СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ИССЛЕДУЕМОЙ СРЕДЫ Российский патент 2000 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения скорости и перемещения исследуемой среды в самых разных областях науки и техники. Исследуемая среда может быть прозрачной жидкостью (в этом способе определяется скорость ее движения) либо неким конструктивным узлом - твердотельной акустооптической ячейкой (в этом случае определяется скорость движения объекта, связанного с ячейкой, или его перемещение за определенный промежуток времени).

Известен способ измерения скорости движения среды (жидкости или газа), состоящий в том, что среду освещают двумя пересекающимися световыми пучками и регистрируют световые сигналы, обусловленные движением взвешенных в среде частиц через область пересечения пучков, а о скорости движения среды судят по параметрам указанных световых сигналов [1].

Однако этот способ применим лишь для гетерогенных сред, содержащих взвешенные частицы требуемых размеров и концентраций. Кроме того, он непригоден для измерения перемещений объектов, точнее, связанных с объектом конструктивных узлов соответствующих приборов.

Известен способ измерения скорости движения среды (жидкости или газа), заключающийся в том, что в исследуемой среде возбуждают две акустические волны, распространяющиеся под определенным углом друг к другу, и регистрируют результат интерференции этих волн, по которому и судят о скорости движения среды [2].

Однако этот способ, строго говоря, применим лишь для измерения скорости в области интерференции акустических волн в непосредственной близости от регистратора. Кроме того, он непригоден для измерения перемещений объектов, точнее, связанных с объектом конструктивных узлов соответствующих приборов.

Известен способ измерения перемещения исследуемой среды, заключающийся в том, что в среде возбуждают акустическую волну, пропускают через среду световой пучок и регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о перемещении последней. Исследуемая среда может быть неким конструктивным узлом - акустооптической ячейкой (в этом случае определяется скорость движения ячейки или ее перемещение за определенный промежуток времени) [3], либо прозрачной жидкостью (в этом случае определяется скорость ее движения) [4]. При этом в среде возбуждают две бегущие в одном направлении волны, длины Λ₁,Λ₂ которых удовлетворяют условию: Λ₁,Λ₂≪ D, где D - диаметр светового пучка, (Λ₁,Λ₂≪ λ/ϕ, где λ - длина волны светового пучка, ϕ - расходимость этого пучка), причем Λ₁≠ Λ₂, и регистрируют изменение фазы или частоты оптического сигнала ненулевого порядка дифракции светового пучка на акустических волнах.

Однако для реализации этого способа необходимы достаточно высокие значения частот акустических волн (несколько десятков мегагерц). Вследствие этого имеются ограничения на исследуемые среды (поглощение звука на таких частотах должно быть достаточно малым). Кроме того, для обеспечения нижнего предела измерений по скорости примерно 1 мм/с необходимо, чтобы и разность частот этих волн была не слишком малой (единицы мегагерц), так что для выделения соответствующего оптического сигнала требуется быстродействующий фотоприемник. В целом реализация этого способа является достаточно сложной.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения скорости и перемещения исследуемой среды, заключающий в том, что в среде возбуждают акустическую волну, пропускают через среду световой пучок и регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о скорости и перемещении среды [4]. При этом в среде возбуждают две бегущие навстречу друг другу волны, длины Λ₁,Λ₂ которых удовлетворяют условию: Λ₁,Λ₂≪ D, где D - диаметр светового пучка, (другими словами, Λ₁,Λ₂≪ λ/ϕ, где λ - длина волны светового пучка, ϕ - расходимость этого пучка), причем Λ₁≠ Λ₂, выделяют оптический сигнал, обусловленный интерференцией световых пучков различных порядков дифракции, и регистрируют изменение фазы или частоты оптического сигнала.

