DE3725978C1 - Laser Doppler anemometer - Google Patents

Laser Doppler anemometer

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DE3725978C1 DE19873725978 DE3725978A DE3725978C1 DE 3725978 C1 DE3725978 C1 DE 3725978C1 DE 19873725978 DE19873725978 DE 19873725978 DE 3725978 A DE3725978 A DE 3725978A DE 3725978 C1 DE3725978 C1 DE 3725978C1
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Abstract

A laser Doppler anemometer having two laser diodes (LD1, LD2) whose laser beams (1, 2) are concentrated in a specific region of a flow (3), containing particles, of a fluid in such a way that a virtual interference fringe pattern is produced in this region, and having at least one photodetector (D1) for detecting light scattered by the flowing fluid. The wavelength of the laser diodes (LD1, LD2) is set and stabilised by a temperature and current control (12, 13). The laser Doppler anemometer permits investigation of the sign (the direction) of flows (3) if the two laser diodes (LD1, LD2) are set to different emission wavelengths, and there is present a control circuit (8, 9, 10) for keeping the differential frequency constant which acts on the temperature and/or current control (13) of at least one of the laser diodes (LD1, LD2). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Doppler-Anemometer mit zwei Laserdioden, deren Laserstrahlen in einem bestimmten Bereich einer Partikel enthaltenden Strömung eines Fluids so konzentriert werden, daß in diesem Bereich ein virtuelles Interferenzstreifen­ muster entsteht, und mit wenigstens einem Fotodetektor zur Detektion von durch das strömende Fluid gestreutem Licht, wobei die Wellenlänge der Laserdioden durch eine Temperatur- und Stromregelung eingestellt und stabilisiert wird.The invention relates to a laser Doppler anemometer with two Laser diodes whose laser beams are in a certain range a particle-containing flow of a fluid so concentrated that a virtual interference fringe in this area pattern is created, and with at least one photo detector Detection of light scattered by the flowing fluid, wherein the wavelength of the laser diodes by a temperature and Current control is set and stabilized.

Ein derartiges Laser-Doppler-Anemometer ist durch die DE 34 35 423 A1 bekannt. Die Verwendung von Laserdioden als Laserlicht­ quelle hat einerseits den Vorteil, daß ein kompakter und billiger Aufbau des Anemometers möglich ist, andererseits läßt sich darüber hinaus die Emissions-Wellenlänge der Laserdiode durch die Veränderung des Konstantstroms, mit dem die Laserdiode betrieben wird und/oder die Veränderung der Temperatur der Laserdiode einstellen. In bekannter Technik werden zwei Teilstrahlen derselben Laserdiode in dem zu untersuchenden Bereich des strömenden Fluids so überlagert, daß ein virtuelles Interferenz­ streifenmuster entsteht. Durch die Wellenlängenstabilisierung ist das Interferenzstreifenmuster bei ausreichender Kohärenzlänge der Laserstrahlung stabil und stationär. Der Abstand der Intensitäts­ maxima in dem Interferenzstreifenmuster ist abhängig von der Laserfrequenz und mit Schnittwinkel zwischen den beiden Laser­ strahlen. Die das Interferenzstreifenmuster durchlaufenden Partikel des strömenden Fluids senden ein Streulicht aus, dessen Frequenz gegenüber der Frequenz des Laserstrahls um die Doppler­ frequenz verschoben ist. Die Bestimmung der Dopplerfrequenz ermöglicht die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit. Die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit auf diese Weise stößt auf Schwierigkeiten, wenn hochturbulente Strömungen sowie Strömungen mit Ablösungen untersucht werden und wenn die Strömungsgeschwin­ digkeit sehr niedrig ist.Such a laser Doppler anemometer is by DE 34 35 423 A1 known. The use of laser diodes as laser light On the one hand, source has the advantage that it is more compact and cheaper Structure of the anemometer is possible, on the other hand in addition, the emission wavelength of the laser diode through the Change in the constant current with which the laser diode is operated and / or the change in the temperature of the laser diode to adjust. In known technology, two partial beams the same laser diode in the area to be examined flowing fluids so superimposed as a virtual interference stripe pattern is created. Because of the wavelength stabilization  the interference fringe pattern with sufficient coherence length of the Laser radiation stable and stationary. The distance of the intensity maxima in the interference fringe pattern depends on the Laser frequency and with cutting angle between the two lasers shine. The traversing the interference fringe pattern Particles of the flowing fluid emit a scattered light, the Frequency versus the frequency of the laser beam around the Doppler frequency is shifted. The determination of the Doppler frequency enables the determination of the flow velocity. The Determining the flow rate in this way belches Difficulties when highly turbulent currents as well as currents be examined with detachments and when the flow rate is very low.

