Лазерний доплерівський анемометр

1. Лазерний доплерівський анемометр, що складається з оптично узгоджених лазера, світлодільника і дзеркала, частотозсувного пристрою з генератором, фокусуючого об'єктива, блока фотоприймача, що складається з діафрагми, інтерференційного світлофільтра і фотоприймача, а також вимірювача доплерівської частоти, відрізняється тим, що в нього додатково введені діафрагма з двома отворами, напівхвильова фазова пластина на шляху одного із зондуючих пучків, поляризацій 39445 r від тально поляризований розсіяний пучок K S 42 r r зондуючого пучка K 04 (фіг.2). Розсіяні пучки K S , 41 r r r K S , K S , i K S мають відповідні доплерівські 52 51 42 r r зсуви частот. Розсіяні пучки K S і K S - 13, після мача, вихід змішувача через фільтр нижніх частот сполучений з входом вимірювача доплерівської частоти. На фіг.1 представлена блок-схема ЛДА, на фіг.2 - геометрія зондуючих і розсіяних пучків. ЛДА (фіг.1) містить оптично узгоджені: - лазер 1, випромінюючий лінійно поляризований пучок 2, наприклад, в горизонтальній площині; - світлодільник 3, що ділить пучок 2 на два пучка 4 і 5; - напівхвильову фазову пластину 6; - частотозсувний пристрій 7 з генератором сигналів 8; - дзеркало 9; діафрагму з двома отворами 10; - фокусуючий об'єктив 11; - зону вимірювання 12, через яку руr хається потік з швидкістю v ; - розсіяні пучки 13 і 14, які проходять через отвори діафрагми 10; просторово поєднанні розсіяні пучки 15; - поляризаційний розчинник 16, на виході якого формуються розсіяні пучки 17 і 18 з взаємно ортогональними лінійними поляризаціями; - діафрагми 19 і 21; - інтерференційні світлофільтри 20 і 22; - фотоприймачі 23 і 24; вузькосмуговий селективний фільтр 25; - смуговий фільтр 26; - змішувач 27; фільтр нижніх частот 28 і вимірювач доплерівської частоти 29. Лазерний доплерівський анемометр працює таким чином. Лазер 1 випромінює горизонтально поляризований пучок 2, який ділиться світлодільником 3 на два пучка 4 і 5 рівних за потужністю. Пучок 5 проходить напівхвильову фазову пластину 6 і перетворюється у вертикально поляризований пучок, який далі прямує на частотозсувний пристрій 7. Пристрій 7 являє собою фазовий модулятор, виконаний з електрооптичного двопроменевопереломлюючого кристала, орієнтація швидкої оптичної наведеної осі якого, наприклад, співпадає з площиною коливання електричного вектора електромагнітної хвилі 5. На кристал фазового модулятора 7 від генератора 8 подається пилоподібне напруження, що лінійно змінюється, тому на виході модулятора пучок 5 зміщений по частоті на величину WМ1-, яка лежить в області радіодіапазону. Далі вертикально поляризований пучок відбивається від дзеркала 9 і потім паралельні відносно оптичної осі OZ. пучки 4 і 5, після проходження двох отворів діафрагми 10, фокусуються об'єктивом 11 в зону вимірювання 12. Через зону вимірювання 12, яка утворена лазерними когерентний пучками 4 і 5 з взаємно ортогональними лінійними поляризаціями, пересічними під кутом g , рухаєтьr ся потік з швидкістю v . Розсіяне назад випромінювання 13 і 14 в напрямі зондуючих пучків 5 і 4 збирається об'єктивом 11 і далі проходить через два малих отвори діафрагми 10, причому в напрямі 13 розповсюджуються горизонтально поляризоr ваний розсіяний пучок K S від зондуючого пучка 41 r r r K 04 ( K 04 і K S - хвильові вектори відповідно зон41 41 51 відбиття від дзеркала 9, проходять фазовий модулятор 7, на виході якого ці пучки мають лінійні взаємно ортогональні поляризації і придбають частотні зсуви на величину WМ1 Далі ці розсіяні пучки, після проходження півхвильової фазової пластини 6, приймають відповідно горизонтальну і вертикальну поляризацію, і потім за допомогою світлодільника 3 просторово поєднуються з розсіяними r r пучками K S і K S , утворюючи пучок 15. Пучок 15 42 51 являє собою суперпозицію чотирьох розсіяних пуr r r r чків K S , K S , K S , i K S , що мають різні поля41 42 51 ризації і частоти: w S 52 w S 42, w S51, і w S 52 , 1, хвильові вектори