9.4.3. Дифракционный метод измерения скорости

В качестве системы неподвижных отсчётных точек можно использовать дифракционную решётку.

Известно, что при освещении шероховатой, диффузно рассеивающей поверхности высоко-когерентным лазерным излучением в отражённом свете наблюдается зернистая структура, напоминающая структуру сильно увеличенного фотографического

изображения. Эта структура образуется в результате интерференции полей, рассеянных элементарными участками, шероховатой поверхности. При её движении изменяются фазовые соотношения в рассеянном свете и, соответственно, изменяется зернистая структура изображения. Изменения бывают двух видов: перемещение «зёрен» вдоль движения поверхности и изменение структуры самих зерен.

Рассмотрим движение изображения зернистой структуры в плоскости дифракционной решётки 4 (рис.9.29) на примере светлого пятна. Если размер пятна меньше шага дифракционной решётки, фотоприёмник 5 будет принимать модулированный световой сигнал

Рис.9.28. 1 – лазер, 2 – цилиндрическая линза, 3 – движущаяся шероховатая поверхность, 4 – дифракционная решётка, 5 – фотоприёмник, 6 – устройство обработки (частотомер).

с частотой модуляции, пропорциональной скорости движения светового пятна. В спектре принятого сигнала появится составляющая на частоте , гдеV – скорость движения изображения светового пятна в плоскости решётки, d – постоянная решётки. Учитывая геометрию схемы измерения, найдём скорость движения объекта.

а– перемещение б – структурные

изменения

Рис. 9.29. Характер «зернистой» структуры дифракционной

картины

Два описанных метода могут быть выполнены на одной комбинированной схеме измерения. Передающие части схемы

имеют вид, приведенный на рис. 9.30, 9.31:

Рис.9.30. 1 – лазер; 2, 4 – диафрагмы; 3 – цилиндрическая линза

Рис.9.31. 1 – лазер; 11 – телескопическая система; 12 – делитель лучей

Параметры измерителя:

а) измеряемая скорость 1…90 м/с;

расстояние до измеряемого объекта 200…500 мм;

б) измеряемая скорость 0,1…15 м/с;

расстояние до измеряемого объекта 300…500 мм;

Точность измерения (в обоих случаях) ± 1%.

Рис.9.32. Приёмная часть для схем 9.30, 9.31(одна и та же кроме 5 –дифракционной решетки, 6 – зеркало, 7–интерференционный фильтр, 8 – линза, 9 – диафрагма, 10 – фотоприёмник

9.4.4. Измерения скорости в поле движущихся отсчетных точек

Если свет в лучах Л₁ и Л₂ в дифференциально-интерференцинной схеме отличается по частоте, то в зоне интерференции чередующиеся максимумы и минимумы перемещаются вверх и вниз (рис.9.26) со скоростью, зависящей от величины и знака разности частот этих лучей. Таким образом, в зоне интерференции возникает система движущихся отсчётных точек. Значение скорости исследуемого объекта относительно движущейся системы полос представляет собой алгебраическую сумму скорости движения полос и скорости объекта. Необходимо запомнить смещение частоты, соответствующее нулевой скорости объекта. Тогда, по уменьшению или увеличению смещения частоты при нулевой скорости можно определить направление движения объекта. Для получения сдвига частоты лазерного излучения может быть использована движущаяся дифракционная решётка. При этом используются составляющие спектра, симметричные относительно исходной частоты, как правило, плюс первого или минус первого порядка. Структурная схема измерителя скорости в поле движущихся интерференционных полос представлена на рис.9.34.

Движение дифракционной решётки в одном направлении может быть обеспечено вращением диска (при нанесении её на диск в виде радиальных полос (рис.9.35), создаваемых травлением).

Используются первые порядки дифракции отражённого лазерного излучения. Частота излучения максимума первого порядка дифракции определяется соотношением

, (9.10)

где ν_±1 – частота первого максимума, ν₀ , λ₀ – частота и длина волны излучения лазера, V – линейная скорость вращающейся дифракционной решетки, β – угол между падающим лучом и лучом первого порядка дифракции.

При диаметре диска 35 мм, постоянной решётки 6…22 мкм, частоте вращения 20…250 Гц были получены сдвиги частоты до 8 МГц, при эффективности в первых порядках до 70 %.

На рис. 9.36 смысл обозначений такой же, как на рис.9.35.

При пересечении зоны интерференции рассеивающим объектом, движущимся со скоростью +V, фотоприемником 5 будет принято излучение, модулированное по амплитуде с частотой модуляции, даваемой формулой (9.11),

Рис. 9.34. 1 – лазер, 2 – устройство с движущееся дифракционной решеткой, 3 – оптическая система, 4 – зона интерференции, 5 – фотоприемник, 6 – усилитель, 7 – спектроанализатор

Рис.9.35. Д - дифракционная решётка, Л – луч лазера, β – угловое положение максимума первого порядка дифракции

Рис.9.36. Л – падающий луч, D – диаметр дифракционной решетки, β – углы дифракционных максимумов первого порядка

(9.11)

где

, (9.12)

а θ –угол между лучами Л₁ и Л₂ (см. рис.9.34).

Вектор скорости V перпендикулярен биссектрисе угла θ.

При изменении направления движения дифракционной решетки (диска) знак скорости V изменится на обратный.

В этом случае частота модуляции принимает значение

. (9.13)

Зависимость частоты модуляции от скорости V приведена на рис.9.37.

Рис.9.37. Зависимость частоты модуляции от скорости движения дифракционной решетки