δm _o , δV _e , δV _io are the relative errors of physical quantities (4), (5).

Анализируя параметры выражения (6), можно считать, что наибольшую относительную погрешность имеет мгновенная скорость исследуемого объекта δV_ио, определяемая перед моментом столкновения с контактным экраном. Ввиду, как правило, значительного разброса скоростей, имеющегося в облаке микрочастиц исследуемого объекта, ее можно оценить как δV_ио≈ ±10%. Относительную погрешность скорости движения контактного экрана δV_э, определяемую с помощью АПК PDV, следует определить как δV_э≈ ±0,5%, и относительную погрешность удельной массы экрана δm_о, измеряемую аналитическими весами, можно считать пренебрежимо малой - на уровне 0,1%. То есть относительная погрешность массы исследуемого объекта δm_ио в экспериментах будет определяться, в значительной мере, отношением V_ио/(V_ио-V_э)Analyzing the parameters of expression (6), we can assume that the instantaneous velocity of the studied object δV _io , determined before the moment of collision with the contact screen, has the greatest relative error. In view of, as a rule, a significant dispersion of velocities existing in the cloud of microparticles of the object under study, it can be estimated as δV _and ≈ ± 10%. The relative error of the speed of movement of the contact screen δV _e , determined using the PDV AIC, should be determined as δV _e ≈ ± 0.5%, and the relative error of the specific mass of the screen δm _о , measured by analytical weights, can be considered negligible - at the level of 0.1 % That is, the relative error of the mass of the investigated object δm _io in experiments will be determined, to a large extent, by the ratio V _io / (V _io -V _e )

δm_ио=0,001+[V_ио/(V_ио-V_э)]⋅(0,01+0,2), δm _io = 0.001 + [V _io / (V _io -V _e )] ⋅ (0.01 + 0.2),

которое в зависимости от отношения удельной массы контактного экрана к удельной массе исследуемого объекта, согласно (5), может принимать различные значения.which, depending on the ratio of the specific gravity of the contact screen to the specific mass of the studied object, according to (5), can take different values.

Для определенности рассмотрим сначала условие, когда удельная масса контактного экрана равна удельной массе налетающего на экран исследуемого объекта. В этом случае, по закону сохранения импульса (5), максимальная скорость движения контактного будет равна половине скорости движения исследуемого объекта и относительная погрешность удельной массы пыли будет, где δm_ио=2⋅δV_ио For definiteness, we first consider the condition when the specific gravity of the contact screen is equal to the specific mass of the investigated object flying onto the screen. In this case, according to the law of conservation of momentum (5), the maximum speed of the contact will be equal to half the speed of the investigated object and the relative error of the specific mass of dust will be, where δm _io = 2⋅δV _io

Уменьшение удельной массы экрана относительно удельной массы исследуемого объекта приведет к приближению скорости его движения к скорости исследуемого объекта, что, согласно (6) будет увеличивать погрешность δm_ио и не желательно.A decrease in the specific gravity of the screen relative to the specific mass of the studied object will bring its speed closer to the speed of the studied object, which, according to (6), will increase the error δm _io and is not desirable.

При увеличении удельной массы экрана относительно исследуемого объекта, согласно (5) и (6), относительная погрешность определения удельной массы пыли приближаться к относительной погрешности скорости ее движения δm_ио→δV_ио.With an increase in the specific gravity of the screen relative to the object under study, according to (5) and (6), the relative error in determining the specific mass of dust approaches the relative error in the speed of its movement δm _io → δV _io .

При этом будет уменьшаться максимальное значение скорости движения контактного экрана. Например, при m_о=100⋅m_ио скорость движения экрана уменьшится до V_э≈0,01⋅V_ио и при V_п=1 км/с составит V_э=10 м/с. Для АПК PDV определение таких скоростей движения не вызывает затруднений. То есть для регистрации массовых характеристик исследуемого объекта с минимальной погрешностью удельной массы пыли удельная масса контактного экрана должна быть в диапазонеIn this case, the maximum value of the speed of movement of the contact screen will decrease. For example, at m _o = 100⋅m _{io, the} speed of the screen will decrease to V _e ≈0.01 ⋅ V _io and at V _p = 1 km / s it will be V _e = 10 m / s. For the PDV AIC, the determination of such speeds is straightforward. That is, to register the mass characteristics of the studied object with a minimum error of the specific mass of dust, the specific mass of the contact screen should be in the range

При этом, в крайнем случае, когда удельная масса контактного экрана равна удельной массе исследуемого объекта, при которой максимальная скорость его движения будет равна половине скорости движения исследуемого объекта в момент контакта с экраном, для полной регистрации процесса оседания исследуемого объекта на контактном экране расстояние между контактным экраном и коллиматором должно быть не меньше половины длины исследуемого объекта вдоль направления движения.Moreover, in the extreme case, when the specific mass of the contact screen is equal to the specific mass of the studied object, at which the maximum speed of its movement will be equal to half the speed of the studied object at the moment of contact with the screen, to fully register the process of settling of the studied object on the contact screen, the distance between the contact the screen and the collimator should be at least half the length of the investigated object along the direction of movement.

