Лазерный допплеровский измеритель скорости

 

ЛАЗЕРНЫЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий передающую систему, выполненную в виде источника двухволнового когерентного излучения, блоков селекции, модуляции и фокусировки лучей, приемный фотоэлектрический блок, выполненный в виде приемной оптической системы на различные длины волн и двух фотоприемников, два канала обработки допплеровских сигналов с процессорами, отличающийся тем, что, с целью получения возможности измерения скоростей двух различных по размерам групп частиц, в передающую систему введены сканирующие устройства разделения лучей с различной длиной волны, при этом в один из каналов обработки допплеровских сигналов введен блок амплитудной селекции сигналов, а в другой - блок селекции по глубине модуляции, входы которых соединены с фотоприемниками, а выходы - с процессорами.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений локальных скоростей двух групп частиц, одна из которых представляет дисперсную, а другая сплошную (газообразную или жидкую) фазы дисперсного потока. Известен лазерный допплеровский измеритель скорости (ЛДИС), работающий на одной длине волны для измерения вектора скорости только одной группы частиц. При использовании нескольких каналов приема рассеянного света для измерения нескольких компонентов вектора скорости, проявляется недостаток подобных устройств, заключающийся в трудности разделения световых сигналов одной длины волны в различных каналах. Указанный недостаток исключен в двухволновых ЛДИС, использующих световое излучение двух длин волн. Известна система двухволнового ЛДИС, взятая за прототип, предназначена для одновременного измерения двух компонент вектора скорости рассеивающих частиц и состоит из источника когерентного двухволнового излучения, двух стационарных одинаковых блоков расщепителей лучей в вертикальной и горизонтальной плоскостях; совмещающего лучи устройства, сканирующей приемопередающей линзовой системы, реализованной в двух вариантах: "обратного рассеяния", при котором передающая (фокусирующая лучи) и приемная оптические системы совмещены в одну, а рассеянный "обратно" поток двумя дихроическими рефлекторами направляется на два фотодетектора, выделяющих соответственно вертикальную и горизонтальную составляющие вектора скорости, и "прямого рассеяния, когда приемные и передающие системы разделены и ориентированы по биссектрисе сфокусированных лучей. Недостатком описываемой системы является то, что она предназначена для измерения кинематических параметров одной группы частиц определенных размеров и не пригодна для исследования дисперсных (двухфазных) потоков, где необходимо одновременно измерять кинематические параметры несущей и дисперсной фаз, движение которых представляют две различные по размерам, скоростям, концентрациям и физическим свойствам, группы частиц. Целью предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка, т.е. получение возможности одновременного измерения скоростей двух различной по размерам группы частиц. Поставленная цель достигается тем, что в передающую систему введены сканирующие устройства разделения лучей с различной длиной волны, при этом в один из каналов обработки сигналов введен блок амплитудной селекции сигналов, в другой блок селекции по глубине модуляции, входы которых соединены с фотоприемниками, а выходы с процессорами. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого ЛДИС; на фиг. 2 вид интерференционных полос в измерительном объеме. ЛДИС содержит источник когерентного излучения аргоновый лазер 1, излучающий на двух длинах волн λ₁,λ₂. При помощи зеркала 2 луч направляется на призменную систему 3, после которой выходят лучи А и В с длинами волн соответственно λ₁ и λ₂. Луч А юстируемым зеркалом 4 направляется в передающую систему первого канала, состоящую из сканирующего делителя 5 оптико-акустического модулятора 6, направляющих зеркал 7 и короткофокусного объектива 8, способного перемещаться вдоль оптической оси. Приемная система первого канала включает собирающий объектив 9, интерференционный светофильтр на длину волны λ₁, 10, головку с фотоэлектронным умножителем и блоком предварительного усиления сигнала 11 и блок селекции сигналов по глубине модуляции 12, после которого сигналы поступают на процессор допплеровских сигналов (на схеме не показан). Луч В с λ₂ зеркалом 13 направляется во второй передающий канал, состоящий из поляризационного светофильтра 14 для регулировки мощности луча, сканирующего делителя 15, оптико-акустического модулятора 16, длиннофокусного объектива 17 и зеркальной системы совмещения лучей 18. Приемная система второго канала состоит из собирающего объектива 19 интерференционного светофильтра на длину волны λ₂ 20, головки 21 с