WO1995033998A1 - Laser doppler velocimeter - Google Patents

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WO1995033998A1
WO1995033998A1 PCT/FR1995/000729 FR9500729W WO9533998A1 WO 1995033998 A1 WO1995033998 A1 WO 1995033998A1 FR 9500729 W FR9500729 W FR 9500729W WO 9533998 A1 WO9533998 A1 WO 9533998A1
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WO
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laser
doppler
separator
lens
laser source
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Application number
PCT/FR1995/000729
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French (fr)
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André Clot
Laurent Romatier
Joseph Hamel
Original Assignee
Full Imaging System - Fis
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Publication date
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    • G02B27/14Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/144Beam splitting or combining systems operating by reflection only using partially transparent surfaces without spectral selectivity
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • GPHYSICS
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Definitions

  • the present Doppler laser velocimeter This patent application relates to a portable Doppler laser velocimeter which is simple to implement, takes up little space and has a low production cost.
  • Doppler laser velocimeters to date are mainly used for laboratory and research applications requiring excellent performance in terms of resolution, dynamic measurement, sampling speed, 3-dimensional measurements, possibility of sizing and quantification of particles. It is mainly for this reason that the equipment available in laser Doppler velodmetry only includes expensive, bulky, fragile and difficult devices to implement.
  • the subject of the present application relates to a laser Doppler velodmeter intended inter alia for industrial or educational applications and comprising important simplifications compared to the usual products in Doppler laser velodmetry (VLD).
  • VLD Doppler laser velodmetry
  • FIG. 1 provides an understanding of the prindpe used under the term Doppler laser velodmeter.
  • FIG. 2 presents a known simplification of implementation of the veloci-
  • FIG 3 illustrates the prindpe.seion the invention.
  • Figures 4 and 5 show other implementations of the invention.
  • Figures 6, 7, 9, 10 and 11 show several possibilities of applying the prindpe according to the invention.
  • Figs. t 12, 13 and 14 present interesting simplifications of laser cyclometry for detecting the direction of flow.
  • the scale of Doppler laser velodmetry is based on the offset of the frequency of the light scattered by any moving particle when it crosses a beam of coherent and monochromatic light. .
  • the frequency shift induced by the Doppler effect is proportional to the speed of the particle and depends on the direction of detection. As this difference is very small, it cannot be measured directly.
  • the heterodyning technique, or beating of two frequencies, is then used. Several configurations allow the implementation of this phenomenon.
  • Figure 1 shows the configuration using the reference beam mode.
  • One causes the beat of the two frequencies on the photodiode 5a used to capture the Doppler signal: the frequency of the laser source and that containing the shift in frequency due to the Do ⁇ ler effect.
  • the beam 1 from the laser source 1c is separated into two beams ia and 1b, by the splitter 4a.
  • a total reflection mirror 4b reo ⁇ ent the beam 1a, called the reference beam, parallel to the beam 1b said to be of measurement.
  • the 2 beams 1a and 1b are focused by the lens 4c at the measurement point 15.
  • the beam 1b in the measurement zone at the focus point, during the passage of a micro-particle, will diffuse ia light whose frequency is decaiée compared to that of the beam of ori-rine 1 by the Doppler effect.
  • the photodiode 5a positioned on the reference beam, captures the beats caused by the rre ⁇ uences of the 2 beams, that of the light scattered by the particle and that in the reference beam, and delivers an eiect ⁇ ue signal 5b containing the beats DOD- cry.
  • interference fringe method constitutes another presentation of the prindpe of Doppler laser velodmetry: the two beams 1a and 1b create, at the focal point, interference fringes 2. Any microparticle 3 in passing light areas will diffuse the light captured by the photodiode 5a.
  • the processing that is to say the extraction of the Doppler beat frequency carrying the speed information, can be performed using different methods described later.
  • FIG. 1 uses a separating blade 4a making it possible to obtain two coherent beams la and lb from the same source la ⁇ ser le, a mirror 4b reorienting the beam parallel to the beam lb and a lens 4c focusing the two beams at the measurement point.
  • the quality of the signal depends in particular on the precision of the opti ⁇ path of the beams, which itself depends on the quantity of the components and their positioning.
  • FIG. 2 illustrates a known and interesting possibility of producing a sensor comprising only a limited number of components: laser source ld, separating blade 4d, of which a 4th part has been treated to allow total reflection of the beam. the; the two beams le and lf at the outlet of the separating blade are always, without any other precaution, parallel.
  • a good Doppler signal requires having coherent beams, that is to say that the difference in optical path of the beams is less than the coherence length of the laser. Any difference in optical path thus leads to a risk of non-coherence of the beams, particularly if the coherence length of the laser source used is small.
  • Patents FR 2654215 registered under No. 90 13540 and published on 05/10/91
  • FR 2637085 registered under N ° 89 08632 and published on 03/30/90
  • Patent 89 08632 requires a divider cube or a symmetrical divider for the division of the laser beam and of mirrors with total reflection, one per partial beam, for deflecting the beams and making their crossing in the measurement volume.
  • Patent 90 13540 also uses two mirrors with total reflection, the separation being carried out by a semi-transparent mirror.
  • at least three components are necessary for the division of the beams, which implies, apart from any price element, special precautions as to the positioning of each of them and, by way of consequently, possibilities of adjustment.
  • the present invention proposes a separation method which is simple to implement, reliable and which makes it possible to obtain a very low interference order, the difference optical path at the central fringe being zero.
  • Figure 3 shows schematically a possibility of achieving this separation.
  • the present invention achieves separation by interposing, as shown in this figure 3, simply on the beam lh at the output of the laser source lg, an opaque body or object 6, the constant thickness of which in its useful part and opposing when the beam lh passes, is less than the width of the initial beam, coming from the diode or laser source lg, of elongated shape, at least in the direction perpendicular to the plane formed by the direction of the speed to be measured and that of the beam lh of the laser source, of length in this direction greater than the width of the beam lh.
  • the opaque object 6 separates the initial beam lh into two sub-beams li and lj which are then focused by the lens 4f on the measurement point 15a, creating at this point interference fringes.
  • the signals resulting from the passage of a particle through these interference fringes are detected by the detection means 5c.
  • the opaque object 6 constituting the separator is a cylinder with a diameter less than the width of the beam lh, as shown in FIG. 3.
  • This cylinder in an interesting embodiment of the invention, is mounted eccentrically on a support 9 rotating around an axis and located outside the beam field and perpendicular to the plane passing through the direction of the beam and that of the speed to be measured.
  • the rotation of this support 9 makes it possible to move the cylinder 8 from one edge to the other of the width of the beam, to position the separation strip at will over this width, and to adjust the balance in intensity and geometry of each beam.
  • Figures 6-top view and 7-side view show an application involving the invention and illustrating its simplicity of implementation. In this application, the invention is used as an educational bench for initiation to laser velocimetry with Doppler effect.
  • the sensor 10 comprises the laser source 11, the separator 13 and the focusing lens 26 and is associated with a glass tube 18 in which water circulates.
  • the laser source 11 after positioning the beam in the measurement direction is blocked by the screw 12.
  • the sensor 10 and the receiver 14 are fixed on a plate 15 movable relative to the bench 16.
  • the measurement point 17 can thus be moved to any point of the inside diameter of the tube 18 in which water is circulated.
  • the assembly makes it possible to produce the profile of the flow velocities inside the tube.
  • the receiver is simply constituted by a support mounted on the plate 15 and supporting an optical fiber 19 receiving the Doppler signal.
