SU1486779A1

SU1486779A1 - Волоконно-оптическое устройство для измерения параметров движения ' объектов

Info

Publication number: SU1486779A1
Application number: SU874301627A
Authority: SU
Inventors: Valerij A Orlov; Sergej V Revyakin
Original assignee: Univ Novosibirsky
Priority date: 1987-09-08
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1989-06-15

Description

Изобретение относится к измерительной технике, к определению параметров движения объектов оптическими методами. Цель изобретения - увеличение чувствительности посредством чувствительного элемента с гидроусилиИзобретение относится к измерительной технике, а именно к определению параметров движения объектов оптическими методами.

е

Цель изобретения - увеличение чувствительности посредством применения чувствительного элемента с гидроусилителем, реагирующего на механические микроколебания объектов.

На чертеже приведена схема волоконно-оптического устройства для измерения параметров движения объектов.

Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, направленный ответвитель 2, микрообъектив 3, волоконный световод 4 и гидравлический усилитель, выполненный в корпусе

2

телем, реагирующего на механические микроколебания объектов. Для этого устройство-снабжено полым усеченным конусом, заполненным жидкостью, в верхнем основании которого жестко закреплен выходной торец световода, и мембраной, закрепленной в большем основании конуса. Излучение лазера, пройдя направленный ответвитель, с помощью микрообъектива вводится в волоконный световод, транспортирующий свет к гидравлическому усилителю, корпус которого установлен в исследуемую среду. При этом излучение отражается от свободной поверхности жидкости, механически связанной с мембраной, и передается к выходному концу волоконного световода. Мембрана при этом испытывает воздействие механических колебаний среды. 1 ил.

5 с внутренней полостью в виде усеченного прямого конуса, заполненного жидкостью 6 с коэффициентом оптического отражения, близким к 1, например ртутыо, причем большее основание конуса ограничено мембраной 7, механически связанной с жидкостью 6, а меньшее основание переходит в цилиндр 8, в котором установлен волоконный световод 4, оптически связанный с поверхностью 9 жидкости с помощью воздушного светопровода 10, сформированного в цилиндре 8, а световод через направленный ответвитель 2 и собирающую линзу.11 оптически соединен с фотоприемником 12, выход которого связан с входом электронного блока 13 обработки информации.

51) „„ 1486779

1486779

Для обеспечения высокой эффективности преобразования величины микроперемещений мембраны X в соответствующее ей смещение свободной поверх- , ности жидкости Υ необходимо выбирать $ численное значение коэффициента усиления гидравлического усилителя максимальным:

10

где 5 - площадь большего основаν,οι кс

ния конуса, ограниченного мембраной;

8 - площадь меньшего основамин

ния конуса, величина которой определяется размерами используемого волоконного световода; ,

К,г - соответственно радиусы окружностей большего и меньшего оснований конуса; о/ - коэффициент усиления; Соосное расположение цилиндра 8 и внутренней полости конуса объясняется необходимостью осуществления линейного преобразования колебаний мембраны X в смещение свободной по·^верхности жидкости. Выходной конец волоконного световода 4 установлен неподвижно в цилиндре 8, при этом исключается вероятность его случайного перемещения по отношению к свободной поверхности! жидкости (не связанного с процессом измерения). Выбор воздушного светопровода 10, сформированного в цилиндре 8, объясняется, прежде всего, простотой изготовления. Воздух обладает высокой степенью сжимаемости, что позволяет в конечном итоге обеспечить широкий динамический Диапазон 'чувствительности регистратора. \

Для теоретического обоснования выбора конструктивных параметров устройства рассмотрим особенности колебательного процесса мембраны под действием внешней гармонической силы - £ · созПС=£ соз21Г-Л;, где £ и -0соответственно амплитуда и частота силы.

15

20

25

30

35

40

45

50

Уравнение движения мембраны вместе с жидкостью имеет следующий вид

Χ₊2γΧ+ω2χ=-|_δ._εο₈Ώ1, (1) 55

^ΓίΙθ ⁼]т+М’

К - жесткость мембраны;

т и М - соответственно масса мембраны и масса жидкости;

γ - коэффициент вязкого трения, обусловленного контактом движущейся жидкости с поверхностью конуса;

X - 'среднее смещение мембраны, х=х«_я«сс/2;

Хм°,кс " максимальный изгиб мембраны под действием внешней силы.

Как известно уравнение (1) имеет следующее решение:

-γ д

Х=а.е соз(и„ б+оО+Ъсоз/Я С+сР) .

Первое слагаемое в правой части уравнения описывает колебания мембраны на собственной резонансной частоте ω₀ при условии у/=0,4-0,5, должно стремиться к нулю и в конечном итоге остается только вынужденное решение на частоте внешней силы:

Х=Ь· соз(ЯС+<Р) ,

^{й η2}-ω² ’

Я²

и=—

X

ω,' ^ν я

частотная характеристика измерителя.

Анализируя функцию и, находим, что частотный диапазон, в котором наиболее эффективно работает устройство, зависит от резонансной частоты ω₀ и величины коэффициента вязкого трения. Величина коэффициента трения γ зависит от площади боковой поверхности конуса.

Уравнение, определяющее соотношение величин параметров, характеризующих частотный диапазон, в котором эффективно работает устройство, имеет вид

где ϋ и Н - соответственно диаметр

мембраны и высота конуса;

λ , V - длина и скорость звуковой волны;

- максимальная частота мемы кс

ханических колебаний.

В случае невыполнения.данного неравенства вероятность возбуждения

звуковой упругой волны является высокой - устройство перестает работать

эффективно.

1486//9

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1, пройдя направленный ответвитель 2, с помощью микрообъектива 3 вводится в волоконный световод 4, транспортирующий свет к гидравлическому усилителю, корпус 5 которого установлен в исследуемую среду. При этом излучение отражается от свободной поверхности 9 жидкости 6, механически связанной с мембраной 7, и с помощью воздушного светопровода 10, сформированного в цилиндре 8, передается к выходному концу волоконного световода 4, а мембрана 7 испытывает воздействие механических колебаний среды, уровень которых мно-. гократно увеличивается с помощью гидравлического усилителя (на величину коэффициента усиления с/) . Устройство для измерения параметров движения объектов построено по принципу регистрации изменения фазы электро- 25 магнитной волны на основе гетеродинного оптического приема рассеянного движущейся свободной поверхностью 9 жидкости 6 излучения. Излучение, возвращающееся по волоконному световоду 4 в направлении от его выходного конца, с помощью ответвителя 2 передается через собирающую линзу. 11 к фотоприемнику 12, сигнал ко/орого анализируется электронным блоком 13 обработки информации.

Применение гидравлического усилителя с высоким значением коэффициента усиления и гетеродинного способа оптического приема позволит создать волоконно-оптический измеритель параметров движения объектов, отличающийся высокими техническими характеристиками.

Claims

Формула изобретения

Волоконно-оптическое устройство для измерения параметров движения объектов^-, содержащее лазер и расположенные вдоль пучка света направленный ответвитель, микрообъектив, волоконный световод, фотоприемник, расположенный по ходу выходящего из направленного ответвителя пучка света, и блок обработки информации, вход которого соединен с выходом фотоприемника, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности измерения, оно снабжено полым усеченным конусом, заполненным жидкостью с величиной коэффициента оптического отражения, близкой к единице, в меньшем основании которого, выполненном в виде полого цилиндра, жестко закреплен выходной торец световода, и мембраной, закрепленной в большем основании конуса.

7