Лазерный измеритель размеров и дисперсного состава частиц Советский патент 1987 года по МПК G01N15/14 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера и дисперсного состава твердых частиц, присутствующих в зкидкой или газообразной среде, оптическими средствами.

Цель .изобретения - повьшение цоме- хоустойчивости, чувствительности и точности измерения размеров и дисперсного состава частиц.

На фиг.1 изображена блок-схема лазерного измерителя размеров и дисперсного состава частиц; на фиг.2 - блок-схема расщепителя.

Лазерный измеритель рйзмеров и дисперсного состава частиц содержит лазер 1, излучающий на частоте f, частотосдвигающий блок 2, блок 3 опдвух взаимно перпендикулярных направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси кристалла

10

27. От генератора 17 на частоте f подаются два четвертьволновых напряжения, сдвинутых по фазе на 90°. Таким образом, на выходе частотосдви- гающего блока образуется суперпозиция двух пространственно-совмещенных пучков излучения с линейными взаимно ортогональными состояниями поляризации (например, один горизонтально, а другой вертикально поляризованный),

U

имеющих различные частоты f, и

fo+f .

где tg - частота излучения лазера 1. Затем пучок излучения проходит оптическую корректирующую систему 3 и коллиматор 8 и поступает на расщепитической коррекции,- коллиматор 4, рас-20 тель 5, на выходе которого формируют- щепитель 5-, формирующий два световых ся пучки 6 и 7, представляющие собой

пучка 6 и 7 равной интенсивности, пересекающихся в зоне 8 измерений, полуволновую пластину 9, первую 10, вторую 11 и третью 12 собирающие лин- зы, аппертурную диафрагму 13, первый 14 и второй 15 фотоприемники, блок 16 регистрации, генератор 17, удвоитель 18 частоты и поляризационный расщепитель 19.

Блок 16 регистрации содержит первый 20, второй 21 и третий 22 фильтры верхних частот, смеситель 23, синхронный детектор 24-и амплитудный анализатор 25.

Частотосдвигающий блок 2 содержит первую четвертьволновую пластину 26, электрооптический кристалл 27 и вторую четвертьволновую пластину 28.

Расщепитель 5 содержит расщепитель ную цризму 29, поворотную призму 30 и призму 31.

Лазерный измеритель размеров и дисперсного состава частиц работает следующ1-ш образом.

Лазер 1 излучает линейно поляризованный пучок с азимутом 0/ 45°, которое направляется на вход частото- сдвигающего блока 2, состоящего из последовательно установленных первой четвертьволновой пластины 26, электрооптического кристалла 27 и второй четвертьволновой пластины 28, причем первая 26 и вторая 28 четвертьволновые пластинки установлены с азимутом

оси, равным р О , а поворотная ось третьего порядка электрооптического кристалла 27 совпадает с направлением распространения лазерного пучка, в

13630222

двух взаимно перпендикулярных направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси кристалла

27. От генератора 17 на частоте f подаются два четвертьволновых напряжения, сдвинутых по фазе на 90°. Таким образом, на выходе частотосдви- гающего блока образуется суперпозиция двух пространственно-совмещенных пучков излучения с линейными взаимно ортогональными состояниями поляризации (например, один горизонтально, а другой вертикально поляризованный),

U

имеющих различные частоты f, и

fo+f .

суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков излучения с различными частотами fp и f. , причем излучения с согласованным состоянием поляризации пучков 6 и 7 также имеют различные частоты f и f, что позво- -ляет получить в зоне 8 измерения два интерференционных поля с одинаковыми периодами и взаимно ортогональными состояними поляризации, с движущимися с одинаковой скоростью в противоположных направлениях картинами интерференционных полей. При движении потока с частица1-1И через зону измерения необходимо обеспечить одночас- тотный режим работы схемы, что ограничивает концентрацию частиц. Размер частиц должен быть меньше периода интерференционного поля.

