CC BY
9
УДК 621.317.328:681.785.6:681.786.4 DOI: 10.25206/1813-8225-2023-185-114-121
Е. В. ЛЕУН
АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки
ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СТРУЙНО-КАПЕЛЬНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НАПРЯЖЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО, МАГНИТНОГО И ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЕЙ МЕТОДОМ ВИСЯЩЕЙ КАПЛИ. ЧАСТЬ 1
В статье рассматриваются принцип действия и основные компоненты струйно-капельных оптических измерительных систем, работающих на основе метода висящей капли для контроля напряженностей электрического поля, магнитного поля и гравитационного поля.
Для осуществления чувствительности висящей капли к электрическому или магнитному полям предложено ее электростатически заряжать или создавать ее из магнитной жидкости, а ее масса позволяет чувствовать изменения гравитационного поля. Использование магнитных жидкостей в качестве основы висящей капли наиболее многофункционально для измерений напряженностей электрического поля, магнитного поля и гравитационного поля. Рассматривается реализация нулевого метода измерений с использованием висящей капли в качестве устройства сравнения, нуль-органа, воспринимающей разность воздействий измеряемого и опорного(ых) поля(ей) на уровне квазинулевых трехкоординатных смещений. Они измеряются высокоточными оптическими способами измерений. Анализируются различные варианты современных оптических систем измерений.
Ключевые слова: висящая капля, напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, напряженность гравитационного поля, магнитная жидкость, магнитометр, гравиметр, матричный видеорегистратор.
Введение. В исследованиях космического пространства и небесных тел возникает потребность измерений напряженности электрического поля (НЭП), напряженности магнитного поля (НМП) и напряженности гравитационного поля (НГП). Контроль НЭП и НМП также используется при проверках элетромагнитной совместимости узлов на разных стадиях создания космических аппаратов (КА).
Контроль геомагнитных параметров Земли является важной задачей с возможностью использования их для навигации и локации КА. Поэтому прогресс в создании универсальных методов и средств измерения НЭП, НМП и НГП является актуальной задачей.
Измерениям этих параметров посвящено много научных публикаций [1—6], и активность таких исследований обусловлена бурным развитием микро-, оптоэлектроники и других направлений технической физики.
В авторских работах [7 — 9] обсуждались вопросы построения струйно-капельных оптических измерительных систем (СКОИС) для измерения НЭП. В основе их работы лежат две идеи:
1) создание направленного потока заряженных капель, траектория движения которых чувствительная к воздействию НЭП, как в кинескопе телевизора;
2) использование капель в качестве криволинейных отражателей для стробоскопического триангуляционного оптического измерителя этих смещений.
Однако такие СКОИС сложны в реализации, имеют ограничения функциональных возможностей за счет контроля только лишь НЭП и ограничения чувствительности по следующим причинам:
— из-за предельного значения заряда капель, определяемого условием Рэллея, связанного с возможным вынужденным их дроблением;
— импульсного режима работы измерительной системы;
— осуществления триангуляционных измерений с необходимостью измерений поперечных смещений лазерного луча относительно его оси, обладающего существенно меньшей разрешающей способностью по сравнению с т.н. «продольными» измерениями смещений.
Совершенствование СКОИС за счет устранения или минимизации этих недостатков обусловливает поиск новых технических решений. И одно из направлений может быть связано с использованием неподвижных капель: висящей (висячей) на капилляре или лежащей на поверхности, например, магнитной жидкости (МЖ), чувствительной к НЭП, НМП и НГП с высокоточным определением ее положения.
Применение метода висящей капли наиболее распространено в тензиометрии для измерения поверхностного или межфазного натяжения жидкостей и в смежных областях [10—12]. И поэтому разработка и исследование многофункциональных СКОИС для измерений НЭП, НМП и НГП на основе метода висящей капли является актуальной задачей. Рассмотрение таких СКОИС в открытой печати ранее не было представлено. Данная работа направлена на устранение этого недостатка.
Данная статья является началом серии статей, рассматривающих принцип действия и основные компоненты СКОИС на основе висящей капли.
1. Основы принципа действия и устройство СКОИС на основе висящей капли для контроля НЭП, НМП и НГП. В разделе обсуждаются принцип действия СКОИС с висящей каплей для контроля НЭП, НМП и НГП и одно из устройств, реализующих ее.
1.1. Основы принципа действия СКОИС контроля НЭП, НМП и НГП.
В основе данного способа измерений лежит возможность использования в качестве чувствительного элемента к постоянным или медленно меняющимся НЭП, НМП и НГП висящей капли с одновременным высокоточным оптическим контролем ее смещений. Для измерений используются ее следующие способности:
— висящая капля с электростатическим зарядом чувствительна к электрическому полю Е;
— висящая капля из МЖ чувствительна к магнитному полю Н;
— висящая капля обладает массой тшп и поэтому чувствительна к гравитационному полю С.