  • This optical fiber 19 transmits the signal to a photodiode 20 which converts the optical signal into electric current; this current is transformed into voltage and amplified by the electronic card 21.
  • This signal can then be directly viewed on an oscilloscope 22.
  • the senor includes a processing of the signal 41 allowing at the output of the current-voltage converter to digitize the signal and to process it to extract the Doppier frequency therefrom.
  • Doppler Frequency Extraction Methods encountered are:
  • counting the time corresponding to "n" zero crossings of the periodic signal containing the Doppler frequency is counted; it is a technique which is simple to implement and which gives good results whatever the application; validation constraints making it possible to ascertain the reality of the signal, however, lead to the elimination of interesting data; in fact, to validate the calculated frequency, one can for example compare the time corresponding to "n" zero crossings, double the time for "n / 2" passages by zero; values outside of previously established tolerance thresholds are eliminated; ced leads to the rejection of interesting values, particularly in the case of turbulent flows; the measurement time can become abnormally long;
  • phase-locked sulk system the frequency of the Doppler signal is compared to that of a voltage-controlled oscillator; this method can only be used in the case where the signal is permanent and of frequency varying only slightly;
  • FIG. 9 shows a possibility of implementing the sensor according to the invention for measuring the speed of water circulation or the flow rate of fluid circulating in a pipeline.
  • the microparticles present in the fluid which are at the origin of the Doppler signals detected by the receiver 14.
  • Portholes 31 and 32 arranged along the axis of the laser beam in the wall of the pipe allow optical access to the flowing fluid.
  • the sensor 10 including the laser source, its splitter and its focusing lens, and the receiver 14 are positioned on either side of the pipeline as in the example of FIGS.
  • the signal processing is then carried out in an electronic unit 33 and delivers an electrical signal proportional to the parameter to be measured: point speed, average speed, flow taking into account the diameter of the pipe or quantity of fluid delivered after integration of the flows over time.
  • the sensor of figure 9 can also be used for any fluid with sufficient qualities of transparency, ad hoc adaptations, as to the nature of the components, in particular portholes, which may be necessary depending on the fluid transported: chemical aggressiveness or temperature in the case of vapor transport by example- Another example of embodiment is presented in FIG. 11 where the transmitter 35 and the receiver 36 are mounted on the same mechanical support 37. A single tap 40 in the pipe 43 is necessary to implement the sensor according to the invention.
  • the laser velocimeter with Doppler effect according to the invention can be used for non-contact scrolling measurement problems such as production of paper pulp, production of laminates or speed measurement of a mobile, using, not detectors located in the axis of the beams, which is possible with a transparent medium, but arranged on the same side as the laser sources, using the reflection of the surface of the mobile.
  • FIG. 10 This last example, which does not limit the possibilities of application, is illustrated in FIG. 10 where a mobile 41 equipped with a sensor 42 and traveling on rails 34, measures the running speed of the rail 34.
  • This application can be applied to any mobile moving on a sufficiently flat surface.
  • the simplicity and the compactness of such a sensor according to the invention open the way to numerous applications and in particular the possibility of producing a sensor giving the direction of flow without requiring the use, for example, of a Braggs cell, allowing the frequency shift of one of the two beams, bulky and expensive.
  • FIG. 12 represents a velocimeter with two laser sources 44 and 45, one of which 44 may be that lg represented in FIG. 3, and the second 45, with its separator 57 positioned parallel to the first separated from it by a distance d.
  • Their focusing lens 46 is common to the two sensors and consists of a Ticket lens, such that the measurement zones 50 and 51 of the detection means, are separated by a distance defined by construction and dependent on the thickness of the wafer 48 removed from said Ticket lens 46.
  • Ticket lenses are lenses that have been modified in accordance with FIG. 13. On lens 47, it has been removed by machining wafer 48; the two remaining elements are then joined together forming the assembly 49. With such a focusing lens, on the assembly according to FIG.
  • the sensor 44 has its focal point at 50, the sensor 45 its focal point at 51.
  • a microparticle moving perpendicular to the measurement axes and passing through the measurement volumes containing the interference fringes, will first cross that of the sensor 45 then that of the sensor 44, if the flow direction is that of arrow 52
  • the comparison of the moments of appearance of detection of the signal from each sensor gives the direction of flow: - direction of the arrow 52 in the case of a detection on 45 then 44, as shown diagrammatically in FIG. 8,
  • Such a sensor can become, under certain conditions, a vector sensor. Indeed, we then have two components of the speed in this plane 58, along the perpendiculars to the interfringes of each sensor whose orientations are known by construction, making it possible to determine the direction of the speed; comparing the moments of detection of the signal on one and the other of the sensors 53 or 54, makes it possible to define the direction of the speed. This supposes that the same particle crosses the measurement zones corresponding to each sensor 53 and 54.
  • a simple remedy to this situation made possible by the use of inexpensive sensors according to the invention, then consists in associating other sensors according to a geometry allowing the detection of microparticles by at least two sensors, whatever the direction of the speed.

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Abstract

Portable compact laser Doppler velocimeter which is easy to use and comprises a laser source (1g), a splitter consisting of an opatque objet (6), splitting the beam (1h) from the laser source (1g) into two beams (1l and 1j) focussed by a lense (4f) at the measurement location. The device of the invention is especially suitable for flow measurements of transparent fluids and for teaching applications.

Description

Vélocimètre laser à effet Doppler La présente demande de brevet concerne un vélocimètre laser à effet Doppler portable simple de mise en oeuvre, d'encombrement réduit et de faible coût de réalisation. Les vélocimètres laser à effet Doppler à ce jour sont essentiellement utilisés pour des applications de laboratoire et de recherche nécessitant d'excellentes performances en termes de résolution, dynamique de mesure, vitesse d'échan¬ tillonnage, mesures en 3 dimensions, possibilité de dimensionnement et quan¬ tification de particules. C'est principalement pour cette raison que le matériel disponible en vélodmétrie laser à effet Doppler ne comprend que des appa¬ reils coûteux, encombrants, fragiles et diffidles à mettre en oeuvre. Par ailleurs, les débitmètres actuels, quels que soient les prin pes de mesure - électromagnétisme, micromoulinet, ultra sons, à effet Vortex, à effet Coriolis, à déprimogènes - comportent tous des limitations, notamment dans le do- maine de la mesure des faibles vitesses (inférieures au décimètre par se¬ conde). Dans ce seul domaine, la vélodmétrie laser Doppler peut offrir une solution technique intéressante à un coût comparable ou inférieur aux moyens de mesure précédents. The present Doppler laser velocimeter This patent application relates to a portable Doppler laser velocimeter which is simple to implement, takes up little space and has a low production cost. Doppler laser velocimeters to date are mainly used for laboratory and research applications requiring excellent performance in terms of resolution, dynamic measurement, sampling speed, 3-dimensional measurements, possibility of sizing and quantification of particles. It is mainly for this reason that the equipment available in laser Doppler velodmetry only includes expensive, bulky, fragile and difficult devices to implement. In addition, current flowmeters, whatever the measurement principle - electromagnetism, micro-reel, ultrasound, Vortex effect, Coriolis effect, and pressure-reducing devices - all have limitations, particularly in the area of measurement of weak speeds (less than one decimetre per second). In this area alone, laser Doppler velodmetry can offer an interesting technical solution at a cost comparable to or less than the above measurement means.
