Волоконно-оптический зонд доплеровского анемометра

 

1.ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДОПЛЕРОВСКОГО АНЕМОЖТРА, содержащий последовательно расположенные и оптически согласованные лазер, световод, расщепитель пучка и объектив, отличающийся тем, что, с целью упрощения зонда и уменьшения его габаритов , расщепитель пучка выполнен в виде билинзы, причем параметры зонда связаны соотношением 2tg9(-aФ,)(l-ДФ,) ,() 1, где а - расстояние между световодом и бшганзой; Л - расстояние между билинзой и объективом; Ф,,Ф, оптические силы соответственно каждого компонента билинзы и объектива; 0 d апертура световода; расстояние между компонентами билинзы. 2. Зонд по П.1, о т ли ю щ и и с я тем, что параметры зонда также удовлетворяют соотношению аФг

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИН (1) 4 С 01 P 3/36, 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ .

ФигЛ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3665164/24-10 (22) 25.11 .83 (46) 30.07.87. Бюл. В 28 (71) Киевский политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) С.Н.Хотяинцев и Л.К.Яровой (53) 532.5(088.8) (56) Патент США В 4154529, кл.356-28, (G 0I P 3/36), 1979.

Проспект фирмы PISA 1983г,с.46-48. (54)(57) 1.ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД

ДОПЛЕРОВСКОГО АНЕМОМЕТРА, содержащий последовательно расположенные и оптически согласованные лазер, световод, расщепитель пучка и объектив, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью уп. рощения зонда и уменьшения его габаритов, расщепитель пучка выполнен в виде билинзы, причем параметры зонда связаны соотношением

2eg 9 (1-аФ,) Г(1-ЬФя)

-аФ )/(ЙФ (ЬФ 1)1 1, 2

-SU„„1151089 А где а — расстояние мелду световодом

H 6RJIHH3OH

Ь вЂ” расстояние между билинзой и объективом;

Ф,,Ф вЂ” оптические силы соответственно калдого компонента билинзы и объектива;

8 — апертура световода;

d — расстояние между компонентами билинзы.

2. Зонд по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что параметры зонда также удовлетворяют соотношению аФ = (1 - Ь Ф )(l — аФ,).

3..Зонд по пп.1 и 2, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью Pg повышения соотношения сигнал/шум световод выполнен с характеристической частотой V > 2,6 где V (2 /g) х х r (п — n ) I ; r - радиус сердцевины световода, — длина волны излуче- Я ния лазера nI — показатель преломления материала сердечника, и — пока-. затель преломления материала оболочки.

1151089

Изобретение относится к измеритель ной технике и предназначено для решения задач доплеровской анемометрии по измерению скоростей потоков и отдель5 ных объектов в труднодоступных и удаленных областях. Изобретение может найти применение в нефтехимической промышпенности, в теплоэнергетике, в гидродинамике и т.д. . 10

Известен доплеровский анемометр с волоконно-оптическим зондом, содержащий последовательно расположенные, оптически согласованные лазер, направ ленный ответвитель, световод и фотоприемник, оптически связанный с направленным ответвителем.

В известном анемометре реализован гетеродинный метод приема рассеянного назад объектом излучения. При этом измеряется продольная составляющая вектора скорости объекта (или области) потока находящегося в непосредственной близости к торцу световода. Недостатком известного анемомет- 25 ра является низкий уровень рассеянного назад излучения и возмущение измеряемого потока световодом.

Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптичес- gp кий зонд доплеравского анемометра, содержащий последовательно расположенные и оптически согласованные лазер, световод, расщепитель пучка и объектив.

В прототипе расщепитель пучка выполнен в виде делительной призмы, являющейся громоздкий элементом. При этом при изготовлении зонда требуется тщательная юстировка призмы. 40

Целью изобретения является упрощение зонда, уменьшение его габаритов, а также повышение соотношения сигнал-шум.

Поставленная цель достигается тем, 45 что в известном волоконно-оптическом зонде. доплеровского анемометра содержащем последовательно расположенные и оптически согласованные лазер, световод, расщепитель пучка и объектив, 50 расщепитель пучка выполнен в виде билинэы, причем параметры зонда связаны соотношением .

55 где а — расстояние между световодом и билинзой; расстояние между билинзой и объективом;

Ф,,Ф вЂ” оптические силы соответст-.:; венно каждого компонента билинзы и объектива, 8 — апертура световода;

d — расстояние между компонентами билинзы.

При этом параметры зонда согласно второго пункта формулы изобретения удовлетворяют соотношению аФ = (1-а Ф ) (1-аФ, ) . (2).

Согласно третьего пункта формулы изобретения световод выполнен с характеристической частотой 7 > 2,6, где 7=(2 й/а) z(n, -n ), z — радиус сердцевины световода; % — длина волны излучения лазера; n — показатель преломления материала сердечника; и . — показатель преломления материала, оболочки.

На фиг.1 представлена схема доплеровского анемометра с предлагаемым волоконно-оптическим зондом; на «> фиг.2 — вариант конструктивного исполненйя излучающей головки зонда; на фиг.3 и фиг.4 — приведен ход лучей в излучающих головках с различными параметрами; на фиг.5 изображено соответственно для мод LPo< и LP« распределение поля на торце световода и распределения поля в области интерференции световых пучков; на фиг.б приведены зависимости отношения суммарной интенсивности высокочастотной пространственной составляющей интерференционного поля к интенсивности. низкочастотного пьедестала от расстояния до головки зонда для различнык мод световода.

