JPH0726974B2 - 移動光散乱体の速度測定装置 - Google Patents

移動光散乱体の速度測定装置

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JPH0726974B2
JPH0726974B2 JP63119073A JP11907388A JPH0726974B2 JP H0726974 B2 JPH0726974 B2 JP H0726974B2 JP 63119073 A JP63119073 A JP 63119073A JP 11907388 A JP11907388 A JP 11907388A JP H0726974 B2 JPH0726974 B2 JP H0726974B2
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ゲルハルト・ライム
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/26Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、測定点に周期的な強度分布を与えるレーザビ
ーム及び物体が散乱する光に対する検出装置ににより、
移動する光散乱体の速度を測定する装置に関する。
〔従来の技術〕
上記の装置はレーザ風速計として公知である。この装置
は特に流速の測定に用いられ、その場合流れる流体は光
を散乱する粒子を有する。周期的光の強度分布は、公知
技術により2つの干渉性レーザ部分ビームが測定点に虚
の干渉じまを作ることによって発生される。測定点を横
断通過する粒子が散乱する光に対するパルスの繰返数
は、ドップラー効果によって速度に依存する。パルス繰
返数は公知技術により、物体が散乱する光に対する検出
装置によって測定評価することができる。
安定な干渉じまを得るには、部分ビームの光が十分なコ
ヒーレンス長さを持たなければならない。このため従来
は大きな場所を採る高価なレーザ装置が実際に使用され
て来た。レーザダイオードを使用することも西ドイツ特
許出願公開公報第3435423号により既に公知の事であ
る。その場合、レーザダイオードが送り出す光に対して
十分なコヒーレンス長さを得て、測定点に安定な干渉じ
まを作るために、特別の対策が講じられる。いずれにし
ても測定は外的影響に著しく左右されるから、適当な制
御機構によって外的影響を一定に保たなければならな
い。
〔発明が解決しようとする課題〕
これに対して本発明の根底にあるのは、外的影響に比較
的左右されない測定が極めて小さな空間で可能であるよ
うに、冒頭に延べた種類の装置を改良することである。
〔課題を解決するための手段、作用、発明の効果〕
冒頭に述べた種類の装置において、本発明に基づき実の
周期的強度分布を発生するレーザダイオードアレイを設
け、このレーザダイオードアレイに複数個のレーザダイ
オードを所定の相互間隔で配列し、それらからの発光を
集光光学装置によって測定点に集束するように構成する
ことによって上記の課題が解決される。
従って本発明に基づく装置は、測定点に周期的強度分布
を発生するための別の、驚くべき簡単な原理に基づくも
のである。従来は干渉じまを作るために、単一のレーザ
光源の光を2つの部分ビームに分割したが、本発明装置
は唯1つのビームしか必要でない。但し、このビームは
レーザダイオードアレイの所定の相互間隔で配列された
多数のレーザダイオードに由来する。集束光学装置によ
って多数のレーザダイオードの光が測定点に結像され
る。従って、測定点に強度の最大な実の周期的系が生
じ、強度の最大は Δx=M・s の間隔を有する。ここにsはレーザダイオードアレイの
レーザダイオードの間隔、Mは像倍率を表す。
強度の最大は、レーザ風速計と異なり、測定点の実の光
バリヤ系を形成し、移動する物体がここを通過する。光
バリヤを横断する時に散乱した光はパルス繰返数fpで変
調される。ここで、 fp=v/Δx が成り立ち、vは移動する粒子の速度を表す。
測定評価のために、前方散乱光も後方散乱光も利用する
ことができる。特に後方散乱の測定評価を行なうように
すると流速測定用送受信装置を極めて小型化できる。本
発明に基づく装置は、唯1つの送信ビームしか必要とせ
ず、測定部を極めて簡単な構造にすることができるのが
特徴である。流速の測定のために、直径数ミリメートル
のすこぶる小さな検査用レンズしか必要でないから、ア
クセスしにくい区域で使用することが可能である。光に
対する干渉性はあまり要求されない。非干渉性の光を使
用することもできる。本発明方法を固体表面の速度測定
のために使用することもできる。その場合は後方散乱光
の測定評価が行われる。
極めて高い出力のレーザダイオードアレイを実現するこ
とができるから、高速度測定を行うこともできる。流れ
測定を行うには極微粒子で既に十分である。
本発明装置は二次元多層アレイ(zweidimensionale meh
rstreifige arrays-multi stripe arrays)を使用する
ことによって、二次元速度測定も簡単に行うことができ
る。
すこぶる有利な実施態様においては、測定点に非対称の
強度分布が生じるように、レーザダイオードアレイの少
くとも1個所のレーザダイオードが発生しないようにな
っている。
線状レーザダイオードアレイのレーザダイオードの配列
は、複数個の光バリヤとみなすことができる周期的強度
分布の全体を粒子が規則的に通過するように行われる。
その結果、光バリアに対応する周期的強度分布を有する
散乱光信号が発生する。ところが光バリヤの1つが働か
ないときは、特徴的な散乱光が発生する。本発明に基づ
き、非対称の強度分布が生じるような場所でレーザダイ
オードアレイのレーザダイオードが放射しなければ、粒
子が逆向き流れた時に散乱光の強度分布が異なったもの
になる。従って、本発明に基づく構造のレーザダイオー
ドアレイは、従来は得ることがはなはだ難しかった、粒
子運動の方向識別を簡単に行うことができる。干渉によ
って生じる従来の虚の静止強度分布の場合にこのような
方向識別が不可能であることは直ちに明らかである。レ
ーザダイオードアレイを使用することによって初めて測
定点の、本発明に基づく非対称強度分布が簡単に可能で
ある。
レーザダイオードアレイが発光しない場所は、レーザダ
イオードアレイの中央区域に選定することが好ましい。
それによって測定信号の識別が容易になるからである。
レーザダイオードアレイの発光ダイオードの発生を抑制
することは可能である。しかし単数個又は複数個のレー
ザダイオードが発光しない。それ自体が欠陥品のレーザ
ダイオードアレイを使用することも、それによって異な
る流れ方向に対する非対称配列が保証される限り、可能
である。但し、非対称が必要であるから、レーザダイオ
