Устройство для обработки допплеровского сигнала лазерного анемометра Советский патент 1981 года по МПК G01P3/36 

I

Изобретение относится к измерительной технике .и может быть использовано для изк1ерения скорости потоков жидкости и газа допплеровским способом.

Известны устройства для обработки допплеровского сигнала лазерного анемометра, содержащие фотоприемник, установленный на выходе лазерного анемометра, и спектроанализатор, подключенный к фотоприемнику через усилитель f 1 УИ .

Недостатками известных устройств является необходимость ручной обработки результатов измерений; большая трудоемкость процесса получения значений скорости потока и, как следствие, значительное время, затрачиваемое на обработку результатов измерений; сравнительно низкая точность , результатов (при ограниченных длительности измерений и их количестве), что обусловлено наличием принципиально неустранимых амплитудных флюктуаций оптического сигнала, вызванных причинами, не .связанными с изменениями скорости потока.

. Целью изобретения является повышение точности обработки допплеровс,кого сигнала за счет автоматизации процесса обработки, определяющего допплеровскую частоту как отношение половины полученного количества периодов сигнала гетеродина к длительности одного из указанных интервалов времени с поправкой на значение промежуточной частоты гетеродинного преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в устройство введены генератор промежуточной частоты, равной резонансной частоте частотно-избирательного фильтра панорамного анализатора спектра, формирователь стартового сигнала,, подключенный к пластинам горизонтального отклонения электроннолучевой трубки панорамного анализатора спектра, пороговый элемент ЗК-триг3rep, три моновибратора, пять логических элементов U, два логических элемента ИЛИ, логический элемент И-НЕ, элемент задержки, делитель частоты с коэффициентом деления два, счетчик импульсов и цифровой индикатор, .причем вход порогового элемента соединен с пластинами вертикального отклонения электронно-лучевой трубки панорамного анализатора спектра, прямой выход порогового элемента соединен с одним из входов первого логического элемента И, инверсный выход порогового эле.мента соединен с одним из входов логического элемента И-НЕ и с одним из входов второго логического элемента И, К-вход триггера и вход первого моновибратора подключены к выходу формирователя стартового сигнала, 3-вход триггера соединен с выходом второго логического элемента И и с одним из входов первого логического элемента ИЛИ, прямой выход первого моновибратора соединен с другим входом первого логического элемента И и с другим входом логического элемен та И-НЕ, инверсный выход первого мон вибратора соединен с другим входом второго логического элемента И, прямой выход ЗК-триггера соединен с третьим входом второго логического элемента И, инверсный выход ЗК-триггера соединен с одним из входов трет его логического элемента И, выход первого логического элемента И соединен с другим входом первого логического элемента ИЛИ, выход логического элемента И-НЕ через элемент задержки соединен с входом установки нуля счётчика импульсов, выход первого логического элемента ИЛИ соединен с входом второго моновибратора, прямой выход которого соединен с одним из входов четвертого логического элемента И и инверсный выход которого .соединен с другим входом трет его логического элемента И, другой выход четвертого логического элемента И подключен к выходу гетеродина панорамного анализатора спектра, выход третьего логического элемента И соединен через третий моновибратор с одним из входов пятого логического элемента И, другой вход которого под ключен к выходу генератора промежуточной частоты, выходы четвертого и пятого логических элементов И через второй логический элемент ИЛИ и дели тель частоты соединены со счетным 2 входом счетчика импульсов, выход которого подсоединен к цифровому индикатору, а выход генератора сигнала промежуточной частоты подключен к второму входу пятого логического элемента И. На фиг. 1 представлена функциональная схема предл.агаемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу предлагаемого устройства. Устройство (фиг. 1) содержит ортический квантовый генератор 1, расще- , питель 2 оптического луча, предназначенный для формирования интерференционной картины, совмещаемой с.иссяедуемым потоком, фотоприемник 3, выход которого через усилитель 4 соединен с входом панорамного анализатора 5 спектра. Панорамный анализатор 5 спектра содержит гетеродин 6, преобразователь 7 частоты, частотно-избират.