Лазерный допплеровский измеритель скоростипотока
(ii) 401221
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства (22) Заявлено 23.11.70 (21) 1496439/18-10 (51) М. Кл. G Olp 3/36
G 02b 27/12 с присоединением заявки № 1692145/18-10 (32) Приоритет
Опубликовано 05.07.74. Бюллетень № 25
Дата опубликования описания 20.01.75
Государственный комитет
Совета Министров СССР ао делам изаоретений в открытий (53) УДК 532.574.082. .54 (088.8) (72) Автор изобретения
L1
@и„.- м ., ения Н СССР
Ю. Н. Дубнищев (71) Заявитель Институт автоматики и электрометрии Сибирского отде (54) ЛАЗЕРНЫЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ
ПОТОКА
Известны устройства для измерения скорости потока, действие которых основано на выделении допплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном движущимся объектом.
Выходной сигнал в этих устройствах наряду с переменной составляющей, частота которой равна допплеровскому сдвигу, содержит большую постоянную составляющую и шумы, частотный спектр которых определяется спектром лазерного шума и свойствами рассеивающего объекта. Отношение сигнал: шум выходного сигнала этих устройств невелико.
С целью исключения из выходного сигнала постоянной составляющей и снижения уровня шумов в предлагаемом устройстве на пути расщепленных пучков установлен фазосдвигающий элемент, фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде расщепителя с двумя ортогонально друг относительно друга установленными поляризационными анализаторами, например поляризационной призмы
Волластона, и двух квадратичных фотоприемников, а выходы фотоприемников подключены к электронному блоку измерения допплеровской частоты через дифференциальный усилитель.
На чертеже представлен предлагаемьш измеритель скорости потока.
Он содержит последовательно расположенные источник 1 когерентного линейно-поляризованного света (лазер), лучевой расщепитель 2, фазосдвигающий элемент 3, фокусирующую систему 4, полевую диафрагму 5, поляризационную призму 6 в качестве лучевого расщепителя с двумя ортогональными анализаторами и два квадратичных фотоприемника 7 и 8, выходы которых через дифференциальный усилитель 9 подключены к электронному блоку 10 измерения допплеров10 ской частоты.
Линейно-поляризованньш луч лазера 1 разщепителем 2 делится на два пучка, в одном из которых помещен фазосдвигающий элемент 3 (например, фазовая пластинка). На выходе элемента 3 между ортогональными поляризационными составляющими, имеющими одинаковую интенсивность. фазовый сдвиг будет в половину либо в четверть длины волны. Расщепленные пучки фокусируются си20 стемой 4 в исследуемую область движущегося объекта, например потока жидкости или газа.
Рассеянный в области пересечения падающих пучков свет ограничивается полевой диафрагмой 5 и попадает на поляризационную приз25 му 6, где расщепляется на два ортогональнополяризованных луча. Призма ориентируется так, чтобы плоскости поляризаций расщепленных пучков были параллельны соответственно ортогональным поляризационным со30 ставляющим падающего пучка, между кото401221 рыми элементом 3 введен известный фазовьш сдвиг. Каждый из расщепленных пучков представляет в общем случае суперпозицию одинаковых поляризационных составляющих трех световых полей: двух рассеянных объектом от соответствующих падающих пучков и опорного.
