СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕРВАЛОВ ВРЕМЕНИ В БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASUREMENT OF TIME INTERVALS IN FAST PROCESSES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к технике оптической регистрации, а именно к технике фотоэлектрической регистрации изменяющихся во времени, преимущественно быстропротекающих процессов, и позволяет измерять интервалы времени в исследуемых процессах.
Скорости быстропротекающих процессов измеряются путем измерения интервалов времени, в течение которых те или иные факторы быстропротекающих процессов (фронт ударной или детонационной волн, поверхность движущегося тела, облако пыли, луч света и др.) приходят в заданные точки пространства. Приход исследуемых факторов в заданные точки пространства регистрируется с помощью контактных датчиков-отметчиков времени, устройство которых обеспечивает возникновение сигналов различной физической природы, записываемых скоростными электронными осциллографами, кинокамерами, фотоприемниками или электронно-оптическими преобразователями.
Известны способ и устройство измерения интервалов времени в быстропротекающих процессах («Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках». Под ред. М.В.Жерноклетова, Саров, 2005, с.74-79), основанные на применении электроконтактных датчиков, срабатывающих в результате пробоя изоляции в контактах, находящихся под электрическим напряжением и расположенных в разных точках на пути распространения ударной волны. Зазор между центральным проводником и корпусом датчика образует разрыв электрической цепи. После воздействия ударной волны зазор датчика замыкается и электрической схемой вырабатывается импульс тока, который регистрируется электронным осциллографом. По полученным осциллограммам определяют интервалы времени между моментами замыкания нескольких контактных датчиков, установленных в различных точках пространства на пути ударной волны. При расстоянии между датчиками 5 мм и скорости ударной волны от 5 до 10 км/с регистрируемые интервалы времени составляют от 1,0 до 0,5 мкс.
Недостатками данного способа и устройства являются: наличие электрического напряжения в контактном датчике, что ограничивает область его применения и требует организации определенных мер безопасности; недостаточная точность пространственного и временного разрешения, определяемая относительно большой величиной электроизоляционного зазора; ограниченная возможность многоканальной регистрации, связанная со сложным техническим оснащением каждого канала регистрации.
Наиболее близкими к заявляемому являются способ и устройство измерения интервалов времени в быстропротекающих процессах («Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках». Под ред. М.В.Жерноклетова, Саров, 2005, с.82-87) с помощью контактных оптических датчиков. Эти датчики, предназначенные для регистрации временных диаграмм движения фронта ударной волны и формы ее поверхности, представляют собой отрезки световодов, содержащие петлю с малым радиусом изгиба, взаимодействующую с быстропротекающим процессом, являющуюся точечным контактным датчиком. Входной и выходной концы световодов устанавливаются соответственно в источнике света и в выходной панели, фотографируемой через фотообъектив скоростным фотохронографом с быстровращающимся зеркалом. Синхронно с исследуемым процессом запускается источник света, излучение которого подается через световод и регистрируется на фотопленке в виде полосы почернения. При взаимодействии ударной волны с петлей контактного датчика происходит изменение его светопропускания или полная отсечка свечения, что приводит к изменению плотности полосы почернения на фотопленке фотохронографа или к ее исчезновению.
Недостатками данного способа и устройства являются: относительно низкая точность регистрации интервалов времени быстропротекающих процессов, определенная в вышеуказанной работе как 30 нс, и относительно невысокое пространственное разрешение этих измерений, не превышающее 100 мкм, что связано с большим размером контактного датчика, определяемого диаметром световода (более 100 мкм) и размером петли его изгиба (более 10 диаметров световода).
Недостатком способа является также ограниченная возможность в организации большого числа параллельных каналов измерений (не более 2000), что связано с аберрациями фотообъектива, с помощью которого на фотопленке фотохронографа строится изображение выходной панели световодов, приобретающей с увеличением числа каналов регистрации все большие размеры.
Задачей изобретения является создание способа регистрации интервалов времени в быстропротекающих процессах с высокой точностью измерений, с высоким пространственным разрешением, с большим числом каналов параллельных измерений интервалов времени, с техническим упрощением и более широкими возможностями экспериментального применения, а также устройства для осуществления способа.