Для обеспечения большей надежности и достоверности выполняемых измерений расстояние между контактным экраном и коллиматором следует выбирать не меньше полной длины исследуемого объекта.To ensure greater reliability and reliability of the measurements, the distance between the contact screen and the collimator should be chosen not less than the total length of the object under study.

На фиг. 1 представлена оптическая схема способа определения характеристик движущегося объекта и устройство для его осуществления, гдеIn FIG. 1 is an optical diagram of a method for determining the characteristics of a moving object and a device for its implementation, where

1 - источник лазерного излучения;1 - a source of laser radiation;

2 - лазерное излучение, распространяющееся по оптоволоконному световоду;2 - laser radiation propagating through an optical fiber;

3 - коллиматор, выводящий лазерное излучения из световода в свободное пространство и направляющий его на исследуемый объект вдоль направления движения, а также фокусирующий в световод часть обратно отраженного излучения, попавшего в его апертуру;3 - a collimator that removes laser radiation from the fiber into the free space and directs it to the object under study along the direction of movement, as well as focusing part of the back-reflected radiation entering its aperture into the fiber;

4 - контактный экран;4 - contact screen;

5 - исследуемый объект;5 - the investigated object;

6 - часть лазерного излучения, выходящая из коллиматора и облучающая контактный экран с тыльной стороны;6 - part of the laser radiation emerging from the collimator and irradiating the contact screen from the back;

7 - часть лазерного излучения, обратно отраженная от контактного экрана и частично попадающая в апертуру коллиматора;7 - part of the laser radiation, reflected back from the contact screen and partially falling into the aperture of the collimator;

8 - часть лазерного излучения, выходящая из коллиматора, проходящая через контактный экран и облучающая исследуемый объект;8 - part of the laser radiation emerging from the collimator, passing through the contact screen and irradiating the studied object;

9 - часть лазерного излучения, обратно отраженная от исследуемого объекта, проходящая через контактный экран и частично попадающая в апертуру коллиматора;9 - part of the laser radiation, reflected back from the object under study, passing through the contact screen and partially falling into the aperture of the collimator;

10 - лазерное излучение, сфокусированное коллиматором в световод и направленное к АПК PDV;10 - laser radiation focused by a collimator into a fiber and directed to the PDV;

11 - АПК PDV, определяющий оптогетеродинным методом скорости движущихся объектов по частоте доплеровского сдвига в излучениях, обратно отраженных от исследуемых объектов.11 - PDV AIC, which determines the speed of moving objects by the hetero-heterodyne method by the frequency of the Doppler shift in radiation that is back-reflected from the objects under study.

На фиг. 2 - то же, что и на фиг. 1, при по меньшей мере одном контактном экране, выполненном из перфорированного материала, установленном по ходу движения исследуемого объекта, и одном контактном экране, выполненном из оптически однородного материала, расположенном между коллиматором и по меньшей мере одним контактным экраном, выполненном из перфорированного материала, гдеIn FIG. 2 is the same as in FIG. 1, with at least one contact screen made of perforated material installed in the direction of the test object and one contact screen made of optically homogeneous material located between the collimator and at least one contact screen made of perforated material, where

4.1 и 4.2 - контактные экраны, выполненные из перфорированного материала;4.1 and 4.2 - contact screens made of perforated material;

4.N - контактный экран, выполненный из оптически однородного материала;4.N - contact screen made of optically homogeneous material;

6.1 - 6.N - части лазерного излучения, выходящего из коллиматора и облучающие контактные экраны с тыльных сторон;6.1 - 6.N - parts of the laser radiation emerging from the collimator and irradiating contact screens from the rear;

7.1 - 7.N - части лазерного излучения, обратно отраженные от контактных экранов и попадающие в апертуру коллиматора.7.1 - 7.N - parts of laser radiation that are reflected back from the contact screens and fall into the aperture of the collimator.

