УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРОНОГРАФИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
APPARATUS FOR CHRONOGRAPHIC RECORDING OF OPTICAL RADIATION

3
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для исследования однократных быстропротекающих процессов, сопровождаемых оптическим излучением, в частности формированием импульсов оптического излучения длительностью ~0,2 мкс, количество которых в исследуемом объекте может достигать величины ~10. Вывод оптического излучения из исследуемого объекта осуществляется с помощью отрезков оптического волокна, одни отполированные торцы которых располагаются в исследуемом объекте в местах формирования излучения, вторые устанавливаются вне исследуемого объекта в планке в виде матрицы с заданным числом столбцов и строк. Формирование импульсов оптического излучения происходит на завершающей стадии исследуемого процесса, длительность которого составляет несколько десятков мкс и может быть оценена заранее с погрешностью ~1 мкс. Интервал, в течение которого формируются все импульсы, не превышает нескольких мкс.
Задача заключается в том, чтобы зафиксировать пространственно-временную структуру импульсов излучения и в ходе обработки полученной картины провести измерение времени развития физического процесса в исследуемом объекте от начала до формирования каждого импульса. Эта задача решается в известных устройствах различным образом.
Наиболее близким техническим решением к изобретению (прототипом) является скоростной фотохронографический регистратор (СФР) [1] - устройство для хронографической регистрации оптического излучения, сопровождающего физический процесс в исследуемом объекте.
Структурная схема СФР с встроенным датчиком меток времени и схема регистрации оптического излучения из исследуемого объекта представлены на фиг.1.
Принятые обозначения:
1 - исследуемый объект;
2 - планка с источниками излучения;
3 - фотокамера;
4 - входной объектив;
5 - плоскость промежуточных изображений источников излучения;
6 - электромагнитный затвор;
7 - выходной объектив;
8 - подвижное зеркало;
9 - электрический двигатель;
10 - датчик положения зеркала;
11 - устройство ввода излучения;
12 - генератор модулированного оптического излучения;
13 - фокальная поверхность;
14 - пульт управления.
В состав СФР входят фотокамера 3 и пульт управления 14.
Фотокамера содержит на одной оптической оси входной объектив 4, выходной объектив 7, электромагнитный затвор 6, подвижное зеркало 8, расположенное между выходным объективом и фокальной поверхностью 13, на которой строится изображение планки с источниками излучения 2 и на которой расположен чувствительный к оптическому излучению приемник (фотопленка), электрический двигатель 9 и датчик положения зеркала 10.
Датчик меток времени состоит из генератора модулированного оптического излучения 12 и устройства ввода излучения 11, передающего излучение, используемое для меток времени, в фотокамеру 3.
СФР работает следующим образом.
Импульсы оптического излучения, формируемые исследуемым объектом 1 и преобразуемые с помощью оптоволокна в источники излучения, расположенные в планке 2 в виде матрицы с определенным числом строк и столбцов, принимаются оптической системой фотокамеры 3, включающей объективы 4 и 7 и подвижное зеркало 8. Объектив 4 строит промежуточное изображение источников 2 в плоскости 5, объектив 7 и зеркало 8 строят изображение источников 2 в окончательном виде на поверхности 13, по которой, в случае вращения зеркала 8, оно перемещается.
Информационный вход пульта управления 14 соединен с выходом датчика положения зеркала 10, выходы - с электрическим двигателем 9, управляющим входом исследуемого объекта 1 и электромагнитным затвором 6. Пульт управления 14 устанавливает скорость вращения зеркала 8, регулируя питание двигателя 9, для чего используются электрические сигналы, поступающие в пульт 14 от датчика 10 при каждом обороте зеркала 8. При достижении требуемой скорости вращения пульт формирует на выходе электрические сигналы, один из которых поступает в исследуемый объект 1 и инициирует изучаемый физический процесс, второй - в электромагнитный затвор 9, открывающийся только на время регистрации излучения из исследуемого объекта.
o
На рабочем кадре фотопленки фиксируется первая отметка, соответствующая началу исследуемого процесса t (их может быть несколько, по одной для каждого ряда источников излучения 2), и на некотором расстоянии от этой отметки, определяемом скоростью вращения зеркала и временем развития физического процесса в исследуемом объекте, записываются отметки, создаваемые источниками импульсного излучения, находящимися в планке 2, на завершающей стадии исследуемого процесса.