яких просторово поєднані. Пучок 15 ділиться поляризаційним розчинником 16 на два пучка 17 і 18, один з яких 17 має горизонтальну поляризацію, а інший 18 -вертикальну. Пучок 17, що представляє суперпозицію пучків r r K S , і K S , після проходження діафрагми 19, ін42 51 терференційного фільтра 20 прямує на фотокатод фотоприймача 23, на виході якого внаслідок оптичного гетеродування виділяється високочастотний сигнал на частоті (див. фіг. 2) r r r r r r w1=2WМ1+( K 05+ K 04) V +( K S - K S ) V = 42 51 r r r r =2WМ1+( K 2+ K 1) V =2WМ1+ K 3 V = 8p =2WМ1± sin æ g ö Vx=2WМ1±wД1, ç 2÷ l è ø де l - довжина хвилі випромінювання лазера, r Vx - горизонтальна проекція вектора швидкості V (знак «+» відповідає негативному напрямку Vx, а знак «-» позитивному напрямку Vx (фіг.2)). Пучок 18, що являє собою суперпозицію пучків r r K S і K S , після проходження діафрагми 21, фі41 52 льтра 22 прямує на фотокатод фотоприймача 24, на виході якого формується високочастотний сигнал на частоті r r r r r r w2=2WМ1+( K 05- K 04) V +( K S - K S ) V = 41 52 r r r =2WМ1+( K 1- K 4) V =2WМ1, r r так як ½ K 1½=½ K 4½ і ці вектори направлені в протилежні сторони (див. фіг. 2, де вектор r r r K 4= K S - K S - позначений штриховою лінією). 41 52 До виходу фотоприймача 23 підключений смуговий фільтр 26, смуга пропускання якого вибирається в діапазоні частот: p Від wН=2WМ1- 8 sin æ g ö Vxmax до ç 2÷ l è ø 8p æ g ö Vxmax wВ=2WМ1+ sin ç ÷ l è 2ø де Vxmax - максимально можлива швидкість потоку. Високочастотний сигнал на частоті v1 проходить через смуговий фільтр 26 і прямує на перший дуючого пучка 4 і розсіяного від цього пучка випромінювання), а також вертикально поляризоваr ний розсіяний пучок K S від зондуючого пучка 52 r K 05 (фіг.2). Відповідно в напрямку 14 розповсюджуються вертикально поляризований розсіяний r r пучок K S від зондуючого пучка K 05 та горизон52 2 39445 (тобто вони орієнтовані в площині зондуючих пучків Oxz); при будь-якій іншій орієнтації отворів діафрагми 10 схема не працює, так як дослідження виконані в роботі [3] показали, що при прийомі розсіяного назад випромінювання відбувається зміна стану його поляризації по відношенню до поляриr r зації зондуючих пучків K 04 і K 05 (фіг. 2) і тільки при кутах розсіяння 180° і в площині пучків Oxz не відбуваються зміни стану поляризації. У ЛДА, що пропонується усунені недоліки властиві прототипу і відомому ЛДА. Він має чутливість в 2 рази більше при тому ж куті у між зондуючими пучками, а також інші додаткові переваги в порівнянні з прототипом, які розкриті в тексті опису винаходу. Джерела інформації. 1. Durst F., Melling A., Whitelaw І.Н. Principles and Practice of Laser-Doppler anemometry. - London: Academic Press, 1976, (аналог). 2. Рінкевичюс Б. С. Радіотехника і електроніка. - 1969, т. 14, №10, с. 1903, (прототип). 3. Землянський В.М. Вимірювання швидкості потоків лазерним доплерівським методом. — К.: Вища шк., 1987, -177 с. вхід змішувача 27, на другий вхід якого подається високочастотний сигнал з виходу фотоприймача 24 на частоті v2, після проходження селективного фільтра 25, настроєного на частоту 2WМ1. На виході змішувача 27 за допомогою фільтра нижніх частот 28 виділяється сигнал на різничній частоті 8p v3=v1-v2= sin æ g ö Vx, (1) ç 2÷ l è ø частота якого вимірюється блоком 29, що видає інформацію про модуль і знак проекції швидкості Vx. Частота, що вимірюється, визначається тільки проекцією швидкості Vx і на точність вимірювання не впливає нестабільність параметрів генератора 8. Як видно з виразу (1) чутливість схеми рівна é ù Гц ú 4p æ g ö Sx ê sinç = ÷, êм ú l è 2ø ë сû тобто в два рази вище, ніж у прототипі і відомих схемах, в яких кут між зондуючими пучками 4 і 5 рівний g. Потрібно зазначити, що два отвори діафрагми 10 мають розмір рівний діаметру зондуючих пучків 4 та 5 і ці отвори повинні бути орієнтовані в просторі так, щоб вони пропускали лазерні пучки 4 і 5 3 39445 Фіг. 1 4 39445 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5