Устройство для измерения скорости Советский патент 1984 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений скоростных характеристик потоков жидкости, газа и плазмы. Известен допплеровский измеритель скорости, в котором использован интерферометр Фабри Перо, работающий в,режиме компарирования двух спектральных линий для измерения скорости потока плазмы 1 . Недостатком этого устройства явля ется малая точность измерений, так .как из-за отсутствия привязки резонансной частоты контура пропускания к исследуемой спектральной линии, испол . зуется низкодобротный интерферометр с малой крутизной дискриминационной характеристики Кроме того, подобное устройство требует сложной электронной системы излучения балансной оши ки. -. Известно также измерительное устройство, содержащее последовательно расположенные стабилизированный по мощности измерения одночастотный лазер, двухлучевой интерферометр с поляризационной развязкой опорного и сигнального плеч, оптический дискриминатор допплеровского сдвига частоты, в качестве которого применен конфокальньш интерферометр ФабриПеро, два фотоприемника, один из ко торых подключен к устройству регист рацрш уровня опорного сигнала, а другой включен в цепь системы экстремальной автоподстройки рабочей . точки по дискриминационной характеристике к частоте сигнального свето вого пучка L2 , Недостатками такого устройства являются ограниченные быстродействи и динамический диапазон измерения Скорости вследствие инерционности пьез.окерамической гаайбы, несущей од но из -зеркал- конфокального интерфер метра . Цель изобретения - повышение точ ности расширения динамического диапазона измерений„

Для достижения поставленной цели в устройстве между фотоприемником и измерителем опорного сигнала включен второйсинхронньй детектор, в опорном плече интерферометра установлен управляемьй Пространственно-частотный фильтр, подсоединенный к выходу второго синхронного )а;етектора5 а ка