Рассеянное на движущейся в зоне В измерения частице излучения собирается линзой 10, оптическая ось которой совпадает с осью схемы в пределах апертурной диафрагмы 13, и после пространственного расщепления поляризационной призмой 19 горизонтально поляризованное излучение направляется линзой 11 на фотоприемник 14, а вертикально поляризованное излучение направляется линзой 12 на фотоприемник 15.В результате оптического гетеро- динирования на выходе фотоприемника 14 образуется переменная составляющая сигнала на частоте f f - df,

Г

i( t)A(t)(uJ,-W )t -i/J,

е U), 2/if 1 ;

L0j 2;Mf 2T/ (K, - K) IP, V(K,- K,)t,; A(t)- амплитуда высокочастотной составляющей сигнала, значение которой при равномерной освещенности зоны измерения определяется размером частицы, проходящей через зону измерения;

pi - волновой вектор облучающего 1,2 пучка;

V - скорость п-ой частицы, проходящей через зону измерения;

момент вхождения п-ой частицы в зону измерения; доплеровская частота.

Wu На выходе фотоприемника 15 образу-2о Щепительной.призмы 29, делящего еГо на

ется переменная составляющая сигнала на частоте f ci f , + f.

) A(t)cos((j,+W2)t .

Таким образом, на выходе фотоприемников 14 и 15 образуются высокочастотные сигналы одинаковой амплитуды, представляющие собой радиоимпуль35

40

сы с огибающей, близкой к прямоуголь- зо Ричных оптической оси схемы и пере- ной форме, имеющих различные частоты, величина которых определяется скоростью движения частицы, относительно интерференционных полей зоны 8 измерения. Следует отметить, что рассеивающие частицы расположены в потоке случайным образом, поэтому фазы рассеянных на них волн также случайны, что приводит к случайной фазовой модуляции высокочастотного сигнала на выходе фстоприемника, причем случайные фазы на выходах фотоприемников 14 и 15 равны по величине, но имеют противоположные знаки, что обеспечивается созданием в зоне 8 измерения двух интерференционных полей с взаимно ортогональными линейными состояниями поляризации и движением интерференционных картин в противоположные стороны.

Сигналы с частотами f и f с выходов фотоприемников 14 и 15 выделяются фильтрами 20 и 21 верхних частот и поступают на первый и второй входы смесителя 23, на выходе которого с помощью фильтра 22 верхних частот вьщеляется сигнал суммарной

45

50

секающихся с ней в зоне 8 измерения. На выходе расщепителя 5 на пути одного из пучков излучения установлена полуволновая пластинка 9 с возможнос тью изменения состояния поляризации- пучка излучения на взаимно ортого-

нальное.

I

Таким образом, пучки 6 и 7 излучения представляют собой суперпози цию двух пространственно совмещенных пучков излучения, причем колебание электрического вектора одного из них перпендикулярно плоскости облучающих пучков, а другого вектора - параллельно этой плоскости, кроме того, параллельные колебания электрических векторов пучков 6 и 7 излучения,- а также взаимно ортогональные колебания электрических векторов про странственно совмещенных пучков излу чения имеют различные частоты f и f

55

Формула изобрете-ния

1. Лазерньш измеритель размеров и дисперсного состава частиц, содержащий лазер и последовательно размещенные на его оптической оси, оптичастоты f + f 1 2f, величина которой не зависит от скорости V час

630224

тнцы и, кроме того, этот сигнал не подвержен случайно фазовой модуляции, что существенно упрощает дальнейшую обработку полезного сигнала. Далее сигнал с смесителя 23 через фильтр 22 верхних частот поступает на первый вход синхронного детектора 24, на второй вход которого поступа- 1Q ет сигнал через удвоитель 18 частоты с выхода генератора 17 высокой частоты. Выделенный с помощью синхронного детектора 24 сигнал с амплитудой, пропорциональной размеру частиц. 15,поступает на вход амплитудного анализатора 25 импульсов.

Расщепитель 5 работает следующим образом.

Пучок света поступает на вход расдва пучка равной интенсивности, один из которых не изменяет своего направления, а второй направляется на поворотную призму 30, выполненную с 25 возможностью создания на выходе па- .раллельного пучка, которые направляются на призму 31, на выходе которой формируются два пучка 6 и 7 излучения с равной интенсивностью, симмет

Ричных оптической оси схемы и пере-

секающихся с ней в зоне 8 измерения. На выходе расщепителя 5 на пути одного из пучков излучения установлена полуволновая пластинка 9 с возможностью изменения состояния поляризации- пучка излучения на взаимно ортого-

нальное.

