Волоконно-оптический зонд доплеровского анемометра Советский патент 1986 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потоков в труднодоступных местах и может найти применение в медицине, в нефтехимической промышленности, в теплоэнергетике , в гидродинамике.

Цель изобретения - повышение соотношения сигнал/агум за счет увеличения контрастности интерференционных полос в измерительном объеме.

На. фиг, 1 и 2 представлены модификации схемы доплеррвского анемометра с волоконно-оптическим зондом, на фиг. 3 - волоконный тракт, поперечное сечение; на фиг. 4 - варианты выполнения объектива на конце зонда. .

Волоконно-оптический зонд содержит последовательно расположенные лазер 1 (фиг. 1), расщепитель пучк вьпюлненный в виде инт ерферометра Маха-Цандера 2, в одном плече которого расположена частотосдвигаю- щая ячейка 3, работающая в режиме дифракции Брегга. Зеркало интерферометра 4 вьшолнено поворачивающимс вокруг оси, что позволяет устанавливать некоторый угол Ц между сов мещаемыми пучками. Расщепитель пучка может быть также выполнен в виде частотосдвигающей ячейки 3, работающей в режиме дифракции Рамана-Ната (фиг. 2).. В этом случае угол q) между первым и минус первым дифракционным порядками, которые используются в дальнейшей работе зонда, зависит от соотношения между длиной волны оптического излучения Ti, и длиной волны акустического поля в ячейке 5г:с( .

После расщепителя пучки падают на собирающую линзу 5, в фокальной плоскости которой расположен торец передающего волоконного тракта 6. Цучки фокусируются на сердцевинах передающего тракта 6. РасстояниеS между осями сердцевин тракта 6 и угол Ц однозначно определяют фокусное расстояние объектива 5 , Двухканальный волокгнный тракт выполнен в виде двух раздельных сердцевин с показателем преломления П| , расположенных на расстоянии S,и общей оболочки из материала с показателем преломления п (фиг.З). Сечения сердцевин представляют собой элхшпсы, малые оси которых лежат на одной прямой, а боль

5

0

5

шие параллельны. Такое распределение показателя преломления в сечении двухканального тракта возникает из-за того, что при сплавлении двух световодов силы поверхностного натяжения формируют общую оболочку цилиндрической формы, а сердцевины, деформируясь, приобретают эллиптическое сечение. Двухканальный волоконный тракт может быть также выполнен вытяжкой предварительно изготовленной двухканальной заготовки. Заготовка оплавляется из двух идентичных заготовок одномодовых световодов, при этом процесс формирования заданного показателя преломления аналогичен описанному.

На конце передаюш,его тракта 6 расположен объектив 7. Наиболее, высокая точность измерения скорости обеспечивается зондом при расположении излучающего торца тракта 6 в фокальной плоскости объектива 7. В этом случае период оптической инте- ренференционной решетки дХ составляет /5пз где fj - фокусное расстояние объектива 7. В среде объектив 7 может быть выполнен в виде микролинзы на концеволоконно- го тракта 6 (фиг. 4, вверху). Центр кривизны преломляющей поверхности микролизны следует расположить на расстоянии ()/(Hj-n,) от торца тракта 6, где R - радиус кри- 5 визны преломляющей поверхности, п и Hj - показатели преломления соответственно линзы и среды. Объектив 7 может быть также выполнен в виде коллимируклцей градиентной линзы (фиг. 4, внизу).

Доплеровский анемометр кроме волоконно-оптического зонда содержит приемный объектив 9, сопрягаюп1ий область пересечения интерферирующих пучков 3 входным торцом приемного световода 10. Световод 10 связан с фотодетектором 11, который в свою очередь связан с доплеровским процессором 12, выполненным, например, в виде анализатора спектра.

Работа предложенного волоконно- оптического зонда в составе доплеров- ского анемометра происходит следующим образом.

Излучение лазера разделяется в делителе на два пучка. В ячейке 3 оптическая частота одного из пучков сдвигается на величину F, после чего с помощью объектива 5 пучки фоку0

0

5

0

5

сируются на сердцевинах волоконного тракта 6. По двум каналам волоконного тракта 6 излучение попадает на объектив 7 и направляется в область 8 измерения. При этом в области пересечения интерферирующих пучков возникает бегущая интерференционная картина. Рассеивакщая частица среды, пересекающая интерференционное поле 8 со скоростью V, , рас- сеивает и.злучение, промодулированное

по амппитуде с частотой f.

АОП

fAon- miV /uX.

АОП

Знак - или + выбирается в зави- f5 симости от того, движется частица по направлению движения интерференционных полос или навстречу. Рассеянное излучение собирается объективом 9 и направляется по световоду 10 на 20 фотодетектор 11. .Доплеровским процест

fO

278723

сором 12 измеряется частота тока фотодетектора 1 1 и определяется скорость среди.

5 Формула изобретения

Волоконно-оптический зонд допле- ровского анемометра, содержащий последовательно расположенные лазер, расщепитель пучка, два передающих одномодовых световода, объектив, о тличающийся тем, что, с целью повышения соотношения сигнал/шум за счет увеличения кон-траст- ности интерференционных полос в измерительном объеме, световоды выполнены в виде единого волоконного тракта с общей оболочкой и двумя раздельными сердцевинами эллиптического сечения, при этом больщие оси элементов параллельны.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости потоков в труднодоступных местах. Цель изобретения - повышение соотношения сигнал/п1ум Sa счет увеличения контрастности интерференционных полос в измерительном объеме. Передающие одномодовые световоды вьшолнены в виде единого волоконного тракта 6 с общей оболочкой и двумя раздельными сердцевинами эллиптического сечения, большие оси которых параллельны. Расщепитель 2 делит излучение лазера 1 на два пучка, оптическая частота одного из которых сдвигается на определенную величину в ячейке 3. Объективом 5 пучки фокусируются на сердцевинах волоконного тракта 6. Объективом 7 излучение направляется в область измерения 8. Измеряется частота тока фотодетектора 11 и определяется скорость среды. 4 ил. (Л ю ас N9 СО Фие.1

ю

Фиг.г

сриг.З

ir

, ВНИИПИ Заказ 6828/41 Тираж 778 Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4