В процессе измерений на висящую каплю помимо входных измерительных параметров Е , Н
^ 1 11 изм' изм
и Сам оказывают влияние компенсирующие воздействия опорными (мерами) параметрами: электрическим полем Еоп, если висящая капля заряжена, и/или магнитным полем Ноп, если висящая капля создана на основе МЖ. Так, итоговое смещение пытаются свести к квазинулевому минимальному разрешимому смещению на уровне порога чувствительности. Этим реализуют нулевой метод измерений, в котором висящая капля, выполняет функцию трехкоординатного устройства сравнения (нуль-органа, компаратора) разности между входными и опорными параметрами. Принимается квазистатический режим работы СКОИС с низкой, стремящейся к нулю Укап—Ю скоростью движения висящей капли.
Выражение для векторного результата такого сравнения с использованием квазинулевого вектора Л/р. можно записать в общем виде:
HE
Н П ) - М(Е , H ) = А1 у ■ о,
изе1 изе' изе/ V оп' оп f рР
измеренил трехкоординатных смещений висящей капли: Д1порЪ = Д/рЕ, используя в дальнейшем второй параметр.
Соответственно, при независимых воздействиях измеряемых тараметров выражение (1) можно разложить на лри фор мулы: при измер е ниях НЭП:
ЩЁЗ-ЩО -WO = А1рЕ;
(2)
при измерениях НМП (в режиме работы магое-тометр а):
ирНЬе) -PEg-Pp) = Р1р:
(3)
при иымерениЕЕ (- рениме pa боты грави-
метра):
РПС) - РЕЕб) -о и-С) п о,
рр
(о
где Л/(ИПи В и ЛееЗ — смещения висящей капли с электрослатиииским зе]явом вшп при воздействии на нее измеряенюкч Е и опорного Е электриче-
р_, изм_^ 1 оп 1
ских полей, ЛЛТТТК) и л^(нле„п) — смещения тисвщлй капли МЖ при воздействии на нее измеряемого Н и оп Л рро го Н магнитн ых по лет, ЛИ(Хеек) -смещения висящеа квпли от вяз.ействия измеряемого гравитационлогу пояя С .
1 1 -► ия
Длина вактора Л/рЕ опреяношетсягеометриче-ской суммой трехкоординат ны х составляющих А1р Д1р и Д1р п.инимае урлоиее нормального ,)а^п:ме-деления каждо° из них:
■ A2 2
-Ail
(5)
где Al , Al и А1
р х р у р Z
разЛешающгее спвсоЛности при измерение сл^ещнний восещей капли по трем осям ОХ, ОТ и ОН.
Висящая иапла ЯЛезмеяея ибъеноым телтм, поэтому длн исодюч^ния влияния еа размера на результат нужно остщеатвешть Лзнервнио смещений в двух противопоможных ,^1рВ1 Лах или с учетом до-полнительноЛ хвортоЙ! евординаты. НЛада вместо одногоизмерхнне ^кл^вя нагедой нг врех ос^ей ОХ, ОУ и О2 будет два,позволяя занисать (на примере измерений дн оо и ОХ):
РЖ
= ПРМ1)НН0
(6)
Сучетом этогоураенение (5) доя трех координат можно перепивать к в иду
Ppp п
(1)
pi;pl + pi;) 2 + Pi„i + + Ир 2р2 +012г+Р1р1Р'
(7)
которое при испбльзовании одинаковых измерб-где ОаЯМРРЖ-) — смещение висящей капли тельных средств и равенств а Ар = Мр х2 = А1р y1 =
= A1 = A1 ,=A1 _ ы о ж но прео б тзаз п][аать к но вому
р y2 р zH р z2 11 J
выражению (на примсрм ям с ОХ):
при воЕдействии измеряемых параметров НЭП; НМП и 01 Еш , Hon) — смещение висящей кап-
ли про оНщем вт1дейст-ии рпорных НЭП и НМП; И Е — кваеинулевоЙ вектор, определявмыйразре-шающей способностью измерений трехкоординатных смещмзеий висящейкаплб.
На данном этапеисследований СКОИС на основе висящей капли и--за слржпости учета всех физических параметров и составляющихпогрешности примем, что оосбс чувствительности измерений A1 „ равен разрешающей способности A1 „ средств
01рр п Pl^Ve н 2,45 • 01р).
(8)
Рассмотрение рагличных вариантов современных высокоточных оптихесних из мерительных с и-стем контроля смвщений винящей капли с учетом полученных выражеоий будут Иасомотрены далее.
1.2. Устрнйство СКОИН но вснолн висящей ка.) ли для контрооя НЭП, НМП л НЕЙ.