Однако для реализации этого способа необходимы достаточно высокие значения частот акустических волн (несколько десятков мегагерц). Вследствие этого имеются ограничения на исследуемые среды (поглощение звука на таких частотах должно быть достаточно малым). Кроме того, в этом способе пучки различных порядков дифракции разнесены в пространстве, и для их совмещения с требуемой высокой точностью необходимы оптические приспособления с соответствующими юстировками. В целом реализация этого способа является достаточно сложной.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения (цель изобретения), состоит в уменьшении требуемых частот акустических волн; в исключении оптических приспособлений (с надлежащими юстировками) для пространственного и углового совмещения интерферирующих пучков - и соответственно, - в упрощении реализации. Кроме того, оказывается возможной оценка перемещений акустооптической ячейки вдоль оси светового пучка, а также оценка флуктуаций скорости звука в исследуемой среде (обусловленных изменением температуры среды, ее химического состава и т.д.).

Этот результат достигается тем, что в среде возбуждают акустическую волну, пропускают через среду световой пучок и регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о скорости и перемещении среды. При этом в среде возбуждают волну, длина A которой и диаметр D светового пучка являются величинами одного порядка (другими словами, Λ ≈ D ≈ λ/ϕ, где λ - длина волны светового пучка, ϕ - расходимость этого пучка).

В этом случае требуются меньшие частоты акустических волн; пучки различных порядков дифракции перекрываются в пространстве "сами собой", и в результате их интерференции световой пучок оказывается модулированным по интенсивности "сам собой", причем по параметрам модуляции можно судить о перемещениях среды. То есть, реализация способа по сравнению с известными техническими решениями заметно упрощается.

В частности, в среде возбуждают вторую акустическую волну, длина которой и диаметр светового пучка являются величинами одного порядка, которая пересекает первую акустическую волну, световой пучок пропускают через область пересечения акустических волн и регистрируют раздельно параметры модуляции интенсивности светового пучка каждой акустической волны.

В этом случае можно судить о скорости и перемещении объекта по каждому из направлений, соответствующих направлению волновых векторов акустических волн.

В частности, первую и вторую акустические волны возбуждают бегущими перпендикулярно друг другу, в среде возбуждают еще две акустические волны, одна из которых распространяется навстречу первой акустической волне, а другая - навстречу второй акустической волне, причем длина каждой акустической волны в три-четыре раза превосходит диаметр светового пучка, а разность частот одной пары распространяющихся навстречу друг другу акустических волн выбирают отличной от разности частот другой пары, и регистрируют составляющие модуляции интенсивности светового пучка, соответствующие разностям частот.

В этом случае, во-первых, определяются проекции перемещений среды на два взаимно перпендикулярных направления, а во-вторых, оказывается возможным использование более простых блоков обработки сигнала (со сравнительно малым быстродействием).

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит источник света 1 (например, лазер), на оси которого (на выходе из исследуемой среды 2) установлен фотоприемный блок 3. В направлении оси пучка (оси 0Z) эта среда ограничена некоторыми прозрачными "окнами" 4, 5. Акустические излучатели 6, 7 возбуждают в среде акустические волны с частотами Ω_x1;Ω_x2(Ω_x1;Ω_x2≫ Ω_x1-Ω_x2), распространяющиеся в направлении 0Х, а преобразователи 8, 9 - волны с частотами Ω_y1;Ω_y2(Ω_y1;Ω_y2≫ Ω_y1-Ω_y2), распространяющиеся в направлении 0Y. К фотоприемному блоку 3 подключен блок обработки 10, предназначенный для измерения и регистрации параметров модуляции светового пучка.

Работает устройство по предлагаемому способу следующим образом.