Волоконно-оптический зонд содержит последовательно расположенные лазер 1, согласующую линзу 2, волоконно-оптический световод 3. Световод 3 может быть выполнен одномодовым, т.е ° с отсечкой высших мод (параметр световода U < 2,6) допускающим распространение моды LP, т.е. без отсечки (Ч 2,6), либо многомодовым.

Выходной торец световода 3 закреплен в наконечнике 4, который фикси- руется в корпусе излучающей головки зонда. Конструкция излучающей головки включает корпус 5, выполненный в виде цилиндрической трубки с гнездоМ

-вдоль оси для фиксации наконечника 4, Внутри. корпуса 5 вдоль оси размещены билинза 6, объектив 7 и поляризатор

1151089

8. Расстояние между оптическими эле- . . ментами устанавливается с помощью распроных шайб 9 и фиксируются гайкой 10. Предусмотрено вращение наконечника 4 со световодом 3 вокруг своей оси внутри корпуса 5 для совмещения осей симметрии билинэы 6 и моды

LP . Между параметрами волоконно-оп4 тического .зонда устанавливается сле- 10 дующее соотношение (обосновани выражения, см. ниже)

tg 8E(1-аФ,) (1-ЬФ )-аФ,1

= р — (д Ф2-1), (3) йФ,,где 9 — апертура световода 3;

d — - расстояние между компонентами билинзы 6; М вЂ” относительная погрешность измерения скорости.

Продольный 3d и поперечный 2h— размеры области интерференции (см. фиг.3), определяются выражениями

Рd=2natge/(Ф,d(дФ -1) (l-р)), (4)

2h=2atg9/ (2-p)(дФ -1)) . (5)

Из (3) следует, что при р =0 достигается наивысшая точность измерения скорости, а соотношение (3) приводится к (2). Однако в случае, определяемом (1), несколько возрастает .размер обйасти интерференции. Поэтому в общем случае параметры зонда допустимо. выбирать из условия /р/cl (см.фиг.3, 4)

Доплеровский анемометр кроме волоконно-оптического зонда включает 40 также приемный оптический тракт и доплеровский процессор. Приемный тракт может быть выполнен (см.фиг.l) в виде объектива ll и приемного световода 12, либо при приеме излучения, рас- 45 сеянного назад, в виде приемного световода 12, подсоединенного с помощью направленного ответвителя к передающему световоду 3. Приемный световод связан с фотоприемником 13 и измерителем доплеровских частог 14.

Работа волоконно-оптического зонда происходит следующим образом. Пучок излучения лазера 1 возбуждает посредством линзы 2 в световоде 3 заданный модовый режим (одномодовый — моды

LP или LP» или, в общем случае многомодовый). При необходимости, дополнительная селекция рабочей моды осуществляется с помощью поляризато-. ра 8, В области измерения головкой зонда формируется оптическая интерференционная решетка, период которой, в .общем случае, изменяется вдоль оптической оси.

Интерференционное поле в области пересечения пучков определяется модовым составом излучения световода 3 и в общем случае содержит медленно меняющуюся составляющую — "пьедестал" и пространственно осцилпирующую составляющую поля, ответственную за образование непосредственно доплеровского сигнала.

Оптическая мощность пьедестала полезной информации о скорости не несет, а приводит к возрастанию дробовых шумов фотодетектора, отношение у суммарной оптической мощности доплеровского сигнала к суммарной мощности низкочастотного пьедестала определяет шумовые свойства интерференцианного поля.

Интерфереццнонную решетку, формируемую головкой зонда, можно приближенно построить наложением (с учетом фаз) . двух симметричных половинок поля моды, смещенных относительно друг друга соответственно тому, в каком сечении измерительного объема рассматривается поле (см.фиг.5). Зависимости ) от параметра смещения Х приведены на фиг.6. Кривые "а" и "б" построены соответственно для мод LP,и LPö., "в"для неискаженной моды ТР, . Иэ приведенных на фиг.6 зависимостей видно, что кривая "б" наиболее близко повто ряет ход кривой, это позволяет сделать вывод о достаточно высоком качестве интерференционной решетки, формируемой головкой зонда иэ поля моды LP«

Движущаяся со скоростью V вдоль оси Х частица. среды рассеивает излучение, промодулированное частотой

f „„=Ч, /8Х. Рассеянное излучение захватывается приемным волоконно-оптическим трактом и по световоду поступает на фотоприемник. В измерителе из фототока выделяется высокочастотный доплеровский сигнал и определяется поперечная составляющая скорости

VI m f„° 5 X. (6)

Преимущества конструкции излучающей головки в том, что она обеспечи" вает минимальные размеры, компактность, простоту сборки. Собранная asлучающая головка не нуждается в дополнительной юстировке, перестройка параметров (шаг интерференционных полос, погрешность измерения скорости, l l 51089 6 размеры измерительного объема и др.) осуществляются путем замены распорных колец между оптическими элементами.

1151089

Редактор П.Горькова Техред А.Кравчук

Корректор В Бутяга

Заказ 3608/1 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие,г.ужгород,ул.Проектная,4