фотоэлектрическим умножителем и предварительным усилителем и блока селекции сигналов по амплитуде 22 после которого сигналы поступают на соответствующие процессоры 23, 24. Предлагаемый ЛДИС работает следующим образом. Лазер 1 излучает два когерентных луча с длинами волн λ₁ и λ₂, направляемых зеркалом 2 на призменную систему 3, с помощью которой происходит их пространственное разделение на лучи А и В. С помощью систем оптических элементов 4, 5, 6, 7, 8 и 13, 14, 15, 16, 17, 18 лучи А и В направляются в измерительный объем, в котором образуется два поля интерференционных полос (фиг. 2) с периодами Λ₁ и Λ₂. Для создания подобного поля и выполнения условий, необходимых для полной "оптической дискриминации" допплеровской составляющей от крупных частиц, в первом передающем канале применяется сканирующий делитель 5, позволяющий плавно менять угол α₁, а следовательно и Λ₁, и короткофокусная фокусирующая лучи линза, позволяющая получать малые значения радиуса пучка r_t1 в области перетяжки. Так как различные частицы со средним размером δ_s в реальных условиях имеют некоторые отклонения от среднего размера, или частицы различны по форме, то полной "оптической дискриминации" допплеровской составляющей может не быть. В этом случае сигналы с глубиной модуляции ниже критического уровня V_sk, устанавливаемого заранее, не пропускаются блоком селекции по глубине модуляции 12. При этом автоматически происходит селекция сигналов также и от тех "частиц-меток", которые прошли по краю поля и для которых V_o<V<SUB>sk₂≠λ₁, пересекающимися под углом α₂ друг к дpугу и рассчитано на оптимальное выделение допплеровской составляющей от крупных частиц дисперсной фазы. Параметры поля удовлетворяют соотношениям: δ_s < 1,22 Λ₂ << r_f2, где r_f2 радиус лучей в плоскости пересечения фокусирующей линзы второго передающего канала. Для реализации условия δ_s< r_f2 в этом случае необходимо применение длиннофокусных линз 17, так как в процессе экспериментов приходится иметь дело с дисперсными частицами различных размеров, то для оптимального выделения сигнала необходимо в существенных пределах изменять параметры второго поля, что достигается во втором передающем канале специальным делителем 15, позволяющим плавно изменять угол α₂, а следовательно и Λ₂, а также выбором передающих линз с различным фокусным расстоянием 17, позволяющим варьировать параметром r_f2. Реализация условий δ_s < 1,22 Λ₂ автоматически приводит к выполнению условия Λ₂ >> δ_o и выделению также допплеровской составляющей во втором поле от "частиц-меток" размерами δ_o. Для возможности исследования параметров движения только крупных частиц при произвольных величинах и , в электронную систему предварительной обработки сигналов второго канала приема дополнительно введен блок селекции сигналов по амплитуде 22, пропускающий сигналы, амплитуда которых не ниже регулируемого порогового уровня. Т.к. рассеиваемая частицей в направлении приема мощность, определяемая амплитуду сигнала определяется интенсивность света в интерференционном поле в месте нахождения частицы, видом индикатриссы рассеяния и сечением рассеяния частицы, которое для частиц размером 2r_s пропорционально r_s², то соответствующий выбор мощности лучей длиной волны λ₂, угла приема β₂, при заданной чувствительности приемной системы и установленном пороге амплитудной селекции, позволяет легко отфильтровать сигналы от "частичек-меток", максимальная амплитуда сигнала которых при рабочих отношениях r_s/r_o(10-100), в 10²-10⁴ раз меньше амплитуды сигнала от крупных частиц дисперсной фазы. Таким образом введение блока амплитудной селекции сигналов и устройства регулировки мощности лучей с λ₂(поляризационный светофильтр, нейтральные фильтры) позволяет использовать второй канал приема для исследования параметров только дисперсной фазы потока.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНЫЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий передающую систему, выполненную в виде источника двухволнового когерентного излучения, блоков селекции, модуляции и фокусировки лучей, приемный фотоэлектрический блок, выполненный в виде приемной оптической системы на различные длины волн и двух фотоприемников, два канала обработки допплеровских сигналов с процессорами, отличающийся тем, что, с целью получения возможности измерения скоростей двух различных по размерам групп частиц, в передающую систему введены сканирующие устройства разделения лучей с различной длиной волны, при этом в один из каналов обработки допплеровских сигналов введен блок амплитудной селекции сигналов, а в другой - блок селекции по глубине модуляции, входы которых соединены с фотоприемниками, а выходы - с процессорами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000        

---