Световой пучок от осветителя 1 проходит через исследуемую среду 2 и попадает на фотоприемный блок 3. Преобразователи 6, 7 и 8, 9 возбуждают в исследуемой среде две пары акустических волн, причем в каждой паре волны бегут навстречу друг другу (в направлениях 0Х, 0Y соответственно). При этом соответствующие длины акустических волн Λ_x1,Λ_x2,,Λ_y1,Λ_y2 удовлетворяют условию: Λ_x1,Λ_x2,,Λ_y1,Λ_y2≈ D, где D - диаметр светового пучка (другими словами, Λ_x1,Λ_x2,,Λ_y1,Λ_y2≈ λ/ϕ, где λ - длина волны светового пучка, ϕ - расходимость этого пучка). В частности, эти длины волн в три-четыре раза превосходят D. Для рассматриваемого случая световые пучки различных порядков дифракции перекрываются в пространстве "сами собой", и в результате их интерференции световой пучок оказывается модулированным по интенсивности. За счет эффекта Допплера частота модуляции, как и в известных технических решениях, зависит от скорости движения среды в направлении волнового вектора акустических волн. Фаза же переменной составляющей оптического сигнала зависит от положения пучка относительно среды (относительно акустических преобразователей) в соответствующем направлении. При этом каждая из пар акустических волн модулирует сигнал независимо друг от друга (интенсивности этих волн не должны быть слишком большими, с тем, чтобы можно было пренебречь нелинейными эффектами). Блок обработки 10 выделяет две низкочастотные составляющие сигнала (с частотами порядка Ω_x1-Ω_x2,Ω_y1-Ω_y2 ) и осуществляет раздельное измерение частоты или изменения фазы каждой из составляющих сигнала. По результатам этих измерений и судят о проекциях скорости (перемещении) среды на направления 0Х, 0Y.

Существенной особенностью рассматриваемого способа является зависимость амплитуд различных гармоник оптического сигнала от отношения средней длины акустических волн к диаметру светового пучка. Соответственно, измеряя эти амплитуды, по их соотношению можно оценить перемещение акустооптической ячейки относительно осветителя вдоль оси светового пучка (при неизменных длинах акустических волн), поскольку в этом случае за счет расходимости пучка будет меняться его диаметр в пределах ячейки. Если же неизменен диаметр пучка, то можно оценить возможные изменения длин акустических волн и, соответственно (при неизменных частотах акустических волн), изменение скорости звука в исследуемой среде, обусловленное, например, изменением ее температуры, химического состава и т.д.

В отличие от известных технических решений, в рассматриваемом случае модуляция интенсивности светового пучка имеет место при наличии всего лишь одной акустической волны. При этом, очевидно, возможно определение проекции скорости (перемещения) среды лишь на одно направление - направление волнового вектора акустической волны.

Если же имеется две пересекающиеся в исследуемой среде акустические волны (волновые векторы которых составляют между собой угол, отличный от нуля и 180^o), то можно одновременно определить две проекции скорости (перемещения) на соответствующие направления. В частности, если волновые векторы перпендикулярны друг другу, то и проекции скорости (перемещения) будут соответствовать взаимно перпендикулярным направлениям. Для удобства разделения сигналов, соответствующих различным проекциям, частоты акустических волн должны отличаться друг от друга. При этом эти частоты по порядку величины составляют единицы мегагерц. Соответственно, фотоприемный блок 3 и блок обработки 10 должны быть достаточно быстродействующими.

Если же в каждом направлении возбуждаются две волны, бегущие навстречу друг другу, то оптический сигнал будет иметь низкочастотные составляющие, соответствующие разностям частот (десятки, максимум, сотни килогерц) в каждой паре акустических волн. При этом существенно снижаются требования к блокам 3, 10.

Рассмотрим подробнее зависимость параметров модуляции светового пучка от параметров акустических волн и параметров среды.

Приведем сначала качественные соображения. Если Λ ≪ D, т. e. если Λ ≪ λ/ϕ, то пучки различных порядков дифракции пространственно разнесены, и "сами собой" интерферировать не могут. С увеличением Λ/D (с приближением этого отношения к единице) пучки начинают перекрываться в пространстве, и в области их перекрытия возникает интерференция (приводящая к модуляции интенсивности пучка). При дальнейшем увеличении Λ/D область перекрытия пучков возрастает, но одновременно уменьшается эффективность дифракции, которая определяется максимальным изменением фазы светового пучка по его поперечному сечению. При этом уменьшаются интенсивности пучков ненулевых порядков дифракции. В результате роль интерференции уменьшается и становится несущественной при Λ/D≫1. То есть, заметная модуляция интенсивности светового пучка, обусловленная интерференцией перекрывающихся в пространстве пучков различных порядков дифракции, имеет место лишь в определенном диапазоне отношений Λ/D, или, что то же самое, отношений Λϕ/λ, причем это отношение по порядку величины равно единице (не слишком заметно отличается от единицы).

