Лазерный доплеровский измеритель скорости
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет снижения относительной доли аппаратного уширения спектра ДС. Допплеровский сигнал (ДС) с выхода фотоприемника 4 поступает через автоматический регулятор усиления (АРУ) 6 на вход следящего процессора ДС, содержащего последовательно включенные двухвходовый детектор частотного рассогласования 12, интегратор 13 и квадратурный генератор, управляемый напряжением (ГУН) 11. Сигнал, поступающий с каждого из выходов ГУН подвергается N - кратному преобразованию частоты вверх по отношению к частоте входного ДС, где N - число последовательно соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты, каждый из которых содержит смеситель и выходной полосовой фильтр. Сигнальные входы всех смесителей объединены и подключены к выходу АРУ 6. 1 ил.
СОЮЗ COBETCHHX
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
Р1)э 6 О1 Р 3/36
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Г
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4392404/24-10 (22) 16,03.88 (46) 07,06.90. Бюл. N 21 (71) Институт теплофизики СО АН СССР (72) Ю.Н.Дубнищев и В.Г,Меледин (53) 532.574(088.8) (56) Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия и интерферометрия ° — Справочник,/Под ред. M.Ñ.Соскина, — Киев: Наукова думка, 1985, с. 363-364.
Коронкевич В,П., Соболев В.С,, Дубнищев Ю,Н, Лазерная интерферометрия, — М.: Наука, 1983, с. 177)82.
„„Я0„„) 5697) 5 А 1
2 (54) ЛАЗЕРНЬ1И ДОППЛЕРОВСКИИ ИЗМЕРИ ТЕЛЬ СКОРОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов„ Пель изобретения повышение точности измерений эа счет снижения относительной доли аппаратного уширения спектра ДС. Допплеров-; ский сигнал (ДС) с выхода фотоприемника 4 поступает через автоматический регулятор удаления (АРУ) 6 на вход следящего процессора ДС, со1569715 держащего последовательно включенные. двухвходовый детектор 12 частотного рассогласования, интегратор 13 и кввдратурный генератор 11, управляемый напряжением (ГУН). Сигнал, поступаю5 щий с каждого иэ выходов ГУН подвергается N-кратному преобразованию частоты вверх по отношению к частоте
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть.1 использовано для измерения скорости движения рассеивающих свет поверхностей, жидкостей, газов, Целью изобретения является повышение точности измерения путем параметрического преобразования вверх частоты анализируемого допплеровского сигнала при уменьшении относи" тельной доли спектрального ускорения.
На чертеже показана блок-схема изме ри т еля, Измеритель содержит лазер 1, расположенную по ходу луча оптическую формирующую систему 2, приемную оптическую систему 3 и фотоприемник 4, к которому последовательно подключены входной фильтр 5, автоматический регулятор 6 усиления и следящий процессор допплеровского сигнала (ДС), содержащий первый и второй параметрические преобразователи частоты, включающие смесители 7 и 8 и выходные полосовые фильтры 9 и 10 (ПФ), квадратурный генератор 11, управляемый напряжением (ГУН), двухвходовый детектор 12 частотного рассогласования (ДЧР), интегратор 13. Между выходом ПФ 9 и первым входом ДЧР 12 введена последовательность соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты (ППЧ)., включающих смесители 14 и ПФ 15, .а между выходом ПФ 10 и вторым входом
ДЧР 12 - последовательность ППЧ,, вклю-@ чающих смесители 16 и ПФ 17, Каждая цепочка последовательно соединенных
ППЧ образует квадратурную ветвь следящего процессора ДС, Сигнальные входы всех ППЧ объединены и соединены с выходом АРУ 6, Измеритель работает следующим образом, входного ДС, где N — - число последовательно соединенных по опорному входу параметрических преобразователей частоты, каждый иэ которых содержит смеситель и выходной полосовой фильтр.
Сигнальные входы .всех смесителей объединены и подключены к выходу
АРУ 6. 1 ил.