ードアレイにおいて端のダイオード、又は奇数個のレー
ザダイオードの場合に中央のダイオードを抑制したので
は、本発明に基づく効果が得られない。
同様の事が二次元レーザダイオードアレイに当てはま
る。
好適な実施態様においては、レーザダイオードアレイが
電気制御により発光方向を変更できるレーザダイオード
から成る。制御装置でレーザダイオードを適当に制御す
ることによって、周期的強度分布が或る角度範囲内で旋
回される。それによって「放射ローブ」を走査し、こう
して測定点の空間的運動を生起することが可能である。
放出方向が電子制御により変化させられるレーザダイオ
ードは、例えばAppl.Phys.Lett(応用物理学論集)33
(8),1978年10月15日、702-704頁により公知である。
放出方向の変更は、レーザダイオードに対する2つのポ
ンピング電流の比11/12を変えることによって得られ
る。
〔実施例〕
次に図面に示す実施例に基づいて本発明を詳述する。
第1図は、第3図に基づいて詳述するレーザダイオード
アレイ1から放出された光が集束光学装置2により測定
点3に集束されることを示す。測定ビームは、流体の流
速vの方向と一致する方向xに、第2図に示す近視野強
度分布(Intensitaets-Nahfeldverteilung)4を示す。
レーザダイオードアレイ1のレーザダイオードの数に相
当する数の強度の最大値が存在し、流速vで移動する粒
子がこの最大値の部分を通過するようになっている。前
方散乱光を測定するために光の前進方向に配設されたレ
ンズ5が使用される。レンズ5はアバランシェダイオー
ドとして構成されたホトダイオード7の入力に散乱光を
集束する。流れている流体を透過した測定光束は、レン
ズの後方のビームトラップ6によって阻止される。
後方散乱光を測定するために環状鏡8が設けられる。そ
の環の中心は送信光束の光学軸にあるから、送信光束は
環状鏡8を自由に貫通することができる。他方、後方散
乱光は斜設された環状鏡8によって遮断され、レンズ9
に到達する。レンズ9はホドダイオード7に対応するホ
トダイオード10の入力に散乱光を集束する。
第2図に、10個のレーザダイオードを有する線状レーザ
ダイオードアレイ1が発生した近視野強度分布(最大強
度)を示す。その場合、4番目のレーザダイオードが発
光しない。このレーザダイオードが発光した場合の放射
強度を第2図に破線で記入した。この4番目のレーザダ
イオードが発光しないことによって、非対称の近視野強
度分布が生じ、このため流体又は粒子が残りの9個の最
大強度部分を左から右へ飛行したか又は右から左へ飛行
したかを、散乱光に対して区別することが可能である。
第3図は、第1図の配列で使用したレーザダイオードア
レイ1の構造を示す。レーザダイオードアレイに7個の
レーザダイオード11が一定の相互間隔sで直線状によっ
て並べられている。レーザダイオード11は共通の基板12
の上に配設されているから、その放射は一般に位相結合
され、その際位相差が例えば0度又は180度である。7
個のレーザダイオード11の内のレーザダイオード11′は
例えば欠陥があるため又はカバーされているため、放射
しない。その結果放射強度の近視野強度分布はレーザダ
イオード11′の部位に空白を有する。近視野強度分布を
第3図に併せて示す。近視野強度分布には、それぞれが
相互の空間間隔sを有する6個の最大強度の部分があ
る。その場合、発光しないレーザダイオード11′によっ
て生じる空白も併せて考慮する。この近視野分布は集束
光学装置2で測定点3に結像することにより、第2図に
相当する近視野強度分布4として結像される。その場合
Mが像倍率を表すとすれば、結像の最大強度の間隔はΔ
x=M・sである。
第4図において、レーザダイオードアレイ13はレーザダ
イオード11を二次元に配列したもので、図示の実施例で
はそれぞれ7個のレーザダイオード1の6つの層(Stre
ifen)14がある。各層14はレーザダイオードアレイ1の
単一の層に相当する。層14の相互の間隔はDである。す
なわち、レーザダイオードアレイは、x方向に相互の間
隔s、z方向に相互の間隔Dを有し、6×7個の最大強
度を示す近視野強度分布が得られる。この近視野強度分
布が像倍率Mで測定点3に結像されるから、x方向の速
度成分の測定だけでなく、z方向の速度成分の測定も可
能である。こうして平面x-zで斜めに移動する粒子の真
の速度も測定することができる。またレーザダイオード
アレイ13には複数個の発光しないレーザダイオード11′
があり、レーザダイオードアレイ13でのその分布によっ
て、レーザダイオードアレイ13によって測定点3に形成
される光バリヤを各粒子が横断する方向に応じて、種々
異なる測定信号が散乱光により発生するから、粒子に流
れ方向を識別することができる。
第5図は、第1図の配列とおおむね同様の配列を示す。
従って同一部分には同じ参照番号を使用する。
この場合、レーザダイオードアレイ1のレーザダイオー
ド11は制御装置16により回路網15を介して電流制御さ
れ、レーザダイオードアレイ1の各位相結合レーザダイ
オード11は所定の放出方向に発光する。従って、レーザ
ダイオードアレイ1によって測定点3に生じる強度分布
を+α,−αの角度範囲で調整することができる。制御
電流を変化することによって、測定中に測定点3の強度
分布を変動させることも可能である。こうして本発明装
置による測定の可能性が補充され、例えば方向の識別が
可能になり、また速度の場の測定即ち角度範囲+α,−
αの異なる測定点3の局部速度の検出を行なうための電
子走査が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図はレーザダイオードアレイと前方及び後方散乱光
を検出するための各々1個の検出装置を有する速度測定
装置の構成図、第2図は測定点の強度分布図(近視野強
度分布図)、第3図はレーザダイオードアレイと当該の
近視野分布の構成図、第4図は二次元レーザダイオード
アレイの略図、第5図は強度分布を旋回するための制御
装置を備えた第1図と同様の構成図を示す。 1……レーザダイオードアレイ、2……集束光学装置、
3……測定点、4……強度分布、5……レンズ、6……
ビームトラップ、7……ホトダイオード、8……環状
鏡、9……レンズ、10……ホトダイオード、11,11′…
…レーザダイオード、13……レーザダイオードアレイ、
14……層、15……回路網、16……制御装置、s……レー
ザダイオードのx方向の間隔、D……レーザダイオード
のz方向の間隔、M……像倍率。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギュンター・タウクス ドイツ連邦共和国、3300 ブラウンシュバ イク、バインベルクシュトラーセ 9

