Лазерний доплерівський анемометр

1. Лазерний доплерівський анемометр, який складається із лазера, блока формування двох лазерних пучків з взаємно орто гональними поляризаціями, який має напівхви льову фа зову пластину, частотозсувний пристрій з високочастотним генератором і дзеркало, да тчика, який має фокусуючий об'єктив, приймального блока, який включає діафрагму з двома отворами, поляризатор, інтерфе ренційований світлофільтр і фо топриймач, а також з вимірювача доплерівської часто ти, який відрізняється тим, що в нього додатково введені в блок фо рмування поляризаційний розщеплювач, на вході якого встановлена напівхвильова фазова пластина, в датчик-діафрагма з чотирма отворами, розміщеними симетрично відносно оптичної осі об'єктива в площині зондуючих пучків, два поляризаційних фільтри, входи яких оптично узгоджені з двома отворами діафрагми, розташованими симметрично відносно оптичної осі, в приймальний блок послідовно встановлені між діафрагмою і фотоприймачем лінза, призма Волластона, лінійний поляризатор, а також A 2 41625 1 3 41625 4 Недоліком даного ЛДА є те, що, по-перше, він чотирма отворами орієнтованими в площині OXZ; може працювати при прийманні розсіяного назад фокусуючого об'єктиву 12, зони вимірювання 13, випромінювання тільки тоді, коли кут між розсіяних пучків 14 і 15; діафрагми з двома g дорівнює куту a між отворами 16, лінзи 17, призми Волластона 18, зондуючими пучками лінійного поляризатора 19, інтерференційного g = a ), що обмежує область розсіяними пучками ( світлофільтру 20, фотоприймача 21, вимірювача його використання тільки вимірюванням відносно доплерівської частоти 22, блока формування двох малих швидкостей. По-друге, у відомому ЛДА відлазерних пучків 5 і 6 з взаємно-ортогональними бувається неефективне приймання розсіяного наполяризаціями 23, датчика 24, приймального зад випромінювання і в схемі може використовуваблоку 25, оптичного узгоджуючого пристрою 26; тися одномодовий лазер з відносно великою довякий для ЛДА (фіг. 1) являє собою чотири жиною когерентності лазерного ви промінювання, одномодових світловоди 27, 28, 29 і 30 з який має відносно невелику потужність випромінюпристроями вивода та ввода колімірованного вання. лазерного пучка на кінцях кожного світловода; а Задачею винаходу є розширення діапазону для ЛДА (фіг. 2 і 3) 26 – це оптична лінія затримки. перебудови чутли вості ЛДА без змінення ЛДА з волоконно-оптичним узгодженим пристроєм (фіг. 1) працює таким чином. просторового розділення (g = const), що дає Лазер 1 випромінює лінійно поляризований пуможливість використовувати його як для виміру чок 2, який прохо дить напівхви льову фа зову пласмалих так і великих швидкостей; збільшення тину 3 і далі направляється на вхід поляризаційноефективності прийому розсіяного випромінювання го розщеплювача 4. Азимути шви дкої осі пластини (100% прийом розсіяного випромінювання 3 і осі пропускання розщеплювача 4 вибирають тазабезпечується за рахунок перетворення кими, щоб на вихо ді розще плювача 4 були сфо рполяризаційної модуляції в 100% модуляцію мовані два лазерних пучка 5 і 6 з лінійними і взаєінтенсивності), а також збільшення сигналу / шуму мно-ортогональними поляризаціями, наприклад, на виході фотоприймача. пучок 5 має азимут 90° а пучок 6 – 0°. Лазерний Поставлена задача досягається тим, що в ЛДА пучок 6, після прохо дження часто тозсуваючого який складається з лазера, блока формування пристрою 7, зміщується по частоті на фіксуючу двох ла зерних пучків із взаємно ортогональними поляризаціями, який включає в себе напівхвильоW м і далі після відбивання від дзеркала величину ву фа зову пластину, частото зсуваючий пристрій з 9 направляється на вхід світловода 27. Лазерні високочастотним генерато ром і дзеркало; датчика, пучки 5 і 6 направляються по світловодам 27 і 28 з який включає в себе фокусуючий об'єктив; приблока формування 23 в датчик 24. Причому на ймального блока, який включає в себе діафрагму з виході світловода 27 формується колімірований двома отворами, поляризатор, інтерференційний r r світлофільтр та фо топриймач, а також вимірювач лазерний пучок К 05 ( К 05 – хвильовий вектор доплерівської частоти додатково введені в блок п'ятого зондуючого