Лазер 1 и оптическая система 2 формируют в исследуемой среде лазерное зондирующее поле с известной узкополосной структурой, период которой равен Д-, Изображение этого поля в рассеянном свете формируется приемной оптической системой 3 на светочувствительной поверхности фотоприемника 4, В результате в фотоэлектрическом сигнале появляется переменная составляющая, частота которой f V/Я, где V - скорость рассеивающих частиц относительно периодической пространственной структуры зондирующего оптического поля, После фильтрации низкочастотного пьедестала и автоматичес-. кой регулировки усиления сигнал на входе первых смесителей 7 и 8 можно представить в виде 1А сов ы t где
А — амплитуда; <„р 27(1 fD. После смещения с сигналом квадратурного. ГУН на выходе первых смесителей в каждой квадратурной ветви следящего процессора сигнал имеет (с точностью до постоянной фазы) вид
А созМ t срам t -Асов(с,у -ц> ) +
1 у г 2
+ - А ео з (4у + ) t;
2 р Г
=А сову и в1п д t=- А sin(id-üét+
2 9 г 2 р r
+ - А з1п((а +и )t
2 г
Сигнал на выходе ПФ 9 и 10 в каждой ветви имеет вид
i — А сов (у — с ) t2
1 х - А sin (со-M)t, 2 D г
Соответственно, на выходе смеси" телей 14 и 16 второго ППЧ системы имеют вид
i - А cos(u -ьз )t cosco в г в
1569715
При гауссовой форме огибающей зондирующего объема лазерного анемометра
K=WN относительная доля времяпролетного уширения спектра составляет веS
1 личину 0 Г „И =1О
1
1
А cos(2 -u ) t;
2 р г) t.
При включении в каждую квадратурную ветвь последовательности иэ И ППЧ на входах ДЧР 12 получают сигналы
20 Формула изобретен ия
Лазерный допплеровский измеритель скорости, содержащий оптически согласованные лазер, оптическую формирую—,25 щую и приемную системы, фотоприемник„ к выходу которого последовательно подключены входной частотный фильтр, автоматический регулятор усиления и следящий процессор допплеровского сигнала, включающий последовательно соединенные,двухвходовый детектор частотного рассогласования, интегратор и квадратурный генератор, управляемый напряжением, первый и второй выходы
35 которого подключены к опорным входам соответственно первого и второго параметрического преобразователя частоты, каждый из которых содержит двухвходовый смеситель и выходной по4О.лосовой фильтр, причем сигнальные входы первого и второго параметрических преобразователей частоты объединены и подключены к выходу автоматического регулятора усиления, о т л и ч а ю—
45 шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, дополнительно содержит четное количество параметрических преобразователей частоты, одна половина которых соединена последовательно по опорным входам и, включена между выходом первого параметрического преобразОВателя частоты и первым входом детектора частотного рассогласования, а вторая полоВина соединена пОслсдовательно пО опорному входу и включена между выходом второго параметрического преобразователя частоты и вторым входом детекITopcl частотного расcoIласования, при ог 2 4 п
Результирующий сигнал с выхода ГУН следящего процессора оказывается эквивалентным сигналу в ситуации, когда пространственный период структуры зонЛ дирующего поля Л = — — составляет
ЭкВ половину реального.
Времяпролетное уширение Д f. В„допплеровского спектра
В в
МЛ В В г КЧ ИЧ
Л NM
1 2
= - А соз(2у-ы)1: + - А созе а г 4 г
I 2
=- А sin(<6 - >) t cos w
2 D г Ю
1 1 1 — А sin(2 -î) t + — А sinu t
4 г 4 г
Вид,сигналов на выходе фильтров
15 и 17: н
= - NA соз(Мю -ь) )t
2 л г
1 н
i < = — NA sin(Ntu -м ) t.
2 .0 г
При N=2 детектор 12 частотного рассогласования формирует сигнал, про порциональный разности частот 2ю — й), который интегратором 13 преобразуется в напряжение, управляющее частотой генератора 9, В результате действия цепи обратной связи частота ГУН (d оказывается равной удвоенной частоте входного сигнала где с — размер зондирующего оптического поля;
М вЂ” число реальных пространственных периодов в структуре этого поля, При N-кратном параметрическом преобразовании частоты ДС вверх относительная доля времяпролетного уширения Я допплеровского спектра равна
Таким образом, относительная доля времяпролетного (аппаратного) уширения допплеровского спектра оказывается в Й раз меньше, чем у известных измерителей, Снижение относительной доли аппаратного уширения спектра
ДС эквивалентно снижению уровня Аазовых шумов в выходном сигнале измерительного устройства, что приводит к уменьшению погрешности измерений.
15697)5
Составитель A.Òèìîôeåâ
Редактор И.Пулла Техред М.Дидык Корректор Л.Бескид
Заказ 1444 Тираж 460 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.„ д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðoä, ул. Гагарина,101 этом сигнальные входы дополнительных параметрических преобразователей частот объединены и подключены к выходу автоматического регулятора усиления.