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定点(3)に周期的強度分布(4)を発
    生するレーザビーム及び物体の散乱光検出装置(5,7;8,
    9,10)を用いて光散乱体の速度を測定する装置におい
    て、複数個のレーザダイオード(11)を所定の相互間隔
    (s,D)をもって配列され周期的な光の強度分布を有す
    るレーザダイオードアレイ(1,13)と、該レーザダイオ
    ード(11)から送出された光を測定点(3)に集束させ
    る集束光学装置(2)とを具備する移動光散乱体の速度
    測定装置。
  2. 【請求項2】前記レーザダイオードアレイ(13)が二次
    元多層アレイとして構成されていることを特徴とする特
    許請求の範囲第1項に記載の移動光散乱体の速度測定装
    置。
  3. 【請求項3】前記測定点(3)に非対称の強度分布を生
    じさせるため、前記レーザダイオードアレイ(1,13)の
    少くとも1つのレーザダイオード(11′)が発光しない
    ように構成されていることを特徴とする特許請求の範囲
    第1項又は第2項に記載の移動光散乱体の速度測定装
    置。
  4. 【請求項4】前記レーザダイオードアレイ(1,13)の光
    の放出方向を所定角(+α,−α)の範囲で旋回する制
    御装置(16)を設けたことを特徴とする特許請求の範囲
    第1項乃至第3項のいずれかの1項に記載の移動光散乱
    体の速度測定装置。
JP63119073A 1987-05-15 1988-05-16 移動光散乱体の速度測定装置 Expired - Lifetime JPH0726974B2 (ja)

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DE3716249.7 1987-05-15
DE19873716249 DE3716249A1 (de) 1987-05-15 1987-05-15 Vorrichtung zur messung der geschwindigkeit von lichtstreuenden bewegten objekten
DE3736805.2 1987-10-30
DE19873736805 DE3736805A1 (de) 1987-05-15 1987-10-30 Vorrichtung zur messung der geschwindigkeit von lichtstreuenden objekten

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JPH01112165A JPH01112165A (ja) 1989-04-28
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AT (1) ATE66074T1 (ja)
CA (1) CA1316705C (ja)
DE (2) DE3736805A1 (ja)
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