пучка), який має лінійну формування поляризаційний розщеплювач, на r вході якого встановлена напівхвильова фазова К 05 – вертикально поляризацію з азимутом 90° пластина; в датчик – діафрагма з чотирьма поляризований пучок), а на виході світловода 28 отворами, розташованими симетрично відносноr оптичної осі об'єктива, два поляризаційних К 06 з горизонтальною поляризацією. Ці пучок фільтра, входи яких оптично узгоджені з двома отворами діафрагми, розташованих симетрично пучки 5 і 6 проходять одну пару отворів діафрагми оптичної осі; в приймальний блок – послідовно 11, разташованих симетрично відносно оптичної встановлені між діафрагмою і фотоприймачем осі датчика 24 OZ і далі фокусуються під кутом у в r лінза, призма Волостона та поляризатор, а також зоні вимірювання 13, через яку із швидкістю V оптичноузгоджений пристрій, який забезпечує рухається потік рідини або газу. Розсіяне назад узгодження виходу блока формування з входом випромінювання в напрямках 14 і 15, кут між якими датчика, а також виходу датчика з входом приймального блока. складає a збирається об'єктивом 12 в межах На фіг. 1 показана блок-схема ЛДА з іншої париотворів діафрагми 11, розташованих волоконно-оптичним пристроєм; на фіг. 2 – блоксиметрично відносно осі OZ, а далі направляється схема ЛДА для великошвидкісних газових потоків, на входи поляризаційних фільтрів 101 і 102. Чотири на фіг. 3 блок – схема ЛДА для рідких потоків, на кругових о твори діафрагми 11, розташованої в фіг. 4 геометрія зондуючих і розсіяних пучків для площині паралельно OXY (фіг. 1), орієнтовані ЛДА з малою чутливістю, на фіг. 5 геометрія паралельно осі ОХ в пло щині зондуючих пучків 5 і розсіяних та зондуючи х п учків для режима роботи 6 (OXZ). Тільки в цій площині, як показали ЛДА з максимальною чутливістю. дослідження [3], не спостерігаються зміни стану ЛДА (фіг. 1, 2, 3) складається з: лазера 1, який поляризації розсіяного випромінювання при його випромінює лінійно-поляризований пучок 2, напівприйманні назад. Нехай, наприклад, ЛДА вимірює хви льової фа зової пластини 3, поляризаційного гіперзвукову швидкість повітряного потоку і розщеплювача 4, який ділить пучок 2 на два пучка необхідно забеспечити малу чутливість ЛДА при 5 і 6 з взаємно ортогональними поляризаціями; чазбереженні високого просторового розділення. В стотозсуваючого пристрою 7, підключеного до вицьому випадку азимут осі пропускання фільтра 101 сокочастотного генератора 8, дзеркала 9; поляривстановлюється 0° а азимут осі пропускання заційних фі льтрів 101 і 102, діафрагми 11 з фільтра 102 – 90°, і тому на вхід світловода 30 ( ( 2 5 направляється розсіяний r К s 61 , пучок 41625 Якщо ЛДА (фіг. 1) призначена для вимірювання дуже малих швидкостей, то його легко перевести в режим роботи з максимальною чутливістю, не змінюючи при цьому геометрію зондуючих і розсіяних пучків (див. фіг. 5). Для цього азимут осі пропускання поляризаційного фільтра 101 встановлюється 90°' а фільтра 102-0°. У цьому випадку на виході призми Волластона 18 просторово змішуються когерентні розсіяні r K 06 , а на сформований від зондуючого пучка r K s52 від вхід світловода 29 – відповідно пучок r K 05 . (див. фіг. 4). Розсіяні пучки зондуючого пучка r r К s 61 і K s 52 далі по світловодам 30 і 29 передаються в приймальний блок 25 і на виході світловодів формуються два колімірованих розсіяних пучка з лінійними взаємноортогональними поляризаціями, які після проходження двох отворів діафрагми 16 і лінзи 17 направляються під кутом Волластона 18 Волластона). На виході (b – призми b r r К iK s 51 s 62 які мають взаємно ортогональні пучки поляризації і рівні інтенсивності (фіг. 5), а на виході фотоприймача 22 формується сигнал на частоті на вхід призми параметр 18 призми де забезпечується просторове зміщення розсіяних пучків r K s52 , r К s 61 r r K s52 , тому п учки К s61 і S x 2 ( Гц / м / с = пучків і і на вході поляризатора 19 мають високу ступінь когерентності і рівні інтенсивності. Якщо азимут осі пропускання поляризатора 19 вибрати рівним куту 45° з направленням коливання електричного вектора електромагнітної хвилі пучка r K s52 ), (або то на виході поляризатора 19 буде спостерігатися 100% модуляція по інтенсивності