Устройство для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред

 

УСТРОЙСТВО ДЛИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ СПЛОЩНЬТХ СРЕД, содержащее лазер/ оптический формирователь, выполненный в виде двух цилиндрических линз, одна из которых ориентирована вдоль направления движения исследуемой поверхности , фотоприемник, подключенный через блок обработки информации к регистратору, и анализатор поля рассеянного излучения, выполненный в виде фотомаски, расположенной перед фотоприемником, при этом фокусное расстояние первой цилиндрической линзы меньше расстояния от нее до исследуемой поверхности, а расстояния от точки пересечения оси лазера с исследуемой поверхностью до фокальной плоскости первой цилиндрической линзы и плоскости фотомаски равны между собой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет повышения отношения сигнал-шум и уменьшения влияния поперечных колебаний исследуемого объекта в плоскости движения среды, фотомаска выполнена в виде диафрагмы с отверстием, а вторая цилиндричес- 1 кая линза ориентирована поперек правления движения и ее фокусное расстояние превьвиает расстояние от нее до исследуемой поверхности, при этом расстояния от исследуемой поверхности до фокальных плоскостей первой и второй цилиндрических линз равны между собой. ;о эо со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 3(51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

М AB 1OPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,(21) 3255366/18-10 (22) 27.02.81 (46) 15.10.83. Вюл. Р 38 (72) A. И ° Кривонос (71) Украинское научно-производственное объединение целлюлозно-бумажной промышленности (53/ 531.767 (088.8) (56) 1. Патент США Р 3737233, кл. 326-28, опублик. 1973.

2. Патент ФРГ Р 2015094, кл. G 01 Р 3/36, опублик. 1972 (прототип) . . (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕНИЯ

СКОРОСТИ ПЕРЕ11ЕЩЕНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ

СПЛОШНЫХ СРЕД, содержащее лазер, оптический формйрователь, выполненный в виде двух цилиндрических линз, од.на из которых ориентирована вдоль направления движения исследуемой поверхности, фотоприемник, подключенный через блок обработки информации к регистратору, и анализатор поля рассеянного излучения, выполненный в виде фотомаски, расположенной перед фотоприемником, при этом фокусное расстояние первой цилиндрической линзы меньше расстояния от нее до исследуемой поверхности, а расстояния от точки пересечения ocr лазера с исследуемой поверхностью до фокальной плоскости первой цилиндрической линзы и плоскости фотомаски равны между собой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет повышения отноше-. ния сигнал-шум и уменьшения влияния поперечных колебаний исследуемого объекта в плоскости движения среды, фотомаска выполнена в виде диафрагмы с отверстием, а вторая цилиндричесФ кая линза ориентирована поперек направления движения и ее фокусное расстояние превышает расстояние от нее до исследуемой поверхности, при этом расстояния от исследуемой поверхности до фокальных плоскостей первой и второй цилиндрических линз равны между собой.

974899

Из обрете ние относится к измерительной технике и может быть. использовано для бесконтактного измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред, движущихся по заданному направлению, в частности для измерения скорости перемещения бумажного полотна °

Известно устройство для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред, содержащий лазер, фор- 10 мирователь.пучка излучения, фотоприемник, анализатор, поля рассеянного излучения, представляющий собой растровую решетку с гармоническим законом пропускания излучения, рас- 15 положенную перед фотоприемником, последовательно соединенные блок обработки инФормации и регистрирующий . прибор (1) .

Недостатком этого устройства явл яется невысокая точность измерения ,скорости перемещения поверхностей сплошных сред, обусловленная относительно малой глубиной модуляции по-: лезной составляющей информативного сигнала вследствие одновременного пересечения большим количеством диФракционных пятен светочувствительной площадки фотоприемника, что приводит к уменьшению отношения сигнал/ шум и, таким образом, к снижению 30 точности измерения.

Известно устройство аналогичного назначения, принятое за прототип, содержащее лазер, оптический формирователь, выполненный в виде рассеи- 35 вающей и Фокусирующей цилиндрических линз, ориентированных вдоль направления движения поверхности, анализагор поля рассеянного излучения, выполненный в виде оптическои решетки, 40 расположенной перед фотоприемником, подключенным через блок обработки информакии к регистратору P2) . Для исключения влияния поперечных колебаний скорости, перпендикулярных 45 плоскости, в которой движется поверхность, решетка расположена от исследуемой поверхности на расстоянии, равном расстоянию от нее до мнимой точки дивергенции расходящегося лазерного пучка.

