DK171337B1 - Apparat til måling af lysspredende, bevægede objekters hastighed, især et laser-doppler-anemometer - Google Patents

Description

DK 171337 Bl

APPARAT TIL MÅLING AF LYSSPREDENDE, BEVÆGEDE OBJEKTERS HASTIGHED, ISÆR ET LASER-DOPPLER-ANEMOMETER

Opfindelsen vedrører et apparat til måling af lysspredende 5 objekters hastighed ved hjælp af laserstråler, især et laser-doppler-anemometer, med hvilke der på målestedet frembringes en periodisk intensitetsfordeling, og det af objektet spredte lys detekteres ved hjælp af en detekteringsindretning .

10 Sådanne apparater kendes som laser-anemometre. De tjener især til måling af strømningshastigheder af et strømmende fluid indeholder lysspredende partikler. Den periodiske intensitetsfordeling frembringes ved kendt teknik derved, at 15 to koherente laserdelstråler frembringer et virtuelt interferensmønster på målestedet. På grund af doppler-effekten er impulsfølgefrekvensen hastighedsafhængig for det lys, der spredes af partikler, som går gennem målestedet. Frekvenserne kan ved kendt teknik måles med detekteringsindret-20 ningen for det af objektet spredte lys.

For at frembringe et stabilt interferensmønster på målestedet skal delstrålernes lys udvise en tilstrækkelig kohe-renslængde, så der hidtil i praksis er blevet anvendt dyre 25 lasere med stort pladsbehov. Gennem DE offentliggørelsesskrift nr. 34 35 423 er det allerede blevet kendt også at anvende laserdioder, hvorved der er truffet særlige foranstaltninger for at opnå en tilstrækkelig koherenslængde for det af laserdioderne udsendte lys og frembringe et stabilt 30 interferensmønster på målestedet. Målingerne er i hvert tilfælde stærkt afhængige af indflydelser udefra, som skal holdes konstante ved hjælp af passende reguleringsmekanismer.

35 Til forbedring af et laserdiode-anemometer af denne art er DK 171337 B1 2 det af opfinderne blevet foreslået i "Technisches Messen tm", 1985, se især side 259, at indsætte et laserdiode-array til forøgelse af udgangsintensiteten af laserdiode-kilden. Derved er det tydeligt, at alle laserdioder i 5 array'et skal fokuseres mod det samme punkt og at den til hastighedsmålingen nødvendige stribeformede lysfordeling må frembringes virtuelt på målestedet gennem interferenser.

Til grund for opfindelsen ligger derfor den opgave at ud-10 forme et apparat af den i indledningen nævnte art på en sådan måde, at en måling er mulig på den mindste plads og er forholdsvis uafhængig af ydre indflydelser.

Denne opgave løses ved et apparat af den i indledningen an-15 givne art, hvilket apparat ifølge opfindelsen er særegent ved, at laserlyskilden udgøres af et laserdiode-array, på hvilket der er anbragt et antal laserdioder i en defineret afstand fra hinanden, og hvis udsendte lys fokuseres på målestedet med en fokuseringsoptik på en sådan måde, at der 20 optræder en periodisk intensitetsfordeling svarende til lysdiodernes mønster i array'et.

Apparatet ifølge opfindelsen beror derfor på et andet og overraskende enkelt princip for frembringelse af den perio-25 diske intensitetsfordeling på målestedet. Medens lyset fra en enkelt laserkilde hidtil er blevet opdelt regelmæssigt i to delstråler for at frembringe interferensmønsteret, behøver apparatet ifølge opfindelsen kun en stråle, som ganske vist stammer fra et antal i definerede afstande fra hin-30 anden anbragte laserdioder i et laserdiode-array. Ved hjælp af fokuseringsoptikken afbildes lyset fra antallet af laserdioder på målestedet, så der på målestedet opstår et reelt periodisk system af intensitetsmaksima, som udviser en afstand på 35 3 DK 171337 Bl ox = M . s hvorved s betegner laserdiodernes afstand på laserdiode-array’et, og M betegner afbildningsmålestokken.

