專利名稱：共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域?yàn)橐环N激光測(cè)速儀。
本發(fā)明相近技術(shù)情況國際上目前常見的二維激光測(cè)速儀，大多數(shù)能測(cè)量垂直于入射光平面內(nèi)的二維速度分量，使用受到一定限制。例如在軸對(duì)稱管流測(cè)量中，由于管壁曲面的折射影響，無法用上述儀器測(cè)得管道內(nèi)徑向速度分量。現(xiàn)有的測(cè)量沿光軸平面內(nèi)二維速度分量的激光沿速儀，使用頻率分離或色分離方法。前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需用高性能的光電子器件，價(jià)格昂貴;后者只限于使用多譜線工作的激光器(如氬離子激光器)。這兩種方法采用單透鏡工作時(shí)，對(duì)軸向速度的測(cè)量精度低，影響了它的推廣應(yīng)用。
國內(nèi)情況，目前只有能測(cè)量垂直于入射光平面內(nèi)的二維速度分量的激光測(cè)速儀。可測(cè)量沿光軸平面內(nèi)二維速度分量的儀器尚屬空白。
相近的技術(shù)可參閱1.LaserVelocimetrySystems，TSIInc.1987.
2.LaserDopperAnemometry，DISAElectronics，1983.
3.DifferentialDopplerTechnigueforOn-AxisBackscatterMeasurements，USPatent4，263，002.
本發(fā)明的目的，為了發(fā)明創(chuàng)造一種簡便易行的測(cè)量入射光束平面內(nèi)二維速度分量的激光測(cè)速儀，即共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀。
本發(fā)明的基本點(diǎn)是共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，是由頻移入射光路，接收光系統(tǒng)和信號(hào)處理三部份組成。三束入射光均來自同一激光器(1)，它們之間的交角可以采用不同數(shù)值，三束共面平行光束(10)、(11)、(12)具有不同頻移量，其偏振方向(見圖2)為光束(10)和(12)互相垂直，光束(11)與光束(10)、(12)均成45°;接收光系統(tǒng)采用偏振分離方法和兩個(gè)光檢測(cè)器(19)、(20)，獲得二維速度分量的信息;信號(hào)處理部份，采用電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置(29)相結(jié)合的方法，可消除現(xiàn)有激光測(cè)速儀對(duì)入射光束的對(duì)稱性有嚴(yán)格要求的限制，實(shí)現(xiàn)平行于光軸速度分量VR和垂直于光軸速度分量VX的精確測(cè)量。該儀器結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有技術(shù)相比壓縮接收頻帶一倍以上，提高了信噪比，又節(jié)省高頻響應(yīng)的光電子器件，從而降低造價(jià)，成本低。本發(fā)明的激光測(cè)速儀既可采用大功率的氬離子激光器，又可采用小功率的氦氖激光器，因此該激光測(cè)速儀適用性好，易于推廣應(yīng)用。
附圖圖1共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀的示意圖。
圖2三束共面入射光偏振方向示意圖(即圖1中AA方向示圖)。
結(jié)合


本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀是由頻移入射光路、接收光學(xué)系統(tǒng)和信號(hào)處理三部份組成。其布置見圖1所示。
由激光器(1)發(fā)出的單色光束經(jīng)分光偏振旋轉(zhuǎn)裝置(2)得到三束共面平行光。它們的偏振方向見圖2所示，其中光束(10)和(12)的偏振方向互相垂直，光束(11)與光束(10)、(12)的偏振方向均成45°。光束(10)和(12)是經(jīng)聲光調(diào)制器(5)(6)調(diào)制以后玫降難萇涔?，其中一束蕷J患豆猓硪皇歉閡患豆?。频移频率分冰樓f2S和-f1S，可以按實(shí)際需要選擇此頻率值以得到不同的頻移量(即頻差)。入射透鏡(8)將具有不同頻率(f0-f1S)、(f0+f2S)、f0的三束入射光聚焦到相交的測(cè)量控制體(13)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)微粒通過該相交區(qū)時(shí)，根據(jù)雙光束雙散射外差原理，散射光(14)中包含著正比于速度分量V1和V2的多普勒頻率信號(hào)，即fD 1=2sin K1λV1+f1s(A)fD 2=2sinK2λV2+f2s(B)]]>散射光(14)經(jīng)收集透鏡(15)匯聚，再經(jīng)偏振分光鏡(16)分離開兩種正交偏振散射光束(17)、(18)，分別匯聚到兩個(gè)針孔光闌(3)、(4)，再進(jìn)入光檢測(cè)器(19)、(20)。在兩個(gè)光檢測(cè)器輸出的電信號(hào)中，分別包含了頻率fD1和fD2。
為了得到平行于入射光系統(tǒng)光軸的速度分量VR，將兩路信號(hào)經(jīng)濾波放大器(21)(22)后，通過混頻器(24)得到差頻(fD1-fD2)及其頻移頻率(f1S-f2S)。頻率處理器(27)用于轉(zhuǎn)換處理，得到正比于此差頻及其頻移頻率之和的信號(hào)，然后輸入解算裝置(29)進(jìn)行解算處理。
為了得到垂直于光軸的速度分量Vx，將光檢測(cè)器送來的其中一路信號(hào)經(jīng)濾波放大器(23)后同來自頻移發(fā)生器(26)的頻率信號(hào)fM進(jìn)入混頻器(25)進(jìn)行混頻，輸出的信號(hào)頻率為fD1+(f1S-fM)，用頻率處理器(28)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，得到正比于此頻率的信號(hào)，然后輸入解算裝置(29)進(jìn)行解算處理。
