ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01P3/36 

Заявляемое устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного дистанционного измерения скорости потоков жидкости и газов, а также диффузно отражающих объектов.

Известны лазерные доплеровские измерители скорости, содержащие последовательно расположенные лазер, поляризационный расщепитель, фокусирующий и приемный объективы, поляризационную призму-анализатор, два фотоприемника и электронный блок измерения доплеровской частоты [1], [2].

Недостатком этих устройств является относительно невысокая точность измерений из-за низкого отношения сигнал/шум.

Наиболее близким техническим решением заявляемого устройства является лазерный доплеровский измеритель скорости [3], а в части цифрового блока измерения - устройство для обработки сигналов доплеровского измерителя скорости [4] . Лазерный доплеровский измеритель скорости [3] содержит лазер и последовательно расположенные по ходу луча сферический и цилиндрический объективы, поляризационный расщепитель Волластона, поворотное зеркало с двумя щелевыми диафрагмами, расположенными на пути расщепленных пучков, фокусирующий объектив, защитное стекло. В него входят также последовательно размещенные по направлению рассеянного поверхностью движущегося объекта второе поворотное зеркало, микрообъектив, интерференционный фильтр, полевая щелевая диафрагма, инфракрасный фильтр, поляризационная призма Волластона, два фотоприемника, установленные на пути расщепленных этой призмой лазерных пучков и подключенные выходами ко входам вычитающей схемы и электронный блок измерения. Электронный блок измерения содержит узел фильтрации, два компаратора, блоки формирования счетных импульсов и строб импульсов и аналоговый и цифровой измерители скорости.

Указанный измеритель скорости также имеет недостаточную точность, вызванную низким отношением сигнал/шум. Существенным недостатком измерителя скорости является также недостаточная надежность, вызванная большим количеством содержащихся в нем оптических узлов.

Предложенный лазерный доплеровский измеритель скорости содержит оптически согласованные лазер, цилиндрический объектив, расщепитель лазерного пучка и объектив, последовательно соединенные фотоприемник и электронный блок измерения скорости, причем объектив выполнен в виде осесимметричного двухфокусного киноформного оптического элемента, состоящего из расположенных в одной плоскости длиннофокусного фокусирующего и короткофокусного приемного киноформов. Приемный киноформ с фокусом Fr расположен на оптической оси измерителя скорости, а фокусирующий киноформ с фокусом F_f занимает два фрагмента общей площади приемного киноформа, расположенных симметрично относительно его оси и ограниченных по площади апертурами проходящих через него лазерных пучков.

Кроме того, в осесимметричном киноформном оптическом элементе радиусы зон фокусирующего и приемного киноформов определены в соответствии с выражениями
R_f(n)= (2nλF_f+n²λ²)^1/2
R_r(k)= (2kλF_r+k²λ²)^1/2
где λ - длина волны лазера, n - целое число, не равное единице, k - целое число, равное 1,2,3,...

Новым предложенным элементам в заявляемом устройстве является осесимметричный двухфокусный киноформный оптический элемент, состоящий из расположенных в одной плоскости длиннофокусного фокусирующего и короткофокусного приемного киноформов, в котором приемный киноформ с фокусом F_r расположен на оптической оси измерителя скорости, а фокусирующий киноформ с фокусом F_f занимает два фрагмента общей площади приемного киноформа, расположенных симметрично относительно его оси и ограниченных по площади апертурами проходящих через него лазерных пучков.

Кроме того, в осесимметричном киноформном оптическом элементе радиусы зон фокусирующего и приемного киноформов определены в соответствии с выражениями
R_f(n)= (2nλF_f+n²λ²)^1/2
R_r(k)= (2kλF_r+k²λ²)^1/2
где λ - длина волны лазера, n - целое число, не равное единице, k - целое число, равное 1,2,3,...

Увеличение отношения сигнал/шум достигается благодаря тому, что в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа содержится меньшее количество оптических деталей (лазер, цилиндрическая линза, расщепитель лазерного пучка, ячейка и двухфокусный киноформный оптический элемент), что обеспечивает более высокую надежность измерителя скорости и уменьшение потерь света на фотоприемнике.

Кроме того, применение двухфокусного киноформного оптического элемента намного выгоднее с энергетической точки зрения, так как его приемная апертура может быть сделана существенно больше, чем у обычного объектива. Это позволит собрать намного больше отраженного света и получить таким образом более высокое отношение сигнал/шум и точность.

Принципиально новым техническим решением является введение осесимметричного двухфокусного оптического элемента, состоящего из фокусирующего и приемного киноформов, что обеспечило увеличение по сравнению с прототипом интенсивности принимаемого отраженного от объекта света, повышение отношения сигнал/шум, снижение погрешности измерения и уменьшение габаритов.

Предложенное устройство иллюстрируется следующими графическими материалами.

На фиг. 1 представлена схема лазерного доплеровского измерителя скорости.

На фиг. 2 изображен двухфокусный киноформный оптический элемент.

Измеритель содержит лазер 1 и последовательно расположенные по ходу луча и оптически согласованные цилиндрическую линзу 2, расщепитель лазерного пучка 3, двухфокусный киноформ 4, По направлению рассеянного измеряемым объектом (пунктирные линии) света установлен фотоприемник 5, который своим выходом подключен ко входу электронного блока измерения скорости 6.