На фиг. 3 - то же, что и на фиг. 1, при контактном экране, разделенном на отдельные части с различными или одинаковыми удельными массами, гдеIn FIG. 3 is the same as in FIG. 1, with a contact screen divided into separate parts with different or identical specific gravities, where

3.1 - 3.N - коллиматоры, направленные на отдельные части контактного экрана;3.1 - 3.N - collimators aimed at individual parts of the contact screen;

4.1 - 4.N - отдельные части контактного экрана с одинаковыми или различными удельными массами;4.1 - 4.N - individual parts of the contact screen with the same or different specific gravities;

6.1 - 6.N - части лазерного излучения, выходящие из коллиматоров и облучающие с тыльных сторон отдельные части контактного экрана;6.1 - 6.N - parts of the laser radiation emerging from the collimators and irradiating from the back sides of the individual parts of the contact screen;

7.1 - 7.N - части лазерного излучения, обратно отраженные от отдельных частей контактного экрана и попадающие в апертуры соответствующих коллиматоров;7.1 - 7.N - parts of laser radiation that are reflected back from separate parts of the contact screen and fall into the apertures of the corresponding collimators;

8.1 - 8.N - части лазерного излучения, выходящие из коллиматоров, проходящие через соответствующие им части контактного экрана и облучающие различные участки исследуемого объекта;8.1 - 8.N - parts of the laser radiation emerging from the collimators, passing through the corresponding parts of the contact screen and irradiating various parts of the investigated object;

9.1 - 9.N - части лазерного излучения, обратно отраженные от различных участков исследуемого объекта, проходящие через соответствующие части контактного экрана и частично попадающие в апертуры соответствующих коллиматоров.9.1 - 9.N are the parts of laser radiation that are reflected back from various sections of the object under study, passing through the corresponding parts of the contact screen and partially falling into the apertures of the corresponding collimators.

На фиг. 4 - то же, что и на фиг. 2, при по меньшей мере одном контактном экране, разделенном на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, установленными на по меньшей мере одной цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом цилиндрической формы, а лазерное излучение направлено по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана, гдеIn FIG. 4 is the same as in FIG. 2, with at least one contact screen divided into separate parts with the same or different specific masses mounted on at least one cylindrical surface coaxial with the cylindrical object under study, and the laser radiation is directed in radial directions perpendicular to the common axis of the cylinders into separate parts of at least one contact screen, where

3.1 - 3.N - коллиматоры, направленные по радиальным направлениям перпендикулярно общей оси цилиндров на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;3.1 - 3.N - collimators directed in radial directions perpendicular to the common axis of the cylinders to separate parts of at least one contact screen;

4.11 - 4.NN - отдельные части контактного экрана с одинаковыми или различными удельными массами, установленные на по меньшей мере одной цилиндрической поверхности, коаксиальной с исследуемым объектом;4.11 - 4.NN - individual parts of the contact screen with the same or different specific gravities mounted on at least one cylindrical surface coaxial with the object under study;

6.11 - 6.NN - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора и облучающие с тыльных сторон отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;6.11 - 6.NN - parts of the laser radiation emerging from at least one collimator and irradiating from the back the individual parts of at least one contact screen;

8.1 - 8.N - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора, проходящие через соответствующие им отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана и облучающие различные участки внутренней поверхности исследуемого объекта цилиндрической формы;8.1 - 8.N - parts of laser radiation emerging from at least one collimator, passing through their respective separate parts of at least one contact screen and irradiating various parts of the inner surface of the investigated object of cylindrical shape;

5 - исследуемый объект, цилиндрической формы, радиально сжимающийся при движении к своей оси;5 - the investigated object, a cylindrical shape, radially contracting when moving towards its axis;

12 - ось исследуемого объекта цилиндрической формы;12 - axis of the investigated object of cylindrical shape;

13 - цилиндрическая обечайка, расположенная коаксиально с исследуемым объектом и фиксирующая по меньшей мере один коллиматор по радиальному направлению перпендикулярно общей оси цилиндров, направленному на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;13 is a cylindrical shell located coaxially with the test object and fixing at least one collimator in a radial direction perpendicular to the common axis of the cylinders, directed to separate parts of at least one contact screen;

14.1 - 14.N - цилиндрические обечайки, расположенные коаксиально с исследуемым объектом и фиксирующие отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана соосно и перпендикулярно лазерным излучениям, выходящим из соответствующих коллиматоров.14.1 - 14.N - cylindrical shells located coaxially with the object under study and fixing the individual parts of at least one contact screen coaxially and perpendicular to the laser radiation emerging from the respective collimators.

