Лазерний двокомпонентний допплерівський вимірювач швидкості

Реферат: UA 71995 U UA 71995 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для вимірювання двох складових вектора швидкості потоку рідини або газу. Відомий лазерний допплерівський вимірювач швидкості (ЛДВШ) [1], який складається з лазера, розщеплювача променя, об'єктива, двох приймальний блоків. Приймальні блоки складаються з об'єктива, поляризаційного розщеплювача та двох фотоприймачів. Недоліком такого ЛДВШ є те, що в ньому застосовується двохвильовий лазер, що ускладнює оптичну схему вимірювача та її юстирування. Крім того, в такому ЛДВШ розсіяне лазерне випромінювання мікрочастинками, що рухаються разом з потоком рідини або газу, збирається в невеликій кутовій апертурі, що призводить до низького відношення сигнал до завади. Відомий також двокомпонентний ЛДВШ [2, рис 122 а, с. 148], який складається з лазера, розщеплювача лазерного променя, об'єктива, що фокусує, та двох об'єктивів, що збирають випромінювання, апертурної діафрагми з двома круглими отворами, двох фотоприймачів та двох вимірювачів допплерівської частоти. Але цьому ЛДВШ властиві наступні недоліки. По-перше в зону вимірювання одночасно направляються три променя. За рахунок інтерференції опорних лазерних променів та розсіяних променів на виходах фотоприймачів утворюються на тільки сигнали, що пропорційні двом складовим вектора швидкості потоку, але також сигнали перехресних високочастотних завад, спектри яких можуть накладатися на спектри корисних сигналів. В такому випадку складно виділити корисні сигнали, що пропорційні складовим вектора швидкості потоку. По-друге прийом розсіяного випромінювання у такому ЛДВШ здійснюється у відносно маленькій кутовій апертурі, що призводить до низького відношення сигнал/завада допплерівського сигналу. Відомий ЛДВШ [3] (прототип), в якому в зону вимірювання одночасно направляються три лазерних променя на шляху яких встановлені три оптичних затвора. Такий ЛДВШ складається з ЛДВШ диференціального типу та ЛДВШ на зустрічних променях. Недоліком такого ЛДВШ є те, що за його допомогою неможливо вимірювати Vy- складову вектора швидкості потоку. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення ЛДВШ за рахунок поєднання схем побудови ЛДВШ двох типів - ЛДВШ диференціального типу та ЛДВШ з опорним променем. Задача вирішується за рахунок того, що в ЛДВШ, який містить оптично узгоджений лазер, об'єктив, що фокусує лазерні промені та об'єктив, що збирає розсіяне випромінювання, апертурну та фонову діафрагми, оптичний затвор, що підключений до генератора імпульсів, фотоприймач та вимірювач допплерівської частоти, згідно з винаходом встановлений розщеплювач лазерного променя на два промені, додатково встановлені апертурна та фонова діафрагми, об'єктив, три дзеркала, одне з яких напівпрозоре, два електричних ключа та фотоприймач. Застосування схеми з опорним променем дозволяє проводити вимірювання Vy - складової вектора швидкості, що неможливо у прототипі. В такому ЛДВШ так же як і у прототипі, застосовується розділення каналів вимірювання у часі. Для цього на шляху одного з променів, що направляються в зону вимірювання встановлений оптичний затвор, який підключений до генератора імпульсів. Двокомпонентний ЛДВШ, який вимірює Vx та Vy - ортогональні складові вектора швидкості потоку, схема якого зображена на фіг. 1, складається з схеми ЛДВШ з опорним променем та ЛДВШ диференціального типу. За допомогою диференційного ЛДВШ вимірюється V x - складова вектора швидкості потоку. Схема ЛДВШ з опорним променем призначена для вимірювання Vy - складової вектора швидкості. Лазерний допплерівський вимірювач швидкості, що пропонується, працює наступним чином (див. фіг. 1). Випромінювання лазера 1 за допомогою напівпрозорого дзеркала 2 та дзеркала 3 поділяється на два променя 4 та 5. Лазерний промінь 4 проходить оптичний затвор 6. До оптичного затвору 6 підключений генератор імпульсів 7. У тому випадку, коли імпульс на виході генератора 7 відсутній, оптичний затвор 6 відкритий. В той же час ключ 23 закритий і сигнал з виходу фотоприймача 22 не поступає на вхід вимірювача допплерівської частоти 25. Ключ 24 відкритий і сигнал від фотоприймача 14 може потрапити на вхід вимірювача допплерівської частоти 25. 