ельный фильтр 8, генератор 9 пилообразного напряжения, усилитель 10 и электронно-лучевую трубку 11 с пластинами вертикального отклонения 12 и горизонтального отклонения 13. К пластинам 12 вертикального отклонения электронно-лучевой трубки 11 присоединен вход порогового элемента 14, в качестве которого может быть использован, например, триггер Шмитта. К выходу генератора 9 пилообразного напряжения подключен формирователь 15 стартового сигнала, который может представлять собой моновибратор с динамическим запускомот заднего фронта пилообразного импульса. Прямой выход порогового элемента 14 соединён с одним из входов логического элемента И 16, а инверсный выход порогового элемента 14 соединен с одним из входов логического элемента И-НЕ 17 и с одним из входов логического элемента И 18. Выход формирователя 15 стартового сигнала соединен с К-входом JK-триггера 19 и с входом моновибратора 20. Прямой выход моновибратора 20 соединен с другими входами логических элементов И 16 и И-НЕ 17. Инверсный выход моновибратора 20 подключен к другому входу логического элемента И 18, к третьему входу которого подключен прямой выход ЗК-триггера 19. Выход логического элемента И 1б соединен с одним из входов логического элемента ИЛИ 21, другой вход которого соединен с выходом логического элемента И 18 и с 3-входом ЗК-триггера 19. Инверсный выход ЗК-триггера 19 соединен с одним из входов логического элемента И 22, другой вход которого соединен с инверсным выходом моновибратора 23. Вход Моновибратора 23 подключен к вы ходу логического элемента ИЛИ 21. Выход логического элемента И 22 соединен с входом моновибратора 2k, Устройство содержит также генератор 25 сигнала промежуточной частоты стабилизированной, например, кварцевым стабилизатором, и равной резонансной частоте частотно избирательного фильтра 8 панорамного анализато ра 5 спектра. Выходы моновибратора 2 и генератора 25 сигнала промежуточно частоты соединены с входами логического элемента И 26. Логический элемент И 27 одним сво .им входом соединен с прямым выходом моновибратора 23, а другим входом - с выходом гетеродина 6 панорамного анализатора 5 спектра. Выходы логических элементов И 26 и 27 подключены каждый к одному из входов логичес кого элемента ИЛИ 28, выход которого через делитель 29 частоты с коэффициентом деления, равным двум, подключен к счетному входу счетчика 30 импульсов. Выход логического элемента И-НЕ 17 через элемент 31 задержки co . динен с входом установки нуля счетчи ка 30. Выход счетчика 30 импульсов соединен с входом цифрового индикато ра 32. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Оптический когерентный сигнал, ис пускаемый квантовым генератором 1, разделяется с помощью расщепителя 2 на два луча, фокусируемых таким обра зом, что получается интерференционная картина, которую совмещают с исследуемым потоком. Оптический сигнал, пройдя через поток, попадает на фотоприемник 3 преобразующий его в электрический сигнал. Электрический сигнал усиливается усилителем 4 и затем поступает .на вход панорамного анализатора 5 спектра. С пластин 12 вертикального отклонения электронно-лучевой трубки 11 панорамного анализатора 5 спектра снимают сигнал, который представляет собой огибающую спектра частот приня82 того фотоприемником 3 сигнала и име- ет форму гауссовой кривой, искаженной значительными шумами (фиг. 2,а). Этот сигнал подается на пороговый элемент I, на прямом выходе которого образуются прямоугольные импульсы различной длительности (фиг. 2,б),, Причем временная координата середины длинного прямоугольного импульса, образованного в результате устойчивого превьшения сигналом уровня порогового элемента 14, соответствует искомой допплеровской частоте. Короткие прямоугольные импульсы, окружающие длинный импульс, вызваны наличием шумов, наложенных на полезный сигнал. Импульсы на инверсном выходе порогового элемента 14 показаны на фиг. 2,в. Пилообразное напряжение (фиг.2,г), вырабатываемое генератором 9 панорамного анализатора 5 спектра для модуляции частоты гетеродина 6, пода.ется на.формирователь 15 стартовогосигнала, формирующий короткие импульсы (фиг. 2,д) в моменты времени, когда пилообразное напряжение имеет минимальное значение. Стартовый сигнал (фиг, 2,д) поступает на вход моновибратора 20 и на К-вход ЦК-триг- гера 19. При этом моновибратор 20 вырабатывает прямоугольный импульс (фиг. 2,е) такой длительности, что он кончается позже ожидаемого момента середины длинного импульса с прямого выхода порогового элемента 14 (фиг. 2,6). иК-триггер 19 в это время устанавливается в исходное для каждого цикла измерений положение, при котором на его прямом выходе образуется сигнал логической единицы ,(фиг. 2,ж). Сигналы прямого выхода ЛК-три1- гера 19 инверсного выхода порогового элемента 14 и инверсного выхода моновибратора 20 поступают на входы логического элемента И 18, на выходе которого образуется импульс (фиг.2,з), передний фронт которого соответствует заднему фронту длинного импульса (фиг. 2,б) с прямого выхода порогово- го элемента 14. Сигналы с прямого выхода Моновибратора 20 и с прямого выхода порогового элемента 14 образуют на выходе логического элемента И 16 серию импульсов, показанную на фиг. 2,и. Импульсы с выходов логических; элементов И 16 и 18 проходят через логический элемент ИЛИ 21 и поступают на вход моновибратора 23, формирующего импульсы заданной длительности (фиг. 2,к), из которых два послед ние образуются соответственно от переднего и заднего фронтов длинного импульса, показанного на фиг. 2,6, а предшествующие им импульсы (в данном примере два импульса) - от передних шумовых импульсов,.