Устройство для измерения скорости

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, содержащее последовательно расположенные одночастотный лазер, двухлучевой интерферометр с ортогонально ориентированными поляризационными фильтрами в сигнальном и опорном плечах, оптический дискриминатор допплеровского сдвига частоты,.поляризационную призму-анализатор фотоприемник опорного пучка с измерителем уровня опорного сигнала и подключенный к нему синхронный детектор с генератором опорной частоты, о тличаю щ-е е с я тем., что, с целью повышения точностиизмерений и расширения динамического диапазона, между фотоприемником и измерителем опорного: сигнала включен второй синхронный детектор, в опорном плече интерферометра установлен управляемый сл пространственно-частотный фильтр, j подсоединенный к выходу второго синхронного детектора, а на входе интер- j (ферометра установлен фазовый модулятор , подсоединенный к генератору опорной частоты.. оо Ji (ID

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК..SUÄÄ 1034497

g(gg С 01 P 3/36

Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

:I

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

hO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2533821/ 18-10 (22) 10.10.77 (46) 15. 12.84. Бюл. Ó 46 (72) П.Я. Белоусов и 10.Н. Дубнищев (71) Институт автоматики и электро метрии СО АН СССР (53) 532.574(088.8) (56) 1.Dobele H.F., Massig J.Н. Application pf à Fabry-Pегоt Spectrometer to the measurement of spectral

line shifts much smaller than line

width. Applied 0pties, 1976, 15, 9 1, 69-72.

2. Белоусов Л.Я. и др. Измеритель скорости с оптическим дискриминатором допплеровской частоты. — "Оптика и электроскопия",. 1977, 43, вып. 4, 775-779 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СКОРОСТИ, содержащее последовательно расположенные одночастотный лазер, двухлучевой интерферометр с ортогонально ориентированными поляризационными фильтрами в сигнальном и опорном плечах, оптический дискриминатор допплеровского сдвига частоты, поляризационную призму-анализатор, фотоприемник опорного пучка с измерителем уровня опорного сигнала и подключенный к нему синхронный детектор с генератором опорной частоты, о т л ич а ю щ.е е с я тем,, что, с целью повьппения точности измерений и расширения динамического диапазона, между фотоприемником и измерителем опорного сигнала включен второй синхронный детектор, в опорном плече интер- Е ферометра установлен управляемый пространственно-частотный фильтр, подсоединенный к выходу второго син- ( хронного детектора, а на входе интер,ферометра установлен фазовый модуля- Я тор, подсоединенный к генератору опор; ной частоты. Эиш

1034497

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений скоростных характеристик потоков жидкости, газа и плазмы. 5

Известен допнлеровский измеритель скорости, в котором использован интерферометр Фабри-Перо, работающий в режиме компарирования двух спектральных линий для измерения скорости потока плазмы (1 j.

Недостатком этого устройства является малая точность измерений, так как из — за отсутствия привязки резонансной частоты контура пропускания . 75 к исследуемой спектральной линии исполь. зуется низкодобротный интерферометр с малой крутизной дискриминационной характеристики. Кроме того, подобное устройство требует сложной электрон- 2О ной системы излучения балансной ошиб- .ки.

Известно также измерительное устройство, содержащее последовательно расположенные стабилизированный по мощности измерения одночастотный лазер, двухлучевой интерферометр с поляризацйонной развязкой опорного и сигнального плеч, оптический дискриминатор допплеровского сдвига часто- 36 ты, в качестве которого применен конфокальный интерферометр ФабриПеро, два фотоприемника, один из которых подключен к устройству регистрации уровня опорного сигнала, а другой включен в цепь системы экст.— ремальной автоподстройки рабочей точки по дискриминационной характе- . ристике к частоте сигнального светового пучка I2 3.

40 Недостатками такого устройства являются ограниченные быстродействие и динамический диапазон измерения скорости вследствие инерционности пьезокерамической лайбы, несущей одно из зеркал.конфокального интерферометра.

Цель изобретения — повышение точности расширения динамического диапазона измерений.

5О

Для достижения поставленной цели в устройстве между фотоприемником и измерителем опорного сигнала включен второй синхронный детектор„ в опорном плече интерферометра установлен управляемый пространственно-частотный фильтр, подсоединенный к выходу второго синхронного детектора, а на входе интерферометра установлен фазовый модулятор, подсоединенный к генератору опорной частоты.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. устройство содержит последовательно расположенные одночастотный ла-. зер 1, фазовый модулятор 2, двухлучевой интерферометр 3, оптический дискриминатор допплеровского сдвига. частоты 4, выполненный в виде конфокального интерферометра Фабри-Перо, одно из зеркал которого закреплено. на пьезокерамической шайбе 5. Последовательно за дискриминатором помещены поляризационная призма-анализатор 6., фотоприемник рассеянного с. ветового пучка 7 и фотоприемник опорного пучка 8, Фотоприемник рассеянного пучка 7 подключен к синхронному де-тектору 9, содержан1ему последоватегь-но содиненные избирательный усилитель

70, фазовый детектор 77, интегратор 72 и усчлитель 13.. К фазовому детек ору 11 через фазовращатель 14 подключен генератор опорной частоты 15.

К фотоприемнику 8 подключены последовательно второй синхронный детектор 76 и измеритель уровня опорного сиг.-ала 7/. Вход опорной частоты синхронного детектора 16 и фазовый модулятор 2 подсоединены к выходу генератора опорной частоты 15. Пьезокерамическая шайба 5 подключена к выходсинхронного детектора 9, Двухлу-:евой интерферометр состоит, например, из поляризационного расщепителя 18,. си;-нального. и опорного плеч, а также рекомбинационной стеклянной пла< тины 19.

