Волоконно-оптический доплеровский анемометр

 

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и мо жет быть использовано при измерениях в труднодоступных местах скорости течения преимущественно жидких сред. Излучение лазера 1 через объектив 2 и направленный ответвитель 4 вводится в торец приемопередающего световода 3. На выходном торце световода Z согласно изобретению нанесено специальное покрытие, образующее ампли 4 тудный делитель излучения с коэффициентом деления N. Излучение, выходящее из световода и рассеянное от исследуемого объекта, а также отраженное от торцового покрытия опорное излучение передаются назад по световоду . С помощью ответвителя 4 и приемного объектива 6 рассеянное и опорное излучения попадают в фотоприемник 7. Электрический сигнал с доилеровской частотой биений, полученный за счет оптического гетеродинирования, поступает в усилитель 8 и измерительно-регистрирующий блок 9, по частоте доплеровскогс сигнала определяется скорость исследуемой среды. Параметры покрытия выбираются из расчетных со- . отношений, учитывающих свойства используемых световодов, получаемые экспериментально, и параметры среды. Повышение точности измерений достигается за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника, причиной которого является оптимизация параметров наносимого на выходной торец световода делительного покрытия. 3 ил а $ (Л оэ GO оо о ГчЭ сп

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (Р1) С 01 Р 3/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ASTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П1НТ СССР

1 (21) 4412781/10 (22) 18» 04» 88 (46) 30 03 ° 91 Бюл, 11 12 (71) Киевский политехнический институт им, 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) Н,Ф Богомолов, Б,П,Жуков, А.А,Ильин,:А,Н ° Ковальчук, К Я,Лиждвой,.В,И»Осипов,.В, И,Правда, В»A Свирид,.С,Н,Хотяинцев и:Л ° Ê ßðîâîé (53) 532» 574 (088 ° 8) (56) Бутусов М»И», Гапкин. С.Л,, Оробинский. С»П,, Пал.Б П Волоконная оптика и приборостроение,:Л»:

Машиностроение, 1987, с, 237-258 °

Патент США N - 4154529, кл,.G 01 P 3/36, 1979» (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕ СКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ АНЕМОМЕТР (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и мо» жет быть использовано при измерениях в труднодоступных местах скорости течения преимущественно жидких сред, Излучение лазера 1 через объектив 2 и направленный ответвитель 4 вводит» ся в торец приемопередающего свето» вода 3 ° На выходном торце световода

„„SU„„1638626 А 1

2 согласно изобретению нанесено спе» циальное покрытие, образующее ампли" тудный дЕлитель излучения с козффи» циентом деления N. Излучение, выходя" щее из световода и рассеянное от исследуемого объекта, а также отражен» ное от торцового покрытия опорное излучение передаются назад по световоду ° С помощью ответвителя 4 и при» емного объектива 6 рассеянное и опор» ное излучения попадают в фотоприем ннк 7 ° Электрический сигнал с доплеровской частотой биений, полученный з а счет оптическо го гетероди нирования, поступает в усилитель 8 и измерительно регистрирующий блок 9, по частоте доплеровскогс сигнала определяется 3 скорость исследуемой среды„Параметры рр покрытия выбираются из расчетных co-, %Ф I отношений, учитывающих свойства используемых световодов, получаемые экспериментально, и параметры среды, »

Повышение точности измерений дости» гается за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника, причиной которого является оптимиза» С5 ция параметров наносимого на выход» (, ) ной торец световода делительног0 Об покрытия, 3 ил» 1Ь

1638626

Изобретение относится к измери тельной технике, предназначено для дистанционного измерения скорости потоков жидкости н труднодоступных местах и может найти применение в . экспериментальной гидродинамике, меднцине, химической и нефтеперера батывающей промышленности, Целью изобретения является павы- 1О шенне точности измерения скорости оптически плотных сред за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника, На фиг 1 привеДена схема предла- 15 ваемого анемометра; на фиг,2конструкция оптического делителя; на фиг 3 - зависимость отношения сиг-. нал/шум на выходе фотоприемника от коэффициента деления оптического де- 29 лителя»