б)
Рис. 1. Измерительная ячейка СКОИС с висящей каплей внутри пустотелого куба и трех пар катушек Гельмгольца (трехкоординатный измеритель смещений капли не показан)
В статье рассматривается вариант СКОИС, в котором измерительная ячейка (рис. 1а) представляет собой пустотелый куб с полупрозрачными металлизированными покрытиями, нанесенными на три его пары противоположных сторон (стенок) размером 1, формирующих три пары обкладок, сориентированных по осям ОХ, ОУ и ОЪ. Сверху к измерительной ячейке подходит тонкий капилляр, формирующий внутри нее с помощью управляемого дозатора (на рис. 1а не показан) из небольшого объема вытекшей жидкости, преимущественно МЖ, висящую каплю, подобно маятнику с возможностью углового откло не ния.
Одно из яаправлений развития подобных исследований гложет быть связано с использованием в качествя чувствительно го элеме нта маятника на подпружиненном подвесе (рис. 1б) с тремя степенями свободы за счнт возможности квазинулевых смещений вволь огей: ОХ, ОУ и нЪ. На вснвве этого возможна группа технических решений, особенности которой буд)я рансмятвены в сведующих авторских пубвикациях.
Подведннин трея слнналов ЛН , Аи и Ди
■ ■ я оп х оп у оп г
к трем парам противоположных металлизированных поврывиЛ из мврвтильной ячейки формирует внутри нее пропорциональное опорное электрическое поле Е . соятоящне из трех компонент Е Е
оп' 1 1 оп х оп у
Е . Выражение для Е , с учетом зависимости
оп г 1 ^ оп' 1
от диоп и днины стовены кубической измерительной ячейки 1, можно записать в следующем виде:
и„
в-1
ви„х + ви2ну иви2нг ,
(9)
Приданием висвщей капле влектростатического заряда делает ен чвтствигеиной к НЭП, а воздействие на! нее цнехкомаонентного опорного электрического лоля Еоп определтется ситой Култна Е л:
Нкун И к
кт ии2 +вт2 ивт2
I Л/ он е 1 ^^ он у он z
ия
(10)
Параметры таких катушек Гельмгольца могут выть следующими. В одной из экспериментальных установок [13] однородное магнитное поле вдоль вдлого тз ннпраоленнй ноздаввлоск в зазоре 60 мм между двумя параллельно расположенными катуш-вами етльмгольца, каждая из которых, имея сопротивление и 8 Ом и индуктивность «17,5 мГн, созда-ва наноткой 250 витков в форме кольца диаметром 120 мм проводом диаметром 0,9 мм. Катушки гра-вулловгливь с исявльзвванием тесламетра PHYWE, формируя при проходящем в катушках токе 1 А Ы1ЛТП и 0 кНм (3в ЛН). Пиоыус каемый ток в экспериментах мог достигать 3 А.
Н исслвьвванояв [ )4] титвшки Гельмгольца имели примерно близкие к выш еукананным значения пара-велров. Так, ктждая катушка имела внешний диаметр 122,5 мм, со стоя из 390 витков провода диаметром 1 мм. И при нропускании тока 4 А НМП достигала 4 кА/м. Протекание токов ¡х1, ¡2 I , 1у2, ¡г1 и ¡г2 через вынеупомянутые катушки Гельмгольца приводит к формированию однородного магнитного поля Ноп в ер ос трае стие из ме рительной ячейки 1, амплитуда и пространственное направление вектора которого опредедаетси супе+пызицией трех составляющих
н н ее .
оп х оп у оп г
Взаимндeйcтеиe МЖ с внешним магнитным полем можно описать следующим образом. МЖ яв-вьется снперпарамагнееиком и проявляет свои магнитные свойства только при воздействии внешнего лагнитного полв, не иозфаняи остаточной намагни-ченноыти при его исчезновении. Взаимодействие с внешним магнитным полем проявляется не только в ориента ции и а гнитных моментов частиц, но и во влечн нии, тяге частиц в область сильного поля.
Суммарный веатор притяжения частиц МЖ, притягивающий ее каплю и смещающий ее на вектор
вылю,
обусловлен магнитной объемной силой Е :
Е = | М(Н)Н
маг 1 о ^ ' оI
(11)
Естественным ограничением для Ди , Ди
оп х оп у
и Ди являенся напгнженин иробоя, составляю-
оп г 1 11
щее для вознута итрх2(3 нВ/св.
Вокруг измерияельной ячейиу также расположены три пары сиос ных кгтушек Гeльмеoльц+, с о ри-ентированных друг прнтив друга. с осями каяедой пары вдоль ОХ, ОУ и ОЪ.
