CN114137251A - 一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，涉及流速测量技术领域。包括封装壳体和封装壳体内部的激光光源、干涉光路、信号处理模块，激光光源设置于封装壳体内部右端，干涉光路设置于激光光源的左端，干涉光路包括双光束结构和参考光结构，信号处理模块设置于封装壳体的尾部。本发明克服了现有技术的不足，突破传统的激光多普勒流速仪在高浓度粒子流体中信号品质下降，探测精度下降等问题，保证在不同环境中测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及流速测量技术领域，尤其涉及一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器。
背景技术
自19世纪60年代激光多普勒测速方法被首次应用于流体流速测量以来，该技术得到了很大的发展和广泛的应用。目前，激光多普勒测速技术因其在光学单元的集成、光路结构的紧凑性和光路调校等方便的优势，已经成为非接触式流速测量的主要手段。
激光多普勒测速技术主要包括以下三种光学结构：参考光结构、双光束结构和双散射结构。前两者应用的较为广泛，参考光模式又被称之为本振外差模式，激光光源发出的光束被分成两束功率相差较大的光束，大功率激光束经过一系列光学器件入射至被测流体内，弱功率光束，又被称之为参考光，直接入射至探测器的光阴极上，与强光束经过流体中粒子散射的接收光进行差拍从而得到流体粒子运动的速度，根据粒子在流体中的跟随性即为流体的流动速度。流体的流速与散射光和参考光干涉的频差成正比。
双光束又被称之为条纹模式，激光光源发出的光束被分成两束功率相等的相交光束，交叉光束入射至被测流体中，并在其相交区域形成明暗相间的干涉条纹，当被测流体中粒子穿过干涉条纹时，散射光的频率发生变化，该频移与流体的流速成正比，并与流体流速方向无关。在任意方向所检测到的总是两束入射光的散射光多普勒频移之差。
两种光学模式在不同的测量环境中展示出各自的优势，参考光模式在高浓度(多粒子)流体中能够有效提高信噪比。而双光束模式更适合应用于粒子较少或者清澈的流体流速测量，但由于其频差与方向无关，光接收器可放置于任意位置，因此其在系统集成性和便携性方面更具有优势，目前该模式已被应用于国际上大部分激光多普勒流速仪器。
另外，两种光学探测模式在信号解调，即流速检测精度方面也展示出不同的优势。在复杂和自然的流速测量环境中，粒子的浓度、大小和空间分布不等在采用双光束模式时易造成频谱展宽，从而引起信号处理模块寻峰误差增大，解调难度增加，面临探测精度下降等问题。所以需要在不同的环境中使用不同的测速装置，一般为单一装置测速，无法达到两种测速方式便捷选择的操作方式，给实际的测速带来较大的困扰。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，可根据特定的测量场景，在多种模式中选用一种工作模式对流体进行测量以期得到较好的信号品质，从而达到针对不同的流体环境进行高精度准确测量，突破传统的激光多普勒流速仪器在高浓度粒子流体中信噪比下降，探测精度下降等问题，而发明出的适合不同测试场景下的非接触式高精度激光多普勒流速探测装置。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，包括封装壳体，封装壳体内部封装的激光光源、干涉光路和信号处理模块，所述激光光源内部呈环形腔结构，且激光光源设置于封装壳体内部右端，所述干涉光路设置于激光光源左端，所述干涉光路包括双光束结构和参考光结构。
优选的，所述激光光源为单频窄线宽绿光激光光源，在环形腔结构的基础上，利用窄带光纤布拉格光栅和未抽运掺镱光纤饱和吸收效应引入的自写入光栅共同作用，抑制多纵模，获得单频窄线宽激光波长1064nm的输出，通过温度反馈控制系统保证输出激光的中心频率稳定度，利用全保偏掺镱光纤多级放大结构对1064nm波段窄线宽激光进行放大，通过泵浦结构与参数，实现低噪声放大，优化后的1064nm激光通过性能优异的周期性极化铌酸锂晶体，实现532nm的激光输出，线宽小于10kHz，保证光束在流体中的低损耗和较高的探测精度，且激光器输出光为线偏振光。
优选的，所述双光束结构包括装置左端设置的透镜，透镜右端上下两侧对称设置的第二准直器和第三准直器，以及激光光源左端设置的耦合器，所述耦合器与第三准直器之间设置有光开关，且透镜右端中央设置有接收光缩束系统，所述接收光缩束系统右端设置有分束器和探测器，所述探测器左端设置有聚焦透镜，且探测器与信号处理模块相连接。
优选的，所述参考光结构包括透镜，第二准直器，以及激光光源左端设置的耦合器，接收光缩束系统右端设置的分束器和分束器右端设置有聚焦镜，所述聚焦镜右端设置有探测器，且探测器与信号处理模块相连接，所述分束器下端设置有第一准直器，所述第一准直器与光开关之间设置有声光调制器。