Технический результат заключается в повышении точности измерений интервалов времени, в увеличении пространственного разрешения измерений исследуемых процессов, в увеличении числа каналов параллельных измерений интервалов времени, в техническом упрощении и расширении экспериментальных возможностей применения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения интервалов времени в быстропротекающих процессах, включающем взаимодействие исследуемого процесса с контактным датчиком при подсветке датчика внешним источником света и с последующей фоторегистрацией света от датчика с помощью фотоприемника, новым является то, что осуществляют фоторегистрацию света, отраженного от поверхности контактного датчика (контактной поверхности), разрушающейся при контакте с исследуемым процессом, при этом фоторегистрацию осуществляют ПЗС-матрицей (матрицей приборов с зарядовой связью), измеряющей величину электрического заряда, накопленного в течение времени экспонирования в том или ином пикселе ПЗС-матрицы, являющемся изображением соответственно того или иного участка контактной поверхности, по величине электрического заряда определяют моменты разрушения исследуемым процессом соответственно того или иного участка контактной поверхности и по разности величин зарядов в различных пикселях ПЗС-матрицы определяют интервал времени между моментами взаимодействия исследуемого процесса с теми или иными участками контактной поверхности, причем подсветку контактной поверхности осуществляют светом с постоянной по времени интенсивностью в течение интервала времени, превышающего или равного длительности исследуемого процесса, экспонирование ПЗС-матрицы осуществляют в течение интервала времени, равного длительности исследуемого процесса, а до начала измерений для калибровки чувствительности пикселей измеряют величины электрических зарядов во всех пикселях ПЗС-матрицы, накапливаемых в течение времени экспонирования, равного длительности исследуемого процесса.
Технический результат достигается также тем, что в заявляемом устройстве для измерения интервалов времени в быстропротекающих процессах, включающем контактный датчик, внешний источник света и фотоприемник, установленный с помощью фотообъектива в плоскости изображения контактного датчика, новым является то, что часть контактного датчика выполнена в виде контактной поверхности, отражающей свет, поступающий на нее от внешнего источника, при этом фотоприемником отраженного от контактной поверхности света является ПЗС-матрица, причем внешний источник света снабжен оптическим модулятором, определяющим длительность подсветки, и/или ПЗС-матрица снабжена оптическим затвором, определяющим длительность экспонирования ПЗС-матрицы.
Кроме того, внешний источник света выполнен монохроматическим.
Устройство дополнительно может содержать второй внешний источник света с длиной волны, отличающейся от первого.
Контактная поверхность является зеркально отражающей или диффузно отражающей, при этом она может быть выполнена плоской или в виде части сферы.
Контактная поверхность может быть выполнена в виде тонкой зеркальной пленки или в виде зеркального покрытия, нанесенного на прозрачную пластину, или в виде зеркального покрытия, нанесенного на сферическую поверхность прозрачного тела.
Контактная поверхность может быть расположена под углом (90-180)° к вектору скорости быстропротекающего процесса.
Для передачи света от внешнего источника к контактной поверхности и для передачи света, отраженного от контактной поверхности к фотоприемнику, между контактной поверхностью, с одной стороны, и внешним источником света и фотоприемником, с другой стороны, установлен пучок световодов.
Использование эффекта отражения света в качестве индикатора момента контакта датчика с исследуемым процессом по сравнению с эффектом прохождения света через контактный датчик, использованным в прототипе, расширяет возможности применения этих измерений, так как при этом меньшая часть пространства около контактного датчика занимается методикой измерений, и такой датчик может быть сделан более компактным с возможностью установки в более труднодоступные места исследуемого процесса.
Использование эффекта изменения отражающей способности датчика в качестве индикатора момента контакта с исследуемым процессом (то есть момента его срабатывания) позволяет увеличить точность измерения интервалов времени. Это связано с тем, что процесс отражения света от какой либо поверхности происходит на глубине проникновения света, сравнимой с его длиной волны, которая в видимом диапазоне <1 мкм. Это примерно в 10 раз меньше величины минимального диаметра оптоволоконной жилы, разрушаемой при контакте датчика, работающем на эффекте прохождения света через оптоволокно. То есть при одинаковых скоростях исследуемого процесса момент разрушения (срабатывания) датчика на эффекте отражения света будет происходить на порядок быстрее, чем у датчика, работающего на эффекте пропускания света.
Контактный датчик, выполненный в виде поверхности, может обеспечивать более высокое пространственное разрешение измерений интервалов времени в исследуемом процессе, так как позволяет пространственно непрерывно определять моменты разрушения эффекта отражения света на контактной поверхности без пространственных промежутков между точечными датчиками (петлями световодов).
Применение в качестве части контактного датчика поверхности заданной формы (плоскости, цилиндра, сферы и др.) позволяет увеличить точность измерения скорости исследуемых процессов по величине измеренных интервалов времени, так как контактный датчик в виде какой-либо поверхности может быть более точно изготовлен и установлен в исследуемом объекте, чем установка и взаимное расположение системы точечных датчиков, имитирующих эту поверхность.
