Инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский измеритель скорости потока жидкости или газа

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ug> SU on

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3491695/18-10 (22) 20.09.82 (46) 15.03.84. Вюл. 9 10 (72) В.N.Çåìëÿícêèé и A.И.Демещик (71) Киевский ордена Трудового Красного Знамени институт инженеров гражданской авиации (53) 532.557(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 396096, кл. 5 01 P 3/36, 1974.

2. "Optic апй Laser Technology"

1977, Р 1, 31-34 (прототип). (54)(57) ИНВЕРСНО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО

ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМИРИТЕЛЪ

СКОРОСТИ ПОТОКА ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, устройство сдвига частоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращакщейся полуволновой пластинок, фокусирующий и собиракшнй объективы, диафрагму с двумя отверстиями, расположенную перпендикулярно оптической оси схемы, поляризациц51) 4 01 P 3/36 у G 01 P 15/00 онный расщепитель и два фотоприемника, подключенных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты, о т .л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности за счет увеличения соотношения сигнал-шум, в него дополнительно . введены полуволновая пластинка, светоотражатель и светоделитель,, при этом отражатель и светоделитель располбжены между диафрагмой и поляризационным расщепителем и оптически сопряжены с двумя отверстиями диафрагмы, дополнительная полуволновая пластинка установлена между светоотражателем и светоделителем, четвертьволновая пластинка устройства сдвига частоты установлена за вращакщейся полуволновой пластинкой, а геометрическая ось, проходящая через противолежащие отверстия диафрагмы, составляет .угол «1 45 с осью наибольшей скорости света в четвертьволновой пластинке устройства хщвига частоты.

1080084

Изобретение относится к измерительн ой технике и может быть использовано для измерения локальной скорости потоков жидкости или газа оптическ ими средствами °

Известна инверсно-дифференциаль- 5 ная схема лазерного доплеровского измерителя скорости, состоящая из лазера, фокусирукщего и собирающего объективов, диафрагмы с двумя отверстиями, светоотражателя, 10 ( светоделителя, фотоприемника и измерителя доплеровской частоты 51 3.

Недостатком схемы является ее низкая чувствительность при малых углах рассеяния, что ограничивает нижний диапазон измеряемых скоростей.

Наиболее близкой к изобретению является инверсно-дифференциальная схема измерителя скорости, содержащая последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, устройство сдвига частоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращающейся полуволновой пластинок, Фокусирующий и собиранщий объективы, диафрагму с двумя отверстиями, расположенную перпендикулярно оптической оси схемы, поляриэационный расщепитель и два фотоприемника, подклюзченных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты(2)Данная схема обладает низким отношением сигнал-шум вследствие того, что на фотоприемники направляются два рассеянных пучка, распространяющихся под углом друг к другу, поэтому только незначительная часть мощности рассеянного пучка участвует в фотосмещении. Следовательно, мощность, принимаемая Фо- 40 топриемником, определяется не размером двух отверстий .в диафрагме, а размером диафрагмы, установленной перед фотоприемником. Размер этой диаФрагмы выбирается равным полу- 45 периоду интерференционной картины, создаваемой от пересечения двух рассеянных пучков в области изображения собиракщего объектива, причем мощность, принимаемая фотоприемником, тем меньше, чем больший угол рассеяния используется в схеме. Таким образом, в известной схеме повышение чувствительности, достигаемое за счет увеличения угла приема рассеянного света, приводит к значительному снижению отношения сигнал-шум, что практически затрудняет выделение сигнала иэ помех и снижает точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности измерений эа счет увеличения соотношения сигнал — шум.

Поставленная цель достигается тем, что в инверсно-дифференциальный лазерный доплеровский измеритель 65 скорости потока жидкости или ra за, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные лазер, устройство сдвига частоты, выполненное в виде четвертьволновой и вращающейся полуволновой пластинок, фокусирукщий и собирающий объективы, диафрагму с двумя отверстиями, расположенную перпендикулярно оптической оси схемы, поляризационный расщепитель и два фотоприемника, подключенных выходами через смеситель к измерителю доплеровской частоты, дополнительно введе. ны полуволновая пластинка, светоотражатель и светоделитель, при этом светоотражатель и светоделитель расположены между диафрагмой и поляризационным расщепителем и оптически сопряжены с двумя отверстиями диафрагмы, дополнительная полуволновая пластинка установлена между светоотражателем и светоделителем, четвертьволновая пластинка устройства сдвига частоты установлена эа вращающейся полуволновой пластинкой, а геометрическая ось, проходящая через противолежащие от верстия диафрагмы, составляет угол<

+450 с"осью наибольшей скорости света вчетвертьволновой пластинке устройства сдвига частоты.

На чертеже прсцставлена блоксхема предлагаемого измерителя, 3

Инверсно-дифференциальный лазерныи доплеровский измеритель скорости содержит лазер 1, излучающий линейно поляриэова.нный луч 2, устройство сдвига частоты 3, состоящее иэ, вращакшейся в магнитном (либо электрическом) поле полуволновой пластинки 4 и четвертьволновой пластинки 5, фокусирукщий объектив б, область измерения 7, собирающий рассеянные лучи 8 и 9 объектив 10, диафрагму 11 с двумя отверстиями, светоотражатель 12, полуволновую пластинку 13, светоделитель 14, поляризационный расщепитель 15, фотоприемники 16 и 17, смеситель 18 и измеритель доплеровской частоты

19.

Измеритель скорости работает следующим образом.

