Волоконно-оптический доплеровский анемометр Советский патент 1991 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измери- . тельной технике, предназначено для дистанционного измерения скорости потоков жидкости в труднодоступных с местах и может найти применение в экспериментальной гидродинамике, медицине, химической и нефтеперера- батывающей промышленности.

Целью изобретения является повы- tO шение точности измерения скорости оптически плотных сред за счет уве- личения отнршения сигнал/шум на выходе фотоприемника

На фиг,1 приведена схема предла- 15 паемого анемометра; на - конструкция оптического делителя; на фиг.З - зависимость отношения сиг нал./шум на выходе фотоприемника от коэффициента деления оптического де- 20 лителя.

Волоконно-оптический доплеровский анемометр () содержит последова- тельно расположенные лазер 1, объек- тив 2, в задней фокальной плоскости 25 которого помещен входной торец приемопередающего световода 3, и направленный ответвитель 4 Ответвитель 4 может быть выполнен в виде зеркала, обращенного к световоду 3, с отверс- 30 тием на оси или в виде волоконного Y-ответвителя„ Приемопередающий све- товод 3 связан с оптическим делителем 5 Оптический делитель 5 выполнен в виде полупрозрачного покрытия 35 (фиг«2) на выходном торце световода 3 Коэффициент отражения покрытия R 1/(N+1), где N - коэффициент деления, N Pg. мощность изделителя 5 излучение следуемую среду, сод щиеся оптические нео тота рассеянного нео излучения приобретае сдвиг, пропорциональ следуемой среды

Ш,

Aon

- - (K-V),

где V - скорость сре

К - волновой век излучения

Рассеянное излуче Р попадает в приемо товод 3 со стороны в выходит из световода входного торца и нап направленный ответви ный объектив 6 на фо фотоприемник 7 через ответвитель 4 поступ ное излучение мощнос кающее при делении з чения лазера 1 в опт теле 5

Мощность опорного для волоконно-оптиче ра согласно экспонен шению мощности Р„ вв вод лазерного излуче световода равна:

р . -U.

Ч N+1

-2otTL

где оЈт - суммарный к хания излуч Мощность рассеянн средой излучения Р

р - к JL

Рг - К ни

45

лучения, прошедшего оптический дели- 40 фотоприемника равна: тедь 5; Р - мощность излучения, отраженного от выходного торца световода с оптическим делителем 5«

Приемопередающий световод 3 посредством направленного ответвителя 4 оптически согласован через приемный объектив 6 с фотоприемкиком 7, выход которого электрически связан через усилитель 8 с измерительно- регистрирующим блоком 9, например анализатором спектра

Анемометр работает следующим образом

Излучение лазера 1 фокусируется объективом и через направленный от ветвитель 4 вводится в приемопередающий световод 3 со стороны входного торца После прохождения приемопере дающего световода 3 и оптического

50

55

где К - коэффициент,

рассеивающие дуемой среды ввода рассея в световод ( Для технической в На фотоприемнике нал биений между инф сеянным излучением и ческим сигналом С в ника электрический с пропорциональной согл ти исследуемого пото вход усилителя 8 и д для измерения и рег ты доплеровского сиг

делителя 5 излучение попадает в исследуемую среду, содержащую движущиеся оптические неоднородности Частота рассеянного неоднородно стями излучения приобретает доплеровский сдвиг, пропорциональный скорости ист следуемой среды

Ш,

Aon

- - (K-V),

(1)

где V - скорость среды;

К - волновой вектор зондирующего излучения

Рассеянное излучение мощностью Р попадает в приемопередающий световод 3 со стороны выходного торца, выходит из световода со стороны входного торца и направляется через направленный ответвитель 4 и приемный объектив 6 на фотоприемник 7 На фотоприемник 7 через направленный ответвитель 4 поступает также опорное излучение мощностью Р, возникающее при делении зондирующего излучения лазера 1 в оптическом делителе 5

Мощность опорного излучения Р для волоконно-оптического анемометра согласно экспоненциальному уменьшению мощности Р„ вводимого в световод лазерного излучения по длине световода равна:

р . -U.

Ч N+1

-2otTL

(2)

где оЈт - суммарный коэффициент затухания излучения в световоде. Мощность рассеянного исследуемой средой излучения Р на поверхности

фотоприемника равна:

р - к JL

Рг - К ни

оприемника равна:

где К - коэффициент, описывающий

рассеивающие свойства исследуемой среды и эффективность ввода рассеянного излучения в световод (0 К С 1). Для технической воды К 0,5 На фотоприемнике выделяется сигнал биений между информативным рассеянным излучением и опорным оптическим сигналом С выхода фотоприемника электрический сигнал частоты, пропорциональной согласно (1) скорости исследуемого потока, поступает на вход усилителя 8 и далее на блок 9 для измерения и регистрации частоты доплеровского сигнала.