Durch die DE 24 30 664 A1 ist ein Laser-Doppler-Anemometer be­ kannt, bei dem zwei Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequen­ zen überlagert werden, so daß sich das Interferenzbild mit einer definierten Geschwindigkeit bewegt. Dabei wird von dem Einsatz von He-Ne-Lasern ausgegangen, aber auch die Anwendung von Queck­ silber-Dampflampen o. ä. für möglich gehalten. Durch die Bewe­ gung des Interferenzfeldes soll es ermöglicht werden, die ei­ gentliche Meßgröße, nämlich die Dopplerfrequenz, mit einfachen Mitteln zu messen.DE 24 30 664 A1 describes a laser Doppler anemometer knows, where two laser beams with different frequencies zen are superimposed so that the interference image with a defined speed moves. In doing so, the use He-Ne lasers, but also the use of mercury silver steam lamps or similar thought possible. By moving tion of the interference field should make it possible for the egg usual measured variable, namely the Doppler frequency, with simple Means to measure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Doppler- Anemometer der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß es die Messung der Strömungsgeschwindigkeit zuverlässig auch bei Strö­ mungsgeschwindigkeiten mit wechselnden Vorzeichen, beispielsweise hochturbulenten Strömungen, Strömungen mit Ablösungen und niedri­ gen Strömungsgeschwindigkeiten, ermöglicht.The invention has for its object a laser Doppler Anemometer of the type mentioned in such a way that it Measurement of the flow velocity reliably even with flow speeds with changing signs, for example highly turbulent flows, flows with separations and low flow velocities.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser-Doppler- Anomemeter der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die beiden Laserdioden auf unterschiedliche Emissions-Wellenlängen (-Frequenzen) eingestellt sind und daß eine Regelschaltung zum Konstanthalten der Differenzfrequenz vorhanden ist, die auf die Temperatur- und/oder Stromregelung wenigstens einer der Laserdio­ den einwirkt.This object is achieved according to the invention with a laser Doppler Anometer of the type mentioned solved in that the two laser diodes at different emission wavelengths (Frequencies) are set and that a control circuit for Keeping the differential frequency constant is present on the Temperature and / or current control of at least one of the laser diodes  who acts.

Durch die Einstellung auf unterschiedliche Emissions-Wellenlängen entsteht in dem Schnittvolumen der Laserstrahlen ein virtuelles Interferenzstreifenmuster, das nicht mehr stillsteht, sondern mit einer der Differenz- oder Schwebungsfrequenz entsprechenden Geschwindigkeit wandert. Solche wandernden Interferenzstreifen­ muster wurden bisher durch den Einsatz von akustoopischen Modu­ latoren und rotierenden Gittern erzeugt. Nachteilig dabei ist die Beschränkung auf eine feste Differenzfrequenz beim akustoopti­ schen Modulator. Beim rotierenden Gitter ist die Frequenzver­ schiebung in vielen Anwendungsfällen zu gering. Darüber hinaus entstehen Lichtverluste durch Beugungserschienungen. Der Erfin­ dung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein wanderndes Interfe­ renzstreifensystem ohne die erwähnten Nachteile durch zwei in der Wellenlänge abstimmbare Laserdioden erzeugt werden kann.By setting different emission wavelengths a virtual one is created in the cutting volume of the laser beams Interference fringe pattern that no longer stands still, but with one corresponding to the difference or beat frequency Speed moves. Such wandering interference fringes So far, patterns have been created using acousto-optic mods generators and rotating grids. The disadvantage is that Restriction to a fixed difference frequency with acoustoopti modulator. For the rotating grating, the frequency ver shift too low in many applications. Furthermore there are light losses due to diffraction splinting. The inventor This is based on the knowledge that a wandering Interfe border strip system without the disadvantages mentioned by two in the Wavelength tunable laser diodes can be generated.

Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß ein weiterer Bereich von Differenzfrequenzen mit der erfindungsgemäßen Anordnung einstell­ bar ist, wobei die jeweilige Differenzfrequenz mit der Regel­ schaltung konstangehalten wird.It is readily apparent that another area of Set differential frequencies with the arrangement according to the invention bar, the respective difference frequency with the rule circuit is kept constant.