Применение части контактного датчика в виде поверхности (либо зеркально, либо диффузно отражающей) позволяет увеличить число каналов параллельных измерений интервалов времени, так как в этом случае промежутки между точечными датчиками могут быть заполнены дополнительными каналами измерений.
Осуществление подсветки отражающей поверхности осуществляют излучением постоянной интенсивности в течение заданного интервала времени. Это позволяет осуществлять в процессе каждого измерения относительную калибровку времени измеряемых интервалов, сравнивая их с полной длительностью импульса подсветки, что упрощает технику выполнения измерений и не требует наложения специальных калибровочных меток времени на фотопленку фотохронографа, как это делается в прототипе.
Фоторегистрацию света, отраженного от контактной поверхности, осуществляют по величине электрического заряда, образующегося в том или ином пикселе ПЗС матрицы. Это позволяет упростить технику выполнения измерений интервалов времени, так как в этом случае величина заряда в каждом пикселе ПЗС-матрицы, по хорошо отработанной в цифровых фотоаппаратах и телекамерах технологии считывания, преобразуется с высокой линейностью в электрические потенциалы, регистрируемые с помощью ПЭВМ в виде легко обрабатываемого массива данных, наглядно визуализуемого на дисплеях. При этом для регистрации интервалов времени не требуется применения вращающегося с известной угловой скоростью зеркала, как это делается в прототипе, или применения пилообразного электрического напряжения, как это делается в осциллографах или электронно-оптических преобразователях. Кроме этого с помощью данной операции можно уменьшить относительную ошибку измерений интервалов времени, которая обратно пропорциональна динамическому диапазону регистрации в ПЗС-матрице электрических потенциалов. В современных ПЗС-матрицах динамический диапазон регистрации превышает 1000 единиц. Это означает, что относительная ошибка измерений интервалов времени будет меньше 0,001 (меньше 0,1%) от заданного интервала полной фоторегистрации ПЗС-матрицы. В прототипе, использующем фотохронограф СФР-2М, относительная ошибка измерений составляет 1,7% для интервалов времени, превышающих 10 мкс, и 4,8% для интервала времени 1 мкс.
7
Применение в качестве фоторегистратора ПЗС-матрицы позволяет увеличить число каналов параллельных измерений интервалов времени. Это обусловлено большим числом пикселей (более 10) в современных ПЗС-матрицах. Учитывая то, что для достоверной регистрации с высоким динамическим диапазоном в каждом канале измерений должно быть задействовано от 10 до 30 рядом расположенных пикселей, то общее число каналов параллельных измерений будет превышать 300 тысяч единиц. Это примерно в 300 раз больше, чем в прототипе рассматриваемой заявки.
Применение зеркального отражения на контактной поверхности позволяет увеличить точность измерения интервалов времени, так как время разрушения зеркального отражения и превращение его в диффузное рассеяние происходит за очень малое время, что уменьшает время длительности момента контакта, влияющее на точность измерений. Для того чтобы в момент контакта зеркальное отражение света превратилось в диффузное рассеяние, необходимо, чтобы отражающая поверхность изменила свой рельеф (например, прогнулась или испарилась) на высоту, сравнимую с длиной волны отражающего света, равную в видимом диапазоне около 0,5 мкм. При скорости перемещения быстропротекающего процесса 1 км/с время деформации отражающей поверхности на высоту 0,5 мкм будет составлять 0,5 нс. Это примерно в 20 раз меньше, чем время длительности момента контакта у прототипа рассматриваемой заявки.
На фиг.1 представлена оптическая схема способа измерения интервалов времени в быстропротекающих процессах и устройства для его осуществления, где:
1 - светоотражающая контактная поверхность;
2 - физический фактор быстропротекающего процесса в виде радиально расширяющейся ударной волны;
3 - внешний источник подсветки светоотражающей контактной поверхности;
4 - луч света внешнего источника подсветки;
5 - свет (излучение), отраженный от светоотражающей контактной поверхности;
6 - участок тени в свете, отраженном от контактной поверхности, образованный разрушением светоотражающей поверхности при контакте с ударной волной;
7 - фотообъектив, строящий изображение светоотражающей контактной поверхности на поверхности фотоэлектронного приемника;
8 - поверхность фотоэлектронного приемника в виде матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС-матрицы);
9 - оптический модулятор источника подсветки, определяющий длительность импульса подсветки.
