DK167584B1

DK167584B1 - Laser-doppler-anemometer

Info

Publication number: DK167584B1
Application number: DK407088A
Authority: DK
Inventors: Dietrich Dopheide; Michael Faber; Guenter Taux; Gerhard Reim
Original assignee: Bundesrep Deutschland
Priority date: 1987-08-05
Filing date: 1988-07-20
Publication date: 1993-11-22
Also published as: DK407088D0; DE3736772A1; CA1311368C; US4940330A; DK407088A

Description

LASER-DOPPLER-ANEMOMETER

Opfindelsen vedrører et laser-doppler-anemometer med to 5 laserdioder, hvis laserstråler koncentreres således i et bestemt område af en strømning af et fluid, der indeholder partikler, at der i dette område opstår et virtuelt inter-ferensstribemønster, og med mindst en fotodetektor til detektering af lys, der spredes af det strømmende fluid, 10 hvorved laserdiodernes bølgelængde indstilles og stabiliseres ved en temperatur- og strømregulering.

Et sådant laser-doppler-anemometer kendes fra DE-OS 34 35 423. Anvendelsen af laserdioder som laserlyskilde har på 15 den ene side den fordel, at en kompakt og billig opbygning af anemometeret er mulig, på den anden side lader derudover laserdiodens emissions-bølgelængde sig indstille ved ændring af den konstantstrøm, med hvilken laserdioden drives og/eller ved ændring af laserdiodernes temperatur. Ved 20 kendt teknik overlejres to delstråler fra den samme laserdiode i det område af det strømmende fluid, der skal undersøges på en sådan måde, at der opstår et virtuelt inter-ferensstribemønster. Ved hjælp af bølgelængdestabiliseringen er interferensstribemønsteret ved tilstrækkelig kohæ-25 renslængde for laserstrålingen stabil og stationær. Afstanden mellem intensitetsmaksiraaene i interferensstribemønsteret er afhængig af laserfrekvensen og af skæringsvinklen mellem de to laserstråler. De partikler i det strømmende fluid, som gennemløber interferensstribemønsteret, udsender 30 et spredt lys, hvis frekvens er forskudt med doppler-fre-kvensen i forhold til laserstrålens frekvens. Bestemmelse af doppler-frekvensen muliggør bestemmelse af strømningshastigheden. Bestemmelse af strømningshastigheden på denne måde støder på vanskeligheder, når højturbulente strømnin-35 ger såvel som strømninger med opløsninger undersøges, og når strømningshastigheden er meget lav.

2

Fra DE-OS 24 30 664 kendes et laser-doppler-anemometer, ved hvilket to laserstråler med forskellige frekvenser overlejres, så at interferensbilledet bevæger sig med en defineret 5 hastighed. Derved gås der ud fra anvendelse af He-Ne-lasere, men også anvendelse af kviksølv-damplamper og lignende holdes for mulig. Ved interferensfeltets bevægelse skal det gøres muligt at måle den egentlige målestørrelse, nemlig doppler-frekvensen, med enkle midler.

10

Til grund for opfindelsen ligger den opgave at udforme et laser-doppler-anemometer af den i indledningen nævnte slags således, at det muliggør en pålidelig måling af strømningshastigheden med vekslende fortegn, for eksempel højturbu-15 lente strømninger, strømninger med afløsninger og lave strømningshastigheder.

Denne opgave løses med et laser-doppler-anemometer af den i indledningen nævnte slags derved, at de to. laserdioder er 20 indstillet på forskellige emissionsbølgelængder (-frekvenser), og at der findes et reguleringskredsløb til konstant-holdelse af differensfrekvensen, som indvirker på temperatur og/eller strømreguleringen for i det mindste en af laserdioderne.

25

Ved indstillingen på forskellige emissions-bølgelængder opstår der i laserstrålernes skæringsvolumen et virtuelt interferensstribemønster, som ikke mere står stille, men vandrer med en til differens- eller svævningsfrekvensen 30 svarende hastighed. Sådanne vandrende interferensstribe-mønstre blev hidtil frembragt ved anvendelse af akusto-optiske modulatorer og roterende gitre. En mangel derved er indskrænkningen til en fast differensfrekvens ved den aku-stooptiske modulator. Ved det roterende gitter er frekvens-35 forskydningen i mange anvendelsestilfælde for lille. Derudover opstår der lystab ved forekomst af afbøjninger. Til 3 grund for opfindelsen ligger den erkendelse, at et vandrende interferensstribesystem kan frembringes uden de omtalte ulemper ved hjælp af to laserdioder, som kan afstemmes i bølgelængde.