показанных на этой же временной диаграмме. Следовательно, начало предпоследнего импульса (фиг. 2,к) соответствует на чалу устойчивого превьшения огибающей сигнала (фиг. 2,а) за|Данного уровня, а начало последнего - концу устойчивого превышения огибающей сигнала то го же уровня. Сигнал (фиг. 2,к) с прямого выхода моновибратора 23 поступает на вход логического элемента И 27, на другой вход которого поступает сигнал гетеродина 6 с линейно изменяющейся частотой. Таким образом, на выходе логи ческого элемента И 27 импульсы моновибратора 23 оказываются заполненными синусоидальным сигналом гетеродина 6, причем в этих импульсах умещае ся различное количество периодов кол баний сигнала гетеродина. Сигнал гетеродина, стробированный импульсами моновибратора 2.3, через логический элемент ИЛИ 28 и делитель 29 частоть поступает с уменьшенной вдвое частотой на счетный вход счетчика 30 импульсов, который подсчитывает количество периодов колебаний этого сигнала. При этом результат подсчета количества периодов колебаний, вмещаемых в первые шумовые им пульсы (фиг. 2,к), сбрасывается импульсами (фиг. 2,л), поступающими на вход установки нуля счетчика 30 от логического элемента И-НЕ 17 через . элемент 31 задержкиJ Элемент 31 задержки обеспечивает одновременное по ступление на счетчик 30 импульсов сброса с логического элемента И-НЕ 1 и пачек сигнала гетеродина, заполняю шумовые импульсы монощих первые вибратора 23. Сигнал с инверсного выхода моновибратора 23 поступает на вход логического, элемента И 22, на другой вхо которого подается сигнал с инверсного выхода ПК-триггера 19. В резуль28тате этого на выходе логического элемента И 17 образуется сигнал, изображенный на фиг. 2,м. Передний фронт этого сигнала совпадает с задним фронтом последнего счетного импульса (фиг. 2,к) и запускает моновибратор 2k, формирующий импульс (фиг.2,н),длительность которого вдвое больше длительности импульса моновибратора 23. Импульс с выхода моновибратора 2А поступает на один из входов логического элемента И 26 и стробирует приходящий на другой вход этого логического элемента сигнал промежуточной частоты с выхода генератора 25. С выхода логического элемента И 26 стробированный сигнал промежуточной частоты через логический элемент ИЛИ 28 и делитель частоты 29 поступает насчетный вход счетчика 30. Таким образом, показания счетчика 30 в каждом цикле измерений исправляются на значение промежуточной частоты, в результате чего показание счетчика в каждом цикле измерений соответствует текущему значению допплеровской частоты. Формула изобретения Устройство для обработки доппле- . ровского сигнала лазерного анемометра, содержащее фотоприемник, установленный на выходе лазерного анемометра и панорамный анализатор спект-, ра, подключенный к фотсзприемнику чег рез усилитель, о т л и ч а ю щ а е с я тем, что, с целью повышения точности за счет автоматизации процесса обработки допплеровского сигнала, введены генератор сигнала промежуточной частоты, равной резонансной частоте частотно-избирательного фильтра , панорамного анализат ора спектра, формирователь ctapToBoro сигнала, подключенный к пластинам горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки, панорамноге анализатора спектра пороговый элемент,ЭК-триггер, три моновибрётора, пять логи-, ческих элементов И, два логических элемента ИЛИ, логический элемент И-НЕ, элемент задержки, делитель частоты с коэффициентом деления два, счетчик импульсов и цифровой индикатор, причем вход порогового элемента соединен с пластинами вертикального отклонения электронно-лучевой трубки панорамного анализатора спектра, прямой выход порогового элемента соединен с одним из входов первого логического элемента И, инверсный выход порогового элемента соединен с одним из входов логического элемента И-НЕ,и с одним из входов второго логического элемента И, К-вход ЗК-триггера и вход первого моновибратора подключены к выходу формирователя стартового сигнала, 3-вход триггера соединен с выходом второго логического элемента И и с одним из входов первого логического элемент та ИЛИ, прямой выход первого моновибратора соединен с другим входом первого логического элемента И и с другим входом логического элемента И-НЕ, инверсный выход первого моновибратора соединен с цруги1л входом второго логического элемента И, прямой выход К-триггера соединен с третьим входом второго логического элемента И, инверсный выход ОК-триггера соединен с одним из входов третьего логического элемента И, выход первого логического элемента И соединен с другим входом первого логического элемента ИЛИ, выход логического элемента Й-НЕ через элемент задержки соединен с входом установки нуля счетчика импульсов, выход первого логического элемента ИЛИ соединен с входом второго моновибратора , прямой выход которого соединен с одним из входов четвертого логического элемента И и инверсный выход ко-торого соединен с другим входом третьего логического элемента И, другой . вход четвертого логического элемента И подключен к выходу гетеродина панорамного анализатора спектра, выход третьего логического элемента И соединен через третий моновибратор с одним из входов пятого логического элемента И, другой вход которого подключен к выходу генератора проме-; жуточной частоты, выходы четвертого и пятого логических элементов И через второй логический элемент ИЛИ и делитель частоты соединен со счетным входом счетчика импульсов, выход которого подключен к цифровому индикатору, а выход генератора сигнала промежуточной частоты подключен к второму входу пятого логического элемента И.

.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Франции № 208б385, кл. G 01 Р 5/00, 1972.

2.Патент Франции № , кл. G 01 Р 5/00, 1979.

Юии

/f

L-p L|

OJ Ш

1Щ Ш

(ШН

I Jy