L'objet de la présente demande concerne un vélodmètre laser à effet Doppler destiné entre autres à des applications industrielles ou pédagogiques et com¬ prenant d'importantes simplifications par rapport aux produits habituels en vélodmétrie laser à effet Doppler (VLD).The subject of the present application relates to a laser Doppler velodmeter intended inter alia for industrial or educational applications and comprising important simplifications compared to the usual products in Doppler laser velodmetry (VLD).
Nous rappellerons dans une première partie le prindpe de la vélodmétrie la¬ ser à effet Doppler afin de bien mettre en évidence les composants nécessaires à la mise en oeuvre du principe.We will recall in the first part the prindpe of velodmetry la¬ ser Doppler effect in order to clearly highlight the components necessary for the implementation of the principle.
Nous décrirons ensuite une réalisation possible du vélodmètre réduisant et simplifiant les composants nécessaires.We will then describe a possible realization of the velodmeter reducing and simplifying the necessary components.
La figure 1 permet la compréhension du prindpe mis en oeuvre sous le terme vélodmètre laser à effet Doppler. La figure 2 présente une simplification connue de mise en oeuvre de la véloci-Figure 1 provides an understanding of the prindpe used under the term Doppler laser velodmeter. FIG. 2 presents a known simplification of implementation of the veloci-
FEU,LLE °E REMPLACEMENT {RÈGLE 26) métrie laser. FIRE, REPLACEMENT (RULE 26) laser metrics.
La figure 3 illustre le prindpe.seion l'invention. Les figures 4 et 5 présentent d'autres mises en oeuvre de l'invention.Figure 3 illustrates the prindpe.seion the invention. Figures 4 and 5 show other implementations of the invention.
Les figures 6 , 7, 9, 10 et 11 présentent plusieurs possibilités ti'applica- tion du prindpe selon l'invention.Figures 6, 7, 9, 10 and 11 show several possibilities of applying the prindpe according to the invention.
Les fig. t 12, 13 et 14 présentent des simplifications intéressantes de la vélo¬ dmétrie laser pour la détection du sens de l'écoulement. Le prindpe de la vélodmétrie laser à effet Doppler, tel que présenté sur la fi¬ gure 1, est basé sur le décalage de la fréquence de la lumière diffusée par toute particule en mouvement lorsqu'elle traverse un faisceau de lumière mo¬ nochromatique et cohérente.Figs. t 12, 13 and 14 present interesting simplifications of laser cyclometry for detecting the direction of flow. The scale of Doppler laser velodmetry, as shown in Figure 1, is based on the offset of the frequency of the light scattered by any moving particle when it crosses a beam of coherent and monochromatic light. .
Le décalage de fréquence induit par l'effet Doppler est proportionnel à la vi¬ tesse de la particule et dépend de la direction de détection. Ce décalage étant très faible, il n'est pas mesurable directement. On utilise alors ia technique d'hétérodynage, ou battement de deux fréquences. Plusieurs configurations permettent la mise en oeuvre de ce phénomène.The frequency shift induced by the Doppler effect is proportional to the speed of the particle and depends on the direction of detection. As this difference is very small, it cannot be measured directly. The heterodyning technique, or beating of two frequencies, is then used. Several configurations allow the implementation of this phenomenon.
La figure 1 représente la configuration utilisant le mode du faisceau de réfé¬ rence. On provoque le battement des deux fréquences sur la photodiode 5a utilisée pour capter le signal Doppler : la fréquence de ia source laser et celle contenant le décalage en fréαuence du à l'effet Doϋϋler.Figure 1 shows the configuration using the reference beam mode. One causes the beat of the two frequencies on the photodiode 5a used to capture the Doppler signal: the frequency of the laser source and that containing the shift in frequency due to the Doϋϋler effect.
Le faisceau 1 issu de la source laser le est séparé en deux faisceaux ia et lb, par la séparatrice 4a. Un miroir à réflexion totale 4b réoπente le faisceau la, dit de référence, parallèlement au faisceau lb dit de mesure. Les 2 faisceaux la et lb sont focalisés par la lentille 4c au point de mesure 15. Le faisceau lb, dans la zone de mesure au point de focalisation, lors du passage d'une micro- particule, va diffuser de ia lumière dont la fréαuence est décaiée par rapport à celle du faisceau d'ori-rine 1 par l'effet Doppler. La photodiode 5a, positionnée sur le faisceau de référence, capte les battements provoqués par les rreαuences des 2 faisceaux, celle de ia lumière diffusée par la particule et celle eu faisceau de référence, et délivre un signai éiectπαue 5b contenant les battements DOD- pler.The beam 1 from the laser source 1c is separated into two beams ia and 1b, by the splitter 4a. A total reflection mirror 4b reoπent the beam 1a, called the reference beam, parallel to the beam 1b said to be of measurement. The 2 beams 1a and 1b are focused by the lens 4c at the measurement point 15. The beam 1b, in the measurement zone at the focus point, during the passage of a micro-particle, will diffuse ia light whose frequency is decaiée compared to that of the beam of ori-rine 1 by the Doppler effect. The photodiode 5a, positioned on the reference beam, captures the beats caused by the rreαuences of the 2 beams, that of the light scattered by the particle and that in the reference beam, and delivers an eiectπαue signal 5b containing the beats DOD- cry.
La méthode dite des franges d'interférence constitue une autre présentation du prindpe de la vélodmétrie laser à effet Doppler : les deux faisceaux la et 1 b créent, au point de focalisation, des franges d'interférence 2. Toute micro- particule 3 au passage des zones daires va diffuser de la lumière captée par la photodiode 5a.The so-called interference fringe method constitutes another presentation of the prindpe of Doppler laser velodmetry: the two beams 1a and 1b create, at the focal point, interference fringes 2. Any microparticle 3 in passing light areas will diffuse the light captured by the photodiode 5a.
L'interfrange x est liée à la longueur d'onde L de la source laser et à la géomét¬ rie des faisceaux définie par l'angle 2β, par la relation x = L/2sin β Une particule se déplaçant à une vitesse v perpendiculaire aux franges d'inter¬ férence va donc générer un signal de fréquence f telle que
Figure imgf000005_0001
La vitesse des particules est ainsi liée à la fréquence Doppler par la relation : v = f * L / 2 sin_3 Le traitement, c'est à dire l'extraction de la fréquence de battement Doppler porteuse de l'information de vitesse, peut être réalisée à l'aide de différentes méthodes décrites ultérieurement.
The interfrange x is linked to the wavelength L of the laser source and to the geometry of the beams defined by the angle 2β, by the relation x = L / 2sin β A particle moving at a speed v perpendicular at the interference fringes will therefore generate a signal of frequency f such that
Figure imgf000005_0001
The speed of the particles is thus linked to the Doppler frequency by the relation: v = f * L / 2 sin_3 The processing, that is to say the extraction of the Doppler beat frequency carrying the speed information, can be performed using different methods described later.
