Багатохвильовий лазерний допплерівський анемометр

Реферат: Багатохвильовий лазерний допплерівський анемометр складається з лазера на трьох довжинах хвиль, світлодільника, двох фазорегуляторів, трьох ліній затримок, датчика, приймального блока та вимірювача допплерівської частоти. Пристрій відрізняється високою чутливістю та може використовуватися для вимірювання дуже малих швидкостей. UA 102646 C2 (12) UA 102646 C2 UA 102646 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання газових і рідинних потоків. Відомий лазерний допплерівський анемометр (ЛДА) [1], який включає лазер, фокусуючий об'єктив, дзеркало, змішувач, фотоприймач і вимірювач допплерівської частоти. Проте, відомий вимірювач має невисоку чутливість, змінювати яку можна тільки шляхом зміни кута α між розсіяними пучками. Найбільш близьким технічним рішенням є багатохвильовий лазерний допплерівський анемометр (МЛДА) [2], що складається з оптично узгоджених багатохвильового лазера, випромінюючого на трьох довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 ; блока формування двох паралельних пучків, який включає багатохвильовий світлодільник, частотозсувний пристрій з генератором високої частоти і дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок, який включає два фазорегулятори з блоками живлення, лінію затримки на шляху одного зондуючого пучка, а також трьох ліній затримок і трьох селективних дзеркал на довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 ; датчика, який включає фокусуючий об'єктив; приймального блока, що включає багатохвильовий змішувач, діафрагму з шістьма отворами, лінійку з шести інтерференційних світлофільтрів та фотоприймач, вихід якого з'єднаний з вимірювачем допплерівської частоти. Відомий МЛДА має низьку чутливість, тому не може бути використаний для точного виміру дуже малих швидкостей. В основу винаходу поставлена задача підвищення чутливості схеми МЛДА при незмінних параметрах схеми та збереженні високого відношення сигнал/шум. За рахунок використання в схемі апертурної діафрагми з 8-ма отворами, в якій відстань bi - від оптичної осі схеми OZ до центрів 2-х отворів, через які проходять розсіяні пучки, відповідні прийому на довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 визначається зі співвідношення:   b     i   a       sin arctg   , bi  F tan arcsin i sin arctg 1    1 1  F   1   F          де і=2, 3;  1 >  2 >  3 . Поставлена задача досягається тим, що в багатохвильовому лазерному допплерівському анемометрі, що складається з оптично узгоджених багатохвильового лазера, випромінюючого на трьох довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 ; блока формування двох паралельних пучків, який включає багатохвильовий світлодільник, частотозсувний пристрій з генератором високої частоти і дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок, який включає два фазорегулятори з блоками живлення, лінію затримки на шляху одного зондуючого пучка, а також трьох ліній затримок і трьох селективних дзеркал відповідно на  1 ,  2 ,  3 ; датчика, який включає фокусуючий об'єктив; приймального блоку, який включає багатохвильовий змішувач, діафрагми з шістьма отворами, лінійки з шести послідовно встановлених інтерференційних світлофільтрів на довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 і фотоприймач, вихід якого з'єднаний з вимірювачем допплерівської частоти, додатково встановлена апертурна діафрагма з 8-ма отворами, виконаними таким чином, що при вибраних координатах центрів отворів а і bi вибираються координати симетричних центрів отворів для розсіяних пучків на довжинах хвиль  2 і  3 виходячи зі співвідношення.   b     i   a       sin arctg   , (1) bi  F tan arcsin i sin arctg 1    1    1  F  F      1     де і=2, 3;  1 >  2 >  3 ; F - фокусна відстань об'єктива; a - відстань від оптичної осі симетрії схеми до центрів 2-х отворів апертурної діафрагми, через які проходять два зондуючих пучки; bi - відстань від осі схеми до центрів 2-х отворів апертурної діафрагми, через які проходять розсіяні пучки (і=1, 2, 3), крім того, три лінії затримки встановлені на шляху однієї пари трьох розсіяних пучків, а два фазорегулятори і два селективних дзеркала на шляху цих двох із трьох розсіяних пучків. Багатохвильовий лазерний допплерівський анемометр (фіг. 1) (МЛДА) включає: багатохвильовий лазер 