Рассмотрим теперь некоторые количественные соотношения. Положим, что профиль интенсивности исходного светового пучка является гауссовым (что соответствует одномодовому режиму работы лазера) с диаметром 2σ по уровню e^-1. Примем, что в среде имеется одна бегущая акустическая волна частоты Ω, а скорость движения среды относительно пучка (в направлении волнового вектора акустической волны) равна V. Расчеты показывают, что вследствие дифракции светового пучка на акустической волне диаграмма направленности I(0) интенсивности пучка на выходе из среды в направлении оси пучка (угол наблюдения равен нулю) имеет следующий вид:

где I^*(0) - диаграмма направленности исходного пучка;


J_m - функция Бесселя порядка m;
A = kLΔn;
k = 2π/λ, λ - длина волны светового пучка;
L - ширина акустического пучка;
Δ_n - изменение показателя преломления среды, обусловленное акустической волной;
f = 2π/Λ, Λ - длина акустической волны;
C - скорость звука в среде;
Φ - фаза сигнала;
I₄... - высшие (четные) гармоники сигнала.

В дальнейшем эти высшие гармоники учитывать не будем, поскольку наибольший интерес представляет вторая гармоника.

Видно, что амплитуды I₀, I₂ составляющих сигнала (1) существенным образом зависят от параметра (σt)²= (2πσ/Λ)². Из теории функций Бесселя можно получить соотношения:

С учетом этого из (1) следует, что если (σt)²≫ 1, то I₀ = J₀ ²(A) (что соответствует нулевому порядку дифракции), а I₂ = 0. Если же (σt)²≪ 1, то I₀ = 1; I₂ = 0. В этом случае акустическая волна практически не влияет на характеристики светового пучка. То есть, из строгого решения видно, что заметная модуляция интенсивности (заметная амплитуда второй гармоники сигнала) имеет место лишь в определенном диапазоне значений параметра σf. Оптимальное значение (σf)_opt, при котором амплитуда второй гармоники максимальна, в определенной мере зависит от A. В частности, если A = 0,5; то (σf)_opt= 0,82; если A = 1, то (σf)_opt= 0,77; если A = 2,4 (при этом J₀(A) = 0), то (σf)_opt= 0,58.

Диаметр 2σ светового пучка, как отмечалось выше, определен по уровню e^-1. Если же исходить из диаметра D по уровню e^-2 (примерно по этому уровню диаметр оценивают "на глаз"), то нетрудно видеть, что для А = 0,5...2,4 амплитуда второй гармоники будет максимальной при Λ/D = 2,7...3,8. То есть, длина акустической волны должна в три-четыре раза превосходить диаметр светового пучка. При этом глубина модуляции I₂/I₀ может быть весьма значительной. Так, если А = 2,4; то I₂/I₀ = 0,65.

Следует отметить, что нечетные гармоники в сигнале (1) отсутствуют. Однако при иных углах наблюдения их амплитуды могут быть отличны от нуля.

Если в среде распространяются две бегущие навстречу друг другу акустические волны с частотами Ω₁;Ω₂(Ω₁;Ω₂≫ Ω₁-Ω₂), то легко выделить лишь низкочастотную составляющую сигнала. Для этой низкочастотной составляющей имеет место соотношение, аналогичное (1):

где амплитуды I₀, I₂ определяются теми же соотношениями, что и в (1), с той лишь разницей, что волновое число f одной акустической волны должно быть заменено средним волновым числом (f₁ + f₂)/2, где f₁, f₂ волновые числа двух указанных волн. Таким образом, (2) определяет параметры оптического сигнала на выходе из исследуемой среды.