На фиг. 5 - то же, что и на фиг. 2, при по меньшей мере одном контактном экране, разделенном на отдельные части с одинаковыми или различными удельными массами, установленными на по меньшей мере одной сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом сферической формы, а лазерное излучение направлено по радиальным направлениям на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана, гдеIn FIG. 5 is the same as in FIG. 2, with at least one contact screen, divided into separate parts with the same or different specific masses mounted on at least one spherical surface, concentric with the object being studied in a spherical shape, and the laser radiation is directed in radial directions into separate parts of at least single contact screen where

3.1 - 3.N - коллиматоры, направленные по радиальным направлениям от общего центра сфер на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;3.1 - 3.N - collimators directed in radial directions from the common center of the spheres to separate parts of at least one contact screen;

4.11 - 4.NN - отдельные части контактного экрана с одинаковыми или различными удельными массами, установленные по меньшей мере на одной сферической поверхности, концентрической с исследуемым объектом;4.11 - 4.NN - individual parts of the contact screen with the same or different specific gravities, mounted on at least one spherical surface, concentric with the object under study;

8.1 - 8.N - части лазерного излучения, выходящие по меньшей мере из одного коллиматора, проходящие через соответствующие им отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана и облучающие различные участки внутренней поверхности исследуемого объекта сферической формы;8.1 - 8.N are the parts of laser radiation emerging from at least one collimator, passing through the corresponding separate parts of at least one contact screen and irradiating various parts of the inner surface of the studied object of a spherical shape;

5 - исследуемый объект, сферической формы, радиально сжимающийся при движении к своему центру;5 - the investigated object, spherical in shape, radially contracting when moving toward its center;

15 - центр исследуемого объекта сферической формы;15 - center of the studied object of spherical shape;

16 - сферическая обечайка, расположенная концентрично с исследуемым объектом и фиксирующая по меньшей мере один коллиматор по радиальному направлению от общего центра сфер, направленному на отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана;16 is a spherical shell located concentrically with the studied object and fixing at least one collimator in the radial direction from the common center of the spheres, directed to the individual parts of at least one contact screen;

17.1 - 17.N - сферические обечайки, расположенные концентрично с исследуемым объектом и фиксирующие отдельные части по меньшей мере одного контактного экрана соосно и перпендикулярно лазерным излучениям, выходящим из соответствующих коллиматоров.17.1 - 17.N - spherical shells located concentrically with the studied object and fixing the individual parts of at least one contact screen coaxially and perpendicular to the laser radiation emerging from the respective collimators.

На фиг. 6 - то же, что и на фиг. 1, при реализации конкретного применения заявляемого способа и устройства, гдеIn FIG. 6 is the same as in FIG. 1, when implementing a specific application of the proposed method and device, where

5 - исследуемый объект в виде облака пыли, образованного при ударно-волновом воздействии на плоскую мишень;5 - the investigated object in the form of a cloud of dust formed by shock-wave action on a flat target;

18 - капсюль электродетонатора;18 - a capsule of an electric detonator;

19 - навеска из взрывчатого вещества (ВВ);19 - a sample of explosives (BB);

20 - метаемый ударник плоской формы из тантала толщиной 100 мкм;20 - throwing striker flat shape of tantalum with a thickness of 100 microns;

21 - ударно нагружаемая мишень в виде пластины свинца толщиной 1 мм.21 - shock-loaded target in the form of a lead plate 1 mm thick.

На фиг. 7 показана полученная с помощью АПК PDV зависимость скорости движения облака пыли во времени, образовавшегося при контакте ударника с лицевой стороной мишени, гдеIn FIG. Figure 7 shows the time dependence of the speed of a dust cloud obtained using the PDV APK, which was formed upon contact of the projectile with the front of the target, where

V_п(t) - скорость движения облака пыли во времени до момента образования на тыльной стороне мишени до контакта с защитным стеклом коллиматора (мгновенная скорость движения облака пыли в интервале времени от момента образования - 2,8 мкс до момента взаимодействия с защитным стеклом коллиматора - 7,9 мкс).V _p (t) is the velocity of the dust cloud in time until the formation on the back of the target before contact with the protective glass of the collimator (the instantaneous velocity of the dust cloud in the time interval from the moment of formation is 2.8 μs to the moment of interaction with the protective glass of the collimator - 7.9 μs).

На фиг. 8 и фиг. 9 показаны скорости движения облака пыли до момента взаимодействия с контактным экраном и скорости движения контактных экранов, изготовленных из боросиликатного стекла толщиной 180 мкм, гдеIn FIG. 8 and FIG. 9 shows the speed of movement of a dust cloud until the moment of interaction with the contact screen and the speed of movement of contact screens made of borosilicate glass with a thickness of 180 μm, where

V_п - мгновенные скорости движения облаков пыли до взаимодействия с контактными экранами в моменты, соответственно, 2,78 мкм и 5,04 мкс;V _p - instantaneous speeds of dust clouds before interacting with contact screens at moments of 2.78 μm and 5.04 μs, respectively;

V₁(t) - скорость движения контактного экрана во времени, установленного на расстоянии 1 мм от тыльной стороны мишени;V ₁ (t) is the speed of the contact screen in time, set at a distance of 1 mm from the back of the target;

V₂(t) - скорость движения контактного экрана во времени, установленного на расстоянии 2,7 мм от тыльной стороны мишени.V ₂ (t) is the speed of the contact screen in time, set at a distance of 2.7 mm from the back of the target.

