Способ измерения линейной скорости объекта и оптико- волоконный измеритель линейной скорости

 

1. Способ измерения линейной скорости объекта путем облучения его пучком когерентного света, приема рассеянного от объекта света и измерения частоты доплеровского сигнала в рассеянном свете, по которому судят о составляющей вектора скорости движения объекта, параллельной оси пучка когерентного света, отличающийся тем, что, с целью измерения вектора скорости путем одновременного измерения его ортогональной компоненты , пучок когерентного света пространственно модулируют по амплитуде и измеряют максимальную ширину спектра дойлеровского сигнала, по которой судят о составляющей век (Л тора скорости движения объекта, ортогональной осипучка когерентного света.

СОЮЗ ИЮЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУ БЛИН (51) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ы:: ЛД()1Д„ света ° фслх 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3476907/18-10 (22) 23.06.82 (46) 23.08.85. Бюл. № 31 (72) Л.К. Яровой, Н.Ф. Богомолов, В.А. Свирид и С.Н. Хотяинцев (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалисти ческой революции (53) 532.574. (088.8) (56) Патент Великобритании

¹ 1087467, кл. G 1 А, 1967.

Танака Т., Benedek G.Â. Арр1ау

Optics, 1975, 14, № 1 189-196 (54) СПОСОБ ИЗИЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОЙ

СКОРОСТИ ОБЪЕКТА И ОПТИКО-ВОЛОКОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНОЙ СКОРОСТИ. (57) 1. Способ измерения линейной скорости объекта путем облучения

„„SU„„107 5814 A его пучком когерентного света, приема рассеянного от объекта света и измерения частоты доплеровскога сигнала в рассеянном свете, по которому судят о составляющей вектора скорости движения объекта, параллельной оси пучка когерентного света, отличающийся тем, что, с целью измерения вектора скорости путем одновременного измерения его ортогональной компоненты, пучок когерентного света пространственно модулируют по амплитуде и измеряют максимальную ширину спектра доПлеровского сигнала, по которой судят о составляющей вектора скорости движения объекта, ортогональной оси-пучка когерентного

107581

2. Оптико-волоконный измеритель линейной скорости, содержащий после" довательно расположенные лазер, светоделитель, фокусирующую линзу, светодиод и фотоприемник, оптически согласованный со светоделителем, а также измеритель частоты до!1леровского сигнала, подключенный к фотоприемнику, о т л и ч а ю щ и йс. я тем, что в него введен измеритель ширины спектральных составляющих фототока, подключенный к фотоприемнику, а световод выполнен многомодовым, 1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости объектов,в том числе потоков жидких и газовых сред. Изобретение может быть использовано при проведении измерения в труднодоступных местах и может найти применение в медицине, в нефтехимической промьппленности, в теплоэнергетике. ::. 10

Известен способ измерения линейной скорости движения объекта, в котором облучают объект пучком когерентного света, принимают рассеянный от объекта свет и измеряют час- 15, тому доплеровского сигнала в рассеянном свете, по которой судят о составляющей вектора скорости движе" ния объекта.

Известен оптико-волоконный изме- 20 ритель скорости, содержащий последо- . вательно расположенные лазер, светоделитель, фокусирующую,линзу, световод и фотоприемник, оптически согласованный со светоделителем, и 25 измеритель доплеровской частоты,подключенный к фотоприемнику.

Действие известного устройства основано на измерении доплеровской частоты пропорциональной скорости g0 движения среды. Выделение доплеровской частоты происходит на фотоприемнике при фотосмещении двух оптических сигналов: опорного возникающего

1 при отражении части излучения выход- З ным торцом световода, и рассеянного движущейся средой. При этом световод играет роль приемо-передающей антенны. . Известные способы и устройства, 40 позволяют измерять лишь одну составляющую вектора скорости, параллельную оси пучка лазера, что является

2 недостатком, снижающим точность измерений.

Цель изобретения — измерение вектора скорости путем одновременного измерения его ортогональной компоненты.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения линейной скорости объекта путем облучения его пучком когерентного света, приема рассеянного от объекта света и измерения частоты доплеровского сигнала s рассеянном свете, по которому судят о составляющей вектора скорости движения объекта, параллельной оси пучка когерентного света,.пучок когерентного света прост- . ранственно модулируют по амплитуде и измеряют максимальную ширину спектра доплеровского сигнала, по которой судят о составляющей вектора скорости движения объекта, ортогональной оси.пучка когерентного света.

В оптико-волоконный измеритель, содержащий последовательно расположенные лазер, светоделитель, фокусирующую линзу, световод и фотоприемник, оптически согласованный со светоделителем, а также измеритель частоты доплеровского сигнала, подключенный к фотоприемнику, введен измеритель ширины спектральных составляющих фототока, подключенный к фотоприемнику, а световод выполнеч многомодовым.

На фиг.f приведена схема, поясняющая сущность предлагаемого способа измерения скорости; на фиг.2 — схема предлагаемого оптико-волоконного измерителя на фиг.З вЂ” схематически показано расположение вектора скорости и его составляющих по отношению к облучающему пучку; на фиг.4—

107581 4 где Л вЂ” пространственная частота модулирующей функции; 30

dA — ширина спектра пространственных частот; — произвольно выбранная ось в поперечном сечении пучка.

