CC BY
14
УДК 621.378.525:532.57
С. Н. ХОТЯИНЦЕВ, канд. техн. наук, Л. К. ЯРОВОЙ, мл. науч. сотр.
ИЗМЕРЕНИЕ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ЛАЗЕРНЫМ ДОППЛЕРОВСКИМ АНЕМОМЕТРОМ (ЛДА) С ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМИ ТРАКТАМИ
Известные в настоящее врем?! ЛДА с волоконно-оптическими трактами предназначены для измерения лишь одной проекции вектора схсорости [1, 2]. В работе исследуется возможность создания ЛДА, измеряющего вектор скорости.
Одномерный ЛДА, работающий в составе измерителя вектора скорости, должен обеспечивать измерение как абсолютного значе-
Рис. 1. Схема расположения световодов в дифференциальных схемах ЛДА п расположение максимумов в области интерференции:
и — одномерная схема ЛДА; б — трехмерная схема ЛДЛ (сечения области интерференции вынесены за ее пределы); е — двумерная схема ЛДЛ
ния, так и знака соответствующей проекции вектора скорости. Из известных схем этому требованию удовлетворяет дифференциальная схема Л ДА со сдвигом частоты в одном из оптических каналов (рис, 1, а). С помощью трех идентичных одномерных дифференциальных ЛДА можно создать условия для измерения значения и знака каждой из трех проекций вектора скорости. Для разделения соответствующих проекциям допплеровских сигналов наиболее эффективно, на наш взгляд, использовать спектральную селекцию.
Схема расположения световодов, реализующая вышеприведенные условия, которая может быть предложена для ЛДА, измеряющего вектор скорости, представлена на рис. 1, б. Оси световодов взаимно ортогональны и пересекаются в одной точке. По каждому световоду в измерительный объем подается излучение, содержащее в некоторой комбинации две из трех спектральных компонент Ль %} (г, /=1, 2, 3 1ф}). Источниками излучения для такой схемы могут служить, например, Не—Ые лазер /4 = 0,63 мкм, л-2=1,15 мкм и Не—Сс1 лазер Х3 = 0,44 мкм, либо аргоновый лазер /ч = 0,48 мкм, ?12 = 0,52 мкм и Не—Ые лазер Х3=0,63 мкм. При этом каждая система интерференционных полос имеет свой цвет, и соответствующие допплеровские сигналы окажутся разнесены по оптической частоте. Различные спектральные компоненты могут быть далее разделены с помощью светофильтров и обработаны раздель-
а
5
8
по известными методами, например, посредством анализатора спектра.
Модельный эксперимент по измерению двух проекций вектора скорости был выполнен на установке, схема которой приведена на рис. 2. В установке использовалось излучение Не—Ыс лазера 1 (Х =0,63 мкм) и излучение Не—Сс1 лазера 2 (Х2 = 0,44 мкм). С помощью системы, зеркал и линз излучение вводилось в три световода. Схема расположения излучающих торцов световодов представлена на рис. 1, в. В эксперименте измерялась скорость вращения алюминиевого диска
Из рассеянного диском излучения с помощью светофильтров выделялись ¡монохроматические компоненты, каждая из которых направлялась на соответствующий фотодетектор 4 (ФЭУ-79). Сигналы с ФЭУ исследовались на анализаторах спектра 3 (С4-25). В установке использовались кварцевые градиентные световоды с диаметром сердечника 50 мкм.
Диапазон измеряемых скоростей в каждом канале составил от 1 м/с до ид.г=10 м/с. При этом отношение сигнал/шум в канале /.¡ = 0,63 мкм около 3, а в канале ^ = 0,44 мкм менее 2. Отмечено также увеличение уровня низкочастотных шумов и спектральное уширспие допплеровского сигнала, причем в канале /.2 = 0,44 мкм эти эффекты проявлялись сильнее. Уширение допплеровского сигнала, па наш взгляд, вызвано случайной амплитудной модуляцией, возникающей при пересечении рассеивающими центрами пеоднородиостей волнового фронта излучения, прошедшего многомодовый световод. Средний размер неоднородностей обратно пропорционален диаметру сердцевины световода, что позволяет ожидать уменьшения влияния случайной амплитудной модуляции на допплсровский сигнал скорости, при переходе на работу с одномодовыми световодами.
Проведенная работа показывает перспективность лазерных допплеровских измерителей вектора скорости на основе, волоконного аналога дифференциальной схемы ЛДА. С целью повышения точностных характеристик измерителя представляется оправданным использование одномодовых и маломодовых световодов.
I. Богомолов Н. Ф., Хотяинцев С. Н., Яровой Л. К. Применение волоконных световодов в трактах ЛДИС.— В кн.: Лазерная допплеровская анемометрия и ее применение. Новосибирск, 1980, с. 13—17. 2. Патент США №4154529, 1978.
Поступила в редколлегию 03.07.81
Рис. 2. Установка для модельного эксперимента по измерению двух проекций вектора скорости:
/ — лазер ЛГ-79: 2 — лазер ЛГ-31;
3 — анализаторы спектра; 4 — фотоприемники; Г>, 10— системы зеркал; 6—фокусирующие ЛИЦЗЫ; 7 — световоды; 8 — алюминиевый диск; 9 — микрообъектив; 11 — светофильтры
3*
35