На фиг.2 - графики изменения электрических зарядов во времени, на примере двух пикселей ПЗС-матрицы, в процессе предварительной калибровки чувствительности измерительной схемы, где:
t - время быстропротекающего процесса;
0
t - момент времени начала импульса засветки ПЗС-матрицы излучением внешнего источника подсветки, отраженным от светоотражающей контактной поверхности;
имп
t - момент времени окончания импульса засветки ПЗС-матрицы излучением внешнего источника подсветки, отраженным от светоотражающей контактной поверхности;
q - электрический заряд, образующийся в пикселях ПЗС-матрицы;
01
02
q и q - фоновые электрические заряды соответственно в пикселях 1 и 2, имевшиеся в них до момента начала импульса засветки ПЗС-матрицы;
имп 1
имп 2
q и q - электрические заряды соответственно в пикселях 1 и 2, образовавшихся в них к концу импульса засветки ПЗС-матрицы;
На фиг.3 - то же, что и на фиг.2, в процессе измерения интервалов времени в быстропротекающем процессе, где;
1
2
t и t - моменты времени контакта исследуемого фактора быстропротекающего процесса с участками светоотражающей контактной поверхности, оптически сопряженными с помощью фотообъектива соответственно с пикселями 1 и 2 ПЗС-матрицы;
1
2
q и q - электрические заряды, образовавшиеся соответственно в пикселях 1 и 2 в процессе измерения интервалов времени;
На фиг.4 - то же, что и на фиг.1, при светоотражающей поверхности, напыленной на торцы жгута световодов, контактирующих с физическим фактором быстропротекающего процесса, где:
10 - жгут световодов;
11 - второй торец жгута световодов, облучаемый внешним источником подсветки;
На фиг.5 - то же, что и на фиг.1, при контактной поверхности, отражающей свет диффузно рассеивающее;
На фиг.6 - то же, что и на фиг.1, при контактной поверхности, отражающей свет зеркально;
На фиг.7 - то же, что и на фиг.6, при светоотражающей контактной поверхности, имеющей вид плоскости;
На фиг.8 - то же, что и на фиг.1, при исследуемом факторе быстропротекающего процесса в виде быстролетящих фрагментов откола и светоотражающей контактной поверхности в виде тонкой пленки с зеркальным напылением;
На фиг.9 - то же, что и на фиг.6, при светоотражающей контактной поверхности, имеющей форму вогнутой сферы;
На фиг.10 - то же, что и на фиг.7, при светоотражающей контактной поверхности, зеркально напыленной на прозрачную подложку;
На фиг.11 - то же, что и на фиг.9, при светоотражающей контактной поверхности, зеркально напыленной на прозрачную полусферу или другую выпуклую (вогнутую) фигуру;
На фиг.12 - то же, что и на фиг.8, при исследуемом факторе быстропротекающего процесса в виде плоского ударника и контактной светоотражающей поверхности, расположенной под углом к направлению вектора движения ударника.
На фиг.13 - то же, что и на фиг.8, при исследуемом факторе быстропротекающего процесса в виде быстролетящего и вращающегося в пространстве ударника, контактной светоотражающей поверхности в виде двух тонких пленок 1а и 1б с зеркальным напылением, двух источников внешней подсветки 3а и 3б, имеющих лучи с различными длинами волн, показанные штриховыми и непрерывными линиями, и цветной ПЗС-матрицы, чувствительной к этим длинам волн.
На фиг.14 показан схематический эскиз рабочей камеры лазерной установки, на которой производилось измерение скорости фрагментов откола с помощью светоотражающего контактного датчика, где
СЛ - силовой лазерный луч, показанный на эскизе черным цветом;
ПЗ - параболическое зеркало, фокусирующее силовой лазерный луч на плоской мишени в пятно малого сечения;
МУ - мишенный узел, в котором конструктивно соединены облучаемая мишень и светоотражающий контактный датчик;
ЗЛ - зондирующий луч, освещавший светоотражающую контактную поверхность датчика, показанный на эскизе серым цветом;
ИИП - источник импульсной подсветки, совмещенный с модулятором излучения;
ОБ - объектив, строящий изображение светоотражающей контактной поверхности на поверхности ПЗС-матрицы телекамеры;
ТК - телекамера с ПЗС-матрицей, регистрирующая изображение светоотражающей контактной поверхности.