5

Intensitetsmaksimaerne danner - i modsætning til laser-anemometret - på målestedet et reelt system af lysskranker, som gennemløbes af det bevægede objekt. Lyset, der spredes ved gennemgangen gennem lysskrankerne, er moduleret med im-10 pulsfølgefrekvensen f, hvorved der gælder f - v/ox idet v betegner den bevægede partikels hastighed.

15

Til udmålingen kan der anvendes såvel det fremadspredte lys som det bagudspredte lys. Især udnyttelsen af spredningen i bagudretning muliggør meget små sende- og modtageindretninger til måling af strømningshastigheder. Apparatet ifølge 20 opfindelsen udmærker sig ved en ekstremt enkel opbygning af måleindretningen, ved hvilken der kun behøves en sendestråle. Til måling af strømningshastigheder er kun små sigte-ruder på nogle millimeters diameter nødvendige, så anvendelse i vanskeligt tilgængelige områder er mulig. Koherens-25 kravene til lyset er minimale. Der kan også anvendes ikke-koherent lys. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan også anvendes til måling af hastigheder for faststoflegemers overflader, hvorved der sker en udnyttelse af det bagudspredte lys.

30

Da laserdiode-array'er med meget høj udgangsydelse kan realiseres, kan der også gennemføres højhastighedsmålinger. Allerede submikron-partikler er tilstrækkelige til at gennemføre strømningsmålingen.

35 DK 171337 B1 4

Apparatet ifølge opfindelsen muliggør på enkel måde også todimensionale hastighedsmålinger, idet der anvendes todimensionale, flerstribede array'er (multi stripe arrays).

5 I en meget fordelagtig udførelsesform stråler laserdiode-array'et ikke ud i det mindste på en sådan laserdiodes plads, at der på målestedet frembringes en usymmetrisk intensitetsfordeling .

10 Anbringelsen af laserdioderne i et lineært laserdiode-array vil ske således, at partiklen regelmæssigt fuldstændigt gennemløber den periodiske intensitetsfordeling, der kan betragtes som et antal lysskranker. Som følge deraf opstår et spredt lyssignal, som har en periodisk intensitetsforde-15 ling svarende til lysskrankerne. Hvis nu en af lysskrankerne er uvirksom, opstår en karakteristisk optræden af det spredte lys. Hvis laserdiode-array’et ifølge opfindelsen ikke stråler på en sådan laserdiodes plads, at der opstår en usymmetrisk intensitetsfordeling, fås forskellige inten-20 sitetsfordelinger af det spredste lys for modsatte strømningsretninger af partiklen. Som følge heraf muliggør udformningen af laserdiode-array'et ifølge opfindelsen på enkel måde en retningsdiskriminering for partiklens bevægelse, som hidtil var overordentlig vanskelig at få. Det frem-25 går uden videre, at en sådan retningsdiskriminering ikke er mulig ved de hidtidige, med interferens frembragte statiske, virtuelle intensitetsfordelinger. Først anvendelsen af laserdiode-array'er gør på enkel måde den usymmetriske intensitetsfordeling på målestedet ifølge opfindelsen mulig.

30

Fortrinsvis vælges den plads, på hvilken laserdiode-array 'et ikke stråler, i det midterste område af laserdiode-array'et, fordi identificeringen af målesignalet derved lettes.

35 DK 171337 B1 5

Det er muligt at undertrykke udstrålingen fra en lysdiode i laserdiode-array'et. Det er dog også muligt at anvende i og for sig defekte laserdiode-array'er, ved hvilke en eller flere laserdioder ikke stråler, for så vidt der derved er 5 fremkommet en usymmetrisk anbringelse for de forskellige strømningsretninger. Kravet til usymmetri fører til, at effekten ved et laserdiode-array ifølge opfindelsen ikke opnås, hvis den midterste diode undertrykkes ved en randdiode eller ved et ulige antal laserstråler.

10

Analogt gælder for todimensionale laserdiode-array*er.

I en fordelagtig udførelsesform består laserdiode-array'et af laserdioder, hvis udstrålingsretning kan ændres ved en 15 elektrisk styring. Ved en egnet styring af laserdioderne ved hjælp af styreindretningen svinges den periodiske intensitetsfordeling indenfor et vinkelområde. Derved er det muligt at scanne "udstrålingskøllen" og dermed fremkalde en rumlig bevægelse af målestedet. Laserdioder, hvis udstrå-20 lingsretning lader sig variere ved en elektrisk styring, kendes for eksempel fra Appl. Phys. Lett. 33 (8) af 15. oktober 1978, side 702-704. Ændringen af udstrålingsretningen lader sig opnå ved ændring af et forhold 11/12 for to pum-pestrømme til laserdioderne.

