Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Чебоксары 2000 - 2007
1. ПРЯМОТЕНЕВОЙ МЕТОД
Прямотеневой метод позволяет приближенно определить вторую производную показателя преломления. Поэтому он нашел широкое применение при изучении явлений, связанных с резким изменением показателя преломления n, таких как ударные волны, зоны горения предварительно перемешанной горючей смеси, контроля оптических стекол.
I. Схема теневого метода
Один из наиболее простых вариантов установки для теневого метода приведен на рис. 1.1.
Здесь L - точечный источник света, Э - экран. Между ними помещается исследуемая неоднородность S. Свет от источника L при прохождении через шлиру отклоняется.
Пусть световой луч LA испытывает при прохождении через оптическую неоднородность отклонение на угол e (рис. 1.1). Вследствие этого он попадает не в точку А`, а в точку А``, которая удалена от А` на расстояние Dа=g×tge. Но так как угол e мал (а только такие случаи и имеет смысл исследовать теневым методом), то tge@e, и поэтому
Dа=e×g, (1.1)
где g - расстояние от оптической неоднородности до экрана.
Смещение точки падения луча на экране вызывает изменение освещенности, которое и указывает на наличие неоднородности на пути лучей. Относительное изменение освещенности экрана, то есть чувствительность теневого метода, пропорциональна отношению Dа/d`, где Dа - смещение точки падения луча на экране, d` - размер теневого изображения неоднородности.
Выясним, как зависит это отношение от параметров теневой установки. Из рис. 1.1 имеем:
или (1.2)
где d - размер неоднородности.
Поэтому
. (1.3)
Отношение e/d зависит только от характера и размера неоднородности, и поэтому мы его можем считать заданной величиной.
. (1.4)
Функция f(x)=x(1-x) имеет максимум при x=0.5, то есть чувствительность максимальна при g/h=0.5 или при g=h/2.
Следовательно, для увеличения чувствительности теневого метода необходимо:
а) увеличить расстояние h от источника света до экрана насколько позволяет помещение;
б) помещать оптическую неоднородность приблизительно в середине между источником света и экраном Э.
Однако качество теневой картины на экране определяется не только указанным отношением Da/d`, но и другими факторами, например, не резкостью, вызванной дифракцией света на краю неоднородности, не резкостью, обусловленной конечными размерами источника света и необходимостью установки больших габаритов.
Исходя из вышеизложенного следует, что исследование фазовых объектов прямотеневым методом крайне затруднительно, поэтому для исследования оптических неоднородностей в данной работе используется обращенный теневой метод.
II. Обращенный теневой метод
Рассмотрим его оптическую схему, приведенную на рис. 1.2.
В качестве источников света в обращенном теневом методе обычно используются источники света с высокой яркостью. Эти источники можно использовать непосредственно сразу или для получения большой резкости теневой картины получить вначале с помощью конденсора промежуточное изображение на точечной диафрагме.
Свет от источника S проходит через конденсорную линзу О, диафрагму D и между линзами K1 и K2 образуется параллельный пучок. Неоднородность можно помещать в сходящемся, расходящемся и в параллельных пучках. Чувствительность метода может быть выражена формулой
(1.5)
Из формулы (1.5) следует, что чувствительность, то есть отношение Da/d` теоретически может расти до бесконечности, если сделать сколь угодно малой величину теневого изображения оптической неоднородности на экране при постоянном значении Da. Если сохранить g постоянным и увеличивать отношение h/q, то чувствительность возрастает от 0 для h=g до значения eg/d при h®¥. h®¥ означает, что оптическая неоднородность просвечивается параллельным пучком света. Поэтому изображение ее равно размерам самой неоднородности. Если же оптическую неоднородность просвечивать сходящимся пучком света, оставляя постоянным g, то изображение шлиры будет меньше самой неоднородности. Так как при этом Da остается постоянным, то чувствительность существенно увеличивается. Но для получения сходящегося пучка лучей необходимо оптическое оборудование, так что основное преимущество теневого метода теряется.
В заключении отметим основные преимущества и недостатки теневого метода.
Основным преимуществом теневого метода является чрезвычайная простота установки, которая не требует почти никакого оптического оборудования, и возможность исследования объектов, имеющих значительные размеры.
Недостатком теневого метода является невозможность проведения точных количественных исследований структуры оптической неоднородности.
2. МЕТОД ТЕПЛЕРА
Метод исследования оптических неоднородностей, основанный на измерении угловых отклонений света e ~ grad n называется методом Теплера или шлирен-методом. Оптические установки, предназначенные для работы методом Теплера, называются приборами Теплера. Они встречаются в самых разнообразных вариантах в зависимости от их назначения.
