Лазерный доплеровский измеритель скорости

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерений за счет исключения влияния ширины спектральной полосы излучения лазера. Луч лазера 1, прошедший анаморфотный преобразователь 2 и поворотную призму 3, падает на дифракционный расщепитель 4, представляющий собой дифракционную решетку, снабженную системой стабилизации. Отраженные от поворотного зеркала 5 пучки формирующим объективом 6, выполненным ахроматическим в спектральной полосе излучения лазера 1, направляются в исследуемую среду. За объективом 6 размещен фильтрующий оптический элемент 7 в виде прозрачной светоделительной пластинки с зеркальным покрытием поверхности, селективным к спектральной полосе излучения лазера 1, и фотоприемник 8. Последний подключен к электронному блоку 9 измерения доплеровского сдвига частоты, пропорционального времени пересечения движущейся рассеивающей частицей пространственного периода зондирующего интерференционного поля. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение к экспериментальной гидро- и аэродинамике, металлургии, целллюлозно-бумажной, стекольной, кабельной и других отраслях промышленности, где необходимо выполнить прецезионные дистанционные бесконтактные измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей. Целью изобретения является повышение точности измерений. На чеpтеже показана схема устройства. Измеритель содержит полупроводниковый лазер 1, последовательно расположенные по ходу луча анаморфотный преобразователь лазерного луча 2, поворотную призму 3, дифракционный лучевой расщепитель 4, поворотное зеркало 5, на поверхности которого на пути каждого из расщепленных пучков нанесены локальные отражающие покрытия, селективные к длине волны лазерного излучения, формирующий ахроматический объектив 6. На пути рассеянного исследуемой средой света, ограниченного апертурой формирующего объектива, последовательно установлены фильтрующий оптический элемент 7, выполненный в виде плоскопараллельной пластинки с отражающим покрытием, селективным к спектральной полосе излучения лазера, и фотоприемник 8 с полевой диафрагмой на входе, подключенный к электронному блоку измерения доплеровского сдвига частоты 9. На пути прошедшего через оптический фильтрующий элемент света помещен точечный световой источник 10, оптически сопряженный с точкой расщепления лазерных пучков в дифракционном лучевом расщепителе 4 и с фоточувствительным элементом фотоприемника 8. Полупроводниковый лазер 1 пространственно фиксирован по отношению к корпусу излучателя конусными или призменными опорами 11. Лазер находится в тепловом контакте с термопреобразователем 12 и миниатюрным датчиком температуры 13, которые подключены к блоку автоматического управления температурой 14. Термопреобразователь 12 находится в тепловом контакте с скользящим (плавающим) теплоотводом 15, при этом контакт осуществляется за счет поджатия пружиной 16. Плавающий теплоотвод фиксируется на корпусе излучателя пружиной 17. Фиксация лучевого расщепителя по отношению к корпусу прибора осуществляется конусными или призменными опорами 18. Активный элемент расщепителя находится в тепловом контакте с термопреобразователем 19, который фиксирован на плавающем теплоотводе 20 пружиной 21. В свою очередь теплоотвод фиксируется на корпусе прибора пружиной 22. Миниатюрный датчик температуры 23 находится в тепловом контакте с активным элементом лучевого расщепителя и подключен вместе с термопреобразователем к блоку автоматического управления температурой 24. Корпус излучателя и основание, по отношению к которым фиксируются лазер и оптические элементы схемы, обозначен на чеpтеже штриховкой. Устройство работает следующим образом. Луч лазера 1 после прохождения анаморфотного преобразователя 2 и поворотной призмы 3 попадает на дифpакционный расщепитель 4. В качестве лучевого расщепителя используется статическая или динамическая дифpакционная решетка. Динамическая фазовая решетка реализуется, например, в виде акустооптического модулятора бегущей волны. При работе дифракционного расщепителя в брэгговском pежиме угол между расщепленными ручками, соответствующими нулевому и 1-му порядкам дифракции 2Θ≈λ/а, где λ длина волны лазерного излучения, а период дифракционной решетки. Расщепленные пучки отражаются от локальных зеркальных покрытий на поверхности поворотного зеркала 5 и формирующим объективом 6 направляются в исследуемую среду (поток жидкости или газа, повеpхность сортового или листового проката в прокатном стане и т.д.). В плоскости изображения лазерные пучки, соответствующие первому и нулевому порядками дифракции, пересекаются под углом 2 α≈2γΘ где γ угловое увеличение объектива 6. В области пересечения эти пучки образуют интерференционное поле с пространственным периодом Λ=λ/2γΘ=a/γ. Период интерференционной картины, формируемой ахроматическим объективом в исследуемой среде, не зависит от длины волны лазерного излучения, а определяется только периодом дифракционной решетки в лучевом расщепителе и угловым увеличением оптической системы. Изображение зондирующего поля в свете, рассеянном движущимися частицами или неоднородностями, формируется объективом 6 и элементами 5 и 7 на фотоприемнике 8. В процессе формирования этого изображения на фотоприемнике рассеянный свет последовательно походит через подложку поворотного зеркала 5, прозрачную в полосе излучения лазера, и отражается от селективного покрытия на фильтрующем элементе 7. Измеренный электронным блоком 9 доплеровский сдвиг частоты рассеянного света обратно пропорционален времени пересечения движущейся рассеивающей частицей пространственного периода зондирующего интерференционного поля. Искомая скорость определяется из соотношения v Λ·fΔ= fΔ, откуда следует, что результат измерения скорости не зависит от спектральной полосы излучения лазера. Таким образом, исключается необходимость стабилизации длины волны излучения полупроводникового лазера, за счет чего повышается точность измерений. Это открывает возможность практического использования лазерных диодов доплеровской анемометрии, как в одночастотном, так и в многочастотном режимах вне зависимости от спектральной полосы лазерного излучения и температурного дpейфа длины волны. Инжекционные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах AlGaAs/GaAS работают в спектральных диапазонах, включающих красный край видимой области и ближнюю инфракрасную область. Их применение в лазерной анемометрии осложняется необходимостью визуализации зондирующего поля, так как это обеспечивает большую точность настройки измерительной системы и ее пространственной ориентации относительно измеряемого объекта. Проблема визуализации зондирующего поля решается следующим образом. Точечный световой источник, излучающий в видимом диапазоне, объективом 6 последовательно проектируется через фильтрующий элемент 7, прозрачный в полосе излучения источника за исключением полосы излучения лазера (излучение лазера отфильтровывается зеркальным покрытием на поверхности оптического элемента 7), и подложку поворотного зеркала 3 в исследуемую среду. При этом изображение светового источника пространственно совпадает с областью пересечения лазерных пучков, визуализируя положение зондирующего оптического поля. Пространственное положение лазера жестко фиксируется относительно корпуса излучателя и, следовательно, относительно других оптических элементов схемы конусными, либо призменными опорами, обеспечивающими минимальный (точечный) тепловой контакт за счет малой поверхности соприкосновения с лазером. При этом минимизируются паразитные тепловые потоки, минующие микрохолодильник и исключается шунтирование цепи обратной связи по тепловому потоку. Тепловой контакт с термопреобразователем выполняется посредством прижима теплоотбирающей поверхности микрохолодильника к корпусу лазера через скользящий (плавающий) теплоотвод, другой конец которого фиксируется на корпусе излучателя пружиной. При измерениях в средах с самосвечением или большими тепловыми потоками (горячий прокат в металлургическом производстве, факел реактивного двигателя и т. п. ) предусмотрена фильтрация фонового излучения и защита от температурных полей. Подложка поворотного зеркала 5 выполнена из материала, поглощающего свет в спектральной области за пределами полосы излучения лазера и точечного светового источника. Например, для длины волны излучения лазера λ≃ 0,78 мкм в качестве материала подложки может быть выбрано стекло СЗС-26 (ГОСТ 9411-81). Выполненная, таким образом, подложка предотвращает засветку приемника фотонным инфракрасным сигналом в инфракрасной области, вследствие чего повышается отношение сигнал/шум и снижается погрешность измерений. Пропускание материала подложки в спектральной полосе излучения точечного светового источника 10 необходимо для визуализации зондирующего поля. Фильтрация оптического сигнала в спектральной полосе излучения лазера выполняется зеркальным интерференционным покрытием оптического фильтрующего элемента. Оптический сигнал на длине волны лазерного излучения отражается зеркальным покрытием, направляется на фотоприемник. В видимой области спектра это покрытие остается прозрачным и не препятствует прохождению излучения от точечного светового источника 10. Попадание на фотоприемник фонового излучения с длинами волн, большими длины волны лазерного излучения, исключается за счет фильтрующих свойств подложки зеркала 5. Изменение температуры внешней среды в широких пределах (например, при некоторых измерениях в условиях металлургического производства) может привести к изменению пространственного периода дифракционного расщепителя 4, что создает дополнительную погрешность измерения скорости. Для устранения этой погрешности активный элемент дифракционного расщепления включается в цепь температурной стабилизации, аналогичной цепи температурной стабилизации лазера 1. Блоки управления температурой 14 представляют автоматические регуляторы пропорционального (П) или пропорционально-интегрирующего (ПИ) типа. В качестве термопреобразователя могут использоваться выпускаемые промышленностью микрохолодильник или термоэлектрическая батарея (ТЭБ), датчиком служит, например, термистор или полупроводниковый прибор. Изобретение позволяет повысить точность измерений за счет устранения зависимости результата измерений от ширины спектральной полосы излучения полупроводникового лазера, устранения влияния фонового излучения и введения температурной стабилизации лучевого расщепителя. При этом расширяются функциональные возможности прибора при измерении скорости самосветящихся и нагретых сред, а также в условиях действия температурных полей на прибор.