25

Opfindelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjælp af et på tegningen vist udførelseseksempel, hvor:

Fig. 1 viser den skematiske opbygning af et apparat til 30 hastighedsmåling med et laserdiode-array og en de tekteringsindretning til måling af det fremad-spredte lys og en detekteringsindretning til måling af det bagudspredte lys, 35 fig. 2 viser en fremstilling af intensitetsfordelingen på DK 171337 B1 6 målestedet, fig. 3 viser skematisk opbygningen af et laserdiode-array med den tilhørende nærfelt-fordeling, 5 fig. 4 viser en skematisk afbildning af et todimensionalt laserdiode-array, og fig. 5 viser en opbygning ifølge fig. 1 med en styreind-10 retning til svingning af intensitetsfordelingen.

Fig. 1 viser, at det fra et laserdiode-array 1, som forklares nærmere i fig. 3, udsendte lys fokuseres af en fokuseringsoptik 2 på et målested 3. Målestrålen udviser i ret-15 ningen x, som stemmer overens med retningen for strømningshastigheden v for et fluid, en intensitets-nær-feltforde-ling 4, som er vist i fig. 2. Svarende til antallet af laserdioder i laserdiode-array'et findes der intensitetsmaksima, som gennemløbes af den med strømningshastigheden v 20 bevægede partikel. Til måling af det i fremadretning spredte lys tjener en i fremadretningen anbragt linse 5, som fokuserer det spredte lys og indgangen til den som avalanche-diode udformede fotodiode 7. Lyset fra målestrålen, som transmitteres gennem det strømmende fluid, afblokeres af en 25 strålefælde 6 bag linsen 5.

Til yderligere eller alternativ måling af det bagudspredte lys findes et ringformet spejl 8, hvis ringmidtpunkt ligger i sendestrålens optiske akse, så denne uhindret kan gå gen-30 nem ringspejlet 8. Det bagudspredte lys opfanges af det skråtstillede ringspejl 8 og kommer til en linse 9, som fokuserer det spredte lys på indgangen til en fotodiode 10, der svarer til fotodioden 7.

35 Den i fig. 2 viste nær-feltfordeling viser den af et line- DK 171337 Bl 7 ært laserdiode-array 1 med ti laserdioder frembragte nærfeltfordeling af intensitetsmaksima, hvorved den fjerde laserdiode ikke stråler ud. Dennes strålingsintensitet er vist punkteret i fig. 2 i det tilfælde, at den strålede. Da 5 denne fjerde laserdiode ikke stråler, opstår der en usymmetrisk nær-feltfordeling, som for det spredte lys muliggør den skelnen, om partiklen har gennemfløjet de forblevne 9 intensitetsmaksima fra venstre mod højre eller fra højre mod venstre.

10

Fig. 3 tydeliggør opbygningen af et laserdiode-array 1, således som den anvendes i apparatet ifølge fig. 1. På laserdiode-array ' et er syv laserdioder 11 anbragt i en konstant afstand s fra hinanden liggende på en ret linie. Da laser-15 dioderne 11 er anbragt på et fælles substrat 12, er deres stråling i almindelighed fasekoblet, hvorved faseforskydningen for eksempel kan være 0° eller 180°. En laserdiode 11' af laserdioderne 11 stråler ikke, for eksempel fordi den er defekt eller er blevet dækket til. Som følge heraf 20 udviser nær-feltfordelingen af den udstrålede intensitet et hul på laserdiodens 11' plads. Nær-feltfordelingen er også tydeliggjort i fig. 3. Den udviser seks ens intensitetsmaksima, som har en rumlig afstand s fra hinanden, hvorved det på grund af den ikke strålende laserdiode 11' opståede hul 25 medregnes. Denne nær-feltfordeling bliver afbildet på målestedet 3 ved hjælp af afbildningen med fokuseringsoptikken 2 som en til fig. 2 svarende nær-feltfordeling 4, hvorved afstanden mellem intensitetsmaksimaene andrager 30 ύχ = M . s når M angiver afbildningsmålestokken.