Объект, пересекающий облучающий 35 пучок, рассеивает излучение, которое направляют на фотоприемник 5, где смешивают с излучением опорного пучка.

Доплеровская частота фототока 40 фотоприемника 5 определяет продольную составляющую вектора скорости Vz. ширина доплеровского спектра определяет поперечную составляющую вектора скорости V z.

Доплеровскую частоту измеряют частотомером 6 и определяют ч -,.

Измерителем 7 (анализатор спектра) измеряют ширину спектра доплеровского сигнала и затем определяют 5о поперечную составляющую скорости vz.

Описанный способ измерения скорости осуществлен в волоконнооптическом измерителе (см.фиг.2).

Измеритель содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер 1, направленный ответвитель 2, собирающую линзу 8, много45 распределение амплитуды поля в поперечном сечении облучающего пучка, на фиг.5 — график зависимости ширины спектра пространственных частот поля облучающего пучка от расстояния до торца световода.

Ф

На фиг.1 изображено .устройство.

Устройство содержит лазер 1, полупрозрачное зеркало-светоделитель 2; модулятор 3, зеркало 4 и фотоприем- 10 ник 5, подключенный к измерителю доплеровского спектра 6 и измерителю ширины доплеровского сигнала 7.

При реализации способа излучение лазера 1 делят полупрозрачным зеркалом 2 на два пучка: облучающий и опорный. Облучающий пучок пропускают, через модулятор 3 и направляют на объект, а опорный пучок направляют на зеркало 4 и далее на фото- 2р приемник 5. Модулятор модулирует облучающий пучок в поперечном сечении по амплитуде, причем спектр пространственных частот . (Л ) (модулирующей) функции 4(Р) имеет ограниченную 25 ширину!

jAI с, (() модовый световод 9. Направленный ответвитель 2 может быть выполнен в виде полупрозрачного зеркала с поляризатором 10 между ним и объективом 11 или в виде зеркала с отверстием на оптической оси для прохождения прямого лазерного излучения и поляризатора 10, помещенного также между. зеркалом и объективом

11, в обоих случаях главная ось поляризатора скрещена с плоскостью поляризации рямого лазерного излучения. Направленный ответвитель 2 может быть также выполнен в виде призмы Рашона или Волластона. Направленный ответвитель 2 оптически связан с последовательно расположенными объективом 11 и фотоприемником 5. С фотоприемником 5 связан измеритель доплеровской частоты фототока 7, например частотомер, и измеритель ширины доплеровского спектра 6, например анализатор спектра.

В предлагаемом измерителе скорости модчлятором облучающего пучка является сам световод 9. Пучок, прошедший многомодовый световод, промодулирован по амплитуде, так называемыми, спекловыми пятнами (см. 3 и 4). В непосредственной близости от торца (ближняя зона световода) эту модуляцию можно рассматривать как результат интерференции плоских волн, распространяющихся по световоду со случайной фазой в пределах апертуры. Максимальная пространственная частота спекловых пятен соответствует интерференции между плоскими волнами, распространяющимися под максимальным углом, равным апертуре световода.

Следовательно, спектр пространственных частот в ближней зоне световода имеет ограниченную ширину, которая равна

2 sin 8 20

>A= — ", (ц л л где Л=сч

Граница ближней зоны находится на удалении

Z = — ckq8= р D

0 2 26 (5l от торца световода (см.фиг.5). B дальней. зоне, на расстоянии 2 2 от торца световода, ширина спектра

1075814 фиа. 2 пространственных. частот амплитуды поля равна

Дл = (4) 2

5 где 9- диаметр световода.

Таким образом световод модулирует обучающий пучок по амплитуде в поперечном сечении, причем ширина спектра пространственных частот пос- 10 ле световода ограничена и определятся выражениями (2) и (4).

Волоконно-оптический измеритель скорости (см.фиг.2) работает следующим образом. 15

Излучение лазера 1 посредством линзы 8 вводится в световод 9 и рас- пространяется к дальнему концу.На дальнем (выходном) торце распространяющееся по световоду 9 излуче- 20 ние разделяегся на опорный и облу-чающий пучки. При этом опорный пучок отражается от торца обратно в световод 9, а облучающий пучок выходит из световода 9 . падает на движущийся объект, рассеивается и вновь захватывается световодом 9. Отраженный и рассеянньп1 оптические пучки передаются по световоду 9 и направляются на фотоприемник 5. Прн этом прямое лазерное излучение, отраженное линзой 8 и передним торцом световода 9, поглощается поляризатором. 10, чем достигается отсутствие параэитной засчетки на фотоприемнике S.

Сигнал фотоприемника 5 направляется на частотомер 7 для измерения доплеровской частЬты фототока и на анализатор спектра для измерения ширины доплеровского спектра, с помощью которых определяют поперечную и продольные координаты вектора скорости движения объекта.

Погрешность измерения абсолют" ного значения скорости определяется, в основном, погрешностью изменения ее поперечной составляющей v<, В волоконно-оптическом измерителе при использовании в качестве измерителя 6 анализатора спектра эта погрешность составляет около 10Х процентов.

3075814

1075814

I

Техред g.Ìèãóíoâà Корректор В. Гирняк

Редактор С. Титова

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

Заказ 5766/3 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5