В сигнальном плече интерферометра последовате„.ь«о расположены направл.:.ющий объектив 20, объект измерения

21, согласующий объектив 22 и поляризационный фил -тр 23:, В опорном плече интерферометра последовательно установлены управляемый пространс венночастотный фильтр 24. подключенный к выходу синхронно-о детектора 16, и согласуюший объектив 2. ..

E.

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера 1 после прохождения фазового модуляторе 2 расщепитглем

„ iS делится на два сртогонально пол-<ризованньх пу ка различньх и;тен ив ностей.

3 1034497 4

Более мощный пучок объективом 20 направляется в малую заданную область исследуемого объекта 21.,Рассеянный свет объективом 22 через поляризатор

23 и рекомбинационную пластину 19 5 направляется в оптический дискриминатор допплеровского сдвига частоты.

Частота рассеянного света ьс имеет допплеровский сдвиг ы, пропорциональный скорости движения рассеива- 10 ющих частиц ьс =ы +и), cI .> где u - частота лазерного пучка.

Слабый световой пучок в опорном плече интерферометра последовательно проходит через перестраиваемый пространственно-частотный фильтр 24, согласующий объектив 25 и попадает на рекомбинационную пластинку 19, где пространственно совмещается с сртогонально поляризованным сигнальным рассеянным пучком и направляется в оптический частотный дискриминатор 4. Выходящие из дискриминатора опорный и рассеянный световые пучки пространственно разделяются . призмой

Волластсна 6 по ортогональным поляризациям и направляются на соответ-. ствующие фотоприемники 7 и 8. Привязка резонансной частоты контура прспускания дискриминатора к частоте излучения лазера и; ссуществ -яется о в данкой схеме системой экстремаль35 ного управлеяия, содержащей ьинхронный детектор 9. Гармонический сигнал с генератора опорной часто гы 15 5поступает на фазовый модулятор 2. При гармонической фазовой модупяц и частота лазерного пучка оказывается сдулированнсй также гго гармоническому закону с частотой моцуляции,, равной опорнои частоте, и индексам модуляции, равным < Я /ьс,, где a „. — фазовый сдвиг., пропорциональный амплитуде модулирующего напряжения, 1(онтур пропускания дискриминатора, выполненного в виде конфскальнсгс 50 интерферсметра Фабри-Перо, можно описать контуром Лоренца. При расстройке центральной части пропускания относительно частоты ьс рассеянного

S пучка на выходе дискриминатора свето-55 вой пучок сказывается модулированным по интенсивности с частотой модуля-ции 9.. .При этом глубина модуляции пропорциональна расстройке, а полярность указывает знак расстройки.

Таким образом, амплитуда и фаза первой гармоники является сигналом ошибки при несовпа -,епии частоты ызрассеянно о пучка с резонансной частотой контура пропускания дискриминатора..

Переменный сигнал с нагрузки фотогриемника 7 поступает на вход селективного усилителя 10, настроенного на частоту Я, Сигналы с выхода селективного усилителя подаются на фазовьпs детектор 11, на опорный вход которого с генератора 15 через фазовращатель 14 поступает сигнал опорной частоты Я . Величина и полярность выходного напряжения фазового детектора определяется расстройкой частоты рассеянного пучка относительно резонансной частоты контура пропускания конфокального интерферометра, Выходной сигнал с фазового детектора через интегратор 12 и усилитель 13 поступает.на пьезокерамическую шайбу 5, являясь сигналом коррекции.

Пьезокерамическая шайба в соответствии с сигналом коррекции осуществляет подстройку резонансной частоты контура пропускания дискриминатора к частоте .рассеянного пучка.

Второй синхронный цетектор 16 вместе с управляемым -|ространственночастотным фильтром 24 образует контур экстр мальной антоподстройки пространственной частоты опорного пучка к пространственной резонансной частоте контура пропускания дискримиI натора 4. В этом контуре сйгнал коррекции, определяемый расстройкой частоты контура пропускания дискриминатора,. поступает на управляемый пространственно-частотный фильтр 24 выполненньй, например, в виде стабильного конфокального иптерферометра ФабриПеро. Сигнальная коррекция вызывает изменение пространстьенной частоты опорного пучка на входе дискриминатора, достаточное для компенсации сигнала ошибки в синхронном детекторе 16.

Поскольку первый контур с синхронным детектором 9 отслеживает частоту рассеянного пучка ж =.й> +:и,, а частота опорного пучка, ы, сигнал коррекции на выходе синхронного детектора 1б пропорционален,. Ыг .. Величина и полярность этогс сигнала

1034497

Корректор А. Тяско

Редактор 0. Юркова Техред М.Кузьма

Заказ 9205/2 Тираж 822 Подписное

ВНИИПИ,Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35,.Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул, Проектная, 4 однозначно определяются величиной и направлением измеряемой скорости.

Отсчет величины и скорости осуществляется измерителем уровня сигнала 17.

Динамический диапазон измерений в описанной двухконтурной системе определяется динамическим диапазоном управляемого пространственно-частотного фильтра 24. Если, например, в качестве такого фильтра применяется интерферометр Фабри-Перо, динамический диапазон измерений определяется межмодовым интервалом интерферометра. Для конфокаЛьного интерферометра с радиусом кривизны 200 мм межмодовый интервал составляет 750 мГц.

Следовательно, верхний предел измеряемой допплеровской частоты равен

750 мГц. Ему соответствует величина скорости порядка. 10 км/с. Нижний предел измерений скорости составляет

3 м/с (или в допплеровских частотах

200 кГц) .