Положим теперь, что в исследуемой жидкости распространяются две волны, бегущие навстречу друг другу в направлении 0Х (с частотами Ω_x1;Ω_x2) и две аналогичные волны в направлении 0Y (с частотами Ω_y1;Ω_y2).
Поскольку световой пучок распространяется в направлении 0Z, то нетрудно видеть, что

где
Для заданных максимальных значений проекций V_x, V_y скорости жидкости нетрудно выбрать ΔΩ_x,ΔΩ_y такими, что составляющие сигнала легко разделяются соответствующими электронными фильтрами. Тогда на выходе каждого фильтра по измеренным частотам сигналов ΔΩ_x,ΔΩ_y можно найти искомые значения проекций (компонент) скоростей:
V_x= C(Ω_x-ΔΩ_x)/(Ω_x1+ΔΩ_x2);
V_y= C(Ω_y-ΔΩ_y)/(Ω_y1+ΔΩ_y2).
Оценим возможные диапазоны измерений применительно к воде (С = 1,5•10³ м/с) для диаметра лазерного пучка (по уровню e^-2) D ≈ 0,5 мм. Тогда максимальная глубина модуляции достигается при Λ ≈ 1,5...2 мм. В этом случае Ω_x1≈ Ω_x2≈ Ω_y1≈ Ω_y2≈ 1 МГц. Положим, что Ω_x-ΔΩ_x≈ Ω_y-ΔΩ_y= 1 Гц. Тогда, как нетрудно видеть, для нижнего предела измерений по скорости получим: (V_x)_min = (V_y)_min ≈ 1 мм/с. В качестве верхнего предела примем достаточно большое значение (V_x)_max = (V_y)_max ≈ 15 м/с. Тогда (δΩ_x)_max= (δΩ_y)_max= 20 кГц.

Соответственно, если ΔΩ_x= 80 кГц, ΔΩ_y= 30 кГц, то по первому каналу частота может меняться в пределах 60...100 кГц, а по второму - в пределах 10... 50 кГц. При этом перекрестные помехи могут быть достаточно малыми.

Итак, динамический диапазон измерений по скорости может превосходить четыре порядка. Следует отметить, что диаметр пучка нетрудно изменить в несколько раз как в сторону увеличения, так и уменьшения. Если пропорционально изменить и частоты акустических волн, то диапазон измерений сместится соответственно "вниз" или "вверх".

В рассматриваемом случае возможно определение и флуктуации скорости с частотой выше 10 Гц. Следует отметить, что исследуемая область (формирующая световой сигнал) может иметь достаточно малые размеры (1x1x10 мм³) и малый объем (10^-2 см³), что весьма существенно для ряда задач.

Если средой является твердотельная акустооптическая ячейка, жестко связанная с исследуемым (контролируемым) объектом, как целое перемещающаяся относительно светового пучка, то при малых перемещениях вместо измерения частоты оптического сигнала может оказаться удобнее измерение изменения фазы этого сигнала. Оценки показывают, что для указанных выше параметров акустических волн нижний предел измеряемых перемещений (по каждому направлению) составляет примерно 1 мкм.

Как отмечалось выше, глубина модуляции М сигнала в (3) зависит от параметров акустических волн и от отношения Λ/D. В принципе, по-видимому, возможно определение абсолютного значения Λ/D по последовательному измерению глубины модуляции при нескольких частотах акустических волн, отличающихся друг от друга в известное число раз. Однако этот вопрос требует отдельного рассмотрения. Более простым представляется определение флуктуаций Λ/D по флуктуациям М. Если параметры акустических волн и диаметр светового пучка неизменны, то М будет меняться лишь вследствие изменения скорости звука С - например, при изменении температуры жидкости, ее плотности, солености и т.д. Оценки показывают, что для обеспечения относительной погрешности измерения скорости звука δC/C ≈ 10^-3 (что соответствует обнаружению изменения температуры воды на 1^oC) необходимо обеспечить измерение М с такой же относительной погрешностью. На современном уровне электронной техники это решаемая задача. Если же неизменны параметры акустических волн и скорость звука, то М будет меняться лишь вследствие изменения диаметра светового пучка, вызванного, например, перемещением акустооптической ячейки относительно источника света.

