SU1278723A1

SU1278723A1 - Fibre-optic probe for doppler anemometer

Info

Publication number: SU1278723A1
Application number: SU853903277A
Authority: SU
Inventors: Алексей Николаевич Гурьянов; Дмитрий Данилович Гусовский; Григорий Григорьевич Девятых; Евгений Михайлович Дианов; Владимир Борисович Неуструев; Сергей Николаевич Хотяинцев; Леонид Константинович Яровой
Original assignee: Киевский Ордена Ленина Политехнический Институт Им.50-Летия Великой Октябрьской Социалистической Революции; Институт Общей Физики Ан Ссср
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1986-12-23

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и предназначено дл измерени скорости потоков в труднодоступных местах. Цель изобретени - повышение соотношени сигнал/п1ум Sa счет увеличени контрастности интерференционных полос в измерительном объеме. Передающие одномодовые световоды вьшолнены в виде единого волоконного тракта 6 с общей оболочкой и двум раздельными сердцевинами эллиптического сечени , большие оси которых параллельны . Расщепитель 2 делит излучение лазера 1 на два пучка, оптическа частота одного из которых сдвигаетс на определенную величину в чейке 3. Объективом 5 пучки фокусируютс на сердцевинах волоконного тракта 6. Объективом 7 излучение на (Л правл етс в область измерени 8. Измер етс частота тока фотодетектора 11 и определ етс скорость среды . 4 ил. ю ас N9 СОThe invention relates to a measurement technique and is intended to measure the velocity of flows in hard to reach places. The purpose of the invention is to increase the signal / p1um Sa ratio by increasing the contrast of interference fringes in the measurement volume. Transmitting single-mode fibers are implemented in the form of a single fiber path 6 with a common shell and two separate cores of an elliptical section, the major axes of which are parallel. Splitter 2 divides the laser radiation 1 into two beams, the optical frequency of one of which is shifted by a certain amount in cell 3. By lens 5, the beams are focused on the cores of the fiber path 6. By lens 7, radiation is on (L is directed to measurement region 8. The current frequency is measured photodetector 11 and determine the velocity of the medium. 4 ill. ac N9 CO

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и предназначено дл измерени скорости потоков в труднодоступных местах и может найти применение в медицине, в нефтехимической промышленности, в теплоэнергетике , в гидродинамике.The invention relates to a measurement technique and is intended to measure the flow velocity in hard to reach places and can be used in medicine, in the petrochemical industry, in power engineering, in hydrodynamics.

Цель изобретени - повышение соотношени сигнал/агум за счет увеличени контрастности интерференционных полос в измерительном объеме.The purpose of the invention is to increase the signal / agum ratio by increasing the contrast of the interference fringes in the measurement volume.

На. фиг, 1 и 2 представлены модификации схемы доплеррвского анемометра с волоконно-оптическим зондом, на фиг. 3 - волоконный тракт, поперечное сечение; на фиг. 4 - варианты выполнени объектива на конце зонда. .On. FIGS. 1 and 2 show modifications of the Doppler anemometer with a fiber optic probe; FIG. 3 - fiber path, cross section; in fig. 4 shows embodiments of a lens at the end of the probe. .

Волоконно-оптический зонд содержит последовательно расположенные лазер 1 (фиг. 1), расщепитель пучк вьпюлненный в виде интерферометра Маха-Цандера 2, в одном плече которого расположена частотосдвигающа чейка 3, работающа в режиме дифракции Брегга. Зеркало интерферометра 4 вьшолнено поворачивающимс вокруг оси, что позвол ет устанавливать некоторый угол Ц между совмещаемыми пучками. Расщепитель пучка может быть также выполнен в виде частотосдвигающей чейки 3, работающей в режиме дифракции Рамана-Ната (фиг. 2).. В этом случае угол q) между первым и минус первым дифракционным пор дками, которые используютс в дальнейшей работе зонда, зависит от соотношени между длиной волны оптического излучени Ti, и длиной волны акустического пол в чейке 5г:с( .The fiber-optic probe contains a series of laser 1 (Fig. 1), a beam splitter in the form of an Mach-Zander interferometer 2, in one arm of which a frequency-shifting cell 3 is located, operating in the Bragg diffraction mode. The mirror of the interferometer 4 is rotatable around the axis, which makes it possible to establish a certain angle C between the aligned beams. The beam splitter can also be made in the form of a frequency-shifting cell 3 operating in the Raman-Nath diffraction mode (Fig. 2) .. In this case, the angle q) between the first and minus first diffraction orders, which are used in the further operation of the probe, depends on the ratio between the wavelength of optical radiation Ti, and the wavelength of the acoustic field in the cell 5g: s (.

