Устройство для измерения скорости Советский патент 1987 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скоростей движения жидкостей, газов и рассеивающих свет поверхностей. Известно устройство для измерения скорости потока жидкости или газа, содержащее кольцевой лазер, акустооптический модулятор, установленный на пути одного из двух лучей, генерируемых кольцевым лазером, и генератор, управляющий работой акустооптйческого модулятора, а также передающую и при емную оптические системы и фотоприемник, подключенный к измерителю доплеровской частоты и элементам обратной связи с генератором. Недостатками известного устройства являются его сложность и громоздкость и неработоспособность в условиях, когда рассеянное частицами излучение деполяризуется. Известно устройство, принятое за прототип, содержащее последовательно расположенные источник когерентного излучения и оптически согласованные с ним однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирователь изображения интерференционного поля в рассеянном свете, фотоприемник с подключенными последовательно полосовым фильтром и измерителем доплеровского сдвига частоты. Измеритель доплеровского сдвига частоты в прототипе содержит смеситель и перестраиваемый по частоте ге теродин для преобразования частоты доплеровского сигнала в заданную про межуточную. Недостатком известного устройства является пониженная точность измерений из-за невозможности плавной пере стройки частоты несущей доплеровского сигнала в оптическом канале. Это вызывает необходимость работы фотоприемника в широкой полосе частот, определяемой высокой модулирующей ча

тотой акустооптйческого модулятора (десятки мегагерц), что, в свою очередь, ведет к понижению чувствительности фотоприема и повьшению уровня шумов. Другой недостаток - пониженная надежность устройства из-за наличия лучевого расщепителя, критического к юстировке и вибрациям. Целью изобретения является повышение точности измерений скорости.

50 Световые пучки, выходящие с противоположных торцов резонатора, направляются зеркалами 2, 3 и объективом 6 в исследуемую среду, скорость которой подлежит измерению. В области пеПоставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержа- . щем последовательно расположенные источник когерентного излучения и оптически согласованные с иим дополнительньй однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирователь изображения интерференционного поля в рассеянном CBeie, фбтоприемник с подключенными последовательно полосо ым фильтром и измерителем доплеровского. сдвига частоты, формирователь интерференционного поля снабжен фазовым модулятором и в устройство введен перестраиваемьй по частоте генератор, выход которого через двухполупериодный выпрямитель электрически связан с управляющим входом источника когерентного излучения и через формирователь прямоугольных импульсов подключен к фазовому модулятору. На чертеже показана схема устройства для измерения скорости. Устройство содержит полупроводниковый лазер выводом излучения с противоположных торцов резонатора и. размещенные последовательно на пути световых пучков поворотные зеркала 2 и 3., однополосный частотный модулятор 4, фазовый .полуволновой модулятор 5, формирующий объектив 6, приемный объектив 7 с апертурной диафрагмой 8, фотоприемник 9. К фотоприемнику последовательно подключены перестраиваемый полосовой фильтр 10 и измеритель 11 доплеровского сдвига частоты. Однополосный частотный модулятор 4 подключен к генератору 12. Перестраиваемый по частоте генератор 13 через двухполупериодиый выпрямитель 14 подключен к полупроводниковому лазеру 1. Выход этого же генератора через формирователь 15 прямоугольных импульсов подключен к фазовому модулятору 5, Устройство работает следующим образом. 55 ресечения этих пучков формируется интерференционное поле, пространственное распределение интенсивности которого описывается известным выражением1(х)/Е„ (х) /Ч/Е (х) /+2/Е, (х) /. «/Ер (х)/cos , ( о . S амплитуда поля 1-го пучка;частотный сдвиг световог пучка на выходе частотно го модулятора 4; - модуль вектора интерференционной решетки; Л - пространственный период интерференционного поля; - фазмер интерференционной полосы); 2 el - угол между интерферирующими световыми пучками; Я - длина волны лазерного из лучения. Направление оси выбирается ортогонал ным к биссектрисе угла . Питание лазера модулируется электрическим сигналом с частотой . , ко торый формируется генераторм 13 и вы прямляется двухполупериодным выпрями телем 14. Поэтому интенсивность световых пучков, формирующих интерферен ционное поле, меняется по закону #/cosS,t/, где у- крутизна ватт-амперной характеристики лазера. Фазовый полуволновой модулятор 5 управляется напряжением с выхода формирователя 15 прямоугольных импульсов.Эт напряжение синхронизировано с напряж нием питания лазера, поскольку оба Напряжения формируются из сигнала ге нератора 13. Фазовый полуволновой мо дулятор модулирует разность фаз интерферирующих пучков по закону 4 1/2 SignCCos Я, tl. Следовательно, результирующее интерференционное поле (1) с учетом модуляции лазера и действия полуволнового фазового модулятора 5 можно описать выражением -, .Д WE , //Cos a,t/+ v/E / /Cos a, t/ + + V2/E /-/Ej-/CosS. t/ Cosi:(at-kx) + , + I a, t или после элементарных пpeoбpaзoвaни и, принимая во внимание, что /Cos Sign (Cos a)Cosa t, имеем I(2) ,,t/ пьедестал интерференционног поля; У 2/Ё, a:t-Cos at-kx)корреляционная компонента интерференционного поля,распределенная в направлении оси X с пространственной частотой К. Пусть зондирующее интерференционное поле в направлении оси пересекается частицей, движущейся со скоростью V. Сформированное в рассеянном свете изображение интерференционного поля на светочувствительной поверхности фотоприемника представляется сверткой пространственного распределения интенсивности интерференционного поля (2) и функции IV (х) В 6c-vt), описывающей движущуюся частицу.Здесь If- функция, описывающая форму частицы, функция, определяющая положение частицы. Ток на выходе фотоприемника пропорционален интенсивности изображения интерференционного поля в свете, рассеянном движущейся частицей. Отсюда получаем для выхода тока фотоприемника (увеличение приемной оптики принимаем для простоты за единицу) ООСО . )S(x-vt)dx+р f IfCx) соJ |«S(x-vt)dx, (3) f- коэффициент, учитывающий чувствительность и усиление фотоприемника. Подставляя в О) значения „ и I значения „ и G) и учитывая фильтрующее свойиз- функции, получаем ство Pl{lE,(t),(l)(vtJ|Cosa,tK , . 2|E,(t))/4(vt)-CosSZ,tx «OosCa -Kv(tU . Выполнив элементарные преобразования произведения косинусов в сумму коси-. нусов, приходим к окончательному вы-. ражению, описывающему ток на выходе фотоприемника: (Cosa t)+A,3,Cos (a-a,-u))t3 + + A,Cos(a + a, , ) здесь A, , (t), (t)} (); A, Py /E, (t)/-/E,(t)/.t| dft); Из (4) видно, что ток на выходе фотоприемника содержит составляющую, соответствующую пьедесталу интерференционного поля,и две компоненты С разностной и суммарной частотами несущей. Полосовой фильтр 10 настроен на

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, содержащее последовательно расположенные источник когерентного излучения и оптически согласо анные с ним однополосный частотный модулятор светового пучка, формирователь интерференционного поля, формирователь изображения интерференционного поля в .рассеянном свете, фотоприемник с подключенньми последовательно полосовым фильтром и измерителем доплеровского сдвига частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, формирователь интерференционного поля снабжен фазовым модулятором, в устройство введен перестраиваемый по частоте генератор, выход которого че- р рез двухполупериодный выпрямитель ® (/) электрически связан с управляющим входом источника когерентного излучения и через формирователь прямоугольных импульсов подключен к фазовому модулятору.