где |1о — магнитная проницаемость, М(Н) — намагниченность МЖ, зависящаяот внешнего магнитного поля и являющаяся функцией НМП.
Функция М(Н) является нелинейной (рис. 2) и может быть аппроксимирована для двух диапазонов значений НМП. При малых значениях Н, не превышающих 5...7 кА/м, которые наиболее интересны для целей данных исследований, проявляется линейная связь между М и Н:
М(Н)= хН,
(12)
где X — начальная магнитная восприимчивость МЖ.
Лот и
Рис. 2. Магнитная жидкость: пики на поверхности при воздействии внешнего магнитного поля [18], электронная фотография часпиц [ 17]
При вофрасоанип сначений НМП, превышающих вышеуказанные значенфя, дш изфестных экс-перименвальнг о прейденных крж вых намагничивания МЖ, часть кофорых впомяну^а в [1В], активно используется нвмного оапрнщенное, но достаточно точное выражение, связывающее M и H [15, 16]:
»
(13)
где Нт — напряженность полунатыщения, н.е. значение НМП, при которжм намагниченность МЖ равна полжвине намвгниченно сгги ее насыщения М = М/2.
В связи с теч, чфо Н^00Е Я за висит ож трех п а р
пр°текВЮЩИХ тОКов 1кг1- 1К2 /^4 и 1кг5-1кгб (рис. 1а),
в каждой из тру] пар катушек Гельмгольца, расположенных сан соответствии с осями ОХ, ОУ и 02:
я ф с • а ф с 1ваА нвт нвт ,
аж гаг вж гагу вж с вж у вж а
(14)
где кмаг — коэффи ци ент пропорциональности НМП. Это погвоостт зависттн владующае уравнение:
Чгаг ф ^ 0М (ЯСОцж ф ^0М(я)Сга^ва 1с нва1 у н \/
2
аж а
(15)
Выражение для силы тяжести, действующей на висящую каплю, с учетом системы координат СКОИС можно записать в следующем виде:
Fm
I 9 9
= ™кап9 = ткап^19 ч + 9 у + 9.
(16)
где дх, ду и д= — тр+ ортогональныекомпоненты силы тяжести относительно системы координат СКОИС.
2. Жидкости для использования в СКОИС на основе висящей капли для контроля НЭП,
НМП и НйП. В = оответс=вии с уравнениями (2) — (4) и принципом действия к жидкости, используемой для формирования висящей капли, предъявляются требования чувствительности к электрическому и/или магнитному полю, а также высокой отражающей способности.
Для измерения НЭП и НГл такжо могут использоваться обычные технические жидкости без магнитоуправляемо1х свойсня, явлнясь фактически специальными чернилами. Так они прлдссгвляют собой водный рас+всф с + епроз+ачоош красителем (с высоким поглощением яглуоения) и пигментом типа «металлик» на основе нанопорошков металлов (алюминий, бронза, м+дь в т.ч. я добавками «под золото) с размерами частиц <50 —100 нм с высоким
коэффициентом отражения. Особенности использования различных жидкостей в СКОИС ранее уже были рассмотрены в [7 — 9].
Магнитные жидкости (МЖ) в природе не существуют, были созданы искусственно в середине 1960-х годов и обладают магнитоуправляемыми свойствами (рис. 2а). Основная особенность МЖ заключается в том, что она является суперпарамагнетиком из-за того, что, обладая высокой магнитной восприимчивостью, проявляет свои магнитные свойства только в присутствии внешнего магнитного поля и не сохраняет остаточной намагниченности при его исчезновении. В нулевом магнитном оле совокупность магнитных моментов отдельных наночастиц, составляющих МЖ, направлена произвольно, что в суперпозиции равно нулю.
Структура МЖ представляет взвесь в жидкой немагнитной среде (керосин, вода, толуол, минеральные и кремнийорганические масла и т.п.) микрочастиц размером около 10—15 нм ферро-и ферримагнетиков, например, из высокодисперсного железа, ферромагнитных окислов Ре2О3, Ре3О4, ферритов никеля, кобальта (рис. 2б) [17].
Высококачественные МЖ могут сохранять од-ородность в течение многих лет. Наиболее рас-ж р остраненными в России и странах СНГ являются следующие МЖ [15]: на основе керосина МК-21, МК-43, МК-52, МК-66, МК-72; на основе трансформаторного масла ММТр-10, ММТр-23, ММТр-44 и на основе воды МВ-4. У таких МЖ имеются следующие основные физические характеристики: плотность р (в кг/м3) меняется в диапазоне от 1037 (МВ-4) до 1650 (МК-72), изменения начальной магнитной восприимчивости % составляют от 0,1 (ММТр-10) до 4,6 (МК-72). В некоторых исследованиях используют МЖ на основе керосина с магнитной восприимчивостью %, достигающей 7,0 [14].