Волоконнооптический доплеровский анемометр (фиг 1) содержит последова тельно расположенные лазер 1, объектив 2, в задней фокальной плоскости 25 которого помещен входной торец прие мопередающего световода 3, и направленный ответнитель 4 ° Отнетвитель 4

,:может быть выполнен в виде зеркала, обращенного к световоду 3, с отверс- 39 тием на оси или в виде волоконного

Y-ответ вителя „Hp н емопередающий св е товод 3 связан с оптическим делите лем:5 ° Оптический делитель 5 выполнен в виде полупрозрачного покрытия 35 (фиг,2) на выходном торце световода

:3. Коэффициент отражения покрытия

К = 1/(N+1), где N — коэффициент деления, N = Рд/Р, Р— мощность излучения,.прошедцего.оптический дели 40 тель 5; P1 - мощность излучения, от раженного ат выходного торца свето вода с оптическим делителем:5, Приемопередающий светавод 3 посредством направленного ответнителя 45

4 оптически согласован через приемный объектив 6 с фотоприемником 7, выход которого электрически связан через усилитель 8 с измерительно регистрирующим блоком 9, например анализатором спектра, Анемометр работает следующим об разом, Излучение лазера 1 фокусируется объективом и через направленный от ветвитель 4 вводится в приемопередаю щий световод 3 со стороны входного торца, После прохождения приемопере дающего световада 3 и оптического

Ро -2  Ь 1, = И+1 (2) где 0 . - суммарный коэффициент затухания излучения в световоде, Мощность рассеянного исследуемой средой излучения P „на поверхности фотоприемника равна:

N -20(> L

P = К вЂ” — е P г N+1 о (3) где К вЂ” коэффициент, описывающий рассеивающие свойства иссле дуемой среды и эффективность ввода рассеянного излучения в снетовод (О (К C 1), Для технической воды К = О;5„

На фотоприемнике выделяется сигнал биений между информативным рассеянным излучением и опорным оптическим сигналам, С выхода фатоприем ника электрический сигнал частоты, пропорциональной согласно (I) скорос ти исследуемого потока, поступает на вход усилителя 8 и далее на блок 9 дня измерения и регистрации частоты доплеровского сигнала, делителя 5 излучение попадает в ис™ следуемую среду, содержащую движу щиеся оптические неоднородности Час тата рассеянного неоднородностями излучения приобретает доплеровский сдвиг, пропорциональный скорости ис следуемой среды

AM>оп (К V) где V —. скорость среды»

К - волновой вектор зондирующего излучения, Рассеянное излучение мощностью

P попадает в приемопередающий све»

Ъ товод 3 со стороны выходного торца, выходит иэ световода со стороны входного торца и напранляется,через направленный атнетвитель 4 и прием

HbiH объектив 6 на фотаприемник.7» На фотоприемник 7 через напранленный ответвитель 4 поступает также опорное излучение мощностью Р, возникающее при делении зондирующего излучения лазера 1 в оптическом делителе 5»

Мощность опорного излучения Р1, для волоконно-оптического анемометра согласно экспоненциальному уменьшению мощности Р вводимого в свето0 вод лазерного излучения по длине светавода равна;

5 1638626 6

Отношение сигнал/шум (SNR) на вы- волоконно-оптического анемометра ходе гетеродинного фотоприемника (4) 2

6 D x P ° P„R„

Я 1 г ь беЬ4Р(Р, + Р„+Р ) +Т)В., + 2К ТИ где Р

2 КвТ

- плотность тепловых шумов фотоприемника ; х - коэффициент согласования опорной и сигнальной волн, 1О

»

R

4 ч ения

2 I

1 -zgò I е

P Рg Lе ) 1+ — —— а N I o s N+ I ) z У (5) где g>» коэффициент затухания, Согласно (5) с учетом (2) и (3) обусло вленный рассеянием из- из выражения (4) следует лучения в световоде, -20(, 1

DyPz e

SNК—

QN (1 1+ 1) (N2(Р+ g 1+ (2P+1 ) N+P+1

К гдеЯ = — — —, I+0(L

1 с4 1-е

-2. р

4 т (1+ 4, 1.) (6) Максимапьному значению отношения сигнал/шум $Ж щкс соответствует