De nombreux ouvrages ont été écrits (Durst / Melling / Whitelaw - 1987 - Théorie et pratique de la vélodmétrie laser à effet Doppler) qui ne concernent que le seul choix des particules et plus prédsément du diamètre de celles-d pour obtenir une bonne qualité de signal. Nous ne développerons pas cet as¬ pect de la technique; la présente innovation s'intéresse prindpalement à des applications ne nécessitant pas d'ensemencement mais pouvant fonctionner avec les seules particules présentes dans le fluide à instrumenter. Dans les prindpales applications visées, sur des fluides fréquemment rencon¬ trés (eau, vapeur, autres fluides transparents,) il existe statistiquement suffi¬ samment de particules permettant une mesure de vitesse dans de bonnes conditions, sans nécessiter de faire appel à l'ensemencement. Généralement, ces applications s'intéressent plus particulièrement à la mesure de débits ou de volumes circules au' à la mesure de vitesse instantanée. Si l'on se réfère au schéma de la figure 1 d'explication du prindpe de mesure, les fonctionnalités essentielles pour la mise en oeuvre d'un capteur VLD sont les suivantes :Many works have been written (Durst / Melling / Whitelaw - 1987 - Theory and practice of laser velodmetry with Doppler effect) which concern only the choice of particles and more precisely the diameter of these to obtain a good quality of signal. We will not develop this aspect of technique; the present innovation is mainly concerned with applications which do not require seeding but which can operate with the only particles present in the fluid to be instrumented. In the main applications targeted, on fluids frequently encountered (water, steam, other transparent fluids,) there are statistically sufficient particles allowing speed measurement under good conditions, without the need for seeding. . Generally, these applications are more particularly interested in the measurement of flow rates or volumes circulating in the measurement of instantaneous speed. If we refer to the diagram in Figure 1 explaining the measuring prindpe, the essential functionalities for the implementation of a VLD sensor are as follows:
- source de lumière monochromatique et monomode, - séparation en 2 faisceaux, avec possibilité d'équilibrage de la séparation de ces faisceaux,- monochromatic and single-mode light source, - separation into 2 beams, with the possibility of balancing the separation of these beams,
- focalisation de ces 2 faisceaux sur le point de mesure,- focusing of these 2 beams on the measurement point,
- réception du signal.- signal reception.
L'exemple représenté sur la figure 1 utilise une lame séparatrice 4a permet- tant d'obtenir deux faisceaux cohérents la et lb à partir de la même source la¬ ser le, un miroir 4b réorientant le faisceau la parallèlement au faisceau lb et une lentille 4c focalisant les deux faisceaux au point de mesure. La qualité du signai dépend notamment de la précision du cheminement opti¬ que des faisceaux, lui-même dépendant de la quantité des composants et de leur positionnement. Ainsi la figure 2 illustre une possibilité connue et inté¬ ressante de réalisation d'un capteur ne comportant qu'un nombre limité de composants : source laser ld, lame séparatrice 4d, dont une partie 4e a été traitée pour permettre la réflexion totale du faisceau le; les deux faisceaux le et lf en sortie de la lame séparatrice sont toujours, sans autre précaution, pa- rallèles.The example shown in FIG. 1 uses a separating blade 4a making it possible to obtain two coherent beams la and lb from the same source la¬ ser le, a mirror 4b reorienting the beam parallel to the beam lb and a lens 4c focusing the two beams at the measurement point. The quality of the signal depends in particular on the precision of the opti¬ path of the beams, which itself depends on the quantity of the components and their positioning. Thus, FIG. 2 illustrates a known and interesting possibility of producing a sensor comprising only a limited number of components: laser source ld, separating blade 4d, of which a 4th part has been treated to allow total reflection of the beam. the; the two beams le and lf at the outlet of the separating blade are always, without any other precaution, parallel.
De même, un signal Doppler de bonne qualité nécessite d'avoir des faisceaux cohérents, c'est-à-dire que la différence de chemin optique des faisceaux soit inférieure à la longueur de cohérence du laser. Toute différence de chemine¬ ment optique entraîne ainsi un risque de non cohérence des faisceaux particu- lièrement si la longueur de cohérence de la source laser utilisée est faible.Likewise, a good Doppler signal requires having coherent beams, that is to say that the difference in optical path of the beams is less than the coherence length of the laser. Any difference in optical path thus leads to a risk of non-coherence of the beams, particularly if the coherence length of the laser source used is small.
Les brevets FR 2654215, enregistré sous le N° 90 13540 et publié le 10/05/91, et FR 2637085, enregistré sous le N° 89 08632 et publié le 30/03/90, portent notamment sur des diviseurs de faisceau permettant la réalisation d'anémo¬ mètres laser Doppler compacts. En dépit d'avantages indéniables en compaci- té, les moyens permettant la séparation du faisceau laser en deux faisceaux comportent cependant dans l'un et l'autre brevet plusieurs éléments optiques nécessitant un positionnement et des réglages minutieux. Le brevet 89 08632 par exemple, nécessite un cube diviseur ou un diviseur symétrique pour la division du faisceau laser et des miroirs à réflexion totale, un par faisceau partiel, pour dévier les faisceaux et réaliser leur croisement dans le volume de mesure.The patents FR 2654215, registered under No. 90 13540 and published on 05/10/91, and FR 2637085, registered under N ° 89 08632 and published on 03/30/90, relate in particular to beam splitters allowing the production of compact Doppler laser anemometers. Despite undeniable advantages in compactness, the means allowing the separation of the laser beam into two beams in both patents, however, include several optical elements requiring careful positioning and adjustments. Patent 89 08632 for example, requires a divider cube or a symmetrical divider for the division of the laser beam and of mirrors with total reflection, one per partial beam, for deflecting the beams and making their crossing in the measurement volume.
Le brevet 90 13540 utilise aussi deux miroirs à réflexion totale, la séparation étant réalisée par un miroir semi transparent. Dans l'un et l'autre brevet, au minimum trois composants sont nécessaires à la division des faisceaux, ce qui implique, en dehors de tout élément de prix, des précautions particulières quant au positionnement de chacun d'eux et, par voie de conséquence, des possibilités de déréglage. Pour éviter de mettre en oeuvre des moyens optiques coûteux permettant de pallier ce genre de problème, la présente invention propose une méthode de séparation simple à mettre en oeuvre, fiable et permettant l'obtention d'un ordre d'interférence très bas, la différence de chemin optique au niveau de la frange centrale étant nulle.Patent 90 13540 also uses two mirrors with total reflection, the separation being carried out by a semi-transparent mirror. In both patents, at least three components are necessary for the division of the beams, which implies, apart from any price element, special precautions as to the positioning of each of them and, by way of consequently, possibilities of adjustment. To avoid using expensive optical means making it possible to overcome this kind of problem, the present invention proposes a separation method which is simple to implement, reliable and which makes it possible to obtain a very low interference order, the difference optical path at the central fringe being zero.