розсіяного випромінювання на частоті рівній (див. фіг. 4), r r r r r w1 = W M + ( K 3 - K1 )V = W M + K 4V , ¶e r r r r r r K1 = K 06 - K 05; K 3 = K s 52 - K s61. Якщо a g ), то ця (2) таким чином 2 a ( sm ), l 2 та S x2>>Sx1. (3) Використання волоконно-оптичного варіанту ЛДА (фіг. 1) доцільно, коли область зондування 13 знаходиться в важкодоступній точці. Тоді датчик 24 може бути виконаний мініатюрним та його можна розташувати на достатньо великій відстані від лазера 1 і блоків формування 23 і прийому 25. Режим работа з максимальною чутливістю (3) використовується при вимірюванні малих швидкостей кровотечі в сосудах живих організмів, наприклад, в області серця при діагностиці сердечно-сосудистих захворюваннях. При аеродинамічних дослідженнях, наприклад, констр укцій літаючих апаратів, потрібно використовувати варіант ЛДА (фі г. 2), коли блоки 23, 24, 25 і 26 виконуються і об'єднуються в єдину конструкцію. Швидкості повітряних потоків можуть набирати декілька сотень м/с, тому в цьому випадку необхідно забезпечити як малу чутливість схеми (1), так і високе її просторове розділення, тобто зондувати поток пучками 5 і 6 з відносно великим кутом g. Блок формування 23 оптично узгоджений з датчиком 24 через лінію затримки 26, а поляризаційній фільтри 101 і 102 мають азимути осей пропускання відповідно рівними 0° і 90°. Крім того, ви ходи фільтрів 101 і 102 оптично узгоджені з двома входами (через отвори діафрагми 16) приймального блока 24, оптична вісь якого складає 90° з оптичною віссю OZ датчика 24. Оскільки приймальний блок 24 і лазер 1 розташовані по одну сторону від осі OZ, то з допомогою лінії затримки 26 можна компенсувати різницю оптичного хода і забеспечити високу r K s52 r К s 61 r r v K 2 = K s51 - K s62, , чутливість ЛДА зростає і стає рівною які мають лінійні взаємно ортогональні поляризації і різні частоти, величини яких визначаються доплерівським здвигом. В силу симетрії схеми забезпечується рівність оптичного хода як зондуючих п учків 4 і 5, так і розсіяних r К s 61 6 якщо g і a а мало відрізняються один від одного. частота = Vx,«+» – використовуєтся в формулі, якщо g > a , a «-» – якщо a > g . Модулірований розсіяний пучок далі направляється через інтерференційний світлофільтр 20 на фотоприймач 21, частота виходного сигнала якого вимірюється блоком 22. Чутливість схеми ЛДА рівна степінь когерентності розсіяних пучків r K s52 , r К s61 і і, відповідно, використовувати в схемі потужний лазер. При гідродинамічних дослідженнях середовищ з рідини доцільно використовувати варіант ЛДА (1) таким чином вона вибрана мінімальною SXMIN, 3 7 41625 8 (фіг. 3), який працює в режимі з максимальною назад випромінювання і забезпечується висока чутливістю S x2 (фіг. 3). В цьому випадку степінь часової когерентності змішуючи х розсіяних поляризаційні фільтри 101 і 102 мають азимути пучків, що збільшує відношення сигналу / шум на осей пропускання відповідно рівними 90° і 0°, а виході фотоприймача. Другі переваги ЛДА приймальний блок 25 і лазер 1 розташовані з розібрані при описі його праці. протилежних сторін від осі OZ. Лінія затримки 26 компенсує різницю оптичного хода і забезпечує Джерела інформації: високу степінь часової когерентності розсіяних r r 1. Дубнищев Ю.Н. Ринкевичус Б.С. Методи К s 51i K s 62 , просторово змішаних на виході лазерної допліревської анемометрії. – М.: Наука, пучків 1982. – С. 204-207 (аналог). призми Волластона 18. В іншому ЛДА показані на 2. Лазерний доплерівський анемометр. Заявка фіг 2 і 3 працюють аналогічно волоконноподана в Держпатент України. – 08.2000 р. оптичному ЛДА (фіг. 1). (прототип). В запропонованому ЛДА усун уті недоліки які 3. Землянський В.М. Вимірювання швидкості присущі прототипу і відомим пристроям. Він може потоків лазерним доплерівським методом. – К.: g (a >g ) з a< працювати при кутах: Вища школа, 1987. – 177 с. прийманням розсіяного назад випромінювання як . в режимі малої, так і високої чутливості. В ньому виконується повний 100% прийом розсіяного Фіг. 1 4 9 41625 Фіг. 2 5 10 11 41625 Фіг. 3 Фіг. 4 6 12 13 41625 14 Фіг. 5 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул. Сім’і Хохлови х, 15, м. Київ, 04119, Україна Тел.: (+38044) 456-2090 7