На фиг.2 приведена фотохронограмма опыта по исследованию быстропротекающего физического процесса, полученная с помощью СФР.
Принятые обозначения:
15 - отметки от импульсов оптического излучения, определяющих начало исследуемого процесса, для рядов источников излучения, обозначенных буквами от «а» до «f», из источников, расположенных в средней части каждого ряда;
16 - отметки от импульсов оптического излучения, формируемых в конце процесса, передаваемых источниками, расположенными в рядах, обозначенных буквами от «а» до «f»;
1
17 - интервал ΔX на фотопленке между началом процесса и отметкой от импульса оптического излучения, формируемого первым источником ряда «а» на фиг.2.
1
разв
Проведя измерение величины интервала ΔX и зная скорость развертки изображения по пленке V, можно определить интервал времени между импульсами оптического излучения на начальной и конечной стадии физического процесса для первого источника по формуле:
Аналогичные действия совершаются в отношении отметок от импульсов излучения, передаваемых другими источниками излучения.
Недостатком СФР является значительная погрешность определения интервалов времени, составляющая от 1 до 2% от зарегистрированного интервала, что связано с неточностью определения скорости вращения зеркала в момент регистрации, деформацией фотопленки и фотобумаги при проявлении и сушке, погрешностью определения координат отметок и т.д.
Разработаны устройства (например, датчик времени ДВ-2 [2], содержащий устройство ввода излучения в камеру СФР 11 и источник модулированного оптического излучения 12, показанные на схеме фиг.1), позволяющие уменьшить погрешность определения скорости развертки изображения путем впечатывания на фотопленку вместе с исследуемым процессом периодического сигнала стабилизированной частоты.
Однако вклад в погрешность остальных факторов, таких как погрешность нахождения координат отметок, факторов, связанных с обработкой фотопленки и др., при этом не устранен.
Вторым недостатком прототипа является длительность процесса обработки зарегистрированной информации из-за необходимости проявления фотопленки, получения увеличенных отпечатков рабочих кадров на фотобумаге, измерения вручную расстояний между отметками и т.д.
Существуют регистраторы оптического излучения, чувствительный элемент которых выполнен на базе прибора с зарядовой связью, позволяющие фиксировать информацию в цифровом виде и передавать ее для дальнейшей обработки в ЭВМ, что могло бы существенно уменьшить время обработки информации.
2
Однако при характерных временах развития исследуемого процесса 10 мкс и скорости развертки изображения около 3 мм/мкс длина рабочего кадра на фотопленке составляет около 30 см, что делает невозможным простую замену фотопленки фотоприемными устройствами с чувствительной к излучению поверхностью меньших размеров.
Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения интервалов времени в 2-10 раз (в зависимости от наличия или отсутствия меток времени на фотопленке) и снижение времени обработки зарегистрированной информации с десятков часов до десятков минут.
Технический результат достигается тем, что устройство для хронографической регистрации оптического излучения, содержащее скоростной фотохронографический регистратор (СФР), в состав которого входят пульт управления и фотокамера с электромагнитным затвором, электрическим двигателем и датчиком положения зеркала, датчик меток времени, в состав которого входят источник модулированного оптического излучения и устройство ввода излучения, информационный вход пульта управления соединен с выходом датчика положения зеркала, выходы соединены с управляющим входом исследуемого объекта, электрическим двигателем, электромагнитным затвором и генератором модулированного оптического излучения, выход источника модулированного оптического излучения оптически соединен с входом устройства ввода излучения, дополнительно содержит генератор импульсов оптического излучения с разветвителем, формирователь задержанного импульса, детектор оптического излучения, регистратор оптического излучения и персональный компьютер, управляющие входы формирователя задержанного импульса и регистратора оптического излучения соединены с информационными выходами пульта управления, управляющий вход генератора импульсов оптического излучения соединен с выходом формирователя задержанного импульса, оптический выход генератора импульсов оптического излучения с помощью разветвителя соединен с планкой, содержащей матрицу оптических волокон, выводящих оптическое излучение из исследуемого объекта, детектор оптического излучения выполнен в виде преобразователя матричного типа оптического изображения в электрический сигнал и расположен на фокальной поверхности фотокамеры СФР, выход детектора оптического излучения соединен с входом регистратора оптического излучения, выход регистратора оптического излучения соединен с входом персонального компьютера.