Dies gelingt beispielsweise sind in einer einfachen Ausführungsform dadurch, daß ein der Differenzfrequenz entsprechendes Meßsignal einem Eingang eines Komparators zugeführt wird, auf dessen zweiten Eingang ein entsprechend der gewünschten Differenz eingestelltes Referenzsignal gelangt. Durch Vorwahl des Referenz­ signals läßt sich somit die Differenzfrequenz einstellen.This is possible, for example, in a simple embodiment in that a measurement signal corresponding to the difference frequency is fed to an input of a comparator, on the second input on according to the desired difference set reference signal arrives. By preselection of the reference signals can thus set the difference frequency.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Laserdioden LD 1 und LD 2 mit unterschiedlicher Emissions-Wellenlänge wird somit das Anwen­ dungsgebiet von Laserdioden-Anemometern erheblich erweitert, so daß zusätzliche Untersuchungsmöglichkeiten eröffnet werden. Dabei können die Laserdioden prinzipiell im kontinuierlichen oder im Pulsbetrieb arbeiten. Bevorzugt ist jedoch die Anwendung im kontinuierlichen Betrieb.Through the use of laser diodes LD 1 and LD 2 with different emission wavelengths according to the invention, the area of application of laser diode anemometers is thus considerably expanded, so that additional examination possibilities are opened up. In principle, the laser diodes can work continuously or in pulsed mode. However, use in continuous operation is preferred.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment are explained in more detail.

In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Laserdioden LD 1 und LD 2 so ausgerichtet, daß sich ihre Strahlen 1, 2 im Meßvolumen in der Strömung 3 eines Fluids überlagern und ein virtuelles Interferenzstreifenmuster bilden. Die beiden Laserstrahlen 1, 2 durchlaufen jeweils eine Fokussier­ optik 4, die dafür sorgt, daß die Laserstrahlen 1, 2 jeweils in dem Meßvolumen fokussiert sind. Nach Durchlaufen des Meßvolumens werden die beiden Laserstrahlen 1, 2 in einer Strahlfalle 5 absorbiert, so daß sie die weitere Messung nicht stören.In the embodiment shown in the drawing, two laser diodes LD 1 and LD 2 are aligned so that their beams 1, 2 overlap in the measurement volume in the flow 3 of a fluid and form a virtual interference fringe pattern. The two laser beams 1, 2 each pass through a focusing optics 4 , which ensures that the laser beams 1, 2 are each focused in the measurement volume. After passing through the measurement volume, the two laser beams 1, 2 are absorbed in a beam trap 5 , so that they do not interfere with the further measurement.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das von dem Meßvolumen rückwärts gestreute Licht mit einer Fokussierlinse L 1 auf den Eingang eines Fotodetektors D 1 fokussiert. Der Fotodetek­ tor D 1 wandelt das optische Signal in ein elektrisches Signal um, das in bekannter Weise bezüglich der Dopplerfrequenz - und damit der Strömungsgeschwindigkeit der Strömung 3 des Fluids - ausge­ wertet wird. Die Fokussierlinse L 1 weist Durchgangsöffnungen 6 für die Laserstrahlen 1, 2 auf, so daß diese durch die Fokussier­ linse L 1 nicht beeinflußt werden.In the exemplary embodiment shown, the light scattered backward from the measurement volume is focused with a focusing lens L 1 onto the input of a photodetector D 1 . The photo detector D 1 converts the optical signal into an electrical signal, which is evaluated in a known manner with respect to the Doppler frequency - and thus the flow velocity of the flow 3 of the fluid. The focusing lens L 1 has through openings 6 for the laser beams 1, 2 so that they are not influenced by the focusing lens L 1 .

Zwischen der Fokussieroptik 4 und der Fokussierlinse L 1 werden aus den Laserstrahlen 1, 2 Teilstrahlen mit Hilfe von planparalle­ len Platten 7 so ausgekoppelt, daß die ausgekoppelten Strahlen aufeinanderfallend auf den Einang eines Breitbanddetektors 8 gelangen. Der Breitbanddetektor 8 wandelt das optische Signal an seinem Eingang in ein elektrisches Signal um. Zur Bestimmung der Differenzfrequenz der beiden Laserstrahlen 1, 2 schließt sich an den Breitbanddetektor eine Signalverarbeitungseinheit 9 an, die aus einem Frequenzteiler und einem Frequenz-Spannungs-Wandler besteht. Am Ausgang der Signalverarbeitungseinheit 9 - und somit an einem Eingang eines nachgeschalteten Komparators 10 - steht somit eine der Differenzfrequenz zwischen den beiden Laserstrah­ len 1, 2 proportionale Spannung an. Auf einen zweiten Eingang des Komparators 10 gelangt eine mit einer Referenzspannungsquelle 11 eingestellte Referenzspannung.Between the focusing optics 4 and the focusing lens L 1 , 2 partial beams are coupled out from the laser beams 1 with the aid of plane-parallel plates 7 so that the coupled beams arrive at the input of a broadband detector 8 in a coincident manner. The broadband detector 8 converts the optical signal at its input into an electrical signal. To determine the difference frequency of the two laser beams 1, 2 , a broadband detector is followed by a signal processing unit 9 , which consists of a frequency divider and a frequency-voltage converter. At the output of the signal processing unit 9 - and thus at an input of a downstream comparator 10 - there is a voltage proportional to the difference frequency between the two laser beams 1, 2 . A reference voltage set with a reference voltage source 11 arrives at a second input of the comparator 10 .