На фиг. 10 показаны расчетные (в виде точек) и полученные экспериментально (в виде линий) графики скоростей движения контактных экранов, установленных на расстоянии 1,0 мм и 2,7 мм от мишени, а также расчетные значения объемной плотности облаков пыли, вызывающих движение этих экранов, гдеIn FIG. 10 shows the calculated (in the form of points) and experimentally obtained (in the form of lines) graphs of the speeds of the contact screens installed at a distance of 1.0 mm and 2.7 mm from the target, as well as the calculated values of the bulk density of dust clouds causing the movement of these screens where

V₁(t) и V₂(t) - скорости движения контактных экранов во времени, установленных на расстоянии 1,0 мм и 2,7 мм от тыльной стороны мишени;V ₁ (t) and V ₂ (t) - the speed of contact screens in time, installed at a distance of 1.0 mm and 2.7 mm from the back of the target;

ρ₁(t) и ρ₂(х) - расчетные графики объемной плотности облаков пыли на расстоянии 1,0 мм и 2,7 мм от тыльной стороны мишени.ρ ₁ (t) and ρ ₂ (x) are the calculated graphs of the bulk density of dust clouds at a distance of 1.0 mm and 2.7 mm from the back of the target.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Включается источник лазерного излучения 1, который по оптоволоконному световоду направляет лазерное излучение 2 к коллиматору 3. Коллиматор 3 выводит лазерное излучение в свободное пространство и направляет его навстречу движения исследуемого объекта 5 через контактный экран 4, установленный на пути движения исследуемого объекта 5. При этом одна часть лазерного излучения 6 попадает на тыльную поверхность контактного экрана 4, обратно отражается от нее в виде диффузно рассеянного излучения 7, частично попадает в апертуру коллиматора 3, фокусируется обратно в оптоволоконный световод и направляется на АПК PDV 11 в виде лазерного излучения 10 с доплеровским сдвигом частоты, определяющим скорость движения контактного экрана 4. Другая часть лазерного излучения 8, выходящая из коллиматора 3, проходит через контактный экран 4 и попадает на исследуемый объект 5, обратно отражается от него в виде диффузно рассеянного излучения 9, проходит через контактный экран 4, частично попадает в апертуру коллиматора 3, фокусируется в оптоволоконный световод и направляется на АПК PDV 11 в виде лазерного излучения 10 с доплеровским сдвигом частоты, определяющим скорость движения исследуемого объекта 5. АПК PDV регистрирует суммарное пришедшее к нему лазерное излучение 10, определяет скорости движения контактного экрана 4 и исследуемого объекта 5, передает эти данные в программу численной обработки результатов измерений, применяющей в своих вычислениях второй закон Ньютона для тела переменной массы и закон сохранения импульса. Численно обработанные результаты измерений выдаются в виде непрерывного во времени графика усредненной по площади контактного экрана объемной плотности исследуемого объекта, налетающего на контактный экран; мгновенной скорости движения исследуемого объекта в момент контакта с экраном и численного значения удельной массы исследуемого объекта 5. Все характеристики исследуемого движущегося объекта, определенные в эксперименте, привязываются в пространстве к местоположению контактного экрана 4.The laser source 1 is turned on, which directs the laser radiation 2 through the fiber optic fiber 2 to the collimator 3. The collimator 3 outputs the laser radiation into free space and directs it towards the movement of the test object 5 through the contact screen 4 mounted on the path of the test object 5. In this case, one part of the laser radiation 6 falls on the back surface of the contact screen 4, is reflected back from it in the form of diffusely scattered radiation 7, partially falls into the aperture of the collimator 3, focus is transmitted back to the fiber optic fiber and sent to the PDV 11 AIC in the form of laser radiation 10 with a Doppler frequency shift determining the speed of the contact screen 4. The other part of the laser radiation 8 coming out of the collimator 3 passes through the contact screen 4 and enters the object 5 under study , is reflected back from it in the form of diffusely scattered radiation 9, passes through the contact screen 4, partially enters the aperture of the collimator 3, focuses in the optical fiber and is sent to the PDV 11 in the form of a laser and radiation 10 with a Doppler frequency shift that determines the speed of the investigated object 5. The PDV APC registers the total laser radiation 10 that came to it, determines the speed of the contact screen 4 and the studied object 5, and transfers this data to the program for numerical processing of measurement results, which uses in its calculations Newton’s second law for a body of variable mass and the law of conservation of momentum. The numerically processed measurement results are given in the form of a time-continuous graph of the volume density averaged over the area of the contact screen of the investigated object flying onto the contact screen; instantaneous speed of the investigated object at the moment of contact with the screen and the numerical value of the specific mass of the studied object 5. All characteristics of the investigated moving object, determined in the experiment, are tied in space to the location of the contact screen 4.