1, який випромінює пучок 2 на трьох довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 (наприклад, аргоновий лазер), багатохвильовий світлодільник 3, який ділить пучок 2 на два пучки 4 і 5 рівної інтенсивності на кожній із довжин хвиль випромінювання  1 ,  2 ,  3 , пристрій 1 UA 102646 C2 зсуву частоти 6 з генератором високої частоти 7, дзеркало 8, лінію затримки 9, апертурну діафрагмою з 8-ма круглими отворами, фокусуючий об'єктив 11, зону вимірювання 12, в якій два пучки 4 і 5 перетинаються у фокусі об'єктива 11 під кутом  , розсіяні пучки 13, 14, 15, 16, 17 і 18, селективні дзеркала 19 для довжини хвилі  3 , селективні дзеркала 20 для довжини хвилі  2 , 5 10 15 20 25 30 35 40 селективні дзеркала 21 для довжини хвилі  1 , лінії затримок 22, 23 і 24, багатохвильовий складовий змішувач 25 для довжин хвиль  1 ,  2 ,  3 , діафрагму 26 із шістьма отворами, лінійку з шести інтерференційних світлофільтрів 27 для довжин хвиль  1 ,  2 ,  3 , фотоприймач 28, вимірювач допплерівської частоти 29; а також блок формування двох паралельних пучків 34, що включає оптичні елементи й пристрої: 3, 6 і 8; оптичний пристрій тимчасових затримок 35, що включає відповідно: 9, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 30 і 31; датчик 36, що включає відповідно: 10 та 11; приймальний блок 37, що включає відповідно: 25, 26, 27 і 28. МЛДА працює таким чином. Лазер 1 випромінює пучок 2 на трьох потужних довжинах хвиль ,  2 ,  3 , який ділиться світлодільником 3 на два пучки рівної інтенсивності 4 і 5, тобто 1 потужність пучка 4: P4  P1  P2  P3 дорівнює потужності пучка 5: P5  P1  P2  P3 , де Pi - потужність випромінювання на довжині хвилі  1 (і=1, 2, 3). Пучок 5, після проходження частотозсувного пристрою 6, зміщується по частоті на фіксовану величину м і потім, відбившись від дзеркала 8, поширюється, як і пучок 4, паралельно і симетрично відносно оптичної осі схеми OZ. Пучки 4 і 5 мають узгоджені стани поляризації, наприклад, ці пучки вертикально поляризовані. Пучки 4 і 5 після проходження через два отвори діафрагми 10 фокусуються об'єктивом 11 в зоні вимірювання 12, в якій вони перетинаються під кутом у (фіг. 1). Однак, оскільки пучок 5, після проходження лінії затримки 9 затримується за часом відносно пучка 4 на величину 3  кі (  кі - максимальний час когерентності випромінювання, що відповідає довжині хвилі і ), то в зоні вимірювання не формується інтерференційна картина. При проходженні через зону вимірювання 12, наприклад, повітряного потоку, розсіяне на мікрочастинках випромінювання у напрямках 13 і 14, 15 і 16, а також 17 і 18, розташованих симетрично відносно осі схеми OZ, збирається об'єктивом 11 в межах малих круглих отворів апертурної діафрагми 10, яка знаходиться в фокальній площині об'єктива 11. Розсіяні пучки 13 і 15, після проходження відповідних фазорегулятора 30 і 31 та відображення відповідно від селективних дзеркал 19 і 20 на довжинах хвиль  1 і  2 , далі проходять лінії затримки 22 і 23 і спрямовуються на перший вхід складового змішувача 25. На цей вхід змішувача 25 подається також розсіяний пучок 17 після відбиття від селективного дзеркала 17 на довжині хвилі  3 і проходження лінії затримки 24. На другий вхід змішувача 25 направляються розсіяні пучки 14, 16 і 18 (на фіг. 1 на шляху пучків 14, 16 і 18 показані дзеркала 19, 20 і 21, встановлення яких у схемі МЛДА не має принципового значення). Час затримки пучків: 13 - 3 ; 15 - 2 ; 17 - 1 , який створюється за допомогою ліній затримок 22, 23 і 24 вибирають таким, щоб при оптичному змішуванні пар пучків: 13-14; 15-16; 17-18, для цих пар пучків модуль комплексного ступеня часової когерентності |   2 3   1 , тобто вони були когерентні. На виході змішувача 25  формуються 6 пучків, що відповідають довжинам хвиль:  1 ,  2 ,  3 ,  1 ,  2 і  3 , які проходять через шість отворів діафрагми 26 і лінійки з шести інтерференційних світлофільтрів на довжинах хвиль:  1 ,  2 ,  3 ,  1 ,  2 і  3 , і далі спрямовуються на фотокатод фотоприймача 28. На виході фотоприймача 28 формуються три корисних високочастотних сигнали, що відповідають оптичному змішуванню розсіяних пучків на довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 , на частоті: 8     i     i  , (2) sin  cos V i  4   4  де  i - кут між розсіяними пучками (і=1, 2, 3) на довжині хвилі i ; Vx - горизонтальна