Намагниченность МЖ имеет явно выраженную нелинейную зависимость от внешнего магнитного поля М(Н) (рис. 3). Также у МЖ из вышеупомянутого ряда (рис. 3) намагниченность насыщения М3 (в кА/м) находится в диапазоне от 3,9 (МВ-4) до 72,5 (МК-72), а напряженность полунасыщения Н (в кА/м) изменяется от 15,4 (МК-66) до 61,0
(М МТр-10).
3. Анализ возможностей высокоточных измерений отклонений висящей капли. Современные высокоточные оптические способы определения смещений висящей капли или изменения ее формы можно условно разделить на три следующие группы, которые подробно рассмотрены далее.
3.1. Измерение смещений висящей капли лазерными 2В или 3В сканерами. Для данной группы принимается допущение о том, что коэффициент отражения МЖ и уровень оптического сигнала, отраженного от нее, достаточен для устойчивой работы сканеров. Их преимущество заключается в автоматическом сканировании, «ощупывании» объекта оптическим потоком и использовании симметричности висящей капли.
3.1.1. 2В сканирование поверхности висящей капли триангуляционным методом. В процессе измерений осуществляется линейное сканирование дискретными точками лазерного луча и определение двух координат каждой точки (рис. 4а). Дискретность сканирования для модели ЬЬТ 29хх-10/ БЬ (с лазером голубого излучения) по оси ОХ достигает 1280 точек на профиль (10 мм), составляя и 7,8 мкм (поперечная разрешающая способность), а оси О2 разрешение не превышает 1,0 мкм (про-
20 40 № 90 100 12€ 140 Н, ЫА< Рис. 3 Кривые намагничивания различных МЖ [15]
дольная разрешающая способность) [19]. Предполагается, что для контроля трехкоординатных смещений висящей капли потребуется два таких датчика: сканирующих ее вдоль осей ОХ и О2 с учетом ее калиброванной функции формы [10]. Тогда разрешающая способность при измерении трехкоорди-натных смещений висящей капли упрощенно определится по фор муле (5):
ре
о -До2 о 1,02 о 0,82 у 0,9 • 10"
3.1.2. ЗРе сканорован8е олверхнлитивисящей капли триангуляционным методом. Так, 3Б сканирующая система моделр ЬЬТ30х0-25 (рис. 4б) [19] имеет следующие разремтающое спосебоосто: А1р х = Д1р = = 7,8 мкм вдоль осей ОХ, ОУ и Д1р .= 1,5 мкм вдоль оси О2. С рееоом вонропкеноем (5) нол^вем
ре
рЪ
082 о 0,8е о 1,Н2 у 11,1Т иви
Предпорегается, рто потребуется один такой датчик, сканирующтй висящую каплю вдоль осей ОХ и О2 с учетом ее калиброванной функции формы [10].
3.2. Фронтальнще многоточечние измерение смещений висящей капли при помощи однокоординат-ного измеррния продолртноо рмещенно.
Особенность данного подхода заключается в использовании поверхности висящей капли в качестве отражателей для оптического потока.
С учетом этого для расчетов разрешающей способности смещений висящей капли используется выражение (8).
Средства измерений данной группы рассмотрены далее, их общее количество составит 6 шт. На рис. 5 показана схема измерений смещений висящей капли на примере использования измерителей смещений И , Их2 и И , И^2 для двух осей ОХ и О2 соответственно. Процесс измерения включает процедуру поиска, определения максимального утолщения, «экватора» висящей капли.
3.2.1. Триангуляционный датчик смещений ор1оЫСБТ 2300-2БЯ [19] с синим лазером имеет разрешающую способность 30 нм в пределах диапазона измерений 2 мм. Для таких исходных данных значение Д1 составляет:
рЕ
Д1 =2,45^040-9 = 73,540-9 м.
рЕ
3.2.2. Конфокальный датчик соп1:осаШТ №82407 [19] имеет разрешение 3 нм в пределах диапазона измерений 0,1 мм. И, так же как и ранее, используя формулу (16), получаем значение Д1рЕ
Д1 =2,45^10-9 = 7,3540-9 м.
рЕ
3.2.3. Лазерный интерферометр белого света МейегоМЕТЕЯ 5600-Б8 имеет разрешающую способность 30 пм (согласно 1М85600) в пределах диапазона измерений 2,1 мм [19]. Тогда, с у четом формулы (16), можно рассчитать Д1рЕ:
Д1 е = 2,45' 3040-12 = 73,540-12 м.
рЕ
3.2.4. Конфокальный датчик соп1:осаШТ №82407 имеет разрешение 3 нм в пределах диапазона измерений 0,1 мм [19]. И, так же как и ранее, используя формулу (16), получаем значение Д1пор Е
Д1 =2,45^10-9 = 7,3540-9 м.