Устройств о работает

следующим образом

Луч лазера 1 после прохождения 55 фазового модулятора 2 расщепителем j 18 делится на два ортогонально пол ризованнкх пучка, различных интенсив ностейс 972 входе интерферометра установлен фазовый модулятор, подсоединенный к генератору опорной частоты. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит последовательно расположенные одночастотньй лазер 1, фазовый модулятор 2, двухлу- . чевой интерферометр 3, оптический дискриминатор допплеровского сдвз-ira. частоты 4, выполненный в виде конфокального интерферометра Фабри-Перо, одно из зеркал которого закрепленона пьезокерамической шайбе 5. Последовательно за дискриминатором помеIщены поляризационная призма-анализатор б, фотоприемник рассеянного светового пучка 7 и фотоприемкик опорного пучка 8. Фотоприемник рассеянного пучка 7 подключен к синхронному детектору 9з содерлсащему последователь-но соединенные избирательный усилитель 10s фазовьй детектор 11, интегратор 12 и усилитель 13 К фазовому детектору 11- через фазовращатель 14 подключен генератор опорной частоты 15, К фотоприемнику,8 подключены послеповательно второй синхронный детектор .16 и измеритель уровня опорного сигнала 17. Вход опорной частоты синхронного детектора 16 и фазовый модулятор 2 подсоединены к выходу генератора опорной частоты 15. Пьезокерамическая шайба 5 подключена квыходу синхронного детектора 9, Двухлу 1езой интерфе юметр состоит, например, из поляризационного расщепителя 18,, сигнального, и опорного плеч, а также рекомбинационной стеклянной пластины ,19, В сигнальиом плече интерферометра последовательно расположены направля-ющий объектив 20,, объект измерения 21, согласуюший обьектив 22 и поляризационный фильтр 23. В опорном плече интерферометра последовательно установлены управляемьй пространс венночастотный фильтр 24, подключенный к выходу синхронного детектора и согласующий объектив 25, Более мощный пучок объективом 20 направляется в малую заданную област исследуемого объекта 21. ;Рассе51нньй свет объективом 22 через поляризатор 23 и рекомбина1Ц1онную пластину 19 направляется в оптический дискриминатор дрпплеровского сдвига частоты. Частота рассеянного света uJg имеет допплероЕский сдвиг LO , , пропорциональньй скорости движения рассе:ивающих частиц . где UJg - частота лазерного пучка. Слабый световой пучок в опорном плече интерферометра последовательно проходит через перестраиваемьш прост ранственно-частотньш фильтр 24, согласующий объектив 25 и попадает на рекомбинационную пластинку 19, где пространственно совмещается с ортогонально поляризованнымсигнальным рассеянным пучком и направляется в оптический частотный дискриминатор 4. Выходящие, из дискриминатора опорный и рассеянньй световые пучки пространственно разделяются . призмой Волластона 6 по ортогональным поляризациям и направляются на соответ-. ствзющие фотоприемники 7 и 8, Привяз ка резонансной частоты контура пропускания дискриминатора к частоте излучения лаз.ера ш. осуществляется в данной схеме сисгемой экстремаль ого управления, содержащей синхронный детектор 9. Гармонический сигнал с генератора опорной частоты 15 поступает на фазовый модулятор 2. При гармонической фазовой модуляции частота лазерного пучка оказывается модулированной также по гармоническому закону с частотой мо.дз/ляциИз равной опорной частоте, и шздексам мо.цуляции, равным о/ рЯ/ujg J где - фазоБьш сдвиг, пропорш- онапьный амплитуде модулирующего напряжения. Контур пропускания дискрр1минатора выполненного в виде конфокального интерферометра Фабри-Перо. можно опи сать контуром Лоренца. При расстройке центральной части пропускания относктельио частоты Wg рассеянного пучка на выходе дискриминатора свето вой- пучококазывается модулнрованньи по интенсивности с частотой модуляции S1 . При этом глубина модуляции пропорциональна расстройке, а полярность указывает знак расстройки. Таким образом, амплитуда и фаза первой гармоники является сигналом ошибки при несовпадении -частоты ы рассеянного пучка с резонансной частотой контура пропускания дискриминатора. . .. .Переменный ч:;игнал с нагрузки фото1гриемника 7 постудает навход селективного усилителя 10, настроенного на частоту 51 , Сигн.алы с селективного усилителя подаются на фазовьп- детектор 11, .на опорный вход которого с генератора 15 через фазовращатель 14 поступает сигнал опорной частоты SJ . Величина и полярность выходного напряжения фазового детек- тора определяется расстройкой часто- ты рассеянного пучка относительно резонансной частоты контура пропзскания конфокального интерферометра. Выходной сигнал с фазового детектора через интегра-тор 12 и усилитель 13 поступаетна пьезокерамическую шайбу 55 являясь сигналом коррекции. Пьезокерамическая шайба в соответст- ВИИ с сигналом коррекции осуществляет подстройку резонансной частоты контура пропускания .дискриминатора к частоте .рассеянного пучка. Второй синхронный .цетектор 16 вместе с управляемым пространственночастотным фильтром 24 образует кон- . тур экстремальной автоподстройки пространственной частоты опорного пучка к пространственной резонансной частоте контура пропускания дискримина.тора 4. В этом контуре сигнал коррекции, определяемьй расстройкой частоты контура пропускания дискриминатора,- поступает на управляемый пространствешю-частотньш фильтр 24, выполненный, . Hanpi-jMep, в Е1-зде Стабильного, конфокального интерферометра ФабриПеро, Сигнальная коррекция вызьшает изменение пространственной частоты опорного пучка на входе дискриминатора, достаточное для компенсации сигнала ошибки в синхронном детекторе 1.6, Поскольку первый контур с синхронным детектором 9 отслеживает частоту рассеянного пучка Ш2 ti)b -{/ш ,, а частота опорного пучка ; lUJ5 J сигнал коррекции на выходе синхронного детектора 16 пропорционален :.ui(,f . Величина и полярность этого сигнала 510 однозначно определяются величиной и направлением измеряемой скорости. . . Отсчет величины и скорости осуществляется измерителем уровня сигнала 17о Динамический диапазон измерений в описанной двухконтурной системе определяется динамическим диапазоном управляемого пространственно-частотного фильтра 24, Если, например, ;в качестве такого фильтра применяется интерферометр Фабри-Перо, динами7ческий диапазон измерений определяется межмодовым интервалом интерферометра. Для конфокального интерферометра, с радиусом кривизны 200 мм межмодовый интервал составляет 750 мГц, Следовательно, верхний предел измеряемой допплеровской частоты равен 750 мГц. Ему соответствует величина скорости порядка 10 км/с. Нижний предел измерений скорости составляет 3 м/с (или в допплеровских частотах 200 кГц),

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, содержащее последовательно расположенные одночастотный лазер, двухлучевой интерферометр с ортогонально ориентированными поляризационными фильтрами в сигнальном и опорном плечах, оптический дискриминатор допплеровского сдвига частоты,.поляризационную призму-анализатор фотоприемник опорного пучка с измерителем уровня опорного сигнала и подключенный к нему синхронный детектор с генератором опорной частоты, о тличаю щ-е е с я тем., что, с целью повышения точностиизмерений и расширения динамического диапазона, между фотоприемником и измерителем опорного: сигнала включен второй синхронный детектор, в опорном плече интерферометра установлен управляемый сл пространственно-частотный фильтр, j подсоединенный к выходу второго син- хронного детектора, а на входе интер- j (ферометра установлен фазовый модулятор, подсоединенный к генератору опорной частоты.. оо Ji (ID