5

Det fremgår uden videre, at et bredt område af differensfrekvenser kan indstilles med indretningen ifølge opfindelsen, hvorved den pågældende differensfrekvens holdes konstant med reguleringskredsløbet.

10

Ved anvendelse ifølge opfindelsen af laserdioder LD1 og LD2 med forskellig emissions-bølgelængde udvides således anvendelsesområdet for 1 aser-diode-anemometre væsentligt, så der åbnes yderligere undersøgelsesmuligheder. Derved kan laser-15 dioden principielt arbejde i kontinuert drift eller i impulsdrift. Anvendelse i kontinuert drift foretrækkes dog.

Ved anvendelse af to separate laserdioder opstår den yderligere fordel, at der i målevolumenet står en højere 20 lasereffekt til rådighed, så der kan opnås et gunstigt signal-støj forhold.

I det egentlige, af det spredte lys dannede målesignal, som detekteres af fotodetektoren, er den interesserende infor-25 mation om doppler-frekvensen, der indeholder fluidhastigheden, overlejret af differensfrekvensen (shiftfrekvens). Udnyttelsen af dette målesignal er derfor forbundet med et vist besvær. Udnyttelsen vil i almindelighed også forudsætte, at laserdiodens laserstråler er stabiliserede, så at 30 reguleringsforanstaltningerne til stabilisering af laserdiodernes laserstråler ikke er ubetydelig.

En enkelt udnyttelse af målesignalet er også mulig ved mindre godt stabiliserede laserstrålefrekvenser fra laser-35 dioderne, hvis et til differensfrekvensen svarende signal blandes med et til det spredte lys svarende signal, så at 4 dopplerfrekvensen kan fås direkte efter filtrering.

Fig. 1 en skematisk fremstilling af et laser-doppler-anemometer med elektrisk evaluering, og 5 fig. 2 en indretning ifølge fig. 1 med en mikserindretning med henblik på evaluering.

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjælp 10 af de på tegningen viste udførelseseksempler. Der vises i: en indretning ifølge fig. 1 med den mikserindretning med I det i fig. 1 viste udførelseseksempel er to laserdioder LD1 og LD2 rettet således ind, at deres stråler 1, 2 over-15 lejrer hinanden i målevolumenet i en fluids strømning 3, og danner et virtuelt interferensstribemønster. De to laserstråler 1, 2 gennemløber hver en fokuseringsoptik 4, som sørger for, at laserstrålerne 1, 2 begge er fokuseret i målevolumenet. Efter gennemgang gennem målevolumenet absor-20 beres de to laserstråler 1, 2 i en strålefælde 5, så de ikke forstyrrer den fortsatte måling.

I det i fig. 1 viste udførelseseksempel fokuseres det fra målevolumenet tilbagespredte lys med en fokuseringslinse LI 25 på indgangen til en fotodetektor Dl. Fotodetektoren Dl ændrer det optiske signal til et elektrisk, som på kendt måde bruges til at finde doppler-frekvensen og dermed strømningshastigheden for fluidets strømning 3. Fokuseringslinsen LI har gennemgangsåbninger 6 for laserstrålerne 30 1, 2, så at disse ikke påvirkes af fokuseringslinsen LI.

Mellem fokuseringsoptikken 4 og fokuseringslinsen LI udkob-les fra laserstrålerne 1, 2 delstråler ved hjælp af planparallelle plader 7 på en sådan måde, at de udkoblede 35 stråler faldende på hinanden kommer til indgangen til en bredbåndsdetektor 8. Bredbåndsdetektoren omformer det 5 DK 167584 B1 optiske signal ved indgangen til et elektrisk signal. Til bestemmelse af de to laserstrålers 1, 2 differensfrekvens slutter der sig til bredbåndsdetektoren en signalbearbejdningsenhed 9, som består af en frekvensdeler og en fre-5 kvens-spændingsomformer. Ved signalbearbejdningsenhedens 9 udgang - og dermed ved en indgang til en efterkoblet kompa-rator 10 - står der dermed en med differensfrekvensen mellem de to laserstråler 1 og 2 proportional spænding. Til en anden indgang til komparatoren 10 kommer der en med en 10 referencespændingskilde 11 indstillet referencespænding.

