Оптический доплеровский измеритель градиента скорости потока Советский патент 1984 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения мгновенной разности скоростей в двух точках потока для последующего определения градиента скорости потока. Известен одноканальный лазерный доплеровский анемометр со спектраль ным анализом сигнала, применяемый для определения градиента скорости потока по деформации спектра доплеровского сигнала. Принцип его дей ствия состоит в решении обратной задачи восстановления профиля скорости в пределах измерительного объема методом текущего интегрирования кривой спектральной плотности доплеровского сигнала 1 . Недостатком такого устройства является низкая точность измерения дисперсионных характеристик спектра по сравнению с измерением его центральной частоты, так как погрешность существенно повышается при измерении спектральных моментов более высоких порядков. Известен двухканальный оптический доплеровский анемометр, который может быть применен для измерения градиента скорости, содержащий после довательно установленные и оптически согласованные лазер, блок формирования двух пар зондирующих пучков, систему попарной фокусировки пучков и систему сканирования двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотопрйемную систему и измерител доплеровской частоты. Двухканальная фотоприемная систем содержит два фотоприемника, каждый из которых собирает рассеянный свет из одной точки потока. Сигнал, снимаемый с нагрузки каждого из двух фотоприемников, поступает в радиоизмерйтельный тракт, сос тоящий из полосовых фильтров, и измеритель доплеровской частоты. Два . демодулированных сигнала, являющихся аналогами скорости в двух точках потока, поступают в коррелятор или любое вычитающее устройство С 2. Недостатками известного устройств являются низкие точность и пространственное размещение измерений при малых градиентах скорости из-за наличия двух систем детектирования доплеровского сигнала, каждая из которых определяет значение измеренной скорости с погрешностью порядка 0,1-1%. Таким образом,- измеренная мгновенная разность скоростей в двух точках потока при малой величине градиента скорости оказывается сравнимой с погрешностью измерений. Цель изобретения - повьшение точности и локальности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в оптический доплеровский измеритель градиента скорости потока, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, блок формирования двух пар зондир тощивк пучков, систему попарной фокусировки пучков и систему сканирования двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотоприемную систему и измеритель доплеровской частоты, введен аналоговый перемножитель доплеровских сигналов, входы .которого подключены к вькодам двухканальной фотоприемной системы, а выход - к измерителю доплеровской частоты, при этом блок формирования двух пар зондирующих пучков выполнен в виде последовательно установленных частотного модулятора, полупрозрачного и отражающего зеркал, двух устройств смещения пучка и двух устройств поворота плоскости поляризации на 90°. На фиг. 1 изображена оптическая схема предложенного устройства-, на фиг. 2 - структурная схема радиоизмерительного тракта и спектральные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит лазер 1, блок формирования двух пар зондирующих пучков, включающий частотный модулятор 2, например акустооптический, полупрозрачное 3 и отражающее 4 зеркала, устройства 5 и 6 смещения пучка и поворота плоскости поляризации на 90 (например, зеркально-призменные схемы в сочетании с пластинками ); систему попарной фокусировки пучков в поток и сканирования одной точки измерения относительно другой (например, последовательно установленные плоскопараллельную пластину и две полулинзы) и двухканальную фотоприемную систему 7, содержащую фотоприемники 8 и 9. Радиоизмерительный тракт содержит перемножитель 10 доплеровского сигмала, входы которого подкгпочены к двум выходам фотоприемной системы, и систему 11 измерения доплеровской частоты (например, следящего типа), подключенную к выходу перемножителя. Устройство работает следующим образом. Луч лазера 1 расщепляется модулятором 2. Для работы выбираются два пучка, соответствующие, например, гНулевому и +1 порядку дифракции, смещенному по частоте относительно нулевого на величину д. Полупрозрачное 3 и отражающее 4 зеркала форм руют четыре пучка, лежащие в одной плоскости, при этом зеркала ориентированы таким образом, что крайние пучки. Которые направляются в систем 6 фокусировки и сканирования - парал лельны. Каждый из двух внутренних пучков меняет плоскость своего распространения, а также получает поворот плоскости поляризации на 90 с помощью устройства 5 или 6. Например смещение пучка может быть произведен с помощью двух призм, расположенных справа (фиг. 1), а поворот плоскости поляризации осуществлен пластинкой Д/2. I .. Две пары ортогонально поляризованных пучков с помощью блока 7, в качестве которого может быть использована система сканирования, состоящая из вращающейся плоскопараллельной пластины и двух полулинз, направляются в исследуемый поток. Система 7 фокусирует пучки, лежащие попарно в двух плоскостях, в точки А и В потока, причем векторы чувствительности двух каналов К и Kg равны, но направлены в разные сто роны вследствие пространственного разделения пучков, соответствующих 0-му и +1-МУ порядкам дифракции. Ориентация точек А и В может быть любой, а расстояние t между ними может быть сделано как угодно малым, так как пучки, относящиеся к разным каналам измерения, между собой не кнтерферируют. Это приводит,к повьш1ению точности и локальности измерения градиента скорости, так как расстояни между центрамиэффективных измерительных объемов (А и В) может быть установлено меньше, чем поперечное сечение пучков в точках их пересечения. Свет, рассеянный из измерительных объемов А и В, собирается на фоточувствительной поверхности-фотоприемников 8 и 9 излучения. Сигналы, снимаемые с нагрузки фотоприемников, поступают на входы аналогового перёмножителя 10. Спектр сигнала на выходе перемножителя содержит две узкополосные компоненты, соответствующие частотам первичных сигналов Ед К UA; fg Г,-Ки5-(где и, ;, проекции векторов скорости на направление векторов чувствительности К ), а также компоненты, соответствующие их разности и сумме (ид+ир); .f 2 (ид-Ug). Таким образом, доплеровский сигнал, расположенный на частоте f, несет информацию о мгновенной разности скоростей (д- UQ) (t) в двух точках потока. Доплеровский сдвиг частоты f.Q К () относительно удвоенной частоты мод:уляции 2f измеряется одной системой детектирования с погрешностью ди .В результате однократного частотного детектирования мгновенная разность скоростей равна ()iuU, т.е. погрешность измерения в f2 раз меньше, чем в известном устройстве при применении аналогичных систем измерения доплеровской частоты. Предложенное устройство может быть также использовано в неизменном виде при исследовании пространственной структуры турбулентных потоков для прямого измерения пространственной структурной функции D(r) | V(x)-V(x+r) турбулентности, где V(x) и V(x+r) - турбулентные, пульсации скорости в точках, расположенных ,на расстоянии г один относительно другого. Для этого выходной сигнал предложенного изм|рителя может быть подвергнут люббй радиоизмерительной обработке с целью определения квадратичных характеристик .

ОПТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ГРАДИЕНТА СКОРОСТИ ПОТОКА, содержащий последовательно установленные и оптически согласованные лазер, блок фрр мирования двух пар зондирующих пучков, систему попарной фокусировки пучков и систему сканирования двух пар зондирующих пучков, а также двухканальную фотоприемную систему и измеритель доплеровской частоты, от ли ча ющ и и с я тем, что, с целью повьшения точности и локальности измерений, в него введен аналоговый перемножитель доплеровских сигналов, входы которого подключены к выходам двухканальной фотоприемной системьг а выход - к измерителю доплеровской частоты, при этом Q. блок формирования двух пар зондируS кидих пучков выполнен в виде после(Я довательно установленных частотного модулятора, полупрозрачного и отражающего зеркал, двух устройств смещения пучка и двух устройств поворота плоскости поляризации на 90 . со 00 со sj 00