рЕ
3.2.5. Лазерный интерферометр белого света ШййегоМЕТЕЯ 5600-Б8 имеет разрешающую способность 30 пм (согласно 1М85600) в пределах диа-
а)
б)
6
м
Рис. 4. Сканирование поверхности контролируемого объекта [19]: 2D сканирование (а), 3D сканирование (б)
Рис. 5. Многоточечная схема измерений смещений капли
пазона измерений 2,1 мм [19]. Тогда с у четом формулы (16) можно рассчитать Д1рЪ:
А1 =2,45 • 30 •Ю-12 = 73,5 •10-
рЪ
м.
3.2.6. У современных лазерных интерферометров разрешающая с=оуобносоя дм конгыоуо прт-дольных смещен™ объекта записывается следующим выражением:
й1„
Щ • йфх
_щ
Ул
(17)
где X — длина войны, ДфЕ — суммарная фазовая погрешность, основными составля ющими которой в основном, согласно [20], являются шумы измерительной системы лазерного интерферометру, ы — коэффициент интерполяции, определяемый фазовой погрешностью ДфЪ.
К настоящемй вр=мени разрешающая сплсоС-ность современных лазерных интолфе+ов для продольных перемещений уже достигле субпикоме-трических значений [21, 22]. И для дальнейших расчетов можно достаточно ув+ренн+ йринять Д1прод = = 1 пм=10-12 м, получая ДчрЕ = 2.45 40~12 м и, в соответствии с формулой (17), имеем л = 316 •Ю3.
3.3. Измерение смещений границы висящей капли в проходящем свете (на просвет). В данной группе представлено два устройства, осуществляющих измерение смещений висящей капли по положению ее боковых границ в трех основных ортогональных плоскостях: ХО2, УО2 и ХОУ.
3.3.1. Матричный видеорегистратор. В основе подобных высокоточных оптико-электронных пре-
образований контура [10-12] лежит возможность оцифровки входного изображения и для данного случая границы висящей капли путем дискретизации по пространственным координатам и квантования по уровню яркости (рис.7а, выполнен на основе рисунка из [10]). С учетом того, что размер пикселя для современных матричных видеорегистраторов достигает значений 1 мкм [23], то разрешающая способность при таком определении смещений контура висящей капли может также находиться на уровне 1 мкм. Для трехкоординатных измерений смещений висящей капли потребуется два таких матричных видеорегистратора, расположенных в плоскостях У02 и Х02.
3.3.2. Лазерный интерферометр для контроля поперечных смещений границы объекта. Принцип действия такого устройства основан на смещении поля интерференции двух дифракционных порядков лазерного луча, образованных в результате акустооптического (АО) взаимодействия, от границы объекта с последующим измерением фазового набега [24, 25]. При этом, отличаясь лишь только в оптическом тракте измерительной системы, полностью сохраняется общая структура электронного тракта. Поэтому анализ и расчеты уровня шумов для определения суммарной фазовой погрешности ДфЪ и, соответственно, коэффициента интерполяции п, проведенные ранее для лазерных интерферометров измерения продольных смещений и приведенные в п. 3.2.6, можно использовать и для расчета разрешающей способности лазерных интерферометров данного типа. Отличием будет только то, что вместо полупериода Х/2 (за счет даойного хода 9азер>ного луча) длины волны лазерного излучения в формуле (17) надо испольаова=ь .сдину ин+ерфеленционной картины Лик или, при некотором упрощении, длину ультразвуковой! лолны Л в АО модулятера:Ло и иЛузв. С учетом вышесказанного, разрешающую способность для данного пщиаола можно определить по формуле:
й/
и,.
