Метод измерения и основные зависимости

Редактор К. В, Тарасова Художник И. А. Цукернак Художественный редактор Л. И. Овчинников Технический редактор Н. Ф. Макарова Корректор Т. М. Графоеская

Сдано в набор 24/Х 1966 г. Подписано к печати 8/VIII 1967 г. 84X108¹^,^. Типографская №- 2. Печ. л. 6,125 (10,29) Уч.-изд. л. 10,51 Тираж 22 тыс. экз. (Тем. план 1967 г. № 92 а)

Издательство „Просвещение" Комитета по печати при Совете Министров РСФСР. Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41

Сортавальская книжная типография Управления по печати при Совете Министров КАССР г. Сортавала, Карельская, 42. Заказ № 1332.

Цена без переплета 63 коп., переплет 18 ьоп.

 

Аппаратурный комплекс системы измерения скорости воздуха

 

Метод измерения и основные зависимости

Аппаратурный комплекс предназначен для измерения профиля скорости потока в рабочем участке. В основу измерений положен оптический метод лазер-доплеровской анемометрии (ЛДА), известными достоинствами которого являются:

- бесконтактность;

- высокая точность и широкий диапазон измерения;

- отсутствие необходимости тарировки (метод является абсолютным);

- высокое пространственно-временное разрешение.

Метод основан на регистрации доплеровского сдвига частоты оптического излучения лазера при его рассеянии на присутствующих в потоке (естественных или введенных в него) неоднородностях, например, частицах пыли, дыма и т.п. (рис.3.1). При этом абсолютное смещение частоты определяется выражением:

f_d = f _s - f _i = (1/l) V (e_s - e_i) = (2V_x/l) Sin(q/2), (3.1)

где: f_s - частота рассеянного светового пучка;

f_i - частота зондирующего пучка;

e_s,e_i - единичные векторы рассеянного и зондирующего пучков;

l - длина волны исходного светового пучка;

V - вектор скорости;

V_x - проекция скорости на ось - x;

q - угол между падающим и рассеянным пучками.

Рис. 3.1. Векторы в схемах ЛДА

На практике изменение частоты исходного излучения лазера при рассеянии на движущихся частицах может быть обнаружено при фотогетеродинном смешении двух электромагнитных волн на чувствительной поверхности катода фотоприемника (ФП). В этом случае электрический выходной сигнал ФП будет содержать переменную составляющую с доплеровской частотой - f_d. Значение этой частоты определяется при обработке сигнала во вторичной электронной схеме.

Возможны различные схемы реализации метода. В настоящей работе используется классическая дифференциальная схема ЛДА, которая формирует измерительный объем в области пересечения двух когерентных пучков, обеспечивая, при этом, автоматическое смешение на ФП двух волн с различным сдвигом по частоте. Сущность метода может быть наглядно проиллюстрирована с помощью известной интерференционной модели. Когерентные зондирующие пучки создают в измерительном объеме интерференционную картину - периодическую пространственную структуру чередующихся темных и светлых полос (плоскостей) (рис.3.2).

 

Рис. 3.2. Интерференционная модель ЛДА

 

Если угол пересечения пучков обозначить q, то пространственный период D (расстояние между полосами) будет равен

D = l / 2Sin(q / 2). (3.2)

Движущиеся в потоке частицы, пересекающие эту систему параллельных интерференционных световых плоскостей, рассеивают свет, интенсивность которого изменяется с периодом

t_d = D / V_x,

где V_x - проекция вектора скорости на направление нормали к интерференционным полосам (направление чувствительности схемы). Отсюда, доплеровская частота f_d будет равна

f_d = 1 / t_d = 2V_x Sin(q / 2) / l. (3.3)

Эта простая зависимость и является базовой расчетной формулой метода ЛДА.

На рис. 3.3 представлена принципиальная оптическая схема дифференциального ЛДА. Конструктивно ЛДА состоит из двух частей: формирующей оптической системы и фотоприемного устройства, взаимное положение которых должно быть тонко съюстировано. Исходный пучок лазера формирующей оптической системой с помощью призм разделяется на два луча одинаковой интенсивности, которые затем фокусируются в «точку», представляющую собой локальный измерительный объем. Свет, рассеянный частицами, пролетающими через измерительный объем, с помощью приемного объектива направляется на чувствительную поверхность ФП. Характерный вид выходного сигнала ФП от каждой частицы представляет собой цуг, типичный вид которого представлен на рис.3.4. Высокочастотная составляющая соответствует доплеровской частоте и пропорциональна скорости частиц - V_x; а низкочастотная составляющая (огибающая) - определяется плотностью распределения интенсивности в лазерном пучке.