Недостатками прототипа являются малое отношение сигнал/шум на выходе фотоприемника, обусловленное одновременным пересечением плоскости оптической решетки несколькими дифракционными пятнами, а также влияние поперечных колебаний поверхности в плоскости ее движения, амплитуда которых превышает поперечные размеры 60 решетки.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет повышения отношения сигнал/шум и уменьшения влияния поперечных колебаний исследуемого объекта в плоскости движении среды.

Это достигается тем,,что в из— вестном устройстве для измерения скорости перемещения поверхностей сплошных сред фотомаска выполнена в виде диафрагмы с отверстием, а вторая цилиндрическая линза ориентирована поперек направления движения, и ее фокусное расстояние превышает расстояние от нее до исследуемой по-верхности, при этом расстояния от исследуемой поверхности до фокальных плоскостей первой и второй цилиндрических линз равны между собой.

На фиг.1 показано предлагаемое устройство в плоскости XOZ,; на фиг.2 то же, в плоскости YOZ .

Устройство содержит источник ко- герентного излучения — лазер 1, из;.Учающий близкий к телецентрическому пучок 2.. На пути распространения лазерного пучка 2 расположен двухкоординатный формирователь, состоящий из двух оптических элементов 3 и установленных под углом 90 друг к другу, предназначенный для формирования сходимости лазерного пучка по двум координатам Х и Y . После прохождения оптического элемента 3 (фиг.1) формируется гомоцентрический сходящийся пучок 5 содержащий линию дивергенции, проекция которой, на плоскость XOZ изображена точкой » .

За точкой дивергенции Р распространяется гомоцентрический расходящийся лазерный пучок, облучающий на поверхности контролируемой среды площадку 6. На фиг.1 показана форма площадки 6 с учетом дивергенции лазерного пучка только в плоскости

X07.. Позицией 7 обозначен участок пичковой индикатрисы рассеяния когерентного излучения диффузной средой 8. На пути распространения рассеянного излучения установлена диафрагма 9 с отверстием, размер которого не превышает средний размер дифракционных пятен, образуемых в процессе рассеяния пучка когерентного излучения диффузной средой 8.

За диафрагмой 9 в непосредственной близости от нее установлен фотоприемник 10. При этом .плоскость его фотоэлектрической регистрации расположена от поверхности среды 8 на расстоянии, равном расстоянию от этой поверхности до точки «Р» дивергенции лазерного пучка в плоскости 402 . Выход фотоприемника 10 соединен с входом блока 11 обработки информации, а выход последнего с входом регистрирующего прибора 12, Вектор скорости перемещения среды по заданному направлению совпадает с осью X системы координат X 0 4 .

Оптический элемент 3 формирует дивергенцию пучка только в плоскости

974899

Е= .„1о, Ч=Ч.(< r„t! 4), 65 а элемент 4 — дивергенцию только в плоскости VOL. B качестве оптических элементов 3 и -! äâóõêîoðäèнатного формирователя пучка могут быть использованы, например, две цилиндрические положительные линзы.

Оптические элементы 3 и 4 соответственно сориентированы относительно вектора скорости перемещения среды по заданному направлению Ч . Оптический элемент 4 ф -рмирует гомоцентрический сходящийся лазерный пучок, дивергентный только в плоскости_#_07..

Линия дивергенции лазерного пучка в проекции на плоскость 102 преобразуется в точку 4Р .Точка дивергенции

Ф расположена за поверхностью среды на расстоянии от нее, также равном расстоянию от этой поверхности до плоскости фотоэлектрической регистрации рассеянного излучения. Следовательно, предлагаемое устройство выполнено таким образом, что в нем обеспечено равенство, трех расстояний от поверхности среды: до плоскости фотоэлектрической регистрации, до точки 4 g дивергенции пучка в плоскости X0Z и до точки ч а дивергенции пучка в плоскости >02, причем точки Р и СР расположены на одинаковом расстоянии по обеим сторонам от поверхности среды; точка Ф :расположена.до поверхности среды, а точка 4g — за поверхностью среды, если рассматривать вдоль направления распространения лазерного излучения, облучающего поверхность среды. Облучение контролируемой среды и фотоэлектрическая регистрация осуществлены в устройстве в направлениях, близких к нормали к поверхности контролируемой среды.

