ЛАЗЕРНЫЙ ДОППЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИПОТОКА Советский патент 1974 года по МПК G01P3/36 

1

Известны устройства для измерения скорости потока, действие которых основано на выделении допплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном движущимся объектом. Выходной сигнал в этих устройствах наряду с переменной составляющей, частота которой равна допплеровскому сдвигу, содержит больщую постоянную составляющую и шумы, частотный спектр которых определяется спектром лазерного шума и свойствами рассеивающего объекта. Отношение сигнал ; шум выходного сигнала этих устройств невелико.

С целью исключения из выходного сигнала постоянной составляющей и снижения уровня шумов в предлагаемом устройстве на пути расщепленных пучков установлен фазосдвигающий элемент, фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде расщепителя с двумя ортогонально друг относительно друга установленными поляризационными анализаторами, например поляризационной призмы Волластона, и двух квадратичных фотоприемников, а выходы фотоприемников подключены к электронному блоку измерения допплеровской частоты через дифференциальный усилитель.

На чертеже представлен предлагаемый измеритель скорости потока.

Он содержит последовательно расположенные источник 1 когерентного линейно-поляризованного света (лазер), лучевой расщепитель 2, фазосдвигающий элемент 3, фокусирующую систему 4, полевую диафрагму 5, поляризационную призму 6 в качестве лучевого расщепителя с двумя ортогональными анализаторами и два квадратичных фотоприемника 7 и 8, ВЫ.ХОДЫ которых через дифференциальный усилитель 9 подключены к электронному блоку 10 измерения допплеровской частоты.

Линейно-поляризованный луч лазера 1 разщепителем 2 делится на два пучка, в одном из которых помещен фазосдвигающий элемент 3 (например, фазовая пластинка). На

выходе элемента 3 между ортогональными поляризациопными составляющими, имеющими одинаковую интенсивность, фазовый сдвиг будет в половину либо в четверть длины волны. Расщепленные пучки фокусируются системой 4 в исследуемую область движущегося объекта, например потока жидкости или газа. Рассеянный в области пересечения падающих пучков свет ограничивается полевой диафрагмой 5 и попадает на поляризационную призму 6, где расщепляется на два ортогональнополяризованных луча. Призма ориентируется так, чтобы плоскости поляризаций расщепленных пучков были параллельны соответственно ортогональным поляризационным составляющим падающего пучка, между которыми элементом 3 введен известный фазовый сдвиг. Каждый из расщенленных нучков представляет в общем случае супернозицию одинаковых поляризационных составляющих трех световых полей: двух рассеянных объектом от соответствующих надающих пучков и опорного. Рассеянные пучки имеют допплеровский сдвиг частоты, пропорциональный скорости рассеивающего объекта. Интенсивность результирующего поля па фотоприемпиках 7 и 8 соответствепно можно онисать выражениямиf, E, (f) exp(ушоО + ES, (О exp (/«,0 -f .(0exp(,or, /, |,().p) + Es, (t) exp / ((0, + 9) + Es, t (exp) (/ш,0|, Ei(i)-амплитуда опорного пучка, в качестве которого может быть выбран (без потери общности доказательства) один из падающих пучков;шо - частота падающего пучка; 0 и 032 - частоты соответствующих рассеянных пучков; Esi(t) и ES,. (f)-амплитуды рассеянных пучков; Ф - фазовый сдвиг, вносимый элементом 3. Выражение (1) легко приводится к следующему виду /, El (О + El(i)+El, (t + 2Е, (О ES, (i X Xcos (cog. t} + 2, () 5. (i) cos («g,0 + + .()5,(Ocos(A«)gO; /, El (f) + El, (t + . (0 +2E,(t)Es, ()X X cos (u)g,0 + 2Я, (. (0 cos («g/ + cp) + + ,(.( cos (Дш + 9), где LOg, 0)1-0)0 V(/(s-Ki) - допплеровский сдвиг в рассеянном свете от первого падающего пучка; - V - вектор скорости рассеивателя; Ks, - волновой вектор рассеянного пучка;JKi - волновой вектор первого падающего пучка; (й, - .С02 - О5о V () -допплеровский сдвиг в рассеянном свете от второго падающего пучка; 2 - волновой вектор второго падающего пучка. (/,/rO. ДШ„ -W. - 03; (О Из выражения (2) следует выражение для электрического сигнала на выходе дифференциального усилителя Д/ а. (А /,) .- а {2Е, (t)Es,(t) cos Wg - cos (ug, + rp) + 2Es, (()Es, (f) cos (Д - cos ( ,)},(3) где a - коэффициент, учитывающий чувствительность и усиление фотоприемИз выражения (3) для схем с опорпым пучком (E,Es.,Es,) с четвертьволновым ф - - и полуволновым (ф - л) фазосдвигающим элементом соответственно получаем А/ г 2К2я, (t) ES, (() sin f u)g, V (4) V4 У Л/ (г) Es, (f) cos (cog,/).(5) Для дифференциальной схемы аналогично Д/ 2 . () s. () sin Г Дш - -J j , (6) Д/ , (О 5, (О cos (Aa)g/).(7) Сравнение выражений (4) - (7) с выражением (2) показывает, что из результирующего сигнала на выходе дифференциального усилителя исключается постоянная составляющая и аддитивные шумы. Предмет изобретения 1.Лазерный допплеровский измеритель скорости потока, содержащий источник когерентного линейно-поляризованного света, лучевой расщепитель, фокусирующую оптическую систему, сводящую оба расщепленных пучка в общую точку, фотоэлектрический преобразователь, электронный измерительный блок и частотомер, отличающийся тем, что, с целью исключения из выходного сигнала постоянной составляющей и снижения уровня шумов, на пути расщепленных пучков установлен фазосдвигающий элемент, а фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде расщепителя, двух ортогонально друг относительно друга установленных поляризационных анализаторов, например поляризационной призмы Волластона, и двух квадратичных фотоприемников, а электронный измерительный блок содержит дифференциальный усилитель, подключенный к выходам фотоприемников, и схему измерения допплеровской частоты, включенную в выход дифференциального усилителя. 2.Измеритель скорости потока по п. 1, отличающийся тем, что фазосдвигающий элемент выполнен в виде Л волновой пластины, установленной на пути одного из расщепленных пучков, а поляризационные анализаторы фотоэлектрического преобразователя ориентированы под углом ±45° к плоскости поляризации второго пучка.

3. Измеритель скорости потока по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения в V 2 раз амплитуды выходного сигнала, фазосдвигающнй элемент выиолпе в виде /2 волновой пластины, устлновленной на пути одного из расщепленных пучков, а поляризационные анализаторы фотоэлектрического цреобразователя ориентированы под углом ±45° к плоскости поляризации второго пучка.

I.„J