Лазер 1 излучает луч 2, который поступает на вход устройства сдвига частоты 3, состоящего из вращающейся полуволновой пластинки 4 и четвертьволновой пластинки 5. На выходе такого устройства сдвига частоты 3 образуются два пространственно совмещенных луча со взаимно ортогональными линейными состояниями поляризации Е „ и Е (например, горизонтальная и вертикальная поляризация, если азимут оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинки равен 45 ) и различными о

1080084 частотами ш,>+ Я и шд — ?,где мс,угловая частота излучения лазера

Я вЂ” частотное смещение луча лазера после прохождения его через уст ройство сдвига частоты 3 . Эти два луча фокусируются объективом 6 в область измерения 7, движущегося со скоростью Ч потока. Рассеянный под углом 8 луч 8 (К собирается

1 объективом 10 и направляется через отверстие а диафрагмы 11 на светоотражатель 12, а затем (после прохождения полуволновой пластинки 13 и светоделителя 14) луч 8 поступает . на вход поляризованного расщепителя g5. Рассеянный под углом 9 луч

9 (КЗ ) собирается также объективом

10 и направляется через отверстие б диафрагмы ll (после отражения

его от светоделителя 14) на вход поляриэационного расщепителя 15. При- >О чем юстировкой светоотражателя. 12 и светоделителя 14 добиваются пространственного совмещения лучей

8 и 9, т.е. чтобы их оптические оси совпадали при распространении рассеянных лучей.от светоделителя до фотоприемников. Поскольку диафрагма

ll расположена так, что ось, проходящая через центры отверстий а и б и расположенная перпендикулярно ЗО оптической оси облучакщего луча Фе, лежит в плоскости (GXZ или GJJZ), образованной оптической осью облучающего луча и плоскостью поляри зации одного из расщепленных по 35 частоте лучей (Е р1 или Е О2), поэтому рассеянные лучи 8 и 9, собираемые в пределах отверстий а и б диафрагмы 11, как следует из векторной тео", рии рассеяния NH, имеют также ли- 40 нейное состояние поляризации. Следовательно, если пространственная ориентация двух отверстий диафрагмы выбрана так, что ось, проходящая через противоположные отверстия, 45 составляет угол 5 45 с азимутом оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинки, то в этом случае рассеянное излучение, проходящее через эти отверстия, сохраняет неизменным свое состояние поляризации.

B общем случае при приеме излучения в других направлениях, как следует иэ векторной теории рассеяния, происходит изменение поляризации рассеянного излучения (например, рассеянное излучение имеет элиптическую поляризацию). С помощью полуволновой пластинки 13 осуществляется поворот азимута линейно поляризованного луча 8 на угол 90

Таким образом на выходе поляризационного расщепителя формируется рассеянный пучок с горизонтальным

1 состоянием. поляризации, вся мощ ность которого принимается прием- 65 ником 16, и излучение с вертикальным состоянием поляризации, вся мощность которого принимается фотоприемником 17. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотоприемника 16 образуется переменная составлякщая сигнала на частоте 2 Я ice,а на выходе фотоприемника 17 — равная ей по амплитуде переменная составлякщая сигнала на частоте 2Я-и>*,где со - доплеровский сдвиг частоты, пропсрциональный проекции вектора скорости 4 на раэност 1 ный волновой вектор Кз - Х Сигналы с выходов фотоприемников 16 и 17 поступают на входы смесителя 18, на выходе которого выцеляется раз- . ностная частота биений, равная 2аи которая измеряется измерителем доплеровской частоты 19.

На чертеже представлены два варианта расположения диафрагмы 11. Если отверстия а и б расположены вертикально .(вдоль оси Оу), то осуществляется измерение вертикальной составляющей. вектора скорости. При расположении отверстий диафрагмы вдоль оси ОХ доплеровская частота сигнала, измеряемая,измерителем частоты 19, пропорциональна горизонтальной составлякщей вектора скорости. Если возникает необходимость измерить проекцию вектора скорости на ось, составлякщую с осью ОХ, например, угол 40, то необходимо, во-первых, установить азимут оси наибольшей скорости четвертьволновой пластинни 5 равным 95, во-вторых, обеспечить согласование ориентации отверстий диафрагмы 11 с плоскостью поляризации одного из облучающих лучей 7, т.е. поворото1м диафрагмй вокруг

jocm добиться, чтобы ось, проходящая через отверстия а и б, составляла угол 45 с осью наибольшей скорости пластинки 5. Естли эти условия не выполнить, то рассеянное излучение, собираемое в пределах отверстий диафрагмы, в общем случае имеет эллиптическую поляризацию, что приводит к появлению на выходе каждого фотоприемника двух спектров с частотами Я и ий-w . Следовательно, в этом случае выделить полезный сигнал иэ помех на выходе смесителя становится затруднительным.

В предлагаемом измерителе рассеянное излучение., прошедшее светсж делитель и поляриэационный расщепитель, полностью направляется на фотогриемник. Это приводит к увеличению мощности рассеянного излучения принимаемого фотоприемником и, следовательно, к повью .ению отношения сигнал - шум по сравнению с известной схемой. Так, в известной

1080084 гаемой отношение сигнал - шум на порядок больше, чем в иэвестной схе; ме.

Составитель lO.Власов

Редактор М.Келемеш Техред JI.Ìàðòÿøoíà Корректор В.Синицкая

Закаэ 1329/46 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам нэобретений и открытий

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

Филиал .ППП Патент, и. Ужгород, ул. Проектная, 4 схеме угол между рассеянными лучами, направляемыми на фотоприемник, равен 26-5. ° В этом случае в предла1! !!

И

ll