проекція вектора швидкості Vx  cos  . Ці три сигнали збігаються за частотою 1  2  3   і підсумовуються, якщо для геометрії зондуючих і розсіяних пучків виконується співвідношення (фіг. 1): i  M  45   b     i   a       sin arctg   , bi  F tan arcsin i sin arctg 1    1    F  F      1  1     де i=2, 3;  1 >  2 >  3 ; F - фокусна відстань об'єктиву; 2 (3) UA 102646 C2 5 10 15 20 25 а - відстань від оптичної осі симетрії схеми OZ до центрів 2-х отворів апертурної діафрагми 10, через які проходять два зондуючих пучки 4 і 5; bi - відстань від осі схеми OZ до центрів 2-х отворів апертурної діафрагми 10, через які проходять пари розсіяних пучків: 13-14; 15-16; 17-18. Три корисних сигнали на одній частоті  для конкретних параметрів оптичної схеми МЛДА можуть мати різноманітні фази. Тому для ефективного прийому необхідно забезпечити також фазові узгодження трьох корисних допплерівських сигналів [3]. Синфазність цих трьох сигналів забезпечується за допомогою фазорегуляторів 30 і 31. Для схеми МЛДА виконуються умови автоматичного заглушення 15 високочастотних сигналів - перешкод за рахунок руйнування часової когерентності між змішуваними розсіяними пучками формуючими ці 15 сигналів. Частота сигналу (1) вимірюється вимірником допплерівської частоти 29, який видає інформацію про модуль і знак проекції швидкості Vx . Схема МЛДА на відміну від прототипу має відносно високу чутливість:   Гц  4    i     i  (4) Sx   sin  cos , м  i   4   4   с тому її ефективно використовувати при вимірюванні малих швидкостей потоків: мм/с і менше. У розробленому МЛДА усунені недоліки, властиві прототипу і відомим пристроям. В МЛДА забезпечується істотне підвищення чутливості (на порядок і більше) при незмінних параметрах оптичної схеми, за рахунок нової геометрії і параметрів зондуючих і розсіяних пучків (див. (2)), а також апертурної діафрагми. МЛДА може використовуватися для вимірювання дуже малих швидкостей, наприклад, при броунівському русі, де прототип через низьку чутливість не може бути використаний. Джерела інформації: 1. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной допплеровской анемометрии. - М.: Наука, 1982 г., - С. 67-69. 2. Багатохвиольовий лазерний допплерівський анемометр. Землянський В.М., Гусев М.О. Заявка подана в Держпатент України № a 201111749 від 5.10.11 р. 3. Землянский В.М. Измерение скорости потоков лазерным допплеровским методом. - К.: Вища шк., 1987. - 117 с. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 Багатохвильовий лазерний допплерівський анемометр, що складається з оптично узгоджених багатохвильового лазера, випромінюючого на трьох довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 ; блока формування двох паралельних пучків, який включає багатохвильовий світлодільник, частотозсувний пристрій з генератором високої частоти і дзеркало; оптичного пристрою створення тимчасових затримок, який включає два фазорегулятори з блоками живлення, лінію затримки на шляху одного зондуючого пучка, а також трьох ліній затримок і трьох селективних дзеркал відповідно на  1 ,  2 ,  3 , датчика, який включає фокусуючий об'єктив; приймального блока, що включає багатохвильовий змішувач, діафрагми з шістьма отворами, лінійки з шести послідовно встановлених інтерференційних світлофільтрів на довжинах хвиль  1 ,  2 ,  3 і фотоприймач, вихід якого з'єднаний з вимірювачем допплерівської частоти, який відрізняється тим, що має апертурну діафрагму з 8-ма отворами, виконаними таким чином, що при вибраних координатах центрів отворів a і bi вибираються координати симетричних центрів отворів для розсіяних пучків на довжинах хвиль  2 і  3 , виходячи зі співвідношення:   b     i   a       sin arctg   , bi  F tan arcsin i sin arctg 1    1 1  F   1   F          де i  1 2, 3 ; 1   2   3 ; , F - фокусна відстань об'єктива; a - відстань від оптичної осі симетрії схеми до центрів 2-х отворів апертурної діафрагми, через які проходять два зондуючих пучки; 3 UA 102646 C2 bi - відстань від осі схеми до центрів 2-х отворів апертурної діафрагми, через які проходять розсіяні пучки ( i  1 2, 3 ), крім того, три лінії затримки встановлені на шляху однієї пари трьох , розсіяних пучків, а два фазорегулятори і два селективних дзеркала - на шляху цих двох із трьох розсіяних пучків. 5 10 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4