优选的，所述信号处理模块与外部的上位机相连接，且信号处理模块与光开关信号连接。
所述一体式多用途激光多普勒流速测量仪器的使用方法为包括以下步骤：
①激光光源首先通过耦合器将激光按照光强45：55的比例分成两路激光，光强比为45的激光通过光纤输入至第二准直器，另一路激光经光开关根据测试环境选择后进入声光调制器或者输出至第三准直器；
②当被测流体的粒子浓度较高时，信号处理模块控制光开关将分束后的激光，又被称为参考光输入至声光调制器中，后通过第一准直器入射至分束器；步骤①中进入第二准直器的光束，又被称之为探测光经透镜聚焦后入射至被测流体，经流体中粒子散射的接收光通过接收光缩束系统至与参考光同等直径的光束，后进入分束器与参考光进行干涉，经聚焦镜后进入探测器；
③当被测流体的粒子浓度较低时，信号处理模块控制光开关将分束后的激光输入至第三准直器，经透镜与步骤①中第二准直器输出的光束共同聚焦至流体被测点，被测点的散射光经透镜转为平行光束，再经接收光缩束系统缩束经分束器和聚焦透镜后进入探测器；
④通过信号处理模块计算流速。
与现有技术相比，本发明提供了一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，具备以下有益效果：
1、本申请通过使用单频窄线宽绿光光纤激光器，即532nm波长激光，激光的线宽小于10kHz保证光束在流体中最小光损，控制频谱的展宽从而保证流速的准确测量；
2、采用双光束模式和参考光模式相结合的设计，利用光开关进行两种探测模式的切换，并且通过器件优化，合理分布光强实现高/低粒子浓度流体流速的准确测量，该光路可根据不同的测试场景，在多种模式中选用一种工作模式，光开关用于不同的模式选择，第一种模式表示了工作于双光束模式的光学系统，第二种模式选择表示了采用参考光模式的光学系统，这种通用型仪器特别适用于一些自然环境中流速的准确测量，例如深海环境中海水的流速测量，也适用于海底中冷泉，热液等粒子浓度较高的流体流速测量；
3、将激光光源、干涉光路和信号处理模块封装于封装壳体内部形成一体结构，提升装置便携性和可操作性，方便在多种环境下使用。
附图说明
图1为本发明正视剖面结构示意图；
图2为本发明系统光路图。
图中：1、激光光源；2、耦合器；3、光开关；4、声光调制器；5、第一准直器；6、第二准直器；7、第三准直器；8、透镜；9、接收光缩束系统；10、分束器；11、聚焦镜；12、探测器；13、信号处理模块；14、上位机；15、封装壳体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
参照图1-2，一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，包括封装壳体15，封装壳体15内部封装的激光光源1、干涉光路和信号处理模块13，所述激光光源1内部呈环形腔结构，且激光光源1设置于封装壳体15内部右端，所述干涉光路设置于激光光源1左端，所述干涉光路包括双光束结构和参考光结构。
为了保证光束在流体中的低损耗和较高的探测精度优选的，所述激光光源1为单频窄线宽绿光激光光源，在环形腔结构的基础上，利用窄带光纤布拉格光栅和未抽运掺镱光纤饱和吸收效应引入的自写入光栅共同作用，抑制多纵模，获得单频窄线宽激光波长1064nm的输出，通过温度反馈控制系统保证输出激光的中心频率稳定度，利用全保偏掺镱光纤多级放大结构对1064nm波段窄线宽激光进行放大，通过泵浦结构与参数，实现低噪声放大，优化后的1064nm激光通过性能优异的周期性极化铌酸锂晶体，实现532nm的激光输出，线宽小于10kHz，且激光器输出光偏振态为线偏振光。
为了方便进行双光束测速，优选的，所述双光束结构包括装置左端的透镜8，透镜8右端上下两侧对称设置的第二准直器6和第三准直器7，以及激光光源1左端设置的耦合器2，所述耦合器2与第三准直器7之间设置有光开关3，且透镜8右端中央设置有接收光缩束系统9，所述接收光缩束系统9右端设置有分束器10和探测器12及探测器12左端设置的聚焦透镜11，且探测器12与信号处理模块13相连接。
为了方便调节参考光测速，优选的，所述参考光结构包括透镜8，右端上侧第二准直器6，及激光光源1左端设置的耦合器2，接收光缩束系统9右端设置的分束器10和分束器10右端设置有聚焦镜11，所述聚焦镜11右端设置有探测器12，且探测器12与信号处理模块13相连接，所述分束器10下端设置有第一准直器5，所述第一准直器5与光开关3之间设置有声光调制器4。
为了方便根据被测流体的粒子浓度来控制光开关3的切换，同时便于对检测后数据的传导，优选的，所述信号处理模块13与外部的上位机14相连接，且信号处理模块13与光开关3信号连接。
实施例2：
参照图1-2，一体式多用途激光多普勒流速测量仪器的使用方法为包括以下步骤：