После расщепител пучки падают на собирающую линзу 5, в фокальной плоскости которой расположен торец передающего волоконного тракта 6. Цучки фокусируютс на сердцевинах передающего тракта 6. Рассто ниеS между ос ми сердцевин тракта 6 и угол Ц однозначно определ ют фокусное рассто ние объектива 5 , Двухканальный волокгнный тракт выполнен в виде двух раздельных сердцевин с показателем преломлени П| , расположенных на рассто нии S,и общей оболочки из материала с показателем преломлени п (фиг.З). Сечени сердцевин представл ют собой элхшпсы, малые оси которых лежат на одной пр мой, а большие параллельны. Такое распределение показател преломлени в сечении двухканального тракта возникает из-за того, что при сплавлении двух световодов силы поверхностного нат жени формируют общую оболочку цилиндрической формы, а сердцевины, деформиру сь, приобретают эллиптическое сечение. Двухканальный волоконный тракт может быть также выполнен выт жкой предварительно изготовленной двухканальной заготовки. Заготовка оплавл етс из двух идентичных заготовок одномодовых световодов , при этом процесс формировани заданного показател преломлени аналогичен описанному.After the splitter, the beams fall onto the converging lens 5, in the focal plane of which the end of the transmitting fiber path 6 is located. Tsuchki focuses on the cores of the transmitting path 6. The distance S between the axes of the cores of the path 6 and the angle C uniquely determine the focal distance of the objective 5, Dual-channel fiber the tract is made in the form of two separate cores with the refractive index P | located at a distance S, and a common shell of a material with a refractive index n (FIG. 3). The sections of the cores are Ehls, the small axes of which lie on one straight line and the large axes parallel. Such a distribution of the refractive index in the cross section of the two-channel tract arises from the fact that when two optical fibers are fused, the surface tension forces form a common cylindrical shell, and the cores, deformed, acquire an elliptical cross section. The two-channel fiber path can also be made by drawing a pre-fabricated two-channel billet. The billet is melted from two identical billet of single-mode light guides, while the process of forming a given refractive index is similar to that described.

На конце передаюш,его тракта 6 расположен объектив 7. Наиболее, высока точность измерени скорости обеспечиваетс зондом при расположении излучающего торца тракта 6 в фокальной плоскости объектива 7. В этом случае период оптической интеренференционной решетки дХ составл ет /5пз где fj - фокусное рассто ние объектива 7. В среде объектив 7 может быть выполнен в виде микролинзы на концеволоконного тракта 6 (фиг. 4, вверху). Центр кривизны преломл ющей поверхности микролизны следует расположить на рассто нии ()/(Hj-n,) от торца тракта 6, где R - радиус кри5 визны преломл ющей поверхности, п и Hj - показатели преломлени соответственно линзы и среды. Объектив 7 может быть также выполнен в виде коллимируклцей градиентной линзы (фиг. 4, внизу).At the end of the transmission of its path 6, the lens 7 is located. Most of all, the speed measurement accuracy is high provided by the probe when the radiating end of the path 6 is located in the focal plane of the lens 7. In this case, the period of the optical internelectric interference grid dX is 5pz where fj is the focal length of the lens 7. In the environment, the lens 7 can be made in the form of a microlens on the end fiber path 6 (Fig. 4, above). The center of curvature of the refracting surface of the microlysis should be located at a distance () / (Hj-n,) from the end of the path 6, where R is the curvature radius of the refracting surface, n and Hj are the refractive indices of the lens and medium, respectively. Lens 7 can also be made in the form of a collimairclad gradient lens (Fig. 4, below).

Доплеровский анемометр кроме волоконно-оптического зонда содержит приемный объектив 9, сопр гаюп1ий область пересечени интерферирующих пучков 3 входным торцом приемного световода 10. Световод 10 св зан с фотодетектором 11, который в свою очередь св зан с доплеровским процессором 12, выполненным, например, в виде анализатора спектра.In addition to the fiber-optic probe, the Doppler anemometer contains a receiving lens 9, a contact area of intersection of the interfering beams 3 with an input end of the receiving fiber 10. The light guide 10 is connected with a photodetector 11, which in turn is connected with the Doppler processor 12, made, for example, spectrum analyzer.

Работа предложенного волоконнооптического зонда в составе доплеровского анемометра происходит следующим образом.The work of the proposed fiber-optic probe in the Doppler anemometer is as follows.

Claims

The laser radiation is divided into two beams in the divider. In cell 3, the optical frequency of one of the beams is shifted by F, after which the lens 5 focuses the beams on the cores of the fiber path 6. Through two channels of the fiber path 6, the radiation hits the lens 7 and is directed to the measurement region 8. In this case, in the intersection region of the interfering beams, a traveling interference pattern appears. The scattering particle of the medium, which intersects the interference field 8 at a velocity V, disperses the radiation modulated by the amplitude with a frequency f. fAon-miV / uX. The sign - or + is chosen depending on whether the particle moves in the direction of movement of the interference fringes or towards it. The scattered radiation is collected by the lens 9 and guided by the optical fiber 10 to the photodetector 11. The Doppler process 3 measures the frequency of the current of the photodetector 1 1 by 1 and determines the speed among. The invention The fiber-optic probe of the Doppler anemometer containing successively arranged laser, a beam splitter, two transmitting single-mode fibers, an objective, characterized in that, in order to increase the signal-to-noise ratio by increasing the contrast of the interference fringes in the measuring volume, the optical fibers made in the form of a single fiber path with a common shell and two separate cores of elliptical cross section, with the major axes of the elements being parallel.