1 UA 71995 U 5 10 15 За допомогою оптичного затвору 6, генератора імпульсів 7 та ключів 23, 24 проводиться розділення каналів вимірювання у часі. Лазерні промені 4 та 5 за допомогою об'єктива 8 фокусуються в зону вимірювання 9, через яку зі швидкістю V рухається потік рідини або газу. Розсіяне мікрочастинками, що рухаються з потоком, випромінювання 10 збирається в межах апертурної діафрагми 11 за допомогою об'єктива 12 та далі направляється на фотоприймач 14. Для зменшення фонового освітлення перед фотоприймачем 14 встановлена діафрагма 13. Розсіяне випромінювання попадає на фотоприймач 14, на виході якого утворюється електричний сигнал, який має постійну та змінну складові. Змінна допплерівська складова вихідного сигналу фотоприймача 14 пропорційна V x компоненті вектора швидкості потоку. На фіг.2. представлена геометрія лазерних та розсіяних променів у схемі ЛДВШ диференціального типу. На фіг.2 зображені: K 1 , K 2 - хвильові вектори лазерних променів, що направляються в зону вимірювання 9; K s - хвильовий вектор різниці векторів 2 . K s  K1  K 2 ; K s  K 1  K 2  0 Частота допплерівського сигналу на виході фотоприймача буде дорівнювати: fдх  20 2nc V 0 * cos  * sin  2 де: nc - показник заломлення середовища, потоку що досліджується; 0 - довжина хвилі лазерного променя у вакуумі;  - кут між вектором швидкості та різницевим вектором Ks  K1  K 2 ;  - кут між лазерними променями, що об'єктивом 8 направляються в зону 25 30 35 40 45 50 вимірювання 9. Вихідний сигнал фотоприймача 14 поступає на вимірювач частоти допплерівського сигналу 25, за допомогою якого визначається значення Vx складової вектора швидкості V . Схема ЛДВШ з опорним променем вимірює Vy складову вектора швидкості. ЛДВШ з опорним променем утворений об'єктивом 8, який направляє опорний промінь 5 в зону вимірювання 9, апертурною та фоновою діафрагмами 16 та 21, об'єктивом 17, дзеркалами 18, 19, 20 та фотоприймачем 22. Коли на виході генератора імпульсів 7 формується імпульс, він поступає на оптичний затвор 6. Оптичний затвор 6 не пропускає промінь 4 в зону вимірювання 9. Таким чином впродовж тривалості імпульсу  у зону вимірювання 9 направляється тільки один опорний промінь 5. Одночасно імпульс від генератора 7 поступає на ключ 24 та закриває його. Тоді сигнал з фотоприймача 14 не може потрапити на вхід вимірювача допплерівської частоти 25. В той же час імпульс від генератора імпульсів 7 відкриває ключ 23. Випромінювання, яке розсіяне мікрочастинками, що рухаються разом з потоком зі швидкістю збирається під кутом  в межах апертурної діафрагми 16 об'єктивом 17 та направляється на V фотоприймач 22. Опорний промінь 5 відбивається від дзеркала 18, проходить напівпрозоре дзеркало 19, відбивається від дзеркала 20 та знову відбивається від напівпрозорого дзеркала 19 і направляється на фотоприймач 22. Перед фотоприймачем 22 для зменшення фонового освітлення встановлена діафрагма 21. Для того, щоб така схема ЛДВШ з опорним променем вимірювала V y складову вектора швидкості потоку V , необхідно дотримуватися наступної умови. Опорний промінь 5 після проходження зони вимірювання 9 та розсіяний промінь 15 повинні знаходитись у площині, що перпендикулярна площині Oxz. В результаті оптичного гетеродинування опорного та розсіяного променів на виході фотоприймача утворюється електричний сигнал, що має постійну та змінну складові. На фіг. 3 зображена геометрія опорного та розсіяного променів у ЛДВШ з опорним променем. На фіг. 3 зображено: K - хвильовий вектор опорного променя; K s - хвильовий вектор розсіяного променя; K s - K - різницевий хвильовий вектор між розсіяним та опорним променями. 2 UA 71995 U Змінна допплерівська складова вихідного сигналу фотоприймача 20 пропорційна V y складовій вектора швидкості та дорівнює: fду  5 10 15 20 2nc V 0 * cos  * sin  , де: nc - показник заломлення середовища, потоку що досліджується; 0- довжина хвилі лазерного променя у вакуумі;  - кут між вектором швидкості та віссю Oy; - кут між розсіяним променем 15 та опорним променем 5. Імпульс від генератора 7 поступає не тільки на оптичний затвор 6, а і одночасно на ключ 23. На період тривалості імпульсу  ключ 23 відкривається. У цей час вихідний сигнал фотоприймача 22 поступає на вимірювач частоти допплерівського сигналу 25. Таким чином у ЛДВШ, що заявляється, реалізована схема з опорним променем, яка вимірює Vy складову вектора швидкості. Двокомпонентний ЛДВШ, що пропонується, може знайти застосування під час дослідження характеру течії у різного типу гідравлічних систем а також під час дослідження моделей літальних апаратів та їх елементів у аеродинамічних трубах. Джерела інформації: 1. Durst F., Melling A., Whitelaw J.H. Principles and practice of laser-Doppler anemometer. London etc. Acad. Pres, 1976.-401 p. 2. Клочков В.П., Козлов Л.Ф., Потыкевич И.В., Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия. - К., Наукова думка, 1985, 759 с. 3. Патент на корисну модель № 59113 Лазерний двокомпонентний допплерівський анемометр. Від 10.05.2011. Дивнич М.П., Дивнич В.М. МПКG01Р 3/36 (2006/1). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Лазерний двокомпонентний допплерівський вимірювач швидкості, що складається з оптично узгодженого лазера, фокусуючого та збираючого об'єктивів, апертурної та фонової діафрагм, оптичного затвора, до якого підключений генератор імпульсів, фотоприймача та вимірювача допплерівської частоти, який відрізняється тим, що в ньому встановлений розщеплювач лазерного променя на два промені, додатково встановлені апертурна діафрагма та фонова діафрагма, об'єктив, три дзеркала, одне з яких напівпрозоре, два електричні ключі та фотоприймач. 3 UA 71995 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 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