I

Таким образом, пучки 6 и 7 излучения представляют собой суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков излучения, причем колебание электрического вектора одного из них перпендикулярно плоскости облучающих пучков, а другого вектора - параллельно этой плоскости, кроме того, параллельные колебания электрических векторов пучков 6 и 7 излучения,- а также взаимно ортогональные колебания электрических векторов пространственно совмещенных пучков излучения имеют различные частоты f и f .

55

Формула изобрете-ния

1. Лазерньш измеритель размеров и дисперсного состава частиц, содержащий лазер и последовательно размещенные на его оптической оси, оптически сопряженные с ним частотосдви- гающий блок, вход которого соединен с первым выходом генератора, расщепитель, первая и вторая собирающие линзы с аппертурной диафрагмой между ними, первый фотоприемник, выход которого соединен с первым входом блока регистрации, отличающий t я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, чувствительности и точности, в него введены блок оптической коррекции, коллиматор, полуволновая пластинка, поляри- зационньй расщепитель, третья собирающая линза, второй фотоприемник, удвоитель частоты, причем блок оптической коррекции и коллиматор размещены последовательно на оптической оси лазера между частотосдвигающим блоком и расщепителем, поляризационный расщепитель установлен между аппертурной диафрагмой и второй собирающей линзой, второй фотоприемник сопряжен оптически через третью собирающую линзу с расщепителем, расщепителе, выполнен с возможностью формирования двух пучков света, сим- метричио наклоненных относительно оптической оси лазера и пересекающихся на оптической оси лазера в зоне прокачки с исследуемыми частицами, полуволновая пластина установлена между расщепителем и зоной пересечения его выходных пучков на пути .одного из них, а второй выход генератора через блок удвоения частоты соединен с вторым входом блока регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго фотоприемника.

2.. Измеритель поп,1, отличающийся тем, что блок ре

гистрации содержит первый, второй и третий фильтры верхних частот, смеситель, синхронный детектор и амплитудный анализатор, причем первый и третий входы блока регистрации через соответственно первый и второй фильтры верхних частот соединены соответственно с первым и вторым входами смесителя, выход которого через третий фильтр верхних частот соединен с вторым входом синхронного детектора, первый вход которого соединен с вторым входом блока регистрации, а выход - с входом амплитудного анализатора.

3. Измеритель по пп,1 и 2, о т - личающийся тем, что часто- тосдвигающий блок выполнен в виде последовательно установленных первой четвертьволновой пластинки, злектро- оптического кристалла и второй четвертьволновой пластинки, причем элек- трический вход электрооптического кристалла соединен с входом частото- сдвигающего блока.

4, Измеритель по пп.1-3, о т л и - чающийся тем, что расщепитель выполнен в виде расщепительной призмы, поворотной призмы и призмы, установленных так, что входная грань расщепительной призмы является входом расщепителя, первая входная грань призмы сопряжена оптически с первой выходной гранью расщепительной призмы, вторая входная грань призмы сопряжена оптически через поворотную призму с второй выходной гранью расщепительной призмы, а выходная грань призмы является выходом расщепителя.

.

J 13

11

Фиг. 2

Редактор А.Ревин

Составитель Р.Иванов Техред А.Кравчук

Заказ 6395/31 Тираж 776Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Корректор А.0бруча

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера и дисперсного состава твердых частиц, присутствующих в жидкой или газообразной среде, оптическими средствами. Цель изобретения сост-оит в повышении помехоустойчивости, чувствительности и точности измерения размеров и дисперсного состава частиц. Анализируемые частшда облучают пучком когерентного света, содержащего две частотные ком- поренты, в результате чего в измерительной зоне создаются два интерфе- . ренционных поля с взаимно ортогональными линейными состояниями поляризаций и движением интерференционных картин в противоположные стороны. Положительный зффект достигается за счет исключения влияния случайной фазовой модуляции вьоделяемого сигнала и исключением влияния допплеровского сдвига частоты частиц, движущихся с большой скоростью. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л