Оптический доплеровский измеритель градиента скорости потока

 

ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ ПОТОКА, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, блок фрр мирования двух пар зондирующих пучков, систему попарной фокусировки пучков и систему сканирования двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотоприемную систему и измеритель доплеровской частоты, от ли ча ющ и и с я тем, что, с целью повьшения точности и локальности измерений, в него введен аналоговый перемножитель доплеровских сигналов, входы которого подключены к выходам двухканальной фотоприемной системьг а выход - к измерителю доплеровской частоты, при этом Q. блок формирования двух пар зондируS кидих пучков выполнен в виде после (Я довательно установленных частотного модулятора, полупрозрачного и отражающего зеркал, двух устройств смещения пучка и двух устройств поворота плоскости поляризации на 90 . со 00 со sj 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PECIlVSËÈН

09) <И) эра G 01 P 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOP|HOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ .СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТЙРЬГГИЙ (21) 3586279/18-10

:(22) 29.04.82 (46) 23.05.84. Бюл. Р 19 (72) Б.С.Ринкевичюс, В.И.Смирнов и А.С.Тимофеев (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энерге-. тический институт (53) 532 ° 574(088.8) (56) 1. Кащеева Г.А., Соболев В.С.

Восстановление профиля скорости по энергетическому спектру доплеровского сигнала. — В кн.. Лазерная доплеровская анемометрия и ее применение.

Новосибирск, 1 980, с. 37-41.

2 ° Norton I.Â., Clark W.Н., J.Phys Е.: Sci Iustrum, 1971, 4, р. 36-44 (прототип). (54) (57) ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬ ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ ПОТОКА, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, блок формирования двух пар зондирующих пучков, систему попарной фокусировки пучков и систему сканирования двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотоприемную систему и измеритель даплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности и локальности измерений, в него введен аналоговый перемножитель доплеровских сигналов, входы которого подключены к выходам двухканальной фотоприемной системы а выход — к измерителю доплеровской частоты, при этом блок формирования двух пар зондирующих пучков выполнен в виде последовательно установленных частотного модулятора, полупрозрачного и отражающего зеркал, двух устройств смещения пучка и двух устройств поворота плоскости поляризации на 90

1093978

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения мгновенной разности скоростей в двух точках потока для последующего определения градиента скорости потока.

Известен одноканальный лазерный доплеровский анемометр со спектральным анализом сигнала, применяемый для определения градиента скорости потока по деформации спектра доплеровского сигнала. Принцип его действия состоит в решении обратной задачи восстановления профиля скорости в пределах измерительного объема методом текущего интегрирования кривой спектральной плотности доплеровского сигнала (11.

Недостатком такого устройства является низкая точность измерения дисперсионных характеристик спектра по сравнению с измерением его центральной частоты, так как погрешность существенно повышается при измерении спектральных моментов более высоких порядков.

t0

Известен двухканальный оптический доплеровский анемометр, который может быть применен для измерения градиента скорости, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, блок формирования двух пар зондирующих пучков, cHcTebpJ попарной фокусировки пучков и систему сканиронания двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотоприемную систему и измеритель доплеровской частоты.

Двухканальная фотоприемная система 40 содержит два фотоприемника, каждый .из которых собирает рассеянный свет иэ одной точки потока.

Сигнал, снимаемый с нагрузки каждого из двух фотоприемников, посту- 4> пает в радиоизмерительный тракт, состоящий из полосовых фильтров, и измеритель доплеровской частоты. Два ,демодулированных сигнала, являющихся аналогами скорости в двух точках

50 потока, поступают в коррелятор или любое вычитающее устройство 2 3.

Недостатками известного устройства являются низкие точность и пространственное размещение измерений при малых градиентах скорости из-за наличия двух систем детектирования доплеровского сигнала, каждая из которых определяет значение измеренной скорости с погрешностью порядка

О, 1-1Е. Таким образом,. измеренная мгновенная разность скоростей в двух точках потока при малой величине градиента скорости оказывается сравнимой с погрешностью измерений.

Цель изобретения — повышение точности и локальности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в оптический доплеровский измеритель градиента скорости потока, У содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, блок формирования двух пар зондирующих пучков, систему попарной фокусировки пучков и систему сканирования двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотоприемную систему и измеритель доплеровской частоты, введен аналоговый перемножитель доплеровских сигналов, входы ,которого подключены к выходам двухканальной фотоприемной системы, а выход — к измерителю доплеровской частоты, при этом блок формирования двух пар зондирующих пучков выполнен в виде последовательно установленных частотного модулятора, полупрозрачного и отражающего зеркал, двух устройств смещения пучка и двух устройств поворота плоскости поляризации на 90 .