узв
л
(18)
Наиболее исаледован вариант алуссноеоичо-ского способа определения поперечных смещений на основе АО модулятора со светозвукопрово-дом из дистиллированной водо1 (скорость звуке
а)
б)
в)
Рис. 6. Устройства для реализации многоточечной схемы измерений смещений капли [19]: триангуляционный датчик смещения optoNCDT 2300-2DR (а), конфокальный датчик confocalDT IFS2407 (б) и лазерный интерферометр белого света interferoMETER 5600-DS (в)
я
л
а)
б)
Рис. 7. Устройства измерения смещений границы висящей капли в проходящем свете (на просвет): матричный видеорегистратор (а), лазерный интерферометр для контроля поперечных смещений границы объекта (б)
Таблица 1
Достижимые точностные параметры и количество требуемых средств измерений трехкоординатных смещений висящей капли
№ Способ измерения Разрешающая способность одной координаты Д1пор, м Общее количество средств измерений, необходимое для контроля смещений висящей капли, шт Разрешающая способность измерений трехкоординатных смещений висящей капли Д1 м рЕ
1 2Б сканирующая система модели 8С3500-80 Д1р х=Д1р у=7,8-10-6, Д1р г1=10-6 2 7,9-10-6
2 3Б сканирующая система модели ШГ30х0-25 Д1р х=Д1р у=7,8-10-6, Д1р г1=1,5-10-6 1 11,1310-6
3 Триангуляционный датчик смещения ор1оКСБТ 2300-2БК Д1р х=Д1р у=Д1р 2=3010-9 6 7,35-10-9
4 Конфокальный датчик соМосаШТ №82407 Д1р х=Д1р у=Д1р г =310-9 6 7, 3510-9
5 Лазерный интерферометр белого света ¡МейегоМЕТЕК 5600-Б8 Д1р х=Д1р у=Д1р г =30-10-12 6 73,5-10-12
6 Лазерный интерферометр продольных смещений Д1р х=Д1р у=Д1р г = 10-12 6 «2,45-10-12
7 Лазерный интерферометр для контроля поперечных смещений границы объекта Д1р х=Д1р у =0,57-10-9, Д1р г1=0,57-10-9, Др г2=10-12 6 и 1,27 ■ 10-9
8 Матричный видеорегистратор Д1р х=Д1р у=Д1р г =10-6 2 «2,45-10-6
V « 1450 м/с), работающего на частоте I =8 МГц.
зв ' 1 1 аот 1
Для этих исходных данп ых получаем разрешающую способность при определении границы капли
1Т50 _ „„
8 • 106 • Т16 • 10т
Как средует из схемы измерений, уредставнен-ной на рис. 7б, Д0якоо0роля смещений висящей капли вдоль осей Х и У нужно по два таких устройства, а вдоль оси Ъ — такое устройство в паре с интерферометром продольных смещений, описанных в п. 3.2.4. На рис. 7б обозначены: Из1—Из3 — излучатели, Их1, Их2, №1 — измерители поперечных смещений, №2 — измеритель продольных смещений. С учетом этого разрешающую способность для трехкоординатных измерений смещений висящей капли можно определить на основе формулы (15) (в нанометрах):
0,50° о 0,50° о 0,50° о
рер Е о у 0,н0л/н о
\о 0,50° о 0,50° о 0,001°
о 1,°0 • 10"9 м.
Вышеприврденные оанные по разрешающим способностям при измерении трехкоординатных смещений висящей капли и общее количество средств измерений, необходимое для таких измерений, сведено в табл. 1.
Заключение
1. Построение СКОИС с осуществлением нулевого способа измерений на основе висящей капли позволяет использовать в непрерывном режиме оптические способы измерений, добиваясь максимально возможной разрешающей способности.
2. Использование магнитной жидкости в качестве основы для создания висящей капли наиболее универсально, позволяя осуществить измере-
ния НЭП, НМП и НГП с компенсацией смещений висящей капли электрическим и/или магнитным полями.
3. Современные высокоточные оптические способы измерений смещений капли могут быть реализованы на основе 2D-, 3Б-сканирования, фронтальных многоточечных измерений смещений, в проходящем свете (на просвет границы капли).
4. Смещение висящей капли для воздействия опорных полей наиболее удобно осуществить электрическим полем E , приданием ей электростатического заряда qan и воздействием на нее магнитным полем Ноп при использовании магнитной жидкости в качестве основы капли.
5. Максимальная разрешающая способность при измерении трехкоординатных смещений капли достигается при осуществлении многоточечной схемы измерений с использованием лазерных интерферометров продольных измерений смещений.
Библиографический список
1. Zhang B., He J. Space electric field measurement system. CN patent 110488103; filed August 28th, 2019; published January 15th, 2021.
2. Yue G., Du Z. High-frequency high-precision space electric field measurement system and method. CN patent 112198374; filed September 30th, 2020; published October 22th, 2021.
3. Глуховеря Е. Г., Бирюков С. В. Датчики напряженности электрического поля на новых физических эффектах и явлениях // Актуальные проблемы современной науки: материалы IX Регионал. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Омск, 2020. С. 47-50.
4. Ахмеджанов Р. А., Чередов А. И., Щелканов А. В. Градиентометр напряженности магнитного поля // Омский научный вестник. 2021. № 4 (178). С. 75-79. DOI: 10.25206/18138225-2021-178-75-79.
5. Иванов В. В. Автономный орбитальный геомагнитный навигатор // Решетневские чтения. 2011. Т. 2. С. 571-572.
6. Конешов В. Н., Михайлов П. С., Соловьев В. Н., Железняк Л. К. Оценка перспективности и разрешающей способности ультравысокостепенных моделей гравитационного поля земли // Геофизические исследования. 2021. Т. 22, № 1. С. 40-53.