516386266

Отношение сигнал/шум (SNR) на вы-волоконно-оптического анемометра

ходе гетеродинного фотоприемника

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике и мо жет быть использовано при измерениях в труднодоступных местах скорости течения преимущественно жидких сред. Излучение лазера 1 через объектив 2 и направленный ответвитель 4 вводится в торец приемопередающего световода 3. На выходном торце световода Z согласно изобретению нанесено специальное покрытие, образующее ампли 4 тудный делитель излучения с коэффициентом деления N. Излучение, выходящее из световода и рассеянное от исследуемого объекта, а также отраженное от торцового покрытия опорное излучение передаются назад по световоду. С помощью ответвителя 4 и приемного объектива 6 рассеянное и опорное излучения попадают в фотоприемник 7. Электрический сигнал с доиле- ровской частотой биений, полученный за счет оптического гетеродинирования, поступает в усилитель 8 и измерительно-регистрирующий блок 9, по частоте доплеровскогс сигнала определяется скорость исследуемой среды. Параметры покрытия выбираются из расчетных со- . отношений, учитывающих свойства используемых световодов, получаемые экспериментально, и параметры среды. Повышение точности измерений достигается за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника, причиной которого является оптимизация параметров наносимого на выходной торец световода делительного покрытия. 3 ил а $ (Л оэ GO оо о ГчЭ сп

SNR С DfpJLELL LiKk

(Рг + Ри + Рв) + ID)RU + 2КрТ

де Р- - мощность фонового излучения;

Dm - коэффициент преобразования фотоприемника;

G- - коэффициент усиления по

току; е заряд электрона;

„ - темновой ток;

R - нагрузочное сопротивление фотопрнемника;

А - полоса пропускания фильтра промежуточной частоты у си- лителя;

Por L. N+i о«5ь е

2tfTL

-.

TL, Г. е

} (N+l) J

25

где Ы5 коэффициент затухания, Согласно (-5) с учетом (2) и (3)

обусловленный рассеянием из- из выражения (4) следует лучения в световоде

SNR

-г L D2P0e

)

К

где Q --Ј-Ј ;

Р 1 «

4 СЛТ (1+сСяЬ)

Максимальному значению отношения сигнал/шум 8№цдакс соответствует

(6)

N

m

JI -l-3i9±El i i -JQ+pJ

34T(Q+P)(7)

где Nm оптимальный коэффициент деления оптического делителя Таким образом, для оптимального отношения сигнал/шум оптический делитель должен быть выполнен в виде полупрозрачного покрытия на выходном торце световода, при этом коэффициен деления описывается выражением (7), а коэффициент отражения покрытия устанавливается равным:

1/(Ыи +

D

(8)

Для повышения точности измерения скорости оптически плотных сред коAN2- Oj,8 SNRMa«. 1В+С2 + С+р) Q (B+C)N2 + (C+D)N + D

(4)

2КБТ - плотноЪгь тепловых шумов

фот о п ри емни к а ;

х - коэффициент согласования опорной и сигнальной волн.

Основным источником фонового излу- чения являются процессы рассеяния в световоде: рассеянного, исходного

лазерного излучения и опорного сиТна- ла Вперед и Назад при распространении внутри световода

Суммарная мощность фонового излучения

2tfTL

WTU

(5)

25

QN

(N+1) Кг(Р+ОЖ2Р+1 )N+P+Г

эффициент деления оптического делителя выбирается в оптимальной области из соотношения

SNR SNR

SNR,

0,8(9)

LwqKC

Выражение С6) можно привести к виду

SNR

AN

BN

(B+C)N f(

(10)

где

А Ро.

А Ј- &

В Р + Q; С ZP + 1; D Р + 1.

г

« При этом условие (9) оптимизации коэффициента деления N приобретает

55 ВИД

(П)

Вводя следующие обозначения: G) А/0,8 8ЫДмакс, 306 I + (HD/Bf) ft « C+D/B, Y D/B получают пера- вене гво

+ где f -3tf3+ Р;

(12)

g 2o/3- t +J ;

х N + ei

Решая неравенство (12) относи- тельно N, определяют пределы выбора коэффициента деления N:

(13)

х , - М N х,

где

g

(3P+Q+1-G3) COP+Q+l l2- 2Д+9Ш 211±271Р+ 1Ш1- .

-7--+ Э

Выбор параметров делителя в соот- ветствии с неравенством (13) позво ляет увеличить отношение сигнал/шум в волоконно-оптическом доплеровском анемометре на выходе гетеродинного фотоприемника и тем самым повысить точность измерения скорости преимущественно в оптически плоских потоках, показатель преломления среды в которых мало отличается от показаг теля преломления сердцевины световодаФормула изобретения

Волоконно-оптический доплеровский анемометр, содержащий последовательно расположенные и оптически согла

Х 2т|-|

arccos

ТЙЛТ

х

М

arccos

В + С - W

зв

--S-- , , i 3

ЗР + g - со + 1 ,

3()

Параметры f,CO, g выражаются через характеристики световода следующим образом:

(3P+2+I-CU - 3.(P+qi{3P+2j .

3g-2

М

w оГвТГГоГГь) ;

сованные лазер, объектив, направленный ответвитель, приемопередающий j световод, оптический амплитудный делитель, связанный с выходным торцом световода, приемный объектив, фотоприемник, связанный через приемный объектив с направленным ответвителем и подключенный через усилитель к регистрирующему устройству, отличающийся тем, что, с цепью повышения точности измерений за счет увеличения отношения сигнал/шум на выходе фотоприемника, оптический делитель выполнен в виде пленочного покрытия, нанесенного на выходной торец приемопередающего световода.

Фиг. 2