Таким образом, предложенный способ позволяет определять одновременно одну или две компоненты скорости движения жидкости от 1 мм/с до 10 м/с при частоте измерений, превышающей 10 Гц. Исследуемый объем при этом может быть достаточно мал (10^-2 см³). Кроме того, возможна оценка флуктуаций скорости звука в жидкости (обусловленных, например, флуктуациями температуры, плотности, химического состава жидкости). Если же акустические волны распространяются в твердотельной акустооптической ячейке, жестко связанной с исследуемым объектом, то предложенный способ позволяет измерять перемещения объекта относительно оси светового пучка, причем нижний предел измерений составляет примерно 1 мкм. Кроме того, в этом случае возможна и оценка перемещений объекта вдоль оси пучка.

Существенно, что оптическая схема для реализации способа является предельно простой и надежной: источник света - исследуемая среда - фотоприемник; причем эта схема одинаково пригодна для измерения как одной, так и двух компонент скорости (перемещения). Кроме того, требуемые частоты акустических волн составляют всего лишь единицы мегагерц. Соответственно, реализация предлагаемого способа является существенно более простой, чем известных технических решений, обеспечивающих примерно те же диапазоны измерений.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 1113747, кл. G 01 P 5/00, 1984 г.

2. Авт. св. СССР N 1103076, кл. G 01 F 1/66, 1984 г.

3. Коломиец А.С. Лазерный измеритель искривлений технологических каналов ядерных реакторов // Изв. вуз'ов РФ. - Ядерная энергетика. - 1998. -N 1. - С. 12-14.

4. Коломиец С. М. Лазерный измеритель скорости жидкости // Оптический журнал. - 1997. - N 1. - С. 58-60 (прототип).

Способ может использоваться для измерения скорости и перемещения исследуемой среды в самых разных областях науки и техники. Исследуемая среда может быть прозрачной жидкостью либо неким конструктивным узлом - твердотельной акустооптической ячейкой, жестко связанной с исследуемым объектом. В среде возбуждают акустическую волну. Пропускают через среду световой пучок. Регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о скорости и перемещении среды. Длина акустической волны и диаметр светового пучка являются величинами одного порядка. В частном случае, в среде возбуждают вторую акустическую волну, длина которой и диаметр светового пучка являются величинами одного порядка, которая пересекает первую акустическую волну. Световой пучок пропускают через область пересечения акустических волн и регистрируют раздельно параметры модуляции интенсивности светового пучка каждой акустической волной. Технический результат состоит в упрощении реализации. Кроме того, оказывается возможной оценка перемещений акустооптической ячейки вдоль оси светового пучка, а также оценка флуктуаций скорости звука в исследуемой среде (вследствие изменения температуры среды, ее химического состава и т.д.). 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения скорости и перемещения исследуемой среды, заключающийся в том, что в среде возбуждают акустическую волну, пропускают через среду световой пучок и регистрируют изменения характеристик светового пучка на выходе из среды, по которым и судят о скорости и перемещении среды, отличающийся тем, что длина акустической волны и диаметр светового пучка являются величинами одного порядка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в среде возбуждают вторую акустическую волну, длина которой и диаметр светового пучка являются величинами одного порядка, которая пересекает первую акустическую волну, световой пучок пропускают через область пересечения акустических волн и регистрируют раздельно параметры модуляции интенсивности светового пучка каждой акустической волной. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что первую и вторую акустические волны возбуждают бегущими перпендикулярно друг другу, в среде возбуждают еще две акустические волны, одна из которых распространяется навстречу первой акустической волне, а другая - навстречу второй акустической волне, причем длина каждой акустической волны в три-четыре раза превосходит диаметр светового пучка, а разность частот одной пары распространяющихся навстречу друг другу акустических волн выбирают отличной от разности частот другой пары, и регистрируют составляющие модуляции интенсивности светового пучка, соответствующие разностям частот.