В результате рассеяния гомоцентрического пучка когерентного излучения диффузной поверхностЬю движущейся среды в плоскости.фотоэлектрической регистрации рассеянного средой излучения образуется движущаяся .пятнистая дифракционная картина, характерный размер пятен в которой определяется выражением (1): где Я - длина волны лазерного излу.чения;

Г - расстояние от поверхности я среды до плоскости фотоэлектрической регистрации;

D — - диаметр (размер) площадки, облученной пучком íà поверхности среды.

При этом скорость перемещения пятен дифракционной картины с достаточной точностью описывается формулой (2) г

45 где — расстояние от поверхности

Ф среды до точки (или линии) дивергенции пучка, В случае облучения среды расходящимся пучком когерентного излучения знак в формуле (2) положительный, а в случае сходящегося пучка — отрица .åëüíûé. В плоскости ХОК (фиг ° 1) поверхность среды облучена дивергентным расходящимся пучком, поэтому для вычисления скорости перемещения пятен вдоль оси Х следует выбрать знак в формуле (2) положительным, а в плоскости XOZ поверхность среды облучена сходящимся пучком, поэтому для вычисления скорости перемещения пятен вдоль оси У следует выбрать знак отрицательным, что подтверждается экспериментально.

При движении среды по заданному направлению зачастую имеют место поперечные колебательные перемещения среды, происходящие в плоскости расположения ее поверхности, которые приводят к появлению дополнительной частотно.:1 еоставляющей на выходе фотоэлектрического преобразователя, а следовательно, и к погрешности в измерении скорости перемещения среды по заданному направлению. Согласно предлагаемому изобретению,чтобы уменьшить влияние поперечных колебательных перемещений среды на точность измерения скорости перемещения среды по заданному направлению, предлагаемое устройство выполнено таким образом, что в нем линия ,дивергенции пучка по координате, перпендикулярной направлению перемещения среды по заданному направлению, расположена за поверхностью среды на расстоянии от нее, равном расстоянию от этой поверхности до плоскости фотоэлектрической регистрации. Следовательно, для поперечных перемещений среды выполнено условие

Г„= и г и отношение t n /t - g, а так

Фг как в поперечном направлении среда облучена сходящимся пучком, скорость перемещения пятен дифракциоиной кар" тины в этом направлении равна нулю (3): V(=Ч- (4-я1=0

В заданном направлении перемещения среда облучена расходящимся пучком, поэтому скорость перемещения пятен дифракционной картины будет . равна удвоенной скорости перемещения среды (учитывая равенство) г„=,р,1(М

Ч„=Ч,(< () = аЧ,.

С выхода фотоэлектрического преобразова теля йнформативный сигнал, промодулированный частотой (э):

F-г ч.l(, где с Е) — средний размер дифракционных пятен в плоскости фотоэлектри97 4899

Составитель Ю. Власов

Редактор Л. Письман Техред A.Бабинец Корректор Ю. Макаренко

Тираж 873 ПОдписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 8047/2

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 ческой регистрации (с8> g), посту пает в блок 11 обработки информации, в котором производится вычисление измеряемого параметра - скорости

Чр перемещения среды по заданному направлению. Полученная информация регистрируется в цифровом виде прибором 12.

Таким образом, предлагаемое устройство исключает поперечную состав- 10 ляющую скорости перемещения пятен дифракционной картины в плоскости фотоэлектрической регистрации, обусловленную поп ереч ными коле ба тел ьными перемещениями среды в плоскости ее поверхности при движении среды по заданному направлению, тем самым существенно уменьшает влияние поперечных колебательных перемещений, что приводит к повышению точности измерения скорости перемещения среды по заданному направлению. В то же время устройство обладает повышенным отношением сигнал/шум, поскольку в зоне отверстия диафрагмы может одновременно находиться не более одного дифракционного пятна.