2
зад
iк
Использование детектора оптического излучения с размерами чувствительной поверхности ~1 см вместо фотопленки длиной в несколько десятков см стало возможным благодаря тому, что в предлагаемом приборном комплексе осуществлена иная по сравнению с прототипом временная связь регистрируемых световых импульсов с началом процесса. Искомый интервал времени между началом и завершением процесса, найденный расчетным путем на основании имеющейся информации, разбивается на две части: первую, имеющую порядок 10 мкс, величина которой на 1 мкс меньше расчетного интервала времени срабатывания исследуемого объекта (время задержки Т), и вторую (ΔТ), имеющую порядок 1 мкс, требующую измерения.
зад
Устройства, включенные в предлагаемое техническое решение, и связи между ними дают возможность определить расчетным путем координаты источников излучения в момент Т и получить всю необходимую информацию для определения интервалов времени, зарегистрировав только импульсы оптического излучения, формируемые исследуемым объектом на заключительной стадии физического процесса.
Структурная схема устройства для хронографической регистрации оптического излучения представлена на фиг.3.
Принятые обозначения:
1 - исследуемый объект;
2 - планка с источниками излучения;
3 - фотокамера;
4 - входной объектив;
5 - плоскость промежуточных изображений источников излучения;
6 - электромагнитный затвор;
7 - выходной объектив;
8 - подвижное зеркало;
9 - электрический двигатель;
10 - датчик положения зеркала;
11 - устройство ввода излучения;
12 - генератор модулированного оптического излучения;
13 - фокальная поверхность;
14 - пульт управления;
18 - детектор оптического излучения;
19 - регистратор оптического излучения;
20 - компьютер;
21 - формирователь задержанного импульса;
22 - разветвитель;
23 - генератор импульсов оптического излучения.
Устройство содержит фотокамеру 3 и пульт управления 14 устройства СФР, генератор модулированного оптического излучения 12 с устройством ввода излучения, детектор оптического излучения 18, регистратор оптического излучения 19, компьютер 20, формирователь задержанного импульса 21, генератор импульсов оптического излучения 23 с разветвителем 22.
Фотокамера 3 содержит на одной оптической оси входной 4 и выходной 7 объективы, электромагнитный затвор 6, подвижное зеркало 8, расположенное между выходным объективом и фокальной поверхностью 13, электрический двигатель 9 и датчик положения зеркала 10.
Информационный вход пульта управления 14 соединен с выходом датчика положения зеркала 10, выходы - с управляющим входом исследуемого объекта 1, электромагнитным затвором 6, электрическим двигателем 9, формирователем задержанного импульса 21.
Выход детектора оптического излучения 18 соединен с входом регистратора оптического излучения 19, выход которого соединен со входом компьютера 20.
Выход формирователя задержанного импульса 21 соединен с входом генератора импульсов оптического излучения 23, выход которого оптически соединен с планкой 2, содержащей точечные источники излучения.
Устройство работает следующим образом.
Оптическое излучение, формируемое исследуемым объектом 1 и преобразуемое в импульсы излучения с помощью оптических волокон, расположенных в планке 2 в виде матрицы с определенным числом строк и столбцов, принимается оптической системой фотокамеры 3, включающей объективы 4 и 7 и подвижное зеркало 8. Объектив 4 строит промежуточное изображение планки 2 с источниками излучения в плоскости 5, объектив 7 и зеркало 8 строят изображение планки 2 в окончательном виде на фокальной поверхности 13, по которой, в случае вращения зеркала 8, оно перемещается и на которой располагается детектор оптического излучения 18, передающий информацию в регистратор оптического излучения 19.
