Волоконно-оптический зонд доплеровского анемометра Советский патент 1987 года по МПК G01P3/36 G01P5/26 

11 Изобретение относится к измерител ной технике и предназначено для реше ния задач доплеровской анемометрии п измерению скоростей потоков и отдель ных объектов в труднодоступных и уда ленных областях. Изобретение может найти применение в нефтехимической промышленности, в теплоэнергетике, в гидродинамике и т.д. Известен доплеровский анемометр с волоконно-оптическим зондом, содержа щий последовательно расположенные, оптически согласованные лазер, напра ленный ответвитель, световод и фотоприемник, оптически связанный с направленным ответвителем. В известном анемометре реализован гетеродинньй метод приема рассеянного назад объектом излучения При этом измеряется продольная составляю щая вектора скорости объекта (или об ласти) потока находящегося в непосредственной близости к торцу Световода. Недостатком известного анемоме pa является низкий уровень рассеянного назад излучения и возмущение измеряемого потока световодом. Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптический зонд доплеровского анемометра, содержащий последовательнр расположенные и оптически согласованные лазер, световод, расщепитель пучка и объектив. В прототипе расщепитель пучка выполнен в виде делительной призмы, являющейся громоздким элементом. При этом при изготовлении зонда требуется тщательная юстировка призмы. Целью изобретения является упрощение зонда, уменьшение его габаритов, а также повышение соотношения сигнал-шз м. Поставленная цель достигается тем что в известном волоконно-оптическом зонде доплеровского анемометра содер жащем последовательно расположенные и оптически согласованные лазер, све товод, расщепитель пучка и объектив, расщепитель пучка выполнен в виде билинзы, причем параметры зонда связаны соотношением , - 2tg9(l-aФ,) (1-ЛФг).,)1 1, где а - расстояние между световодом и билинзой; 9 & - расстояние между билинзой и объективом; Ф, ,Ф - оптические силы соответст-т:: венно каждого компонента билицзы и объектива; апертура световода; расстояние между компонентами билинзы. При этом параметры зонда согласно второго пункта формулы изобретения удовлетворяют соотношению аФ, (1-лФ.)(1-аФ,). (2). Согласно третьего пункта формулы изобретения световод выполнен с. характеристической частотой V 2,6, где V(2ir/) тСп -п)Ч г - радиус сердцевины световода; X - длина волны излучения.лазера; п - показатель преломления материала сердечника; п .- показатель преломления материала, оболочки. На фиг.1 представлена схема доплеровского анемометра с предлагаемым волоконно-оптическим зондом; наi фиг.2 - вариант конструктивного исполнения излучающей головки зонда; на фиг.3 и фиг.4 - приведен ход лучей в излучающих головках с различньми параметрами; на фиг.5 изображено соответственно для мод LPj, и UP,,- распределение поля на торце световода и распределения поля в области интерференции световых пучков; на фиг.6 приведены зависимости отношения суммарной интенсивности высокочастотной пространственной составляющей интерференционного поля к интенсивности, низкочастотного пьедестала от расстояния до головки зонда для различных мод световода. Волоконно-оптический зонд содержит последовательно расположенные лазер 1, согласующую лийзу 2, волоконно-оптический световод 3. Световод 3 может быть выполнен одномодовым, т.е. с отсечкой высших мод (параметр световода V-i-2,6) допускающим распространение моды LP, , т.е. без отсечки (V 2,6), либо многомодовым. Выходной торец световода 3 закреплен в наконечнике 4, который фиксируется в корпусе излучающей головки зонда. Конструкция излучающей головки включает корпус 5, вьшолненный в виде цилиндрической трубки с гнездом вдоль оси для фиксации наконечника 4, Внутри корпуса 5 вдоль оси размещены билинза 6, объектив 7 и поляризатор 8. Расстояние между оптическими элемеитами устаиавливается с помощью распроных шайб 9 и фиксируются гайкой 10. Предусмотрено вращение нако нечника 4 со световодом 3 вокруг сво ей оси внутри корпуса 5 для совмещения осей симметрии билинзы 6 и моды LPj. . Между параметрами волоконно-оп тического .зонда устанавливается следующее соотношение (обоснование вьг ражения, см. ниже) tg в( 1 -аФ,) (I -лФг )-аФг . f.f (АФ,-1-), .