Студопедия — Метод измерения и основные зависимости
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

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:

fd = f s - f i = (1/l) V (es - ei) = (2Vx/l) Sin(q/2), (3.1)

где: fs - частота рассеянного светового пучка;

fi - частота зондирующего пучка;

es,ei - единичные векторы рассеянного и зондирующего пучков;

l - длина волны исходного светового пучка;

V - вектор скорости;

Vx - 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 - fd. 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

td = D / Vx,

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

fd = 1 / td = 2Vx 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 - Vx; 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:

fфп = | fbr ± fd | (3.4)

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

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

при положительном сдвиге частоты (fbr = +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:

df = 4Fl / pdlE, (3.5)

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

F - фокусное расстояние формирующей линзы;

dl - 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:

sx = 2a = df / Cos (q/2),

sy = 2b = df,

sz = 2c = df / 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).

 




<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ПЕРИОДЫ ДЕТСТВА | 

Дата добавления: 2015-09-18; просмотров: 904. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА Статика является частью теоретической механики, изучающей условия, при ко­торых тело находится под действием заданной системы сил...

Теория усилителей. Схема Основная масса современных аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств выполняется на специализированных микросхемах...

Логические цифровые микросхемы Более сложные элементы цифровой схемотехники (триггеры, мультиплексоры, декодеры и т.д.) не имеют...

Характерные черты немецкой классической философии 1. Особое понимание роли философии в истории человечества, в развитии мировой культуры. Классические немецкие философы полагали, что философия призвана быть критической совестью культуры, «душой» культуры. 2. Исследовались не только человеческая...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит...

Кран машиниста усл. № 394 – назначение и устройство Кран машиниста условный номер 394 предназначен для управления тормозами поезда...

Тактические действия нарядов полиции по предупреждению и пресечению групповых нарушений общественного порядка и массовых беспорядков В целях предупреждения разрастания групповых нарушений общественного порядка (далееГНОП) в массовые беспорядки подразделения (наряды) полиции осуществляют следующие мероприятия...

Механизм действия гормонов а) Цитозольный механизм действия гормонов. По цитозольному механизму действуют гормоны 1 группы...

Алгоритм выполнения манипуляции Приемы наружного акушерского исследования. Приемы Леопольда – Левицкого. Цель...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.01 сек.) русская версия | украинская версия