Блок-схема ЛДА. Характеристика основных элементов

Рассмотрим в общем виде основные функциональные блоки ЛДА, которые позволяют представить в целом работу измерителя скорости, его возможности и требования, предъявляемые к различным его элементам.

Рис. 4. Блок-схема дифференциального ЛДА с частотной модуляцией пучка. 1 – лазер, 2 – блок формирования зондирующих пучков, 3 – однополосный модулятор, 4 – линия задержки, 5 – блок передающей оптики, 6 – исследуемый объект, 7 – блок приемной оптики, 8 – блок выделения д.с.ч., 9 – устройство обработки сигнала.

Блок-схема ЛДА, построенного по дифференциальной схеме, изображена на рис. 4. Источннком когерентного излучения является лазер, как правило непрерывного действия, хотя в некоторых случаях возможно применение и импульсных лазеров. Излучение лазера в блоке (2) делится на два пучка, один из которых в знакочувствительных ЛДА пропускается через однополосный модулятор (3), сдвигающий частоту излучения на величину (которая потому и называется частотой модуляции). Для сдвига частоты часто используется акустооптический эффект. Один из пучков в некоторых измерителях проходит через линию задержки (4) для выравнивання длины оптического пути. Блок передаюшей оптики (5) направляет зондирующие пучки на исследуемый объект (6), содержащий движущиеся светорассеивающие частицы. Для транспортировки излучения к измерительному объекту часто используют оптические волноводы. Для увеличения светосилы метода рассеянный свет собирается приёмной оптикой (7) и направляется на блок выделения д.с.ч. (8). Выделенный сигнал, содержащий информацию о скорости движения частиц в области пересечения зондирующих пучков, обрабатывается в блоке 9.

Дадим краткую характеристику основных элементов ЛДА и рассмотрим требования, предъявляемые к ним.

1) Лазер. Основными параметрами, характеризующими лазер, как источник излучения в ЛДА, являются длина волны излучения , спектp излучения, тип колебаний и мощность. Выбор конкретного типа лазера обуславливается задачей, для которой предназначен ЛДА. Например, СО₂ лазеры обладают большой мощностью (до нескольких десятков Вт в режиме непрерывноro излучения), длина волны излучения которых =10,6 мкм лежит в инфракрасной области спектра. Такое излучение сильно поглощается жидкостями, что исключает возможность их применения для исследования гидродинамических потоков. С другой стороны, большая мощность CO₂ лазеров позволяет создавать ЛДА, которые предназначены для исследования воздушных потоков, содержащих аэрозоли, на расстояниях до нескольких километров.

Длина волны определяет минимальный размер области пересечения зондирующих пучков, то есть величину измерительного объёма. Даже если пучки фокусируются и пересекаются в перетяжках, то поперечный размер перетяжки ограничен дифракционным пределом, который тем меньше, чем меньше . Большая локальность измерений особенно важна при решении таких задач, как исследования микроструктуры турбулентных потоков, измерение скорости течения в микрокапиллярах и т.п. Важным параметром лазерного излучения является его спектр, т.е. временная когерентность. Для получения хороших характеристик ЛДА, как по пространственному разрешению, так и по отношению сигнал/шум, излучение лазера должно иметь самый низкий поперечный тип колебаний ТЕМ₀₀. При измерении малых скоростей лазеры могут работать на нескольких npoдольных типах колебаний, когда д.с.ч. меньше частотного игнтервала между этими типами колебаний. При измерении больших скоростей, как правило, нужны одночастотные лазеры.

Мощность лазеров определяет чувствительность установки. В случае большой концентрации рассеиваюших частиц, что характерно, например, для двухфазных потоков и твердых тел с шероховатыми nоверхностями, возможно применение лазеров небольшой мощности (около единиц мВт). Как правило, в этом случае используются получившие широкое распространение He-Ne или полупроводниковые лазеры. Если ЛДА применяется для исследования структуры потоков газа с малой концентрацией светорассеивающих частиц, то здесь необходимо использовать лазер большой мощности, наприиер, аргоновый или СО₂.

2) Блок формирования зондирующих пучков может быть устроен по-разному. Исходный пучок можно разделить на два по амплитуде или по фрон­ту. В первом случае, как правило, нспользуется делительный кубик, плас­тинка или полупрозрачное зеркало. Во втором случае используются призмы или маски той или иной формы.

3) В качестве однополосного модулятора, осуществляющего сдвиг частоты излучения в одном из двух зондирующих пучков (в знакочувствительных ЛДА), чаще всего используется акусто- или электрооптические преобразователи и вращающиеся дифракционные решётки.

4) Линия задержки предназначена для выравнивания длин оптических путей зондирующих пучков. Допустимая разность хода определяется длиной когерентности 1_k используемого лазера. Для эффективного выделения д.с.ч. необходимо, чтобы разность хода была меньше l_k. Так как , где Z - длина резонатора, а N - число одновременно генерируемых продольных мод, то в большинстве cистем ЛДА это выравнивание не представляет серьёзных проблем. Зачастyю линии задержки вообще отсутствуют.

5) Блок передающей оптики осуществляет сведение зондирующих пуч­ков в область, где производятся измерения. В тех случаях, когда важна локальность измерения, пучки специально фокусируются. В простейшем случае этот блок представляет собой фокусирующую линзу или объектив. В некоторых случаях линза или объектпв ставится в каждый пучок, а сведение пучкoв в область измерения осуществляется поворотными зеркалами.

7) Блок приёмной оптики, как правило, представляет собой линзу или объектив, иногда с переменной апертурой. В случаях, когда д.с.ч. выделяется из света, расееянного назад (например, при измерении скорости движения оптически непрозрачного твёрдого тела), функции приёмной оптики может выполнять передающая линза. Задача блока приемной оптики состоит в том, чтобы собрать на фотоприемник рассеянное излучение из измерительного объема в возможно большем телесном угле.

8) Функции блока выделения д.с.ч. выполняют фотоприёмники (ФП): фотодиоды (ФД) или фотоумножители (ФЭУ), обладающие большой чувствительностью и хорошим быстродействием. При выборе конкретного типа ФЭУ или ФД принимают во внимание все его характеристики: коэффициент усиления, спектральную и частотную характеристики, темновой ток, пороговую чувствительность. Особенно тщательный выбор ФП делается при измерениях скорости движения слабо рассеивающих сред, когда регистрация рассеянного излучения ведётся в режиме счета фотонов. В дифференциальнык схемах ЛДА ФП осуществляет выделение д.с.ч. путём прямого фотодетектирования колебаний интенсивности рассеянного света,преобразуя их в колебания силы фототока. Частотно модулированный выходной ток ФП и является выходным сигналом ЛДА.

9) устройство обработки сигнала преобразует информацию, содержашуюся в фототоке, в удобную для пользователя форму. При этом используются либо аналоговые, либо цифровые методы, либо их комбинация. Более подробно охарактеризуем эти методы после того, как рассмотрим свойства сигнала ЛДА.