De to laserdioder LD1 og LD2 er på kendt måde hver forbundet til et reguleringsnetværk 12, 13, med hvilket den gennem laserdioderne LD1 henholdsvis LD2 flydende strøm II 15 henholdsvis 12 indstilles og holdes konstant, og laserdiodernes LD1 henholdsvis LD2 arbej dstemperatur TI henholdsvis T2 ligeledes holdes konstant.

Komparatoren (regulator) 10 er i det foreliggende tilfælde 20 udformet sådan, at den muliggør en styring af laserdiodens LD2 konstantstrøm 12, når den med bredbåndsdetektoren 8 målte differensfrekvens mellem de to laserstråler 1, 2 afviger fra den med hjælp af referencespændingskilden 11 indstillede ønskede frekvens.

25

Udgangssignalet fra fotodetektoren Dl indeholder den over-lejrede doppler-frekvens f„ og differensfrekvensen (shift-frekvens) fe. Ved det i figur 2 viste udførelseseksempel kommer dette signal til en indgang til en mikser 14, til 30 hvis anden indgang udgangssignalet fra detektoren D2 8 kommer. Ved mikserens udgang står der som mikserprodukt blandt andet signalet (fD + fs) - fs = fD, så at med et efterkoblet filter 15 kan dopplerfrekvensen fD, som indeholder måleinformationerne om strømningshastigheden, opnås umid-35 delbart.

6

Frekvensændringer af differensfrekvensen fs under partiklernes "transit-time" elimineres i størst muligt omfang under miksningen.

5 Ved anvendelse ifølge opfindelsen af laserdioder LD1 og LD2 med forskellig emissions-bølgelængde udvides således anvendelsesområdet for laserdiode-anemometre væsentligt, så der åbnes for yderligere undersøgelsesmuligheder. Derved kan laserdioderne principielt arbejde i kontinuert drift eller 10 i impulsdrift. Anvendelse i kontinuert drift foretrækkes dog.

Claims

7

1. Laser-doppler-anemometer med to laserdioder (LD1, LD2), hvis laserstråler (1, 2) koncentreres således i et bestemt 5 område af et fluids strømning (3), der indeholder partikler, at der i dette område opstår et virtuelt interfe-rensstribemønster, og med mindst en fotodetektor (Dl) til detektering af lys, der er spredt af det strømmende fluid, hvorved laserdiodernes (LD1, LD2) bølgelængde indstilles og 10 stabiliseres ved hjælp af en temperatur- og strømregulering (12, 13) kendetegnet ved, at de to laserdioder (LD1, LD2) er indstillet på forskellige emissions-bølgelængder, og at der findes et reguleringskredsløb (8, 9, 10) til at holde differensfrekvensen konstant, hvilket kredsløb 15 indvirker på temperatur- og/eller strømreguleringen (13) for mindst en af laserdioderne (LD1, LD2).

2. Laser-doppler-anemometer ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der tilføres et til differensfrekven- 20 sen svarende målesignal til indgangen til en komparator (10), til hvis anden indgang der kommer et referencesignal, der er indstillet svarende til den ønskede differensfrekvens .

3. Laser-doppler-anemometer ifølge krav 1, kende tegnet ved, at et til differensfrekvensen (fs) svarende signal mikses med et til det spredte lys svarende signal (fs + fD), så at dopplerfrekvensen (fD) kan fås direkte efter filtrering. 30

4. Laserdiode-anemometer ifølge krav 3, kendetegnet ved, at fotodiodens (Dl) udgangssignal (fD + fs) og udgangssignalet (fs) fra måleindretningen (8) for differensfrekvensen kommer til en mikser (14), ved hvis udgang 35 et filter (15) for dopplerfrekvensen (f„) er tilsluttet.