Осуществление изобретения было продемонстрировано на примере определения параметров слоя откола в плоской мишени из свинца, образующегося при ударе по ней быстролетящей пластиной из тантала.The implementation of the invention was demonstrated by the example of determining the parameters of the spallation layer in a flat target of lead, which is formed by hitting it with a fast-flying tantalum plate.

Принцип действия заявляемого способа и устройства поясняется схематическим эскизом экспериментального стенда, показанным на фиг. 6, а также графиками, описывающими движение исследуемого объекта и контактного экрана, показанными на фиг. 7-10.The principle of operation of the proposed method and device is illustrated by a schematic sketch of an experimental stand shown in FIG. 6, as well as graphs describing the movement of the test object and the contact screen shown in FIG. 7-10.

Исследуемый объект 5 в виде быстролетящего облака свинцовой пыли получался при ударе пластины из тантала 20 толщиной 100 мкм, стабильно разгоняемой взрывом ВВ (взрывчатого вещества) 19 до скорости 3 км/с, по пластине из свинца 21 толщиной 1 мм. Лазерное излучение с длиной волны 1,55 мкм генерировалось оптоволоконным лазером 1 и через оптоволоконный световод 2 и коллиматор 3 направлялось навстречу движения образующемуся облаку пыли 5. Движение облака пыли регистрировалось с помощью АПК PDV 11.The studied object 5 in the form of a fast-flying cloud of lead dust was obtained by hitting a plate of tantalum 20 with a thickness of 100 μm, stably accelerated by an explosion of explosives (explosive) 19 to a speed of 3 km / s, along a lead plate 21 with a thickness of 1 mm. Laser radiation with a wavelength of 1.55 μm was generated by fiber optic laser 1 and, through fiber optic fiber 2 and collimator 3, was directed towards the movement of the resulting dust cloud 5. The movement of the dust cloud was recorded using a PDV 11 APC.

На фиг. 7 показан характерный вид скорости движения облака пыли во времени при движении его от момента образования на тыльной стороне свинцовой пластины до столкновения с защитным стеклом коллиматора, удаленном от свинцовой мишени на расстояние 10 мм.In FIG. Figure 7 shows a typical view of the velocity of a dust cloud in time when it moves from the moment of formation of a lead plate on the back side to a collision with a protective glass of a collimator 10 mm away from the lead target.

В случае если бы скорость исследуемого объекта определялась, как в прототипе, по интервалу времени между моментом образования облака пыли, равным 2,8 мкс, и моментом удара по защитному стеклу коллиматора, равным 7,9 мкс, то среднее значение скорости составило бы 1,95 км/с. В то же время, по методу определения АПК PDV, как видно на фиг. 7, мгновенная скорость движения облака пыли в момент столкновения с защитным стеклом коллиматора составила 1,75±0,1 км/с. То есть величина погрешности в определении скорости движения облака пыли по методу прототипа составила ~±11%.If the speed of the object under study were determined, as in the prototype, from the time interval between the moment of formation of a dust cloud equal to 2.8 μs and the moment of impact on the protective glass of the collimator equal to 7.9 μs, then the average value of speed would be 1, 95 km / s At the same time, according to the PDV APC determination method, as seen in FIG. 7, the instantaneous velocity of the dust cloud at the moment of collision with the protective glass of the collimator was 1.75 ± 0.1 km / s. That is, the error in determining the speed of the dust cloud by the method of the prototype was ~ ± 11%.

После постановки между коллиматором и мишенью контактного экрана из боросиликатного стекла толщиной 180 мкм с помощью АПК PDV были зарегистрированы мгновенные скорости движения облаков пыли перед контактом с экранами, равные в обоих случаях 2 км/с, и непрерывные во времени скорости движения контактных экранов V₁(t) и V₂(t). На фиг. 8 расстояние между мишенью и контактным экраном составляло 1,0±0,1 мм, а на фиг. 9 - 2,7±0,1 мм.After setting a 180-μm-thick borosilicate glass contact screen between the collimator and the target, using PDV APKs, the instantaneous velocities of dust clouds before contact with the screens were recorded, equal in both cases to 2 km / s, and the contact speeds V ₁ (continuous in time) t) and V ₂ (t). In FIG. 8, the distance between the target and the contact screen was 1.0 ± 0.1 mm, and in FIG. 9 - 2.7 ± 0.1 mm.