Двухфокусный киноформный оптический элемент 4 (фиг. 2) состоит из расположенных в одной плоскости длиннофокусного фокусирующего 7 и короткофокусного приемного 8 киноформов, в котором приемный киноформ с фокусом F_r расположен на оптической оси измерителя скорости, а фокусирующий киноформ с фокусом F_f занимает два фрагмента общей площади приемного объектива, расположенных симметрично относительно его оси и ограниченных по площади апертурами проходящих через него лазерных пучков.

Радиусы зон фокусирующего и приемного киноформных объективов определены в соответствии с выражениями
R_f(n)= (2nλF_f+n²λ²)^1/2
R_r(k)= (2kλF_r+k²λ²)^1/2
где λ - длина волны лазера, n - целое число, не равное единице, k - целое число, равное 1,2,3,...

Устройство работает следующим образом. Луч лазера 1 после прохождения цилиндрической линзы 2 попадает на расщепитель лазерного пучка 3, где расщепляется на два пучка. При использовании в качестве расщепителя акустооптической ячейки угол между расщепленными пучками удовлетворяет условию
sinθ = λ/L,
где λ - длина волны лазера 1, L - длина ультразвуковой волны в акустооптической ячейке расщепителя лазерного пучка 3.

Расщепленные пучки, пройдя через участки 7 киноформа 4, выполняющие роль фокусирующего объектива, формируют интерференционную решетку с бегущими полосами. Период T этой решетки определяется из выражения
T = λ/2sinα,
где λ - длина волны излучения лазера 1, 2α - угол между пучками, пересекающимися на поверхности движущегося объекта.

Изображение интерференционной решетки в свете, рассеянном на движущемся объекте, формируется с помощью киноформа 8, выполняющего роль приемного объектива, на фотоприемнике 5.

Допплеровсий сигнал с выхода фотоприемника 5 поступает на вход электронного блока измерения скорости 6, который представляет собой частотомер с управляемым задатчиком времени счета. Устанавливая время счета, кратное коэффициенту пересчета доплеровской частоты в значение скорости, можно получить показания частотомера непосредственно в единицах скорости [4].

Двухфокусный киноформный оптический элемент изготавливается известными техническими средствами [5].

Благодаря двухфокусному киноформному оптическому элементу увеличена по сравнению с прототипом интенсивность принимаемого отраженного от объекта излучения, что обеспечило повышение отношения сигнал/шум, снижение погрешности измерения и уменьшение габаритов устройства.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР, N 529660, М. Кл. G 01 P 3/36 от 30.05.73, Б.И. 41, 1979.

2. Патент США N 3825334, кл. 356-28 от 23.07.74.

3. Б. Ф. Артамонов, П. Я. Белоусов, Ю.Н. Дубнищев, В.А. Жмудь, А.А. Столповский. Лазерный измеритель скорости горячего проката. Сталь, N 8, 1986.

4. Лазерные доплеровские измерители скорости. Под ред. Ю.Е. Нестерихина, Наука, Новосибирск, 1975.

5. В.П. Коронкевич и др. Киноформные оптические элементы: методы расчета, технология изготовления, практическое применение. - Автометрия, 1985, N 1.

Измеритель предназначен для бесконтактного дистанционного измерения скорости потоков жидкости и газов, а также твердых и диффузно отражающих объектов. Измеритель содержит оптически согласованные лазер, цилиндрический объектив, расщепитель лазерного пучка и объектив, фотоприемник и электронный блок измерения скорости. Объектив выполнен в виде осесимметричного двухфокусного киноформного оптического элемента, состоящего из расположенных в одной плоскости длиннофокусного фокусирующего и короткофокусного приемного киноформов, в котором приемный киноформ расположен на оптической оси измерителя скорости, а фокусирующий киноформ занимает два фрагмента общей площади приемного киноформа, расположенных симметрично относительно его оси и ограниченных по площади апертурами проходящих через него лазерных пучков. Обеспечивается уменьшение погрешности измерения и габаритов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий оптически согласованные лазер, цилиндрический объектив, расщепитель лазерного пучка и объектив, последовательно соединенные фотоприемник и электронный блок измерения скорости, отличающийся тем, что объектив выполнен в виде осесимметричного двухфокусного киноформного оптического элемента, состоящего из расположенных в одной плоскости длиннофокусного фокусирующего и короткофокусного приемного киноформов, в котором приемный киноформ с фокусом F_r расположен на оптической оси измерителя скорости, а фокусирующий киноформ с фокусом F_f занимает два фрагмента общей площади приемного киноформа, расположенных симметрично относительно его оси и ограниченных по площади апертурами проходящих через него лазерных пучков. 2. Лазерный доплеровский измеритель скорости по п.1, отличающийся тем, что радиусы зон фокусирующего и приемного киноформов определены в соответствии с выражениями
R_f(n)= (2nλF_f+n²λ²)^1/2,
R_r(n)= (2KλF_r+K²λ²)^1/2,
где λ - длина волны лазера;
n - целое число, не равное единице;
К - целое число, равное 1, 2, 3 ... .