I. Принципиальная схема прибора Теплера
Принципиальная схема прибора Теплера приведена на рис. 2.1.
Источник света L представляет собой равномерно ярко светящуюся площадку MN, ограниченную по линии М прямолинейным краем. В верхней части рис. 2.1 слева приведен вид источника света L по направлению оптической оси. Длиннофокусный объектив К, исправленный на сферическую и хроматическую аберрации, создает в плоскости М`N` изображение источника L`. Диаметр объектива К должен быть больше размеров исследуемой неоднородности, которая помещается на пути света между объективом К и плоскостью М`N`. Острый край ножа Фуко должен располагаться строго параллельно прямолинейному краю изображения источника света. В верхней части рис. 2.1 справа приведено относительное расположение диафрагмы В и изображения источника света L`. Ширина незакрытой части изображения источника света обозначена через а`. Объектив О дает изображение объектов, находящихся в плоскости исследуемой шлиры S, на экране Э. Соответствующим подбором объектива О можно в известных пределах изменять размер изображения объектов на экране Э и выбрать подходящую для каждого случая освещенность. Обозначения расстояний между различными деталями установки приведено на рис. 2.1.
При отсутствии на пути света шлиры S и если нож Фуко не задерживает лучи в плоскости М`N`, экран Э будет освещен равномерно во всех точках. Освещенность экрана в этом случае обозначим через Е. Если ножом Фуко, перемещая его перпендикулярно оптической оси, задержать часть лучей, падающих на экран, то при отсутствии шлиры равномерность освещения экрана не нарушится, но величина освещенности, пропорциональная а`, уменьшится и станет равной Е`.
При наличии шлиры часть лучей света отклонится на некоторый угол e и вызовет смещение изображения источника света относительно начального изображения, создаваемого не отклоненными лучами на Dа`. На эту же величину оно будет смещено и относительно острого края ножа. Поэтому соответствующие места изображения шлиры получат больше или меньше света в зависимости от того, в какую сторону происходит смещение: если вверх, то освещенность будет больше, если вниз, то меньше, чем освещенность свободного поля при данном положении острого края ножа.
В отличие от теневого метода в шлирен-методе более освещенные и менее освещенные по сравнению со свободным полем части изображения неоднородности соответствуют тем местам шлиры, где происходит отклонение света, но только отклонения имеют противоположные направления.
Так как изменение освещенности экрана DЕ пропорционально смещению изображения источника света Dа`, а последнее однозначно зависит от угла отклонения света e, то по изменению освещенности точки на экране можно определить углы отклонения и, следовательно, grad n в соответствующей точке неоднородности.
Чувствительность метода Теплера
Наличие неоднородности на пути лучей в приборе Теплера выявляется по изменению освещенности экрана, что можно регистрировать, например, фотоэлементом. В этом случае под чувствительностью метода Теплера следует понимать наименьшее абсолютное изменение освещенности (соответствующее наименьшему углу отклонения), которое можно еще зафиксировать с достаточной точностью.
Если же экран наблюдается визуально или фотографируется, то под чувствительностью метода Теплера понимается относительное изменение освещенности экрана a=DЕ/Е, которое еще можно хорошо различить. Изменение освещенности экрана происходит вследствие смещения изображения источника света, создаваемого отклоненными лучами, относительно острого края диафрагмы. Это смещение Dа` пропорционально углу отклонения света в шлире:
Dа`=e×g,
где g - расстояние от неоднородности до плоскости изображения источника света. Тогда на основании выражения для вычисления освещенности экрана, полученного Г.Шардиным
Е+DЕ=hВb`(a`+Dа`)/t2, (2.1)
где h - коэффициент, учитывающий потери в стекле объектива К на отражение и поглощение,
В - яркость источника света,
t - расстояние от главной плоскости объектива О до плоскости экрана Э, можно написать
Е+DЕ=hВb`(a`+Dа`)/t2= hВb`(a`+em g)/t2, (2.2)
где em - наименьший угол отклонения, который можно еще зафиксировать. Разделим почленно полученное выражение на (2.1):
откуда a=em g/a`. (2.3)
Полученное соотношение показывает, что чувствительность метода Теплера прямопропорциональна расстоянию g между диафрагмой и оптической неоднородностью и обратно пропорциональна степени перекрытия диафрагмой изображения источника света.