Det på fig. 4 viste laserdiode-array 13 har en todimensio-35 nal anbringelse af laserdioderne 11, hvorved der i det vi- DK 171337 B1 8 s te udførelseseksempel findes seks striber 14 med hver syv laserdioder 11. Hver stribe 14 svarer til den ene stribe i laserdiode-array'et 1. Striberne 14 har en afstand D fra hinanden. Laserdiode-array'et fører til en nær-feltforde-5 ling på 6 x 7 intensitetsmaksima, som i x-retningen har en afstand s og i z-retningen har en afstand D fra hinanden.

Med afbildningsmålestokken M afbildes denne nær-feltfordeling på målestedet 3, så ikke blot måling af hastighedskomponenten i retning x, men også måling af hastighedskompo-10 nenten i retning z er mulig. Dermed er partikler, der bevæges skråt i planet x-z, målelige i deres sande hastighed. Også laserdiode-array'et 13 har et antal ikke strålende laserdioder 11', hvis fordeling i laserdiode-array'et 13 sikrer, at alt efter gennemgangsretningen gennem de af laser-15 diode-array'et 13 på målestedet 3 dannede lysskranker for den pågældende partikel opstår der forskellige målesignaler ved det spredte lys, så partiklens strømningsretning kan identificeres.

20 Fig. 5 viser et apparat, som i det væsentlige svarer til apparatet i fig. 1. Derfor er der også anvendt de samme henvisningsnumre.

Laserdioderne 11 i laserdiode-array'et 1 strømstyres her 25 ved hjælp af et netværk 15 af en styreindretning 16 således, at de enkelte fasekoblede laserdioder 11 i laserdiode-array 'et 1 udstråler i en forudbestemt udstrålingsretning, så den af laserdiode-array’et 1 frembragte intensitetsfordeling på målestedet 3 er indstillelig i et vinkelområde 30 +α, -a. Ved en variation af styrestrømmene er det muligt at lade intensitetsfordelingen på målestedet 3 vandre under målingen. Heraf fremkommer en udvidelse af målemulighederne med apparatet ifølge opfindelsen, for eksempel muligheden for en retningsdiskriminering og for elektrisk scanning til 35 måling af hastighedsfelter, det vil sige til at registrere DK 171337 B1 9 lokale hastigheder på de forskellige målesteder 3 i vinkelområdet +a, -a.

5

Claims (4)

1. Apparat til måling af lysspredende objekters hastighed ved hjælp af laserstråler, især et laser-doppler-anemome- 5 ter, med hvilke der på målestedet (3) frembringes en periodisk intensitetsfordeling (4), og det af objektet spredte lys detekteres ved hjælp af en detekteringsindretning, k-e"'n“d“e'’t~e~g_n~e"'t ved, at laserlyskilden udgøres af et laserdiode-array (1, 13), på hvilket der er anbragt et an- 10 tal laserdioder (11) i en defineret afstand (s, D) fra hinanden, og hvis udsendte lys fokuseres på målestedet (3) med en fokuseringsoptik (2) på en sådan måde, at der optræder en periodisk intensitetsfordeling svarende til lysdiodernes mønster i array’et. 15

2. Apparat ifølge krav 1, k~e~n~d~e~t~e~g~n~e~t ved, at laserdiode-array’et (13) er udformet som et todimensionalt, flerstribet array. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, k~e~n~d~e~t~e~g~n~e~t 2 ved, at laserdiode-array’et (1, 13) på i det mindste én så 3 dan laserdiodes (11) plads (11’) ikke udstråler lys, og at 4 denne eller disse pladser er valgt sådan, at der frembrin 5 ges en usymmetrisk intensitetsfordeling på målestedet (3). 6 7

4. Apparat ifølge et af kravene 1-3, k'e'n'd'e'tVg'n'e't 8 ved, at laserdiode-array'et (1, 13) består af laserdioder 9 (11), hvis udstrålingsretning kan ændres ved en elektrisk 10 styring, og at der findes en styreindretning (16), ved hvis 11 styring af laserdioderne (11) den periodiske intensitetsfordeling kan svinges indenfor et vinkelområde (+α, -a).