На фиг.15 дано изображение мишенного узла МУ с плоской мишенью (ПМ) из алюминиевой фольги, облучаемой силовым лазерным лучом, и контактным зеркальным датчиком (КЗД), находящимся на расстоянии 30 мм от тыльной поверхности мишени, и контактно взаимодействующим с фрагментами откола, образующимися в результате воздействия лазерного импульса
СИЛОВОЙ ЛУЧ, показанный на рисунке черным цветом, создает в материале плоской мишени ударную волну, вызывающую на ее тыльной поверхности фрагменты откола;
ПМ - плоская мишень, представлявшая собой алюминиевую фольгу толщиной от 20 до 300 мкм;
КЗД - контактный зеркальный датчик в виде тонкой лавсановой пленки толщиной 3 мкм с зеркальным напылением, натянутой на плоскую рамку.
На фиг.16 показано изображение на дисплее ПЭВМ светоотражающей поверхности контактного датчика, зарегистрированное ПЗС-матрицей телекамеры, на котором более высокая плотность почернения изображения соответствовала более высоким значениям электрических зарядов, образовавшихся в пикселях ПЗС-матрицы, подвергнутых полной длительности импульса облучения, а серые пятна различной плотности почернения соответствуют участкам контакта светоотражающей поверхности с фрагментами откола, произошедшими раньше, чем полная длительность импульса облучения.
На фиг.17 показано на дисплее обработанное с помощью ПЭВМ трехмерное изображение результатов измерений, на котором в горизонтальной плоскости представлены координаты светоотражающей поверхности, выраженные в мм, а по вертикали величина скорости различных фрагментов откола, выраженная в м/с, вступивших в контакт со светоотражающей поверхностью.
На фиг.18 показано распределение массы фрагментов откола от скорости их полета, полученное после математической обработки результатов измерений, где объем фрагментов определялся как произведение площади участков контакта со светоотражающей поверхностью на толщину откола, измеренную инструментально после опыта на тыльной стороне мишени.
Устройство измерения интервалов времени в быстропротекающих процессах, показанное на фиг.1, состоит из светоотражающей контактной поверхности 1, взаимодействующей с исследуемым фактором быстропротекающего процесса 2, внешнего источника света 3 с модулятором длительности его импульса 9, и ПЗС-матрицы фотоприемника 8, установленной в плоскости построенного с помощью фотообъектива 7 изображения светоотражающей контактной поверхности 1, отражающей свет 4, поступающий на нее от внешнего источника света 3, при этом фотоприемником 8 света 5, отраженного от светоотражающей контактной поверхности 1 является ПЗС-матрица фотоприемника 8.
Процесс измерения интервалов времени, на примере двух пикселей ПЗС-матрицы, показан на фиг.2 и фиг.3. По оси «X» на этих рисунках отложено время t протекания быстропротекающего процесса, а по оси «Y» - величина электрического заряда q, образующегося в пикселях ПЗС-матрицы, пропорциональная количеству света, попавшего на эти пиксели.
01
02
0
i
имп
имп
Предварительно, непосредственно перед экспериментом производится калибровка чувствительности измерительной схемы, суть которой показана на фиг.2. Сплошной линией показан процесс накопления электрического заряда в пикселе 1, а штриховой линией в пикселе 2. При этом еще до начала измерений в каждом пикселе ПЗС-матрицы имеются фоновые электрические заряды, соответственно равные q и q. В момент времени t оптическим модулятором 9 включается источник внешней подсветки 3, от которого луч света 4 направляется на светоотражающую контактную поверхность 1, отражается от нее в виде излучения 5. При этом часть света, отраженная от участков контактной поверхности 1, оптически сопряженных с помощью фотообъектива 7 с пикселями 1 и 2, попадает на их приемную поверхность и за счет фотоэффекта преобразуется в электроны, накапливаясь в виде электрического заряда в каждом из этих пикселей. В виду того, что интенсивность излучения, облучающая светоотражающую контактную поверхность 1, стабилизирована во времени, накопление зарядов в каждом из пикселей происходит линейно во времени. Скорости накопления зарядов в каждом из пикселей ПЗС-матрицы 8 по различным причинам, например, пространственной неравномерности интенсивности облучения светоотражающей контактной поверхности, неравномерности коэффициента отражения различных участков светоотражающей контактной поверхности, различия квантового выхода и электрических емкостей в каждом из пикселей ПЗС-матрицы могут быть разными. Суть предварительной калибровки заключается в относительной калибровке чувствительности K каждого из пикселей ПЗС-матрицы. В процессе калибровки осуществляется одновременное экспонирование всех пикселей ПЗС-матрицы 8 в течение полной длительности импульса облучения t. Полное время облучения ПЗС-матрицы t должно равняться или быть несколько больше длительности исследуемого быстропротекающего процесса. Оно может определяться или длительностью импульса внешнего источника света, управляемого модулятором 9, или временем открытия и закрытия затвора ПЗС-матрицы фоторегистратора, или одновременно и модулятором, и затвором фоторегистратора (например, передний фронт импульса - модулятором, а задний спад импульса - затвором, или наоборот). Коэффициент электрооптической чувствительности каждого из пикселей ПЗС-матрицы определяется выражением:
,
0i
имп i
имп
0
где q - фоновый электрический заряд, имевшийся до начала измерений в пикселе под номером i; q - электрический заряд, накапливаемый в пикселе под номером i, в течение полной длительности его экспозиции t-t.