7. Леун Е. В. Основы построения струйно-капельных оптических систем измерений напряженности электрического поля. Часть 1 // Омский научный вестник. 2021. № 4 (178). С. 83-90. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-178-83-90.
8. Леун Е. В. Основы построения струйно-капельных оптических систем измерений напряженности электрического поля. Часть 2 // Омский научный вестник. 2022. № 1 (181). С. 78-88. DOI: 10.25206/1813-8225-2022-181-78-88.
9. Leun E. V. The best sensitive single-coordinate interference jet-drop measurement of electric field strength // Journal of Physics: Conference Series. 2022. Vol. 2182. 012095. DOI: 10.1088/1742-6596/2182/1/012095.
10. Козлов П. С. Метод, алгоритмы и специализированное оптико-электронное устройство для вычисления флотационной активности реагентов : дисс. ... канд. техн.наук : 05.13.05.-Курск, 2013.- 117 с.
11. Емельяненко А. М. Разработка новых физических и математических методов исследования равновесия в зоне трехфазного контакта: дис. ... д-ра физ.-мат. наук. Москва, 2004. 237 c.
12. Gupta A., Pandey A., Kesarwani H. [et al.]. Automated determination of interfacial tension and contact angle using computer vision for oil field applications // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2021. DOI: 10.1007/ s13202-021-01398-6.
13. Белых С. С. Оптические исследования процессов ориентационного и структурного упорядочения в магнитных эмульсиях: дис. ... канд. тех. наук. Ставрополь, 2022. 159 с.
14. Бушуева К. А., Костарев К. Г., Шмырова А. И. Деформация капли феррожидкости, лежащей на жидкой подложке, в однородном вертикальном магнитном поле // Конвективные течения. 2015. № 7. С. 143-157.
15. Моцар А. А. Упруго-диссипативные процессы в ограниченных объемах магнитной жидкости при воздействии магнитных полей применительно к магнитожидкостным виброзащитным устройствам: дис. ... канд. тех. наук. Минск, 2017. 175 с.
16. Малсугенов О. В. Каплеструйное движение магнитной жидкости в электрическом и магнитном полях: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2003. 158 c.
17. Копылова О. С. Особенности движения капли магнитной жидкости в магнитном и электрическом полях: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ставрополь, 2006 137 с.
18. Магнитная жидкость. Фотография поверхности. URL: https://moscow.mrplomb.ru/magnitnaya-jidkost-ferroflyuid-na-osnove-silikona-30-ml (дата обращения: 30.01.2023).
19. Каталог измерительных датчиков компании Майкро-эпсилон. URL: https://www.micro-epsilon.com (дата обращения: 30.01.2023).
20. Леун Е. В. К вопросу достижения субпикометриче-ской разрешающей способности акустооптическим двухка-нальным лазерным интерферометром перемещений с двумя разночастотными фотоприемниками // Омский научный вестник. 2022. № 2 (182). С. 110-118. DOI: 10.25206/1813-82252022-182-110-118.
21. Isleif К.-S, Heinzel G., Mehmet M., Gerberding О. Compact multifringe interferometry with subpicometer precision // Physical Review Applied. 2019. Vol. 12 (3). DOI: 10.1103/ PhysRevApplied.12.034025.
22. Pisani M. A homodyne Michelson interferometer with subpicometer resolution // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20. 084008. DOI: 10.1088/0957-0233/20/8/084008.
23. Занин К. А., Москатиньев И. В. Перспективы развития космических систем оптико-электронного наблюдения c учётом совершенствования полупроводниковых приёмников изображения // Вестник НПО им. С. А. Лавочкина. 2022. № 3 (57). С. 3-10.
24. Заявка 98103176/28 Российская Федерация, МПК G 01 В 9/02, 11/02. Интерференционное устройство для определения положения границы объекта // Телешевский В. И., Абдикаримов Н. Н., Леун Е. В.; заявл. 17.02.98; опубл.10.12.99.
25. Заявка 98108359/28 Российская Федерация, МПК G01 В 11/02. Устройство для измерения отклонений размеров деталей // Телешевский В. И., Леун Е. В., Абдикаримов Н. Н.; заявл. 17.02.98.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер АО «НПО Лавочкина», г. Москва. SPIN-код: 6060-8056 AuthorID (РИНЦ): 367560 AuthorID (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru
Для цитирования
Леун Е. В. Основы построения струйно-капельных оптических систем трехкоординатных измерений напряженностей электрического, магнитного и гравитационного полей методом висящей капли. Часть 1 // Омский научный вестник. 2023. № 1 (185). С. 114-121. DOI: 10.25206/1813-8225-2023-185-114-121.
Статья поступила в редакцию 10.01.2023 г. © Е. В. Леун