Теоретически из (2.3) следует, что чувствительность стремится к бесконечности при а`®0. Практически этому мешают дифракционные явления, которые становятся тем заметнее, чем уже делается пропускаемый диафрагмой пучок света. Кроме того, для хорошей различимости изображения необходима известная освещенность поля изображения на экране. Исходя из уравнения (2.1) можно было бы, изменяя ширину изображения щели b`, поддерживать определенную освещенность Е при любом расстоянии а`, однако по техническим причинам желательное увеличение ширины изображения источника света невозможно.
II. Юстировка и настройка прибора Теплера.
Установка диафрагмы
Диафрагма, которая устанавливается в плоскости изображения источника света и служит для перекрытия части лучей, приходящих на экран, играет существенную роль в методе Теплера и от правильной ее установки зависит точность количественных исследований.
Рассмотрим приемы определения правильного положения диафрагмы с одним острым прямолинейным краем (ножа Фуко) при применении в качестве источника света ярко освещенного прямоугольника. Наиболее универсальным является следующий способ. После определения приблизительного положения диафрагмы начинают вдвигать (с помощью микрометрического винта) нож перпендикулярно оптической оси с одной какой-нибудь стороны (рис. 2.2). Вероятно, поле на экране при этом начинает темнеть с одной стороны. Если на экране тень будет надвигаться с той же стороны, что и нож, то это значит, что диафрагма находится между плоскостью изображения источника света и экраном (положение 1 на рис. 2.2). Поэтому диафрагму следует поставить дальше от экрана. Если в новом положении диафрагмы, при ее вдвигании тень будет надвигаться в направлении, противоположном движению диафрагмы, то это означает, что диафрагма находится между плоскостью изображения источника света и объективом, следовательно, ее надо поставить подальше от объектива. Повторяя далее эти операции, можно установить диафрагму точно в плоскости изображения источника света. В этом случае, при диафрагмировании изображения источника света, поле на экране будет темнеть равномерно во всех точках. Возможные при этом неравномерности в освещенности поля на экране могут быть вызваны только недостатками объектива. Можно для правильной установки ножа рекомендовать другой способ. Вблизи изображения источника света (между ним и экраном) устанавливают лупу, которая проектирует увеличенное изображение источника света и края диафрагмы на какой-нибудь экран. Перемещая лупу вдоль оптической оси системы, добиваются резкого изображения на экране источника света. Закрывая далее ножом приблизительно половину изображения источника света и передвигая нож вдоль оптической оси, добиваются резкого изображения острого края диафрагмы (ножа) на экране, что означает, что диафрагма находится в плоскости изображения источника света. Так как изображения прямолинейного края диафрагмы и источника света на экране получаются увеличенными, то, наблюдая взаимное расположение края ножа и изображения источника света на экране и, поворачивая нож в его плоскости вокруг оптической оси, легко установить параллельность прямолинейного края диафрагмы и прямолинейного края изображения источника света. Так же, как и при первом способе, необходимо, чтобы на пути лучей не было оптических неоднородностей и посторонних предметов, так как это ведет к размытости краев изображения источника света. Описанный прием удобен тем, что изображение на экране можно получить значительно увеличенным и одновременно контролировать наличие зазубрин и пылинок на прямолинейном краю диафрагмы и на краях источника света и равномерную освещенность поверхности источника света.
Немалую роль для точности количественных исследований играет правильный выбор расстояния а` - расстояния от прямолинейного края ножа до края изображения источника света. Если ожидаются большие отклонения света при прохождении через неоднородность, то расстояние а` нужно выбирать большим, если же предполагаются малые отклонения, то - малым. Это легко определить предварительным визуальным наблюдением картины в плоскости изображения источника света.
Определение правильного положения экрана
Изображение на экране Э предметов и оптических неоднородностей, находящихся в плоскости s, создается при помощи объектива О.
Чаще в качестве объектива О используется один из двух шлирен-объективов, когда оптическая неоднородность помещается на пути параллельных пучков света (рис. 2.3). В последнем случае плоскость расположения оптической неоднородности и плоскость экрана являются сопряженными относительно объектива К. При малых углах отклонения света в оптической неоднородности можно считать, что даже после ее введения изображение плоскости s на экране Э остается идентичным изображению, проектируемому невозмущенным пучком света. На рис. 2.3 приведен ход луча, проходящего через точку А при отсутствии неоднородности (сплошная линия) и в случае наличия неоднородности, когда он получает малое отклонение (пунктирная линия). В обоих случаях луч попадает в одну и ту же точку экрана А`. Заметим, что сплошная и пунктирная линии пересекают плоскость изображения источника света, где находится нож, в разных точках, т.е. каждый луч удален от края ножа на различные расстояния а`. Если же экран расположен неправильно (положения экрана 1 и 2, проведены пунктиром), то лучи, отмеченные сплошной линией и пунктирной линией, не попадают в одну и ту же точку экрана, что создает теневой эффект от шлиры. Следовательно, для правильной установки экрана необходимо определить такое положение экрана, в котором при убранной диафрагме оптическая неоднородность не видна. Конечно, сильные оптические неоднородности могут быть несколько заметны и при не правильном положении экрана, например, плоский фронт кинетического пламени, или когда оптическая неоднородность имеет значительную глубину.