Формула изобретения

1. ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий полупроводниковый лазер, помещенный в корпусе излучателя, и последовательно расположенные по ходу лазерного луча анаморфотный оптический преобразователь лазерного луча, поворотную призму, лучевой расщепитель, поворотное зеркало, формирующий объектив, фотоприемник, установленный на пути рассеянного пучка в плоскости, оптически сопряженной изображению точки расщепления пучков, и систему термостабилизации лазера, состоящую из полупроводникового термопреобразователя и датчика температуры, находящихся в тепловом контакте с корпусом лазера, подключенных к блоку автоматического управления температурой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет исключения влияния ширины спектральной полосы излучения лазера, формирующий объектив выполнен ахроматическим в спектральной полосе излучения лазера, лучевой расщепитель выполнен в виде дифракционной решетки, между поворотным зеркалом и фотоприемником помещен фильтрующий оптический элемент, выполненный в виде светоделительной прозрачной пластинки с зеркальным покрытием поверхности, селективным к спектральной полосе излучения лазера. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что на пути прошедшего через пластинку пучка в точке, оптически сопряженной точке расщепления лазерных пучков, установлен точечный световой источник, а подложка поворотного зеркала выполнена из материала, поглощающего свет на длинах волн вне спектральных полос излучения лазера и точечного светового источника. 3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что лучевой расщепитель снабжен системой термостабилизации.

РИСУНКИ

Рисунок 1