На фиг. 1 изображена оптическая схема предложенного устройства на фиг. 2 — структурная схема радиоизмерительного тракта и спектральные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит лазер 1, блок формирования двух пар зондирующих пучков, включающий частотный модулятор 2, например акустооптический, полупрозрачное 3 и отражающее 4 зеркала, устройства 5 и 6 смещения пучка и поворота плоскости поляризации на 90 (например, зеркально-призменные схемы в сочетании с пластинками 3/2); систему попарной фокусировки пучков в поток и сканирования одной точки измерения относительно другой (например, последовательно устеновленные ялоскопараллельную пластину и две полулинзы) и двухканальную фотоприемную систему 7, содержащую фотоприемники

8 и 9.

Радиоиэмерительный тракт содержит перемножитель 10 доплеровского сигнала, входы которого подключены к

3 1093 9 двум выходам фотоприемной системы, и систему 11 измерения доплеровской частоты (например, следящего типа), подключенную к выходу перемножителя.

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера 1 расщепляется модулятором 2. Для работы выбираются два пучка, соответствующие, например, нулевому и +1 порядку дифракции, 10 смещенному по частоте относительно нулевого на величину .f®. Полупрозрачное 3 и отражающее 4 зеркала формируют четыре пучка, лежащие в одной плоскости, при этом зеркала ориентированы таким образом, что крайние пучки, которые направляются в систему

6 фокусировки и сканирования — параллельны. Каждый иэ двух внутренних пучков меняет плоскость своего рас-,20 пространения, а также получает поворот плоскости поляризации на 90 с помощью устройства 5 или 6. Например, смещение пучка может быть произведено с помощью двух призм, расположенных 25 справа (фиг. 1), а поворот плоскости поляризации осуществлен пластинкой

jl/2.

Две пары ортогонально поляризованных пучков с помощью блока 7, в качестве которого может быть использована система сканирования, состоящая из вращающейся плоскопараллельной пластины и двух полулинз, направ- З

35 ляются в исследуемый поток.

Система 7 фокусирует пучки, лежащие попарно в двух плоскостях, в точки А и В потока, причем векторы

М чувствительности двух каналов К> и 40

К равны, но направлены в разные сто. роны вследствие пространственного разделения пучков, соответствующих

0-му и +1-му порядкам дифракции.

Ориентация точек А и В может быть 4> любой, а расстояние ь между ними может быть сделано как угодно малым, так как пучки, относящиеся к разным каналам измерения, между .собой не интерферируют. 3 ro rrpHBogH r,K повышению точности и локальности измерения градиента скорости, так как расстояние

78 между центрами эффективных измерительных объемов (А и В) может быть установлено меньше, чем поперечное сечение пучков в точках их пересечения.

Свет, рассеянный из измерительных объемов А и .В, собирается на фоточувствительной поверхности фотоприемников 8 и 9 излучения, Сигналы, снимаемые с нагрузки фотоприемников,,поступают на входы аналогового перемножителя 10. Спектр сигнала на выходе перемножителя содержит две узкопо- . лосные компоненты, соответствующие частотам первичных сигналов f

f. + K Up, f. = Е„-KU (где U, U — проекции векторов скорости на

В направление векторов чувствительности

К ), а также компоненты, соответствующие их разности и сумме f=K(U>+U>);

f+= 2 f +К (Uä-U ).

Таким образом, доплеровский сигнал, расположенный на частоте f несет информацию о мгновенной разности скоростей (UA- U ) (t) в двух точках потока. Доплеровский сдвиг частоты

f>= К (U>-УВ) относительно удвоенной частоты модуляции 2f. измеряется одной системой детектирования с погрешностью Ь0 . В результате однократного частотного детектирования мгноI t венная разность скоростей равна (U>-БВ) i h U, т.е. погрешность изме рения в 72 раз меньше, чем в известном устройстве при применении анало,гичных систем измерения доплеровской частоты.

Предложенное устройство может быть также использовано в неизменном виде при исследовании. пространственной структуры турбулентных потоков для прямого измерения пространственной структурной функции

0(г) P V(x) -V(x+r)) турбулентности, где V(x) и V(x+r) — турбулентные пульсации скорости в точках, расположенных на расстоянии r один относительно другого. Для этого выходной сигнал предложенного измерителя может быть подвергнут любкой радиоизмерительной обработке с целью определения квадратичных характеристик.

1093978

4ьа.2

ВНИИПИ Заказ 3416/36 Тираж 823 Подинсное финнам ППП "Патент", r.Óàãîðîä, уд.Проехтнан, 4