На фиг. 8 и фиг. 9 видно, что динамика движения контактных экранов отличается и по переднему фронту набора скорости, и по достигнутому максимуму, хотя мгновенные значения скорости подлетающего облака пыли в обоих случаях были примерно одинаковыми, равные 2 км/с.In FIG. 8 and FIG. Figure 9 shows that the dynamics of the movement of the contact screens differs both in the leading front of the set speed and in the maximum reached, although the instantaneous values of the speed of the approaching dust cloud in both cases were approximately the same, equal to 2 km / s.

На фиг. 8 и фиг. 9 видно, что процесс взаимодействия контактного экрана с налетающим облаком пыли длится, соответственно, в основном 1 мкс и 2,5 мкс. При скорости звука в стекле 5080 м/с время пробега акустической волны по толщине экрана составляет 35 нс. То есть условие «акустической тонкости» контактного экрана относительно длительности исследуемого процесса было выполнено, и время пробега акустической волны по толщине экрана получилось, соответственно, в 28 и 71 раз меньше, чем время оседания исследуемого объекта на контактном экране.In FIG. 8 and FIG. Figure 9 shows that the process of interaction between the contact screen and the incident cloud of dust lasts, respectively, mainly 1 μs and 2.5 μs. At a speed of sound in the glass of 5080 m / s, the travel time of an acoustic wave across the thickness of the screen is 35 ns. That is, the condition of “acoustic subtlety” of the contact screen with respect to the duration of the process under study was fulfilled, and the travel time of the acoustic wave across the thickness of the screen was, respectively, 28 and 71 times less than the settling time of the object under study on the contact screen.

На фиг. 10 непрерывными линиями показаны оцифрованные графики V₁(t) и V₂(t) скорости движения контактных экранов, а графиками из точек - их расчетные зависимости, полученные методом численного моделирования скорости движения этих экранов путем подбора функций плотности пыли при численном решении интеграла (3). Численно подобранные функции ρ₁(t) и ρ₂(t) для расстояний от мишени 1,0 мм и 2,7 мм показаны под соответствующими графиками V₁(t) и V₂(t) на фиг. 10.In FIG. 10 continuous lines show the digitized graphs V ₁ (t) and V ₂ (t) of the speed of contact screens, and graphs of dots show their calculated dependences obtained by numerically simulating the speed of these screens by selecting dust density functions for numerically solving the integral (3 ) The numerically selected functions ρ ₁ (t) and ρ ₂ (t) for distances from the target of 1.0 mm and 2.7 mm are shown under the corresponding graphs V ₁ (t) and V ₂ (t) in FIG. 10.

При численной обработке результатов измерений считалось, что удельная масса контактных экранов равнялась m₀=0,045 г/см², что предварительно взвешивалось на точных весах, и что скорость налетающих на экраны облаков пыли составляла 2 км/с. На фиг. 10 видно достаточно хорошее совпадение графиков V(t), полученных при численном моделировании и зарегистрированных в экспериментах.In the numerical processing of the measurement results, it was believed that the specific mass of the contact screens was m ₀ = 0.045 g / cm ² , which was previously weighed on an accurate balance, and that the speed of dust clouds incident on the screens was 2 km / s. In FIG. Figure 10 shows a fairly good agreement between the V (t) plots obtained by numerical simulation and recorded in the experiments.

В результате интегрирования во времени графиков ρ₁(t) и ρ₂(t) были определены соответствующие им удельные массы облака пыли, равные 38 мг/см², при зазоре свинец-контактный экран, равном 1,0 мм, и 33 мг/см² - при этом зазоре, равном 2,7 мм.As a result of integration over time of the graphs ρ ₁ (t) and ρ ₂ (t), the corresponding specific masses of the dust cloud were determined equal to 38 mg / cm ² , with a lead-contact shield gap of 1.0 mm and 33 mg / cm ² - with this gap of 2.7 mm.

На основании экспериментальных измерений скорости движения контактных экранов и результатов их численного моделирования можно сделать следующие выводы:Based on experimental measurements of the speed of movement of the contact screens and the results of their numerical simulation, the following conclusions can be drawn:

На расстоянии 1 мм от тыльной поверхности свинца основная масса облака пыли сосредоточена в слое толщиной 60 мкм. Эта величина близка к толщине слоя откола, вызванного ударником из тантала толщиной 100 мкм. При удалении от поверхности свинца на расстояние 2,7 мм наблюдается расплывание облака пыли до 280 мкм.At a distance of 1 mm from the back surface of lead, the bulk of the dust cloud is concentrated in a layer 60 μm thick. This value is close to the thickness of the spallation layer caused by a tantalum striker 100 microns thick. At a distance of 2.7 mm from the surface of lead, a dust cloud spreads to 280 μm.