0
1
1
2
2
Суть процесса регистрации интервалов времени показана на фиг.3. В момент времени t модулятором 9 включается источник внешней подсветки 3, и часть света 5, отраженная от участков светоотражающей контактной поверхности, оптически сопряженных с пикселями 1 и 2, попадает на их приемную поверхность и за счет фотоэффекта вызывает увеличение электрического заряда в каждом из этих пикселей. В момент времени t происходит контакт какого-либо из факторов быстропротекающего процесса 2 с локальным участком светоотражающей контактной поверхности 1, оптически сопряженным с помощью фотообъектива 7 с пикселем 1, происходит разрушение этого участка отражающей контактной поверхности 1, отраженный свет 5 перестает поступать на поверхность пикселя 1 и электрический заряд в нем перестает нарастать, сохраняя величину q, накопленную до этого момента. В момент времени t происходит контакт какого-либо из факторов быстропротекающего процесса 2 с участком светоотражающей контактной поверхности 1, оптически сопряженной с пикселем 2, и, аналогично предыдущему случаю, отраженный свет 5 перестает поступать на поверхность пикселя 2, сохраняя в нем накопленную до этого момента величину электрического заряда q. Зная коэффициенты чувствительности каждого из пикселей, предварительно определенные в процессе калибровочного измерения, по величине их электрических зарядов определяются моменты времени взаимодействия локальных участков светоотражающей контактной поверхности с исследуемым фактором быстропротекающего процесса, оптически сопряженных с пикселями 1 и 2, и интервал времени между моментами этих взаимодействий.
,
,
,
1
2
где t и t - моменты взаимодействия какого либо фактора быстропротекающего процесса с локальными участками светоотражающей контактной поверхности, оптически сопряженными с помощью фотообъектива соответственно с пикселями 1 и 2 ПЗС-матрицы;
0
имп
t и t - моменты начала и окончания импульса подсветки светоотражающей контактной поверхности и далее, по ходу лучей, пикселей ПЗС-матрицы, определяемые или оптическим модулятором внешнего источника подсветки, или оптическим затвором фотоприемника ПЗС-матрицы;
01
02
q и q - фоновые электрические заряды, имевшиеся до начала измерений, соответственно, в пикселях под номером 1 и номером 2;
имп 1
имп 2
имп
0
q и q - электрические заряды, накапливаемые соответственно в пикселях под номером 1 и номером 2, в течение полной длительности их экспозиции, равной t-t;
1
2
1
2
q и q - электрические заряды, образовавшиеся соответственно в пикселях под номером 1 и номером 2 в моменты времени t и t;
1
2
K и K - коэффициенты электрооптической чувствительности соответственно пикселей под номером 1 и номером 2.
Светоотражающая поверхность контактного датчика представляет собой поверхность, изменяющую свои оптические характеристики при взаимодействии с тем или иным фактором исследуемого быстропротекающего процесса. При этом в процессе взаимодействия может изменяться коэффициент отражения света, индикатриса углового отражения света или оба этих параметра одновременно. Толщина отражающей свет поверхности сравнима с его длиной волны и не превышает 1 мкм. Это может быть или полированная поверхность металлов с толщиной скин-слоя ~0,1 мкм, ответственного за отражение, или тонкое металлическое напыление с толщиной слоя от ражения менее 0,1 мкм, или интерференционное диэлектрическое напыление толщиной менее 1 мкм.
Спектр отражения светоотражающей контактной поверхности может быть как узко, так и широкополосным в зависимости от решаемой задачи. Так, например, при облучении светоотражающей контактной поверхности лучом света с двумя длинами волн коэффициент его отражения должен быть дихроичным - хорошо пропускать одну длину волны и, наоборот, хорошо отражать вторую длину волны. Спектр излучения внешнего источника должен быть согласован со спектром отражения контактной поверхности и до момента контакта с исследуемым фактором быстропротекающего процесса должен иметь, по возможности, максимально большой коэффициент отражения.