La figure 3 schématise une possibilité de réaliser cette séparation. La présente invention réalise la séparation en interposant, comme représenté sur cette figure 3, simplement sur le faisceau lh en sortie de la source laser lg, un corps ou un objet opaque 6, dont l'épaisseur constante dans sa partie utile et s'opposant au passage du faisceau lh, est inférieure à la largeur de celui-ci initial, issu de la diode ou source laser lg, de forme allongée, au moins dans la direction perpendiculaire au plan constitué par la direction de la vitesse à mesurer et celle du faisceau lh de la source laser, de longueur dans cette direction supérieure à la largeur du faisceau lh. Cet objet opaque 6 sépare le faisceau initial lh en deux sous-faisceaux li et lj qui sont ensuite focalisés par la lentille 4f sur le point de mesure 15a, créant en ce point des franges d'interférence. Les signaux résultant du passage d'une particule dans ces franges d'interférences sont détectés par les moyens de détection 5c. Dans une mise en oeuvre intéressante de l'invention, l'objet opaque 6 constituant la séparatrice est un cylindre de diamètre inférieur à la largeur du faisceau lh, comme représenté sur la figure 3. Les avantages d'une telle mise en oeuvre sont nombreux, les principaux étant les suivants : extrême simplicité de mise en oeuvre - coût négligeable des composants nécessaires à cette séparation - mise au point simplifiée. Les inconvénients (gaspillage d'énergie, géométrie figée de la séparation des faisceaux) peuvent certes en limiter les applications, particulièrement dans le domaine de la mesure en laboratoire. Sa simplicité, par contre, ouvre la voie à de nombreuses applications dans le domaine industriel, difficilement envisageables avec les produits classiques en vélocimétrie laser à effet Doppler. Cette séparation peut être réalisée à l'aide de moyens très divers, la liste de ceux décrits ci-après n'étant nullement limitative. Une manière simple de réaliser cette séparation, comme schématisé sur la figure 4, consiste à coller simplement une bande de ruban adhésif 7, en sortie de la source laser. Une autre manière offrant un peu plus de possibilités de réglage est schématisée sur la figure 5. Elle met en oeuvre un cylindre 8 qui sépare en deux le faisceau initial. Ce cylindre, dans une réalisation intéressante de l'invention, est monté excentré sur un support 9 tournant autour d'un axe et situé hors du champ du faisceau et perpendiculaire au plan passant par la direction du faisceau et celle de la vitesse à mesurer. La rotation de ce support 9 permet de déplacer le cylindre 8 d'un bord vers l'autre de la largeur du faisceau, pour positionner la bande de séparation à volonté sur cette largeur, et de régler l'équilibrage en intensité et géométrie de chaque faisceau. Les figures 6-vue de dessus et 7-vue latérale représentent une application mettant en jeu l'invention et illustrant bien sa simplicité de mise en oeuvre. Dans cette application, l'invention est utilisée comme banc pédagogique d'initiation à la vélocimétrie laser à effet Doppler. Le capteur 10 selon l'invention comprend la source laser 11, la séparatrice 13 et la lentille de focalisation 26 et est associé à un tube en verre 18 dans lequel circule de l'eau. La source laser 11 après positionnement du faisceau dans la direction de mesure est bloquée par la vis 12. Le capteur 10 et le récepteur 14 sont fixés sur une platine 15 mobile par rapport au banc 16. Le point de mesure 17 peut ainsi être déplacé en tout point du diamètre intérieur du tube 18 dans lequel on fait circuler de l'eau. L'ensemble permet de réaliser le profil des vitesses d'écoulement à l'inté¬ rieur du tube.Figure 3 shows schematically a possibility of achieving this separation. The present invention achieves separation by interposing, as shown in this figure 3, simply on the beam lh at the output of the laser source lg, an opaque body or object 6, the constant thickness of which in its useful part and opposing when the beam lh passes, is less than the width of the initial beam, coming from the diode or laser source lg, of elongated shape, at least in the direction perpendicular to the plane formed by the direction of the speed to be measured and that of the beam lh of the laser source, of length in this direction greater than the width of the beam lh. This opaque object 6 separates the initial beam lh into two sub-beams li and lj which are then focused by the lens 4f on the measurement point 15a, creating at this point interference fringes. The signals resulting from the passage of a particle through these interference fringes are detected by the detection means 5c. In an advantageous implementation of the invention, the opaque object 6 constituting the separator is a cylinder with a diameter less than the width of the beam lh, as shown in FIG. 3. The advantages of such an implementation are numerous, the main ones being the following: extreme simplicity of implementation - negligible cost of the components necessary for this separation - simplified development. The drawbacks (waste of energy, fixed geometry of the separation of the beams) can certainly limit its applications, particularly in the field of laboratory measurement. Its simplicity, on the other hand, opens the way to many applications in the industrial field, difficult to envisage with conventional products in laser velocimetry with Doppler effect. This separation can be achieved using a variety of means, the list of those described below is by no means limiting. A simple way of making this separation, as shown diagrammatically in FIG. 4, consists in simply sticking a strip of adhesive tape 7, at the outlet of the laser source. Another way offering a little more adjustment possibilities is shown diagrammatically in FIG. 5. It implements a cylinder 8 which separates the initial beam in two. This cylinder, in an interesting embodiment of the invention, is mounted eccentrically on a support 9 rotating around an axis and located outside the beam field and perpendicular to the plane passing through the direction of the beam and that of the speed to be measured. The rotation of this support 9 makes it possible to move the cylinder 8 from one edge to the other of the width of the beam, to position the separation strip at will over this width, and to adjust the balance in intensity and geometry of each beam. Figures 6-top view and 7-side view show an application involving the invention and illustrating its simplicity of implementation. In this application, the invention is used as an educational bench for initiation to laser velocimetry with Doppler effect. The sensor 10 according to the invention comprises the laser source 11, the separator 13 and the focusing lens 26 and is associated with a glass tube 18 in which water circulates. The laser source 11 after positioning the beam in the measurement direction is blocked by the screw 12. The sensor 10 and the receiver 14 are fixed on a plate 15 movable relative to the bench 16. The measurement point 17 can thus be moved to any point of the inside diameter of the tube 18 in which water is circulated. The assembly makes it possible to produce the profile of the flow velocities inside the tube.
Dans une réalisation intéressante de l'invention telle que représentée sur les figures 6 , vue de dessous, et 71 vue latérale, le récepteur est consti¬ tué simplement d'un support monté sur la platine 15 et supportant une fibre optique 19 recevant le signal Doppler. Cette fibre optique 19 trans¬ porte le signal jusqu'à une photodiode 20 qui convertit le signal optique en courant électrique; ce courant est transformé en tension et amplifié par la carte électronique 21. Ce signal peut ensuite être directement vi¬ sualisé sur un oscilloscope 22. Un osdlloscope à mémoire permet de sé- lectionner les mesures intéressantes et de calculer la fréquence du signal Doppler ainsi visualisé. La connaissance du coeffident de ia sonde, te¬ nant compte de la longueur d'onde L de la source laser et de la géométrie des faisceaux permet de calculer la vitesse d'écoulement au point de me¬ sure seion la relation mentionnée précédemment : v = f * L / 2 sin βIn an interesting embodiment of the invention as shown in Figures 6, bottom view, and 7 1 side view, the receiver is simply constituted by a support mounted on the plate 15 and supporting an optical fiber 19 receiving the Doppler signal. This optical fiber 19 transmits the signal to a photodiode 20 which converts the optical signal into electric current; this current is transformed into voltage and amplified by the electronic card 21. This signal can then be directly viewed on an oscilloscope 22. A memory osdlloscope makes it possible to select the interesting measurements and to calculate the frequency of the Doppler signal thus visualized . Knowing the coefficient of the probe, taking into account the wavelength L of the laser source and the geometry of the beams, makes it possible to calculate the flow speed at the point of measurement according to the relationship mentioned above: v = f * L / 2 sin β
Un tel système est parfaitement adapté à des applications pédagogiques, en présentant de manière simple les différentes configurations possibles pour mettre en oeuvre un capteur à base de vélodmétrie laser à effetSuch a system is perfectly suited to educational applications, by presenting in a simple manner the different possible configurations for implementing a sensor based on laser velodmetry with effect.
Doppler; il permet aussi des applications intéressantes dans le domaine industriel.Doppler; it also allows interesting applications in the industrial field.