Рассеянные пучки имеют допплеровский сдвиг частоты, пропорциональный скорости рассеивающего объекта. Интенсивность результирующего поля на фотоприемниках 7 и
8 соответственно можно описать выражениями
1, = ) E, (t) ехр (j + Ез, () ехр (1а,/)), 1, = ) Е, (/) ехр (1 (аot + р)) + Es, (t) ехр (j(«,t+ р))+Es, t(ехр) (/«,t)j, где Е (/) — амплитуда опорного пучка, в качестве которого может быть выбран (без потери общности доказательства) один из падающих пучков; «o — частота падающего пучка; «) и «g — частоты соответствующих рассеянных пучков; Es, (t) и Es, (/) — амплитуды рассеянных пучков; р — фазовый сдвиг, вносимый элементом 3. Выражение (1) легко приводится к следующему виду I, = Еi (t) + Es,(t)+Es,. (t) + 2Е, (t) Es, (t) X Xcos(u>,t)+ 2Е,(t)Es, (t)cos(ug,t)+ + 2Ез, (t) Ез, (1) cos (Ь«дф I, = Ei () + Es, (t) + Es, (1)+2Е,(t) Es, (t) X X cos (к,t) + 2Е, (t) Ез, (t) cos (а,,t + y) + + 2Es, (t) Es,, (t) cos (4m t + <р), — / где «g, — — «) — «o —— V(As — К ) — допплеровский сдвиг в рассеянном свете от первого падающего пучка; V — вектор скорости рассеивателя; As — волновой вектор рассеянного пучка; К вЂ” волновой вектор первого падающего пучка; — > = «a — «o = V(As — К ) — допплеровский сдвиг в рассеянном свете от второго падающего пучка; — > Кд — волновой вектор второго падающего пучка. + + Дш = а = «, = а — а = V (К, — К,). Из выражения (2) следует выражение для электрического сигнала на выходе дифференциального усилителя = (I, — I,) == a ) 2Е, (t) Es., (t) (cos « гt— — cos ад,1 + р)) + 2Es, (t) Es, (t) (cos (b, t)— — соя(Да /+ р))), (3) где а — коэффициент, учитываюгций чувстви10 тельность и усиление фотоприемника. Из выражения (3) для схем с опорным пучком (Е,Es, )) Es, Es,) с четвертьволновым р = — 1 и полуволно2,l вым (ср = л) фазосдвигающим элементом соответственно получаем ДI = 2 "2 Е, (t) Es, (t) sin (а„t — —" ), (4) 4 ) 15 Д1 =4иЕ,ЯЕз,(/) сов(о>,,t) (5) Для дифференциальной схемы аналогично Л1 = 2 2аЕ, (i) Eg, (t) sin (Шш 1 — — ), (6) Д1 = 4оЕз, Я Es (/) cos (Ьа /). (7) Сравнение выражений (4) — (7) с выражением (2) показывает, что из результирующего сигнала па выходе дифференциального усилителя исключается постоянная составляющая и аддитивные шумы. Предмет изобретения 1. Лазерный допплеровский измеритель 40 скорости потока, содержащий источник когерентного линейно-поляризованного света, лучевой расщепитель, фокусирующую оптическую систему, сводящую оба расщепленных пучка в общую точку, фотоэлектрический 45 преобразователь, электронный измерительный блок и частотомер, отличающийся тем, что, с целью исключения из выходного сигнала постоянной составляющей и снижения уровня шумов, на пути расщепленных пучков 50 установлен фазосдвигающий элемент, а фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде расщепителя, двух ортогонально друг относительно друга установленных поляризационных анализаторов, например поляриза55 ционной призмы Волластона, и двух квадратичных фотоприемников, а электронный измерительный блок содержит дифференциальный усилитель, подключенный к выходам фотоприемников, и схему измерения допплеров60 ской частоты, включенную в выход дифференциального усилителя. 2. Измеритель скорости потока по п. 1, отл и ч а ю шийся тем, что фазосдвигающий элемент выполнен в виде /4 волновой пласти65 ны, установленной на пути одного из расщеп401221 Составитель С. Ющенко Редактор Е. Караулова Техред A. Дроздова Корректор Н. Учакнна Заказ 3706i21 Изд. ¹ 102 Тираж 678 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий Москва, Ж-35, Раушская наб., д 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2 ленных пучков, а поляризационные анализаторы фотоэлектрического преобразователя ориентированы под углом + -45 к плоскости поляризации второго пучка. 3. Измеритель скорости потока по п. 1, о тл и ч а ю щ и Й с я тем, что, с целью увеличения в ) 2 раз амплитуды выходного сигнала, фазосдвигающпй элемент выполнен в виде /з волновой пластины, установленной на пути одного из расщепленных пучков, à поляризационные анализаторы фотоэлектриче5 ского преобразователя ориентированы под углом +45 к плоскости поляризации второго пучка.