Светоотражающая контактная поверхность может быть или полированной поверхностью какого-либо исследуемого элемента конструкции (например, тыльной поверхностью плоской металлической мишени или вогнутой поверхностью сферической оболочки) или светоотражающим напылением на прозрачные для внешнего луча света материалы: тонкую полимерную пленку; пластины или какие-либо другие геометрические формы из ПММА, стекла или кристаллы.
Светоотражающая контактная поверхность может быть одним из концов единичного световода или жгута световодов. В этом случае она может быть установлена и измерять интервалы времени внутри, например, труднодоступной замкнутой полости. Второй конец световода или жгута световодов, в этом случае должен находиться в доступном для наблюдения месте, облучаться лучом света от внешнего источника и передавать информацию о светоотражающей контактной поверхности, находящейся внутри полости, через объектив схемы измерений на ПЗС-матрицу фотоприемника.
В зависимости от геометрии быстропротекающего процесса светоотражающая контактная поверхность может быть плоской, цилиндрической, сферической или другой более сложной конфигурации.
В случае когда светоотражающая контактная поверхность является зеркальной, при контакте с исследуемым фактором может изменяться и коэффициент отражения света, и индикатриса угла отражения. В случае когда светоотражающая поверхность является диффузно рассеивающей, в процессе контакта происходит изменение лишь коэффициента отражения света. То есть контактная поверхность в виде зеркала позволяет получить большее различие изменения коэффициента светоотражения до и после контакта с исследуемым фактором, чем диффузно рассеивающая контактная поверхность. Это позволяет получать с зеркальной поверхностью более точные измерения интервалов времени, так как вклад рассеянного после контакта излучения, попавшего на ПЗС-матрицу, увеличивает ошибку измерений интервалов времени.
В процессе контакта разрушение светоотражающей контактной поверхности происходит или за счет нагрева и испарения материала, или за счет его деформации и искривления, или за счет одновременно обоих процессов. При этом критической величиной разрушения является изменение отражающей поверхности на глубину, превышающую длину волны внешнего источника подсветки.
Отражающая свет контактная поверхность должна освещаться внешним стабильным по мощности лучом света, с длительностью импульса, управляемой оптическим модулятором. Уровень стабильности мощности источника света имеет прямо пропорциональное влияние на точность измерений интервалов времени. При этом колебания мощности не должны превышать 0,1% от ее величины. Длительность импульса облучения светоотражающей контактной поверхности должна быть равной или незначительно превышать длительность исследуемого быстропротекающего процесса.
Внешний источник света должен формировать на светоотражающей контактной поверхности приблизительно равномерное по интенсивности пятно облучения с площадью, равной или несколько превышающей площадь зоны контакта с исследуемым фактором. Это выполняется для того, чтобы все моменты контакта исследуемого фактора быстропротекающего процесса со светоотражающим датчиком попали в поле видимости ПЗС-матрицы и были зарегистрированы.
Отраженное от светоотражающей контактной поверхности излучение направляется через фотообъектив на поверхность фотоприемника, представляющего собой ПЗС-матрицу (матрицу плотно упакованных пикселей прибора с зарядовой связью).
Фотообъектив строит изображение светоотражающей контактной поверхности на поверхности ПЗС-матрицы с заданным коэффициентом увеличения (или уменьшения). При этом на каждый пиксель ПЗС-матрицы попадает излучение от определенного локального участка светоотражающей контактной поверхности. В зависимости от фокуса и настройки фотообъектива площадь этой поверхности может быть или большей, или равной, или меньшей площади приемной поверхности каждого из пикселей. То есть пространственная разрешающая способность этого метода измерений определяется размером пикселя ПЗС матрицы и коэффициентом увеличения (или уменьшения) фотообъектива.
При постановке светоотражающей контактной поверхности под определенным углом к быстро движущемуся объекту с известными габаритами, как это показано на фиг.12, можно по одному измерению интервала времени между контактом крайних точек объекта со светоотражающей контактной поверхностью определить скорость этого объекта. Это становится возможным потому, что при известном поперечном размере объекта и угле наклона светоотражающего датчика относительно направления движения определяется расстояние запаздывания контакта двух крайних точек объекта и при делении его на измеряемый интервал времени запаздывания определяется поступательная скорость полета объекта.