Dans une autre réalisation intéressante de l'invention, le capteur inclut un traitement du signal 41 permettant en sortie du convertisseur cou¬ rant-tension de numériser ie signai et de le traiter pour en extraire ia fré¬ quence Doppier. Les méthodes d'extraction de ia fréαuence Doppler les plus frëαuemment rencontrées sont les suivantes :In another interesting embodiment of the invention, the sensor includes a processing of the signal 41 allowing at the output of the current-voltage converter to digitize the signal and to process it to extract the Doppier frequency therefrom. Most Frequently Doppler Frequency Extraction Methods encountered are:
. comptage : on compte le temps correspondant à "n" passages par zéro du signal périodique contenant la fréquence Doppler; c'est une technique simple à mettre en oeuvre et donnant de bons résultats quelle que soit l'appli- cation ; les contraintes de validation permettant de s'assurer de la réalité du si¬ gnal entraînent cependant l'élimination de données intéressantes; en effet, pour valider la fréquence calculée, on peut par exemple comparer le temps correspondant à "n" passages par zéro, au double du temps pour "n/2" pas¬ sages par zéro; les valeurs situées en dehors de seuils de tolérance fixés préa- lablement sont éliminées; ced conduit à rejeter des valeurs intéressantes no¬ tamment dans le cas d'écoulements turbulents; le temps de mesure peut deve¬ nir anormalement long;. counting: the time corresponding to "n" zero crossings of the periodic signal containing the Doppler frequency is counted; it is a technique which is simple to implement and which gives good results whatever the application; validation constraints making it possible to ascertain the reality of the signal, however, lead to the elimination of interesting data; in fact, to validate the calculated frequency, one can for example compare the time corresponding to "n" zero crossings, double the time for "n / 2" passages by zero; values outside of previously established tolerance thresholds are eliminated; ced leads to the rejection of interesting values, particularly in the case of turbulent flows; the measurement time can become abnormally long;
. système de boude à verrouillage de phase : on compare la fréquence du signal Doppler à celle d'un oscillateur asservi en tension; cette méthode n'est utilisable que dans le cas où le signal est permanent et de fréquence ne variant que faiblement;. phase-locked sulk system: the frequency of the Doppler signal is compared to that of a voltage-controlled oscillator; this method can only be used in the case where the signal is permanent and of frequency varying only slightly;
' . transformées de FOURLER rapides ; sans entrer dans les limitations liées au prindpe de calcul bien connues des spédalistes, en présence de signaux non permanents, la fenêtre, correspondant au signal obtenu lors du passage d'une particule dans le volume de mesure, est trop étroite pour permettre un traitement satisfaisant par transformées de FOURLER. Le traitement du signal par paramétrage mathématique constitue une autre possibilité intéressante. ' . rapid FURNING transforms; without going into the limitations linked to the calculation method well known to specialists, in the presence of non-permanent signals, the window, corresponding to the signal obtained during the passage of a particle in the measurement volume, is too narrow to allow satisfactory processing by FOURLER transforms. Another interesting possibility is signal processing by mathematical parameterization.
Soit un signal sinusoïdal de fréquence f échantillonné à une période T. Si nous notons S (n) =(cos Ω * nT) la valeur du signal échantillonné à la ne e période d'échantillonnage, nous pouvons écrire pour le (n+l)ième échantillon :Let be a sinusoidal signal of frequency f sampled at a period T. If we denote S (n) = (cos Ω * nT) the value of the signal sampled at the n th sampling period, we can write for the (n + l ) th sample:
S (n+1) = 2cos Ω T S(n) - S (n-1) fonction récursive du second ordre. Notre problème est de déterminer la va¬ leur de cos ΩT et donc la valeur de la fréquence f = Ω/2π qui vérifie la rela- tion: S(n+1) + S(n-l) = a^n) où a! = 2 cos Ω T D'une manière générale ce type de traitement comprend :S (n + 1) = 2cos Ω TS (n) - S (n-1) second order recursive function. Our problem is to determine the value of cos ΩT and therefore the value of the frequency f = Ω / 2π which verifies the relation: S (n + 1) + S (nl) = a ^ n) where a ! = 2 cos Ω T Generally this type of treatment includes:
- la numérisation du signal, après conversion courant/tension et amplification du signal,- signal digitization, after current / voltage conversion and signal amplification,
- un traitement linéaire récursif dans lequel un algorithme calcule la pulsation Ω de façon à minimiser l'écart entre l'estimation et la valeur réelle du signal.- a recursive linear processing in which an algorithm calculates the pulsation Ω so as to minimize the difference between the estimate and the real value of the signal.
Divers problèmes peuvent limiter ce type de traitement. On est capable de fournir une estimation de al même si le signal n'est pas sinusoïdal. L'algorithme utilisé dans la présente invention comprend une première phase dans laquelle on s'assure de la nature du signal. Pour cela, on calcule les coefficients de la relation de récurence : S(n+1) = a S(n) + a2S(n-l) Pour un signal 100 % sinusoïdal, on doit avoir a2 = -1. Le signal étant modulé de manière aléatoire en amplitude, une marge (environ 1 % à 2 %) est tolérée autour de -1 ; si a2 n'est pas situé dans l'intervalle correspondant, on procède au même calcul sur l'échantillon suivant.De nombreuses applications industrielles du capteur vélocimètre laser à effet Doppler selon la présente invention sont envisageables ; les exemples qui suivent sont présentés à titre de simple illustration et ne sont nullement limitatifs. La figure 9 présente une possibilité de mise en oeuvre du capteur selon l'invention pour la mesure de vitesse de circulation d'eau ou de débit de fluide circulant dans une canalisation. Comme dans les exemples des figures 6 et 7, ce sont les microparticules présentes dans le fluide qui sont à l'origine des signaux Doppler détectés par le récepteur 14. Des hublots 31 et 32 disposés suivant l'axe du faisceau laser dans la paroi de la canalisation, permettent un accès optique au fluide en écoulement. Le capteur 10 incluant la source laser, sa séparatrice et sa lentille de focalisation, et le récepteur 14 sont positionnés de part et d'autre de la canalisation comme dans l'exemple des figures 6 et 7 du banc pédagogique. Le traitement du signal est alors réalisé dans un boîtier électronique 33 et délivre un signal électrique proportionnel au paramètre à mesurer : vitesse ponctuelle, vitesse moyenne, débit en tenant compte du diamètre de la canalisation ou quantité de fluide débité après intégration des débits dans le temps. Le capteur de la figure 9 peut aussi être utilisé pour tout fluide présentant des qualités de transparence suffisantes, des adaptations ponctuelles, quant à la nature des composants, des hublots notamment, pouvant être nécessaires en fonction du fluide transporté : agressivité chimique ou température dans le cas de transport de vapeur par exemple- Un autre exemple de réalisation est présenté à la figure 11 où l'émetteur 35 et le récepteur 36 sont montés sur le même support mécanique 37. Un seul piquage 40 dans la canalisation 43 est nécessaire pour mettre en oeuvre le capteur suivant l'invention. Une ouverture 39, dans le corps du support mécanique 37 du capteur permet le passage du fluide sans perturbation de l'écoulement dans la zone de mesure entre l'émetteur et le récepteur. De même, le vélocimètre laser à effet Doppler suivant l'invention peut être utilisé pour des problèmes de mesure de défilement sans contact tels que production de pâte à papier, production de laminés ou mesure de vitesse d'un mobile, en utilisant, non pas des détecteurs situés dans l'axe des faisceaux, ce qui est possible avec un milieu transparent, mais disposés du même côté que les sources laser, en utilisant la réflexion de la surface du mobile. Ce dernier