Die beiden Laserdioden LD 1 und LD 2 sind in an sich bekannter Weise an jeweils ein Regelungsnetzwerk 12, 13 angeschlossen, mit dem der durch die Laserdioden LD 1 bzw. LD 2 fließende Strom I 1 bzw. I 2 eingestellt und konstantgehalten und die Arbeitstempera­ tur T 1 bzw. T 2 der Laserdioden LD 1 bzw. LD 2 ebenfalls konstant­ gehalten wird.The two laser diodes LD 1 and LD 2 are connected in known manner to a respective control network 12, 13, the current flowing through the laser diode LD 1 and LD 2 current is set to I 1 and I 2, and held constant and the work Tempera ture T 1 and T 2 of the laser diodes LD 1 and LD 2 is also kept constant.

Der Komparator (Regler) 10 ist im vorliegenden Fall so ausgebil­ det, daß er eine Steuerung des Konstantstroms I 2 der Laserdiode LD 2 ermöglicht, wenn die mit dem Breitbanddetektor 8 gemessene Differenzfrequenz zwischen den beiden Laserstrahlen 1, 2 von der mit Hilfe der Referenzspannungsquelle 11 eingestellten Sollfre­ quenz abweicht.The comparator (controller) 10 is ausgebil det in the present case so that it enables control of the constant current I 2 of the laser diode LD 2 when the difference frequency measured with the broadband detector 8 between the two laser beams 1, 2 from that with the aid of the reference voltage source 11th set target frequency deviates.

Claims (2)

1. Laser-Doppler-Anemometer mit zwei Laserdioden (LD 1, LD 2), deren Laserstrahlen (1, 2) in einem bestimmten Bereich einer Partikel enthaltenden Strömung (3) eines Fluids so konzen­ triert werden, daß in diesem Bereich ein virtuelles Inter­ ferenzstreifenmuster entsteht, und mit wenigstens einem Fotodetektor (D 1) zur Detektion von durch das strömende Fluid gestreutem Licht, wobei die Wellenlänge der Laserdio­ den (LD 1, LD 2) durch eine Temperatur- und Stromregelung (12, 13) eingestellt und stabilisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserdioden (LD 1, LD 2) auf unterschiedliche Emissions-Wellenlängen eingestellt sind und daß eine Regelschaltung (8, 9, 10) zum Konstanthalten der Differenzfrequenzen vorhanden ist, die auf die Temperatur- und/oder Stromregelung (13) wenigstens einer der Laserdioden (LD 1, LD 2) einwirkt.1. Laser Doppler anemometer with two laser diodes (LD 1 , LD 2 ), the laser beams ( 1, 2 ) in a certain area of a particle-containing flow ( 3 ) of a fluid are concentrated so that in this area a virtual inter reference strip pattern arises, and with at least one photodetector (D 1 ) for detecting light scattered by the flowing fluid, the wavelength of the laser diodes (LD 1 , LD 2 ) being set and stabilized by a temperature and current control ( 12, 13 ) , characterized in that the two laser diodes (LD 1 , LD 2 ) are set to different emission wavelengths and that a control circuit ( 8, 9, 10 ) is provided to keep the differential frequencies constant, which is based on the temperature and / or current control ( 13 ) acts on at least one of the laser diodes (LD 1 , LD 2 ). 2. Laser-Doppler-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein der Differenzfrequenz entsprechendes Meß­ signal einem Eingang eines Komparators (10) zugeführt wird, auf dessen zweiten Eingang ein entsprechend der gewünschten Differenzfrequenz eingestelltes Referenzsignal gelangt.2. Laser Doppler anemometer according to claim 1, characterized in that a measuring signal corresponding to the differential frequency is fed to an input of a comparator ( 10 ), on the second input of which a reference signal set in accordance with the desired differential frequency arrives.
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