Пульт управления 14 обеспечивает заданную скорость вращения зеркала 8, регулируя питание электродвигателя 9, для чего используются электрические сигналы, поступающие в пульт 14 от датчика 10 при каждом обороте зеркала 8. При достижении требуемой скорости вращения пульт формирует на выходе четыре одновременных электрических сигнала, один из которых поступает в исследуемый объект 1 и инициирует изучаемый физический процесс, второй - в электромагнитный затвор 6, открывающийся только на время регистрации излучения из исследуемого объекта, третий приводит в состояние готовности регистратор 19, четвертый является пусковым для формирователя задержанного импульса 21.
зад
зад
При поступлении электрического сигнала на вход формирователя 21 на его выходе с задержкой Т формируется электрический сигнал, являющийся пусковым для генератора 23, который по этой команде формирует импульс оптического излучения и с помощью разветвителя 22, выполненного на базе оптоволокна, передает его в угловые точки матрицы источников излучения, находящихся в планке 2. По координатам изображений этих источников на рабочем кадре, зная число строк и столбцов в матрице источников излучения, расчетным путем определяются координаты всех источников в момент Т.
зад
iк
iк
зад
iк
По разности координат изображения источника излучения, расположенного в столбце с номером i и строке с номером к, зарегистрированного в рабочем кадре, и найденных расчетным путем в момент Т, с учетом скорости развертки изображения, определяются интервалы ΔТ для каждого источника и искомые интервалы Т, представляющие сумму Т и ΔТ.
Для более точного определения скорости развертки изображения одновременно с излучением от источников 2 в оптическую систему СФР с помощью устройства ввода излучения 11 вводится модулированное оптическое излучение, формируемое генератором 12, которое регистрируется в виде меток времени в рабочем кадре. Для увеличения объема регистрируемой информации по сравнению со случаем использования для нанесения меток времени датчика ДВ-2, показанного на схеме фиг.1, в предлагаемом техническом решении применено устройство ввода излучения, в котором оптический элемент с зеркальной отражающей поверхностью располагается рядом с выходным объективом 7, а не в плоскости промежуточных изображений 5, как в датчике ДВ-2 (см. фиг.1 и фиг.3).
На фиг.4 приведен рабочий кадр, полученный с помощью предлагаемого устройства для случая тринадцати световодов, расположенных в один ряд (номер ряда i=1 для всех световодов и номер световода k в ряду находится в пределах 1≤k≤13).
Принятые обозначения:
24 - метки времени, формируемые с заданной частотой;
зад
25 - отметки от светового сигнала, задержанного по отношению к пусковому на величину Т=29 мкс и переданного с помощью световодов в верхнюю и нижнюю точки ряда световодов;
26 - отметки от тринадцати световых импульсов, сформированных на завершающей стадии исследуемого процесса.
В качестве регистратора оптического излучения с детектором оптического излучения, выполненным на базе ПЗС-матрицы, был применен цифровой регистратор импульсного оптического излучения СПМ16 [3].
При обработке зарегистрированной информации в качестве координат отметки принимаются координаты пикселя в изображении источника излучения, накопившего максимальный электрический заряд.
-2
2
Погрешность нахождения координат определяется размерами пикселя и составляет ~10 мм, что на порядок меньше, чем при определении координат отметки по фотопленке. Соответственно, погрешность определения интервалов времени предлагаемым устройством для интервалов до 10 мкс при скорости развертки изображения 3 мм/мкс не превышает ±40 нс, что в несколько раз меньше, чем у прототипа (СФР).
Программно-математическая обработка зарегистрированной информации осуществляется с помощью компьютера 17 за несколько десятков минут вместо ~10 часов при обработке информации, зарегистрированной на фотопленке.
Литература
1. А.С.Дубовик. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1984 г., стр.51.
2. А.А.Болотов, Б.М.Ловягин, Н.В.Ильин. Датчик времени ДВ-2 к фоторегистратору типа СФР. ЖНПФК, 1977, 6, стр.415-419.
3. Цифровой регистратор импульсного светового излучения. Патент на полезную модель, №54478, опубликован 27.06.2006.