exemple, non limitatif des possibilités d'application, est illustré sur la figure 10 où un mobile 41 équipé d'un capteur 42 et circulant sur des rails 34, mesure la vitesse de défilement du rail 34. Cette application est extrapolable à tout mobile se déplaçant sur une surface suffisamment plane. La simplicité et la compacité d'un tel capteur selon l'invention ouvrent la voie à de nombreuses applications et notamment la possibilité de réaliser un capteur donnant le sens de l'écoulement sans nécessiter d'avoir recours par exemple à une cellule de Braggs, permettant le décalage en fréquence de l'un des deux faisceaux, encombrante et coûteuse.Various problems can limit this type of treatment. We are able to provide an estimate of al even if the signal is not sinusoidal. The algorithm used in the present invention comprises a first phase in which the nature of the signal is verified. For this, we calculate the coefficients of the recursion relation: S (n + 1) = a S (n) + a 2 S (nl) For a 100% sinusoidal signal, we must have a 2 = -1. Since the signal is modulated randomly in amplitude, a margin (around 1% to 2%) is tolerated around -1; if a 2 is not located in the corresponding interval, the same calculation is carried out on the following sample. Many industrial applications of the Doppler laser velocimeter sensor according to the present invention can be envisaged; the examples which follow are presented by way of simple illustration and are in no way limiting. FIG. 9 shows a possibility of implementing the sensor according to the invention for measuring the speed of water circulation or the flow rate of fluid circulating in a pipeline. As in the examples of FIGS. 6 and 7, it is the microparticles present in the fluid which are at the origin of the Doppler signals detected by the receiver 14. Portholes 31 and 32 arranged along the axis of the laser beam in the wall of the pipe, allow optical access to the flowing fluid. The sensor 10 including the laser source, its splitter and its focusing lens, and the receiver 14 are positioned on either side of the pipeline as in the example of FIGS. 6 and 7 of the educational bench. The signal processing is then carried out in an electronic unit 33 and delivers an electrical signal proportional to the parameter to be measured: point speed, average speed, flow taking into account the diameter of the pipe or quantity of fluid delivered after integration of the flows over time. . The sensor of figure 9 can also be used for any fluid with sufficient qualities of transparency, ad hoc adaptations, as to the nature of the components, in particular portholes, which may be necessary depending on the fluid transported: chemical aggressiveness or temperature in the case of vapor transport by example- Another example of embodiment is presented in FIG. 11 where the transmitter 35 and the receiver 36 are mounted on the same mechanical support 37. A single tap 40 in the pipe 43 is necessary to implement the sensor according to the invention. An opening 39 in the body of the mechanical support 37 of the sensor allows the passage of the fluid without disturbing the flow in the measurement zone between the transmitter and the receiver. Likewise, the laser velocimeter with Doppler effect according to the invention can be used for non-contact scrolling measurement problems such as production of paper pulp, production of laminates or speed measurement of a mobile, using, not detectors located in the axis of the beams, which is possible with a transparent medium, but arranged on the same side as the laser sources, using the reflection of the surface of the mobile. This last example, which does not limit the possibilities of application, is illustrated in FIG. 10 where a mobile 41 equipped with a sensor 42 and traveling on rails 34, measures the running speed of the rail 34. This application can be applied to any mobile moving on a sufficiently flat surface. The simplicity and the compactness of such a sensor according to the invention open the way to numerous applications and in particular the possibility of producing a sensor giving the direction of flow without requiring the use, for example, of a Braggs cell, allowing the frequency shift of one of the two beams, bulky and expensive.
La figure 12 représente un vélocimètre à deux sources laser 44 et 45, dont l'une 44 peut, être celle lg représentée figure 3, et la deuxième 45, avec sa séparatrice 57 positionnée parallèlement à la première séparée de celle-ci d'une distance d. Leur lentille de focalisation 46 est commune aux deux capteurs et constituée d'une lentille de Billet, telle que les zones de mesure 50 et 51 des moyens de détection, sont séparées d'une distance définie par construction et dépendant de l'épaisseur de la tranche 48 enlevée à ladite lentille de Billet 46. En effet, les lentilles de Billet sont des lentilles ayant été modifiées conformément à la figure 13. Sur la lentille 47, on a enlevé par usinage la tranche 48 ; les deux éléments restants sont ensuite accolés formant l'ensemble 49. Avec une telle lentille de focalisation, sur l'ensemble selon la figure 12, le capteur 44 a son point de focalisation en 50, le capteur 45 son point de focalisation en 51. Une microparticule se déplaçant perpendiculairement aux axes de mesure et passant par les volumes de mesure contenant les franges d'interférence, traversera tout d'abord celui du capteur 45 puis celui du capteur 44, si le sens d'écoulement est celui de la flèche 52. La comparaison des moments d'apparition de détection du signal de chaque capteur donne le sens de l'écoulement : - sens de la flèche 52 dans le cas d'une détection sur 45 puis 44, comme schématisé sur la figure 8,FIG. 12 represents a velocimeter with two laser sources 44 and 45, one of which 44 may be that lg represented in FIG. 3, and the second 45, with its separator 57 positioned parallel to the first separated from it by a distance d. Their focusing lens 46 is common to the two sensors and consists of a Ticket lens, such that the measurement zones 50 and 51 of the detection means, are separated by a distance defined by construction and dependent on the thickness of the wafer 48 removed from said Ticket lens 46. Indeed, Ticket lenses are lenses that have been modified in accordance with FIG. 13. On lens 47, it has been removed by machining wafer 48; the two remaining elements are then joined together forming the assembly 49. With such a focusing lens, on the assembly according to FIG. 12, the sensor 44 has its focal point at 50, the sensor 45 its focal point at 51. A microparticle moving perpendicular to the measurement axes and passing through the measurement volumes containing the interference fringes, will first cross that of the sensor 45 then that of the sensor 44, if the flow direction is that of arrow 52 The comparison of the moments of appearance of detection of the signal from each sensor gives the direction of flow: - direction of the arrow 52 in the case of a detection on 45 then 44, as shown diagrammatically in FIG. 8,
- sens contraire à celui de la flèche 52 dans le cas d'une détection sur 44 puis 45. Le même résultat peut être obtenu en utilisant une lentille ordinaire 55 convergente traditionnelle et en inclinant le faisceau issu de l'un des deux capteurs constitués des sources laser 53 et 54 et des séparatrices 59 et 60, par rapport à l'axe de la lentille 55, dans le plan formé par l'axe de la lentille et les faisceaux des capteurs, de façon à décaler le volume de mesure correspondant dans ledit plan et créer deux zones de mesure légèrement décalées suivant un plan incliné 58, conformément à la figure 14.- opposite direction to that of arrow 52 in the case of detection on 44 then 45. The same result can be obtained by using an ordinary conventional converging lens 55 and by tilting the beam coming from one of the two sensors made up of the laser sources 53 and 54 and separators 59 and 60, with respect to the axis of the lens 55, in the plane formed by the axis of the lens and the beams of the sensors, so as to offset the corresponding measurement volume in said plane and create two measurement zones slightly offset along an inclined plane 58, in accordance with FIG. 14.