 

Рис. 3.3. Оптическая схема ЛДА

 

 

Рис. 3.4. Характерный вид сигнала ФП от одной частицы

 

В описанной постановке, как это следует из (3.3), метод нечувствителен к направлению скорости. При сложном характере исследуемого потока, когда априори нет информации о направлении движения, в систему ЛДА для возможности определения направления вектора скорости вводят элемент, обеспечивающий сдвиг частоты одного из пучков лазера. Это осуществляется с помощью акустооптического модулятора (АОМ), работающего в брэгговском режиме дифракции света на акустических волнах. Результатом брэгговского сдвига частоты является перемещение интерференционной картины в измерительном объеме, поэтому ФП будет регистрировать радиоимпульсы от неподвижных рассеивающих частиц (при отсутствии скорости потока) с частотой заполнения, равной сдвигу частоты. При наличии скорости потока регистрируемая ФП частота выходного сигнала будет определяться (с учетом относительного направления брэгговского перемещения полос и скорости потока) выражением:

f_фп = | f_br ± f_d | (3.4)

Связь между скоростью потока и частотой выходного сигнала (f_фп) определяется зависимостью, представленной на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Зависимость частоты выходного сигнала ФП от скорости потока

при положительном сдвиге частоты (f_br = +40 МГц)

 

В настоящей работе реализована представленная на рис. 3.6 дифференциальная схема ЛДА с ячейкой Брэгга и расширителем пучков лазера. Техническая реализация метода осуществлена на базе использования оптических блоков лазер-доплеровского анемометра фирмы Dantec. Эта аппаратура позволяет реализовывать различные оптические схемы (используя набор унифицированных модулей) в зависимости от характеристик объекта и целей эксперимента.

Рассмотрим вкратце основные модули системы.

В качестве источника света используются одномодовый He-Ne лазер с длиной волны излучения l = 0,6328 мкм и мощностью 20 мВт, а также лазерные диоды (l = 0,695 мкм, мощность 25 мВт) со специальной коллимирующей оптикой.

 

Рис. 3.6. Дифференциальная схема ЛДА с ячейкой Брэгга и расширителем пучков лазера

1 - лазер; 2,4 - разделитель пучков; 3 - ячейка Брэгга; 5 - расширитель пучков;

6 - фронтальная линза; 7 – рабочий участок; 8 - приемная линза ФП; 9 - ФЭУ.

 

Блок расщепителя луча (светоделитель) содержит полупрозрачную и несколько отражающих призм и предназначен для разделения исходного пучка лазера на два симметричных пучка одинаковой интенсивности, параллельных оптической оси системы.

Модуль ячейки Брэгга состоит из элемента Брэгга, возбудителя и стеклянного стержня. Данный модуль обеспечивает сдвиг оптической частоты (на 40 Мгц) одного из лазерных пучков, при этом другой пучок проходит через стеклянный стержень с целью обеспечения одинаковых оптических путей для обоих пучков. При установке элемента Брэгга под определенным углом относительно падающего пучка на выходе ячейки будут наблюдаться дифрагированные лучи 1-го порядка, имеющие частотный сдвиг ±40 Мгц.

Формирующая линза определяет угол схождения зондирующих пучков при их пересечении в измерительном объеме. При формировании измерительного объема лазерные пучки подвергаются преобразованию оптической системой таким образом, что в зоне пересечения пучков образуется перетяжка (наименьшее сечение пучка), диаметр которой определяется выражением:

d_f = 4Fl / pd_lE, (3.5)

где: d_f - диаметр перетяжки лазерного пучка в пределах границы изменения интенсивности до уровня I_o / e² (I_o - интенсивность на оси луча);

F - фокусное расстояние формирующей линзы;

d_{l -} диаметр исходного несфокусированного лазерного луча.

Расширитель пучков лазера предназначен для уменьшения измерительного объема (примерно в 4 раза) и увеличения интенсивности (приблизительно в 14 раз) за счет уменьшения диаметра перетяжек лазерных пучков (3.5). Коэффициент расширения (E=1,93) определяется как отношение диаметров пучков на выходе и входе расширителя.

Измерительный объем, образованный при пересечении двух пучков, может быть представлен в форме вытянутого вдоль оси Z (см. рис. 3.2) эллипсоида с параметрами:

s_x = 2a = d_f / Cos (q/2),

s_y = 2b = d_f,

s_z = 2c = d_f / Sin(q/2).

При этом рассматриваемый объем (область пространства, из которой получают информацию о скорости потока) определяется не только областью пересечения зондирующих пучков, но и другими факторами. Его параметры существенно зависят от углового расположения ФП относительно оси оптической системы, апертуры приемной оптики, а также от коэффициента усиления всей системы в целом (с учетом электронной части системы).

Приемное оптическое устройство предназначено для приема рассеянного в определенном апертурном угле света частицами, движущимися через измерительный объем. Оно формирует изображение области пересечения зондирующих пучков в плоскости расположения диафрагмы ФП таким образом, чтобы на чувствительную поверхность фотокатода приемника попадал рассеянный свет только из области пересечения пучков. Для точного согласования оптических систем диафрагма имеет юстировочные микровинты и оптическое окно с лупой. В качестве ФП используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ).