Способ измерения линейной скорости объекта и оптико-волоконный измеритель линейной скорости Советский патент 1985 года по МПК G01P3/36 

/////////

СП

00

/

1. Способ измерения линейной скорости объекта путем облучения его пучком когерентного света, приема рассеянного от объекта света и измерения частоты доплеровского сигнала в рассеянном свете, по которому судят о составляющей вектора скорости движения объекта, параллельной оси пучка когерентного света, отличающийся тем, что, с целью измерения вектора скорости путем одновременного измерения его ортогональной компоненты, пучок когерентного света пространственно модулируют по амплитуде и измеряют максимальную ширину спектра дойлеровского сигнала, по которой судят о составляющей век(Л тора скорости движения объекта, ортогональной оси- пучка когерентного света.

tfuz f

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости объектов,в том числе потоков жидких и газовых сред. Изобретение может быть использовано при проведении измерения в труднодоступных местах и . может найти применение в медицине, в нефтехимической промьшшенности, в теплоэнергетике. . .

Известен способ измерения линейной скорости движения объекта, в котором облучают объект пучком когерентного света, принимают рассеянный от объекта свет и измеряют частому доплеровского сигнала в рассеянном свете, по которой судят о составляющей вектора скорости движения объекта.

Известен оптико-волоконный измеритель скорости, содержащий последовательно расположенные лазер, светоделитель, фокусирующую линзу, световод и фотоприемник, оптически согласованный со светоделителем, и измеритель доплеровской частоты,подключенный к фотоприемнику.

Действие известного устройства основано на измерении доплеровской частоты пропорциональной скорости движения среды. Выделение доплеровской частоты происходит на фотоприемнике при фотосмещений двух оптических сигналов: опорного возникающего при отражении части излучения выходным торцом световода, и рассеянного движущейся средой. При этом свето- вод играет роль приемо-передающей антенны.

. Известные способы и устройства. позволяют измерять лишь одну составляющую вектора скорости, параллельную оси пучка лазера, что является

ровского сигнала, подключенный к фотоприемнику, отличающийс я тем, что в него введен измеритель ширины спе.ктрапьных составляющих фототока, подключенный к фотоприемнику, а световод выполнен многомодовым,

недостатком, снижающим точность измерений.

Цель изобретения - измерение вектора скорости путем одновременного измерения его ортогональной компоненты.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения линейной скорости объекта путем облучения его пучком когерентного света, приема рассеянного от объекта света и измерения частоты доплеровского сигнала в рассеянном свете, по которому судят о составляющей вектора скорости движения объекта, параллельной оси пучка когерентного света, пучок когерентного света пространственно модулируют по амплитуде и измеряют максимальную ширину спектра доплеровского сигнала, по которой судят о составляющей вектора скорости движения объекта, ортогональной оси.пучка когерентного света.

В оптико-волоконный измеритель, содержащий последовательно расположенные лазер, светоделитель, фокусирующую линзу, световод и фотоприемник, оптически согласованный со светоделителем, а также измеритель частоты доплеровского сигнала, подключенный к фотоприемнику, введен измеритель ширины спектральных составляющих фототока, подключенный к фотоприемнику, а световод выполнен многомодовым.

На фиг.1 приведена схема, поясняющая сущность предлагаемого способа измерения скорости, на фиг,2 - схема предлагаемого оптико-волоконного измерителя} на фиг.З - схематически показано расположение вектора скорости и его составляющих по отношению к облучающему пучку; на фиг.4 распределение амплитуды поля в попе речном сечении облучающего пучкаj на фиг.5 - график зависимости ширин спектра пространственных частот пол облучающего пучка от расстояния до торца световода. На фиг.1 изображено устройство. Устройство содержит лазер 1, пол прозрачное зеркало-светоделитель 2/, модулятор 3, зеркало 4 и фотоприемник 5, подключенный к измерителю доплеровского спектра 6 и измеритеjpo ишрины доплеровского сигнала 7. При реализации способа излучение лазера 1 делят полупрозрачным зеркалом 2 на два пучка: облучающий и опорный. Облучающий пучок пропускают через модулятор 3 и направляют на объект, а опорный пучок направляют на зеркало 4 и далее на фотоприемник 5. Модулятор модулирует об лучающий пучок в поперечном сечении по амплитуде, причем спектр простра (Л ) (модулирующе ственных частот А(Р) имеет ограниченную функции ширину: где А - пространственная частота модулирующей функции; dA - ширина спектра пространственных частот; р - произвольно выбранная ось в поперечном сечении пучка Объект, пересекающий облучающий пучок, рассеивает излучение, которое направляют на фотоприемник 5, где смешивают с излучением опорного пучка. Доплеровскан частота фототока фотоприемника 5 определяет продольную составляющую вектора скорости Vj. Ширина доплеровского спектра определяет поперечную составляющую вектора скорости v . Доплеровскую частоту измеряют частотомером 6 и определяют V ц . Измерителем 7 (анализатор спектра) измеряют ширину спектра доплеровского сигнала и затем определяют поперечную составляющую скорости v Описанный способ измерения скорости осуществлен в волоконнооптическом измерителе (см.фиг.2). Измеритель содержит последовательно расположенные на оптической оси лазер 1, направленный ответвитель 2, собирающую линзу 8, много144модовый световод 9. Направленный ответвитель 2 может быть выполнен в виде полупрозрачного зеркала с поляризатором 10 между ним и объективом 11 или в виде зеркала с отверстием на оптической оси для прохождения прямого лазерного излучения и поляризатора 10, помещенного также между зеркалом и объективом 11, в обоих случаях главная ось поляризатора скрещена с плоскостью поляризации прямого лазерного излучения . Направленный ответвитель 2 может быть также выполнен в виде призмы Рошона или Волластона. Направленный ответвитель 2 оптически связан с последовательно расположенными объективом 11 и фотоприемником 5. С фотоприемником 5 связан измеритель доплеровской частоты фототока 7, например частотомер, и измеритель ширины доплеровского спектра 6, например анализатор спектра. В предлагаемом измерителе скорости модулятором облучающего пучка является сам световод 9. Пучок, прошедший многомодовый световод, промодулирован по амплитуде, так называемыми, спекловыми пятнами (см. 3 и 4). В непосредственной близости от торца (ближняя зона световода) зту модуляцию можно рассматривать как результат интерференции плоских волн, распространяющихся по световоду со случайной фазой в пределах апертуры. Максимальная пространственная частота спекловых пятен соответствует интерференции между плоскими волнами, распространяющимися под максимальным углом, равным апертуре световода. Следовательно, спектр пространственных частот в ближней зоне световода имеет ограниченную ширину, которая равна л - , (2) де Д СУ Граница ближней зоны находится на удалении 2о от торца световода (см.фиг.5). В дальней-зоне, на расстоянии 2- 2 от торца световода, ширина спектра

пространственных частот амплитуды поля равна

4Л т (4)

2

гдеВ- диаметр световода.

Таким образом световод модулирует обг.учающий пучок по амплитуде в поперечном сечении, причем ширина спектра пространЬтвенных частот после световода ограничена и определятся выражениями (2) и (4).

Волоконно-оптический измеритель скорости (см.фиг.2) работает следующим образом.

Излучение лазера 1 посредством линзы 8 вводится в световод 9 и распространяется к дальнему концу.На дальнем (выходном) торце распространяющееся по световоду 9 излучение paздeляetcя на опорный и облу-чающий пучки. При этом опорный пучок отражается от торца обратно в световод 9, а облучающий пучок выходит из световода 9;,. падает на движущийся объектj рассеивается и внов захватывается световодом 9. Отраженный и рассеянный оптические пучки передаются по световоду 9 и направляются на фотоприемник 5. При этом

прямое лазерное излучение, отраженное линзой 8 и передним торцом световода 9, поглощается поляризатором 10, чем достигается отсутствие паразитной засчетки на фотоприемнике 5.

Сигнал фотоприемника 5 направляется на частотомер 7 для измерения доплеровской частЬты фототока и на анализатор спектра для измерения ширины доплеровского спектра, с помощью которых определяют поперечную и продольные координаты вектора ско- рости движения объекта.

Погрешность измерения абсолютного значения скорости определяется, в основном, погрешностью изменения ее поперечной составляющей Vj, В волоконно-оптическом измерителе при использовании в качестве измеритёля 6 анализатора спектра эта погрешность составляет около 10% процентов.

iTi

&

2ё

т

Фиг,5