V скорость тела.

Основная сфера применения таких приборов бесконтактное точное измерение скорости твердых тел, отдельных частиц, потоков жидкости и газов. Применение ВС для подвода когерентного излучения к зоне измерений и вывода рассеянного излучения позволяет проводить измерения в труднодоступных местах или на больших удалениях, механически развязать лазерную аппаратуру и объект измерений, работать в условиях ударов и вибраций, неблагоприятных атмосферных условий.

Волоконный датчик гетеродинного типа, работающий на обратно рассеянном излучении, показан на рис.48,а. Излучение лазера через НВО вводится в световодный зонд, выходной конец которого располагается вблизи объекта, скорость которого измеряется. Вышедшее из ВС1 излучение рассеивается на движущихся частицах во всех направлениях в соответствии с их диаграммой рассеяния. Часть излучения, рассеянного в обратном направлении, частота которого сдвинута по отношению к несущей на величину _0fD_0=(2q_0sin J_0)/l_0, _0попадает в ВС2 и распространяется по нему в обратном направлении до приемного модуля. На детектор также попадает излучение лазера, отразившееся от выходного торца световодного зонда. В результате происходит оптическое смешение сигнала с излучением лазера (гетеродирование). Как видно, схема измеряет продольную составляющую вектора скорости.

Условиями оптимальной работы рассматриваемого ВОД являются [5]:

тождественность оптического пути для сигнала и опорного излучения;

идентичность модового состава сигнала и опорного излучения;

оптимальность соотношения между мощностью сигнала и гетеродина.

Приведенная схема представляет собой по существу модификацию интерферометра Майкельсона, отличающуюся сведением в один ВС опорного и сигнального плеч, что обеспечивает тождественность их оптической длины и физических условий распространения, и следовательно, минимальное влияние внешних воздействий на результаты измерения. Тождественность модового состава определяется постоянством отношения 2ai2/2bi2, где ai, bi комплексные амплитуды опорного излучения и сигнала,i номер моды. Тождественность обеспечивается, если в оптическом тракте ВОД нет элементов, обладающих модовой селективностью. Наиболее ответственным в этом отношении элементом является НВО Yтипа. Помимо отсутствия модовой селективности направленный ответвитель для максимальной энергетической селективности схемы должен быть асимметричным, с максимально возможным отношением коэффициентов передачи K1,3/K1,2, где индекс 1 соответствует сигнальному плечу ответвителя, 2 плечу источника, 3 плечу детектора. При этом для надежной развязки детектора от лазера K2,3 должен быть максимален.

Для получения максимального отношения сигнал/шум мощность опорного излучения должна быть больше мощности сигнала, причем существует оптимальная величина коэффициента отражения выходного торца ВС, при котором отношение сигнал/шум максимально. При работе зонда в воде и вообще в жидкостях, у которых показатель преломления близок к показателю сердечника ВС, для получения надлежащего опорного сигнала необходимо применять частично отражающие покрытия на торце ВС.

В модификации, показанной на рис.48,б, оптимальный опорный сигнал устанавливается микропризмой. За счет разделения передающего и приемного трактов устраняется вредное влияние рассеяния в тракте, что улучшает отношение сигнал/шум.

При введении модулятором частотного сдвига удается определить знак вектора скорости (рис.48,в). В схеме используются НВО Х-типа, что исключает "технические" шумы и улучшает стабильность характеристик ВОД.

Рис.48. Гетеродинные ВОД линейной скорости частиц

ВОД дифференциального типа представлены на рис.49,а. Излучение лазера, пройдя ВС, в миниатюрной головке зонда расщепляется на два пучка, которые пересекаются под углом 2Q. В области пересечения пучков создается интерференционная картина с известным пространственным периодом L_0. Движущиеся частицы, пересекая область интерференции, рассеивают излучение, которое при этом приобретает доплеровскую частотную составляющую

fD=(2qsin Q cosf)/l.

Прием рассеянного излучения осуществляется через приемный ВС. Включение объектива увеличивает собираемый световой поток.

Устройство измеряет поперечную составляющую вектора скорости.

Схема на рис.49,а выполнена на обычном ОВС. В головке зонда используется миниатюрный призменный расщепитель пучка и оптика, обеспечивающая сведение двух пучков под углом 10... 20o. В приемном тракте применен МВС [10].

Схема на рис.49,б позволяет определять знак скорости. С этой целью в передающую часть вводят частотный модулятор и в тракте используют ОВС с сильным двулучепреломлением. Два пучка, разнесенные по частоте, вводятся в него с ортогональными поляризация ми, что обеспечивает их независимую передачу по одному и тому же ВС. В головке зонда пучки разделяются поляризационноселективными элементами и сводятся в пространстве под требуемым углом. Обмен энергией в ВС между ортогонально поляризованными составляющими волны ограничивает допустимую длину тракта величиной в 10... 20 м [10].

Рис.49. Дифференциальные ВОД линейной скорости частиц

Измерительный объем в дифференциальных ВОД определяется приемной оптикой. При работе в режиме прямого рассеяния приемная часть выполняется в виде отдельной головки, присоединенной к приемному ВС. При работе в режиме обратного рассеяния для уменьшения габаритных размеров в одной головке объединяют передающую и приемную оптику.

В [10] описан ВОД измерения скорости песка в воздушном потоке. Прибор состоит из передающего и приемного узлов, расположенных внутри несущего корпуса на основании, мягко подвешенном на

пружинных амортизаторах. Излучение лазера (ЛГ791) мощностью 15 мВт через юстируемый оптосоединитель вводится в ВС. Пройдя через смеситель мод и устройство вывода оболочечных мод, световой поток подводится к НВО, обеспечивающему разделение зондирующего и сигнального излучений. ВОЛС оканчивается выходным юстируемым оптическим разъемом. К нему подсоединяется рабочий зонд длиной до 20 м, на выходе которого расположена оптическая головка. Конструкция головки позволяет измерять скорость газопылевого потока, формируемого эжектором в трубе.

В приемной части ФЭУ79 связан с приемным ВС юстируемым оптосоединителем. С выхода фотоприемника сигнал поступает на широкополосный усилитель с коэффициентом усиления 60 дБ и полосой пропускания 35...100 МГц.

Ввиду большого разброса скоростей отдельных песчинок и их переменной концентрации в блоке обработки информации применен многоканальный анализатор спектра 20 параллельного типа.