Claims

1. A method for determining the characteristics of a moving object, including inelastic interaction of the studied object with the front side of the known specific gravity mounted on the contact screen of the contact screen, continuous radiation of the back side of the contact screen with laser radiation in time, registration of the part of the laser radiation that is reflected back from the back side of the contact screen , continuous in time determination of the speed of movement of the contact screen by the frequency of the Doppler shift in the reflected light characterized in that a part of the laser radiation is passed through a contact screen to a moving object under investigation, an additional part of the laser radiation is recorded, which is reflected back from the object under study, the instantaneous speed of the object under study is determined from the frequency of the Doppler shift in the reflected radiation and using the known velocity dependences and masses applied to the contact screen and the object under study before and after their interaction, using the values of experimentally determined lennoy instantaneous speed of movement of the object is determined continuously bulk density averaged over the contact area of the screen at the time of the test object at the time of interaction with a contact screen, and a specific gravity of an object, the precipitated per unit area of the contact screen.

2. A device for determining the characteristics of a moving object, containing at least one source of laser radiation and at least one collimator, a contact screen of known mass and an object under investigation, sequentially located along the propagation of laser radiation, the contact screen being mounted to move it towards the collimator from - due to the interaction with the investigated object incident on it, as well as at least one hardware-software complex for determining the speed of a moving research vehicle of the object being driven by the frequency of Doppler shift in the back-reflected radiation, characterized in that the contact screen is made of transparent material that transmits a part of the laser radiation through itself in the directions that are directly and inversely reflected from the object under study, the hardware-software complex is based on opto-heterodyne determination of the speed of a moving object in terms of the frequency of the Doppler shift in the back-reflected radiation, the specific mass of the contact screen is selected in the range 1 ÷ 100 times more than the specific mass studied object, and the distance between the collimator and the contact screen is chosen to be greater than or equal to the length of the longitudinal size of the object under study.

3. The device according to p. 2, characterized in that the thickness of the contact screen is selected from the condition that the travel time of the acoustic wave in its thickness is from 10 to 100 times less than the settling time of the investigated object on the contact screen.

4. The device according to p. 2, characterized in that the contact screen is made of a homogeneous material that is optically transparent to laser radiation.

5. The device according to p. 2, characterized in that the contact screen is made of perforated material, such as a lattice or mesh.

6. The device according to claim 2, characterized in that at least one perforated contact screen is added to the existing perforated contact screen, installed in the direction of the test object between at least one collimator and the existing perforated contact screen.

7. The device according to p. 6, characterized in that in addition in the direction of the test object between at least one collimator and an additional at least one perforated contact screen, a contact screen made of a homogeneous material is installed.

8. The device according to p. 2, characterized in that the contact screen is divided into separate parts with the same or different specific gravities.

9. The device according to claim 2, characterized in that the contact screen is divided into separate parts with the same or different specific gravities located on a cylindrical surface coaxial with the cylindrical object under study, and the laser radiation is directed to individual parts of the contact screen in radial directions perpendicularly common axis of cylinders.

10. The device according to p. 9, characterized in that the contact screen is perforated and supplemented with at least one more perforated contact screen with separate parts of the same or different specific gravity, located on a cylindrical surface coaxial with the object under study, and installed in the direction of travel the object under study between at least one collimator and an existing perforated contact screen, and the laser radiation is directed to individual parts of the contact screens in radial directions perpendicular to the common axis of the cylinders.

11. The device according to p. 10, characterized in that in addition in the direction of the test object between at least one collimator and an additional at least one perforated contact screen, a contact screen is made of a homogeneous material with separate parts of the same or different specific gravity and located on a cylindrical surface coaxial with the object under study.

12. The device according to p. 2, characterized in that the contact screen is divided into separate parts with the same or different specific gravities, located on a spherical surface, concentric with the studied object of a spherical shape, and the laser radiation is directed to individual parts of the contact screen in the radial directions of the spherical surface.

13. The device according to p. 12, characterized in that the contact screen is perforated and supplemented with at least one more perforated contact screen with separate parts of the same or different specific gravity located on a spherical surface concentric with the object being studied, and the laser radiation is directed at individual parts of the contact screens in the radial directions of the spheres.

14. The device according to p. 13, characterized in that in addition in the direction of the test object, a contact screen is installed made of a homogeneous material with separate parts of the same or different specific gravity and located on a spherical surface concentric with the test object.