Прибор интерференционно-теневой ИАБ-458
Прибор интерференционно-теневой ИАБ-458 предназначен для качественных и количественных исследований теневым методом неоднородностей оптически прозрачных сред. В приборе реализуются следующие методы исследования: светящейся точки, щели и ножа, щели и нити, сдвиговой интерферометрии и голографии.
На рис. 2.4 приведена принципиальная схема прибора Теплера ИАБ-458. Он состоит из двух оптических систем: коллиматорной, которая создает параллельный пучок света для просвечивания исследуемой неоднородности, и наблюдательной, которая служит для наблюдения и фотографирования теневой картины.
Коллиматорная часть состоит из зеркально-менискового объектива К1 диаметром 230 мм и фокусным расстоянием 1917 мм, плоского зеркала R1 для изменения направления лучей, закрепленного на одной каретке со щелью L. Последняя устанавливается в фокусе объектива К1. На каретке имеются механизмы поворота и изменения ширины щели.
Наблюдательная часть состоит из точно такого же зеркально-менискового объектива К2, что и в коллиматорной части, плоского зеркала R2 для изменения направления лучей, закрепленного на каретке с ножом В. Последний устанавливается в фокальной плоскости ФФ зеркально-менискового объектива К2. Объектив О может перемещаться вдоль оптической оси и служит для получения резкого изображения шлир и других объектов, находящихся в плоскости ss, на экране Э. На каретке с ножом установлены механизмы перемещения и поворота ножа.
Изменение ширины щели и перемещение ножа в фокальной плоскости объектива К1 производится микрометрическими винтами с точностью до сотых долей миллиметра. Высоту щели можно менять с помощью вставной диафрагмы. Кроме того, имеется вставная диафрагма с отверстиями различных диаметров, которой пользуются при необходимости иметь источник света в форме светящегося круга. В качестве диафрагмы, кроме ножа, можно пользоваться "нитями" различных диаметров.
К каретке наблюдательной системы прикреплен откидной кронштейн, выполненный в виде самостоятельной части. На нем укреплены объектив О, фотозатвор "Темп" и приспособления, позволяющие одновременно наблюдать и фотографировать теневую картину.
Ход лучей в приборе ИАБ-458 показан на рис. 2.4. Щель L с помощью конденсора О` равномерно ярко освещается лампочкой накаливания (12 вольт, 50 ватт) или одной из ртутных ламп ДРШ 250-3 или ДКсШ-200. Свет через щель проходит на зеркало R1 и, отражаясь, падает на зеркало объектива K1 и после второго отражения идет к мениску объектива К1. Так как щель L находится в фокусе объектива К1, то после мениска получается параллельный пучок света. Далее свет проходит через мениск и отражается от зеркала объектива К2 и падает на зеркало R2. После отражения от него в фокальной плоскости объектива К2 создается изображение щели - изображение источника света. Так как зеркально - менисковые объективы К1 и К2 совершенно идентичны, то размеры изображения щели равны размерам самой щели.
К прибору прилагается ряд принадлежностей, из которых следует отметить: окуляры (увеличение в 2.5 и в 5 раз), фотоприставки (ФЭД и рамка от "фотокора"), лупа для проектирования изображения источника света на экран, блок питания для лампочки накаливания и для ДРШ 250-3 и ДКсШ-200, футляры для установки и удержания их, набор призм Волластона, набор "нитей", голографическая приставка РП-460.
III. Методы измерения отклонения света на приборе Теплера
При исследовании относительно грубых шлир удобно пользоваться методами измерения e, не требующими кропотливого процесса фотометрирования. К таким методам относятся метод щели и ножа, метод щели и нити и метод щели и решетки. При применении этих методов в качестве источника света в приборе Теплера используется равномерно ярко освещенная щель.
Страницы: 1, 2, 3, 4