При постановке перед быстро движущимся объектом двух тонкопленочных светоотражающих контактных датчиков на определенном расстоянии, как это показано на фиг.13, можно определять как поступательную скорость быстродвижущегося объекта, так и его угловое вращение. Это выполняется с помощью двух лучей внешней подсветки, имеющих различные длины волны, например красного и зеленого цвета, попадающих в полосы чувствительности матриц «R» и «G» телекамеры, регистрирующей цветное изображение, и светоотражающих контактных датчиков, имеющих дихроичное светопропускание, один из которых пропускает красный цвет и отражает зеленый, а второй датчик наоборот - пропускает зеленый цвет и отражает красный. В этом случае при измерении интервалов времени, получающихся от взаимодействия двигающегося объекта с первым и вторым контактными датчиками, получается информация о поступательной скорости его движения и угловом вращении.
15
2
Осуществление изобретения было продемонстрировано на примере измерения скорости фрагментов откола, образующихся при облучении плоской мишени интенсивным лазерным импульсом, имевшим параметры: энергия импульса - до 1 Дж; длительность импульса - 500 фс; длина волны излучения - 1,06 мкм; размер пятна фокусировки ~⌀ 0,5 мм; интенсивность облучения - до 10 Вт/см.
Принцип действия новой методики измерений поясняется схематическим эскизом рабочей камеры, показанным на фиг.14, и мишенным узлом, показанным на фиг.15.
Одним из основных элементов предлагаемой методики является зеркальный контактный датчик, представленный в виде тонкой полимерной пленки, на одну из поверхностей которой нанесена зеркальная пленка, например, из алюминия, цинка или висмута, легко разрушаемая от прикосновения с фрагментами откола. Пленка устанавливается на расстоянии 30 мм от тыльной поверхности плоской мишени, перпендикулярно направлению полета фрагментов откола.
Импульсный источник подсветки ИИП создает на поверхности зеркальной пленки относительно равномерное освещение. Затем изображение поверхности зеркальной пленки с помощью объектива ОБ проектируется на поверхность ПЗС-матрицы телекамеры ТК.
Фокусное расстояние объектива ОБ выбирается так, чтобы на ПЗС-матрице формировалось полное изображение светоотражающей поверхности зеркального датчика.
Длительность импульса внешнего источника подсветки управлялась оптическим модулятором в виде электронного таймера, представлявшего собой электронную схему транзисторных ключей, выдававшего на лазерный диод импульс постоянного напряжения длительностью 100 мкс. За это время все образовавшиеся фрагменты откола долетали до зеркального датчика и вступали с ним в контакт.
Генератор задержки пускового сигнала определял момент включения импульса подсветки зеркального датчика (и время открытия центрального затвора телекамеры) до момента подлета самых быстрых фрагментов откола к зеркальной пленке. Он запускался от внешнего синхроимпульса.
Возможны также следующие варианты работы устройства: когда внешний источник подсветки подсвечивает контактную поверхность постоянно, а время экспонирования ПЗС-матрицы определяется только оптическим затвором; а также, когда ПЗС-матрица находится в темном боксе, а время ее экспонирования определяется длительностью подсветки контактной поверхности, определяемой оптическим модулятором.
В начальный момент, когда фрагменты откола еще не коснулись зеркальной пленки, все пиксели ПЗС-матрицы набирают электрический заряд с примерно одинаковой скоростью, пропорциональной интенсивности падающего на них света.
Различные участки пленки будут терять зеркальность по мере подлета фрагментов откола и взаимодействия с зеркальным датчиком. При этом величина электрического заряда, накопленного в пикселях ПЗС-матрицы, будет пропорциональна интервалу времени между моментов включения импульса подсветки зеркального датчика и открытием затвора телекамеры и временем контакта фрагментов откола с участками зеркальной пленки, изображение которых строится на этих пикселях. То есть время контакта фрагментов откола с каждым участком зеркальной пленки будет определяться по величине электрического заряда пикселей ПЗС матрицы, соответствующих изображению этих участков поверхности зеркальной пленки.
На фиг.16 показана фотография дисплея ПЭВМ с изображением светоотражающей поверхности контактного датчика, записанным в эксперименте с получением фрагментов откола цифровой телекамерой при времени экспозиции кадра 100 мкс.
На фиг.17 показана фотография дисплея ПЭВМ с трехмерной картиной распределения зарядов на ПЗС-матрице, преобразованная в скорость полета фрагментов откола, полученная после математической обработки с помощью ПЭВМ результатов эксперимента.
На фиг.18 показано распределение массы фрагментов откола по скорости их полета, полученное после математической обработки с помощью ПЭВМ результатов измерений. При этом масса фрагментов определялась как произведение площади участков контакта, записанных ПЗС-матрицей, на плотность материала и толщину откола, измеренную инструментально после опыта на тыльной стороне мишени. Из фиг.18 видно, что значительная масса фрагментов откола имеет скорость от 180 до 300 м/с.