Un tel capteur peut devenir, sous certaines conditions, un capteur vectoriel. En effet, nous disposons alors de deux composantes de la vitesse dans ce plan 58, selon les perpendiculaires aux interfranges de chaque capteur dont les orientations sont connues par construction, permettant de déterminer la direction de la vitesse ; la comparaison des moments de détection du signal sur l'un et l'autre des capteurs 53 ou 54, permet de définir le sens de la vitesse. Ceci suppose que la même particule traverse les zones de mesure correspondant à chaque capteur 53 et 54. Un palliatif simple à cette situation, rendue possible par l'utilisation de capteurs bon marché selon l'invention, consiste alors à associer d'autres capteurs selon une géométrie permettant la détection des microparticules par au moins deux capteurs, quelle que soit la direction de la vitesse. Such a sensor can become, under certain conditions, a vector sensor. Indeed, we then have two components of the speed in this plane 58, along the perpendiculars to the interfringes of each sensor whose orientations are known by construction, making it possible to determine the direction of the speed; comparing the moments of detection of the signal on one and the other of the sensors 53 or 54, makes it possible to define the direction of the speed. This supposes that the same particle crosses the measurement zones corresponding to each sensor 53 and 54. A simple remedy to this situation, made possible by the use of inexpensive sensors according to the invention, then consists in associating other sensors according to a geometry allowing the detection of microparticles by at least two sensors, whatever the direction of the speed.

Claims

REVENDICATIONS
1. Vélocimètre laser à effet Doppler utilisant au moins une source laser (lg), une lentille de focalisation (4f) et des moyens de détection (5c), caractérisé en ce qu'il comprend une séparatrice interposée sur le faisceau (lh) en sortie de la source laser (lg), constituée d'un corps (6) ayant une épaisseur constante dans sa partie utile, inférieure à la largeur du faisceau initial (lh) issu de la diode laser (lg), de forme allongée au moins dans la direction perpendiculaire au plan constitué par la direction de la vitesse à mesurer et celle du faisceau (lh) de la source laser, de longueur dans cette direction supérieure à la largeur du faisceau (lh) et séparant celui-ci en deux faisceaux (li) et (lj) se croisant au point de focalisation (15a).1. Doppler laser velocimeter using at least one laser source (lg), a focusing lens (4f) and detection means (5c), characterized in that it comprises a separator interposed on the beam (lh) in output of the laser source (lg), consisting of a body (6) having a constant thickness in its useful part, less than the width of the initial beam (lh) coming from the laser diode (lg), of at least elongated shape in the direction perpendicular to the plane formed by the direction of the speed to be measured and that of the beam (lh) of the laser source, of length in this direction greater than the width of the beam (lh) and separating it into two beams ( li) and (lj) crossing at the focal point (15a).
2. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparatrice est constituée d'un ruban adhésif (7), de largeur inférieure à celle du faisceau initial de la diode laser (lg) collé en sortie de la diode laser (lg).2. Doppler laser velocimeter according to claim 1, characterized in that the separator consists of an adhesive tape (7), of width less than that of the initial beam of the laser diode (lg) glued at the output of the diode laser (lg).
3. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce que la séparatrice est constituée d'un cylindre (6) de diamètre inférieur à la largeur du faisceau.3. Laser Doppler velocimeter according to claim 1, characterized in that the separator consists of a cylinder (6) of diameter less than the width of the beam.
4. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit cylindre (8) est monté excentré sur un support tournant autour d'un axe.4. Doppler effect laser velocimeter according to claim 3, characterized in that said cylinder (8) is mounted eccentrically on a support rotating about an axis.
5. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième source laser (45) positionnée parallèlement à la première, avec sa séparatrice (57), et espacée de la première source d'une distance d, la lentille de focalisation étant commune (46) et constituée par une lentille de Billet, telle que les zones de mesure (50) et (51) des moyens de détection sont séparées d'une distance définie par construction et dépendant de l'épaisseur de la tranche (48) enlevée à ladite lentille de Billet (46). 5. Laser Doppler velocimeter according to claim 1, characterized in that it comprises a second laser source (45) positioned parallel to the first, with its separator (57), and spaced from the first source by a distance d , the focusing lens being common (46) and constituted by a Billet lens, such that the measurement zones (50) and (51) of the detection means are separated by a distance defined by construction and dependent on the thickness of the wafer (48) removed from said ticket lens (46).
6. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième source laser (45) positionnée parallèlement à la première avec sa séparatrice (57) est espacée de la première source d'une distance d, la lentille de focalisation (55) étant commune et constituée d'une lentille convergente traditionnelle et en ce que 136. Doppler laser velocimeter according to claim 1, characterized in that it comprises a second laser source (45) positioned parallel to the first with its separator (57) is spaced from the first source by a distance d, the focusing lens (55) being common and consisting of a conventional converging lens and in that 13
l'une des deux sources laser (53) et (54) a ses faisceaux faiblement inclinés par rapport à l'axe de lentille (55), de façon à créer deux zones de mesure légèrement décalées suivant un plan incliné (58).one of the two laser sources (53) and (54) has its beams slightly inclined relative to the lens axis (55), so as to create two measurement zones slightly offset along an inclined plane (58).
7. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1, adapté à une utilisation pédagogique, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur7. Doppler effect laser velocimeter according to claim 1, suitable for educational use, characterized in that it comprises a sensor
(10), incluant ladite source laser, sa séparatrice et sa lentille de focalisation, et des moyens de réception de son signal (14), associés et positionnés de part et d'autre d'un tube en verre (18) dans lequel circule de l'eau et en ce que le capteur (10) et le récepteur (14) sont supportés par une platine (15) mobile par rapport au banc (16) supportant le tube (18) permettant de réaliser le profil des vitesses de l'écoulement à l'intérieur du tube (18).(10), including said laser source, its splitter and its focusing lens, and means for receiving its signal (14), associated and positioned on either side of a glass tube (18) in which circulates of water and in that the sensor (10) and the receiver (14) are supported by a plate (15) movable relative to the bench (16) supporting the tube (18) allowing the profile of the speeds of l flow inside the tube (18).
8. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1 pour la mesure de débit de fluides transparents circulant dans une canalisation, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur (10), incluant ladite source laser, sa séparatrice et sa lentille de focalisation, et un récepteur (14) positionnés de part et d'autre de la canalisation, comportant des hublots (31, 32) suivant l'axe du faisceau laser.8. Doppler effect laser velocimeter according to claim 1 for measuring the flow rate of transparent fluids circulating in a pipe, characterized in that it comprises a sensor (10), including said laser source, its separator and its focusing lens, and a receiver (14) positioned on either side of the pipeline, comprising portholes (31, 32) along the axis of the laser beam.
9. Vélocimètre laser à effet Doppler selon la revendication 1, pour la mesure de débit de fluides transparents circulant dans une canalisation (43), caractérisé en ce que le capteur, incluant ladite source laser, sa séparatrice et sa lentille de focalisation, et le récepteur (36) sont montés sur un support mécanique (37) de part et d'autre d'une ouverture (39) dans ledit support (37), ladite ouverture (39) permettant le passage du fluide en écoulement dans les canalisations (43), lequel support (37) étant introduit dans la canalisation (43) par l'intermédiaire d'un piquage (40).9. Doppler effect laser velocimeter according to claim 1, for measuring the flow rate of transparent fluids circulating in a pipe (43), characterized in that the sensor, including said laser source, its separator and its focusing lens, and the receiver (36) are mounted on a mechanical support (37) on either side of an opening (39) in said support (37), said opening (39) allowing the passage of the flowing fluid in the pipes (43 ), which support (37) being introduced into the pipeline (43) by means of a nozzle (40).
10. Vélocimètre laser à effet Doppler selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le traitement du signal relevé par les moyens de réception et permettant d'extraire la fréquence Doppler, utilise un algorithme mathématique à calcul récursif qui comprend une vérification de la nature sinusoïdale du signal. 10. Doppler effect laser velocimeter according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the processing of the signal picked up by the reception means and making it possible to extract the Doppler frequency, uses a mathematical algorithm with recursive computation which comprises a check of the sinusoidal nature of the signal.
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