Ра -Г21.4 4ЗЩ+Р— 4 4g+P 1

P) 4 4Q+P — 342 (Q+P) где

45 Р.Р О е " "

А = — - — —.——

Б5

B-=+Я;

С = ZP + 1;

D=P+1, 50

К 1/(Ы + 1) (8)

Дпя повышения точности измерения скорости оптически плотных сред ко 1

2 3 2

AN — 0 8 БМВмакс LBN + В+С И + (C+D)N + Dj, О (11)

BNз + (B+C)N2+ (C+D)N + D мощно сть фонового излучения; коэффициент преобразования фо топ ри ем ни к а; коэффициент усиления по то ку; заряд электрона; темновой ток; нагрузочное сопротивление фотоприемника; полоса пропускания фильтра промежуточной частоты уси лителя; где N — оптимальный коэффициент де

Ф ления оптического делителя, Таким образом, дпя оптимального отношения сигнал/шум оптический делитель должен быть выполнен в виде полупрозрачного покрытия на выходном торце световода, при этом коэффициент деления описывается выражением (7), а коэффициент отражения покрытия устанавливается равным:

Основным источником фонового излу. чения являются процессы рассеяния в световоде: рассеянного, исходного лазерного излучения и опорного сйгна1 ла "Вперед" и "Назад" при распро» стр анении вну три светов ода, Суммарная мощность фонового излуэффициент деления оптического дели теля выбирается в оптимальной облас» ти из соотношения

SNR макс SNR (0,8 (9) 1 R q ve

Выражение {. 6 ) можно привести к, виду

40 Z

AN

BN + (В+С) N + (С+Р) N+D е При этом условие (9) оптимизации коэффициента деления N приобретает

55 вид

1638626

В+С-Ы ЗР+УЯ+1, 3В 3(Р + n) Параметры f, Я, g выражаются через

1p характеристики свето вода следуницим и» образом:

Фора (ЗР+Я Я 1 — 3g+Q(31 +Q

ЗВ

»

-2К I» (13) К е !

5 Q « °

0,8(l + tKэ Ь) х,- N(N хаю

Ще

2 2 (gP+g+ -à L/3P+g+I 611 - ggP+g43P+223+27$P+(Q Р+ 1

И 2 7 (P+Q)

Вводя следующие. обозначения;

Я - А/0,8 Щ макс 306 = 1+ С -Я/В;1

Р C+D/В, II = D/Â получают нера= венство х + fx+g<0 (12) где f -ЗМ+ ;

g 25 - М+ ; х И+К

Решая неравенство (12) относ тельно N определяют пределы вь коэффициента деления N:

f х = 2 -- cos - arccos—

3 3 2 - )> х,= 2)3 сов 3 агссоэ 2-д-773 7 3

Выбор параметров делителя в соот 20 ветствни с неравенством (13) позво ляет увеличить отношение сигнал/шум в волоконнооптическом доплеровском анемометре.на выходе гетеродинного фотоприемника и тем cBMblM повысить тОчность измерения скорости преиму» щественно в оптически плоских потоках, показатель преломления среды в которых мало отличается от показа теля преломления сердцевины светово 30 да, Формула изобретения, Волоконнооптический доплеровский анемометр, содержащий последователь но расположенные и оптически согла

1 сованные лазер, объектив, направлен ный ответвитель, приемопередающий световод, оптиче ский амплитудный . де литель, связанный с выходным торцом световода, приемный объектив, фотоприемник, связанный через приемный объектив с направленным ответвителем и подключенный через усилитель к ре гистрирующему устройству, о т л и ч ающий ся тем, что, сцелью повьппения точности измерений за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника, оптический де литель выполнен в виде пленочного пОкрытия, нанесенного на выходной торец приемопередающего световода, 1638626

SNR

f2

Составитель . А,Тимофеев

Редактор. А Лежнина Техрец JI,Олийнык Корректор 0 Иипле

Заказ 924 Тираж 357 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. Ужгород, ул. Гагарина, 101