где .9 - апертура световода 3; d - расстояние между компонентами билинзы 6; (U - относительная погрешность измерения скорости. Продольный Jd и поперечный 2h размеры области интерференции (см. фиг.З), определяю.тся выражениями d 2пatg8/I;Ф,d( (l-(u) , (4) 2h 2atge/ 2-(«) (лФ4-1) . (5) Из (3) следует, что при |U 0 дости гается наивысшая точность измерения скорости, а соотношение (3) приводит ся к (2). Однако в случае, определяе мом (1), несколько возрастает размер области интерференции. Поэтому в общем случае параметры зонда допустимовыбирать из условия /( (см.фиг.З 4). I . . Доплеровский анемометр кроме волоконно-оптического зонда включает также приемный оптический тракт и доплеровский процессор. Приемный тракт может быть выполнен (см.фиг.1) в виде объектива 11 и приемног световода 12, либо при приеме излучения, рас сеянного назад, в виде приемного световода 12, подсоединенного с помащ1 ю направленного ответвителя к передающему световоду 3. Приемный световод связан с фотоприемником 13 и измерителем доплеровских частот 14. Работа волоконно-оптического зонда происходит следующим образом. Пучок излучения лазера 1 возбуйсдает посредством линзы 2 в световоде 3 заданный модовый режим (одномодовый - моды ЪР„, , или LP,, или, в общем случа,е многомодовый). При Необходимости, дополнительная селекция рабочей моды осуществляется с помощью поляризатора 8. В области измерения головкой зонда формируется оптическая интерференционная решетка, период которой, в общем случае, изменяется вдоль оптической оси. Интерференционное поле в области пересечения-пучков определяется модовым составом излучения световода 3 и в общем случае содержит медленно меняющуюся составляющую - пьедестал и пространственно осциллирующую составляющую поля, ответственную за образование непосредственно доплеровского сигнала. Оптическая мощность пьедестала полезной информации о скорости не несет, а приводит к возрастанию дробовых шумов фотодетектора, отношение суммарной оптической мощности доплеровского сигнала к суммарной мощности низкочастотного пьедестала определяет шумовые свойства интерференционного поля. Интерференционную решетку, формиру емую головкой зонда, можно приближенно построить наложением (с учетом фаз) двух симметричных половинок поля моды смещенных относительно друг друга соответственно тому, в каком сечении измерительиого объема рассматривается поле (см.фиг.5). Зависимости { отпараметра смещения Х приведены на фиг.6. Кривые а и б построены соответственно для мод LPo, и LF, , в для неискаженной моды LP, . Из приведенных на .6 зависимостей видно, что кривая б наиболее близко повторяет ход кривой, это позволяет сделать вывод о достаточно высоком качестве интерференционной решетки, формируемой головкой зонда из поля моды Движущаяся со скоростью V вдоль оси X частица среды рассеивает излу.чение, промодулированное частотой Аоп 1 . Рассеянное излучение захватывается приемным волокоКНо-оптическим трактом и по световоду поступает на фотоприемник. В измерителе из фототока выделяется высокочастотный Доплеровский сигнал и определяется поперечная составляющая скоростиV. . ,.SX. (6) Преимущества конструкции излучающей головки в том, что оиа обеспечивает минимальные размеры, компактность, простоту сборки. Собранная из51151089-6

лучающая головка не нуждается в до- размеры измерительного объема и др.) полнительной юстировке, перестройка осуществляются путем замены распорпараметров (шаг интерференционных по- ных колец между оптическими элемеилос, погрешность измерения скорости, тами. ХХХХХУСУОчУ OCvS CCNXVVV Y77/// 7////7 /77/// l 7/77jf /7j

1.ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДОПЛЕРОВСКОГО АНЕМОЖТРА, содержащий последовательно расположенные и оптически согласованные лазер, световод, расщепитель пучка и объектив, отличающийся тем, что, с целью упрощения зонда и уменьшения его габаритов, расщепитель пучка выполнен в виде билинзы, причем параметры зонда связаны соотношением 2tg9(-aФ,)(l-ДФ,),() 1, где а - расстояние между световодом и бшганзой; Л - расстояние между билинзой и объективом; Ф,,Ф, оптические силы соответственно каждого компонента билинзы и объектива; 0 d апертура световода; расстояние между компонентами билинзы. 2. Зонд по П.1, о т ли ю щ и и с я тем, что параметры зонда также удовлетворяют соотношению аФг