способ измерения параметров движения объекта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью, заключающийся в том, что эту поверхность облучают лазерным лучом, направленным по оси, которая вместе с направлением движения объекта лежит в плоскости, перпендикулярной вертикальной плоскости, регистрируют отраженное излучение, измеряют его параметры и по ним определяют параметры движения объекта, отличающийся тем, что зеркальную поверхность освещают дополнительным лазерным лучом, направленным по оси, которая вместе с направлением движения объекта лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости первого луча.

2. Устройство измерения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью, содержащее лазер и систему регистрации, отличающееся тем, что в него введены второй лазер и вторая система регистрации, выполненные в виде полупрозрачного экрана и фотокамеры, при этом лучи лазеров лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в него дополнительно введено несколько лазеров с возможностью поочередного включения, лучи которых лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной техникe, а именно к методам измерения параметров движения тел с помощью оптических квантовых генераторов. Такие бесконтактные методы могут использоваться для определения углов ориентации и угловой скорости твердых тел, движущихся с большой скоростью (100-500 м/с).

Известен cпособ определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью и устройство для его осуществления (а.с. N 1486775 от 23 ноября 1987 г., кл. G 01 P 3/36). Способ позволяет определить угол поворота твердого тела при погружении в жидкую среду при помощи устройства, разработанного для измерения угловых параметров. Указанный способ позволяет определять углы поворота и угловую скорость твердого тела с зеркальной поверхностью только при плоском движении, когда вертикальная плоскость, проходящая через геометрическую траекторию (т. е. линию, по которой тело двигалось бы в воздухе после выхода из канала ствола при отсутствии аэродинамических сил и силы тяжести), является плоскостью симметрии. Таким образом, этот способ не позволяет достоверно определять углы ориентации и угловую скорость тела в общем случае движения. Недостатком изложенного метода является также то обстоятельство, что не представляется возможным определить "уход" центра масс тела с геометрической траектории и можно определить только одну компоненту вектора угловой скорости модели.

Предлагаемое изобретение позволяет измерять углы поворота твердого тела при погружении в жидкую среду в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Этим методом можно определять параметры движения тел при наклонном входе в жидкость с большой скоростью. По найденным параметрам движения (углам входа и атаки, угловой скорости до и после взаимодействия с жидкостью, положению центра масс модели) можно определить главный вектор и главный момент сил, действующих на тело со стороны жидкости.

Предлагаемая методика значительно расширяет возможности известных бесконтактных оптических методов, где измерительными элементами (датчиками) являются сами свободно летящие модели.

На фиг. 1 изображено устройство для определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью. Устройство содержит лазер 1 с узлом юстировки (не показан), линзу 2, предназначенную для фокусировки луча лазера 1, объект 3 с плоским зеркалом на свободном торце, экран 4 с находящейся позади него фотокамерой (не показана). Лазер 1 располагается таким образом, чтобы плоскость, проходящая через его подающий луч и ось канала ствола пневмопушки 5, была перпендикулярна вертикальной плоскости, проходящей через ось канала ствола. На некотором расстоянии от поверхности воды 6 объект, летящий со скоростью V₀, входит в зону измерения, луч лазера 1 попадает на зеркало объекта и отражается на полупрозрачный экран 4. Описанная им линия регистрируется находящейся позади экрана фотокамерой (не показана). Устройство также содержит лазер 7 с узлом юстировки (не показан), линзу 8, предназначенную для фокусировки луча лазера 7, отраженного от зеркальной поверхности объекта 3, установленное таким образом, чтобы ось канала ствола была в одной вертикальной плоскости с падающим лучом лазера 7, а также систему регистрации, выполненную в виде последовательно располагаемых по направлению отраженного луча полупрозрачного экрана 9, установленного по нормали к отраженному лучу, и фотокамеру (не изображена).

При реализации способа определения параметров движения объекта с зеркальной поверхностью устройство работает следующим образом. Oбъект 3 с зеркальной поверхностью выстреливают из пневмопушки 5 для сообщения ему скорости V₀. Двигаясь к жидкой среде 6 под углом к ее поверхности, объект 3 начинает взаимодействовать с обоими лазерными лучами начиная с момента входа в область измерения. За время взаимодействия (экспозиции) происходит весь процесс внедрения объекта 3 в жидкую среду 6. Оба лазерных луча проходят от одного края зеркальной поверхности объекта 3 до другого по хордам, близким к горизонтальному и вертикальному диаметрам зеркала.

Отраженные лучи записываются на фотопленку с помощью системы регистрации, выполненной в виде последовательно располагаемых по обоим направлениям отраженных лучей лазеров 1 и 7 полупрозрачных экранов 4 и 9, установленных по нормали к обоим отраженным лучам, и фотокамер, находящихся позади экранов. При расшифровке осциллограмм (фиг. 2, 3) измеряют параметры двух отраженных лучей на экранах 4 и 9 и по ним определяют параметры движения объекта.

Последовательность операций при проведении измерения следующая:

1. По фотографиям осциллограмм (обоих следов отраженных лучей лазеров 1 и 7), полученным в результате эксперимента, определяются величины {x_2s,y_2s}, {x_3s,y_3s}, y_2s", x_3s" (фиг. 1-3).

Найденные значения {x_2s,y_2s}{x_3sy_3s} подставляются в известную систему уравнений, которая устанавливает связь между параметрами движения тела и измеренными величинами. Находятся компоненты вектора нормали к зеркальному торцу модели {n_x1,n_y1,n_z1} в неподвижной системе координат.

2. В результате обработки опытных данных находятся скорости разверток осциллограмм: и (фиг. 2, 3).

3. По известным формулам находятся проекции вектора угловой скорости на оси неподвижной системы координат

4. Производится определение координат центра зеркальной поверхности заднего торца тела в момент прохождения плоскости зеркала через точку пересечения падающих лучей лазера с геометрической траекторией (осью канала ствола).

5. Уточняются значения углов входа и атаки в момент касания тела со свободной поверхностью жидкости.