在頻移量為零時(shí)，即f1S＝f2S＝fM，VX和VR有簡單關(guān)系式VX＝C1(fD1-fD2)+C2fD2(C)VR＝C3(fD1-fD2)+C4fD2(D)式中C1，C2，C3，C4均為與激光波長入和光束入射角K1，K2有關(guān)的常數(shù)，可以通過解算裝置設(shè)置這些常數(shù)得到VR和VX的最終值。
當(dāng)K1＝K2＝K時(shí)(對(duì)稱入射)可得最簡單式VX＝ (λ)/(2sin2K) (fD1-fD2)+ (λ)/(sin2K) fD2(E)VR=λ4sin2K(fD 1-fD 2) (F)]]>由(E)式可見，VX不僅是fD2的函數(shù)，還與(fD1-fD2)有關(guān)，其影響作用不可忽略。
在實(shí)用上得到K1＝K2是困難的。如果不能精確相等，VX還會(huì)影響VR的測(cè)量結(jié)果，由(C)、(D)式可推算出，當(dāng)VX≈10VR，K1和K2相差1%時(shí)，VX對(duì)VR的影響附加量可達(dá)10%，這是一個(gè)不可忽視的測(cè)量誤差。而使用(C)，(D)式作解算處理，可以實(shí)現(xiàn)精確的二維速度測(cè)量。
存在頻移量的情況下，設(shè)VR通道頻移量為fSR＝f1S-f2S，V2通道頻移量為fSX＝f2S-fm，則有VX＝C1〔(fD1-fD2)-fSR〕+C2(fD2-fSX)VR＝C3〔(fD1-fD2)-fSR〕+C4(fD2-fSX)只要選取不同的頻移配置，就可得到兩通道不同的頻移量。依靠解算裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)頻移量修正。取f1＝〔(fD1-fD2)-fSR〕，f2＝(fD2-fSX)則VX＝C1f1+C2f2VR＝C3f1+C4f2所以采用電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置相結(jié)合的方法，可以解決由于入射光束交角及幾何布置不對(duì)稱性所造成分量間的相互干擾問題，可以實(shí)現(xiàn)精確的二維速度測(cè)量。測(cè)量結(jié)果由顯示器(7)顯示出來。
權(quán)利要求
1.一種可測(cè)沿系統(tǒng)光軸和垂直于系統(tǒng)光軸的共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，它由頻移入射光路，接收光系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)三部分組成，其特征在于所說的激光測(cè)速儀的三束入射光(10)，(11)，(12)均來自同一單色光的激光器(1)，其中光束(12)、(10)分別經(jīng)過聲光調(diào)制器(5)、(6)，三者處于平行光軸的平面內(nèi)，三束共面并行光束(10)、(11)、(12)的偏振方向，其光束(10)和(12)互相垂直，光束(11)與光束(10)、(12)均成45°，信號(hào)處理系統(tǒng)由電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置結(jié)合組成。
2.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光則速儀，其特征在于所說激光測(cè)速儀的三束入射光(10)、(11)、(12)之間的交角k1、k2可以取不同數(shù)值。
3.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，其特征在于所說的光束(12)、(10)分別經(jīng)過聲光調(diào)制器(5)、(6)后，產(chǎn)生衍射光，一束為正一級(jí)光，另一束為負(fù)一級(jí)光，它們的驅(qū)動(dòng)頻率之差，可以按照實(shí)際需要選取不同值。
4.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，其特征在于所說的信號(hào)處理系統(tǒng)是由濾波放大器(21)、(22)、(23)，混頻器(24)、(25)，頻移發(fā)生器(26)，頻率轉(zhuǎn)換器(27)、(28)，數(shù)據(jù)解算裝置(29)組成。
5.按照權(quán)利要求1所說的共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，其特征在于所說的激光測(cè)速儀的單色光源可為氦氖激光器及氬離子激光器。
6.按照權(quán)利要求1、4所說的共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，其特征在于所說的信號(hào)處理系統(tǒng)的解算裝置(29)用于同時(shí)處理與混頻器(24)輸出頻率成比例的信號(hào)以及與混頻器(25)輸出頻率成比例的信號(hào)，解算得到平行于光軸的速度分量VR和垂直于光軸的速度分量VX。
全文摘要
共面偏振二維頻移激光測(cè)速儀，使用單色三束共面激光束入射相交于測(cè)量區(qū)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)微粒通過測(cè)量區(qū)時(shí)，根據(jù)雙光束雙散射外差原理，由兩個(gè)激光檢測(cè)器獲得二維速度分量所對(duì)應(yīng)的頻率信息。由電子混頻和數(shù)據(jù)解算裝置所組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，解決了由于入射光束交角的限制及幾何布置不對(duì)稱性所造成的分量間相互干擾問題。本發(fā)明測(cè)量軸向速度分量的精度高，其儀器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適用性好，易于推廣。
文檔編號(hào)G01P5/00GK1033420SQ8710147
公開日1989年6月14日 申請(qǐng)日期1987年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1987年11月30日
發(fā)明者沈熊, 嚴(yán)幼幼 申請(qǐng)人:清華大學(xué)