①激光光源1首先通过耦合器2将激光按照光强45：55的比例分成两路激光，光强比为45的激光通过光纤输入至第二准直器6后经透镜8入射至探测流体中，另一路激光经光开关3根据测试环境选择后进入声光调制器4或者输出至第三准直器7；
②当被测流体的粒子浓度较高时，信号处理模块13控制光开关3将分束后的激光，又被称为参考光输入至声光调制器4中，后通过第一准直器5入射至分束器10；步骤①中进入第二准直器6的光束，又被称之为探测光经透镜8聚焦后入射至被测流体，经流体中粒子散射的接收光通过接收光缩束系统9至与参考光同等直径的光束，后进入分束器10与参考光进行干涉，经聚焦镜11后进入探测器12；
③当被测流体的粒子浓度较低时，信号处理模块13控制光开关3将分束后的激光输入至第三准直器7，经透镜8与步骤①中第二准直器6输出的光束共同聚焦至流体被测点，被测点的散射光经透镜8转为平行光束，再经接收光缩束系统9缩束经分束器10和聚焦透镜11后进入探测器12；
④在信号处理模块13中，采集的拍频信号做FFT变换，经小波变换与过滤后由寻峰算法获得频移，该频移值正比于被测流体的流速。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，包括封装壳体(15)，封装壳体(15)内部封装有激光光源(1)、干涉光路和信号处理模块(13)，其特征在于：所述激光光源(1)内部呈环形腔结构，且激光光源(1)设置于封装壳体(15)内部右端，所述干涉光路设置于激光光源(1)左端，所述干涉光路包括双光束结构和参考光结构。
2.根据权利要求1所述的一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，其特征在于：所述激光光源(1)为单频窄线宽绿光激光光源，且激光光源(1)内部设置有温度反馈控制系统、全保偏掺镱光纤多级放大结构、泵浦结构和周期性极化铌酸锂晶体。
3.根据权利要求2所述的一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，其特征在于：所述双光束结构包括装置左端设置的透镜(8)，透镜(8)右端上下两侧对称设置的第二准直器(6)和第三准直器(7)，以及激光光源(1)左端设置的耦合器(2)，所述耦合器(2)与第三准直器(7)之间设置有光开关(3)，且透镜(8)右端中央设置有接收光缩束系统(9)，所述接收光缩束系统(9)右端设置有分束器(10)和探测器(12)及探测器(12)左端设置的聚焦透镜(11)，且探测器(12)与信号处理模块(13)相连接。
4.根据权利要求3所述的一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，其特征在于：所述参考光结构包括透镜(8)，第二准直器(6)，以及激光光源(1)左端设置的耦合器(2)，接收光缩束系统(9)右端设置的分束器(10)和分束器(10)右端设置有聚焦镜(11)，所述聚焦镜(11)右端设置有探测器(12)，且探测器(12)与信号处理模块(13)相连接，所述分束器(10)下端设置有第一准直器(5)，所述第一准直器(5)与光开关(3)之间设置有声光调制器(4)。
5.根据权利要求4所述的一种一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，其特征在于：所述信号处理模块(13)与外部的上位机(14)相连接，且信号处理模块(13)与光开关(3)信号连接。
6.一种如权利要求5所述的一体式多用途激光多普勒流速测量仪器，其特征在于，所述一体式多用途激光多普勒流速测量仪器的使用方法为包括以下步骤：
①激光光源(1)首先通过耦合器(2)将激光按照光强45：55的比例分成两路激光，光强比为45的激光通过光纤输入至第二准直器(6)，另一路激光经光开关(3)根据测试环境选择后进入声光调制器(4)或者输出至第三准直器(7)；
②当被测流体的粒子浓度较高时，信号处理模块(13)控制光开关(3)将分束后的激光，又被称为参考光输入至声光调制器(4)中，后通过第一准直器(5)入射至分束器(10)；步骤①中进入第二准直器(6)的光束，又被称之为探测光经透镜(8)聚焦后入射至被测流体，经流体中粒子散射的接收光通过接收光缩束系统(9)缩束至与参考光同等直径的光束，后进入分束器(10)与参考光进行干涉，经聚焦镜(11)聚焦后进入探测器(12)；
③当被测流体的粒子浓度较低时，信号处理模块(13)控制光开关(3)将分束后的激光输入至第三准直器(7)，经透镜(8)与步骤①中进入第二准直器(6)输出的光束共同聚焦至流体被测点，被测点的散射光经透镜(8)转为平行光束，再经接收光缩束系统(9)缩束后，经分束器(10)和聚焦透镜(11)后进入探测器(12)；
④通过信号处理模块(13)计算流速。
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