ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, РАССТОЯНИЯ И ДЛИНЫ

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве бортового измерителя скорости и пройденного расстояния транспортных средств.
Известны лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС), состоящие из двух основных узлов [1]: лазерного доплеровского датчика и электронного блока для измерения частоты доплеровского сигнала и вычисления скорости и длины.
Лазерный датчик содержит передающий канал, состоящий из источника излучения, коллиматора, амплитудного светоделителя, расширителя пучка и выходного объектива, и приемный канал, состоящий из фокусирующего объектива и фотоприемного устройства.
Недостатками рассмотренного устройства, определяемыми оптической схемой передающего канала датчика, являются:
1. Угол пересечения зондирующих пучков зависит от фокусного расстояния выходного объектива.
2. Угол пересечения зондирующих пучков чувствителен к флюктуациям оси диаграммы направленности лазера.
3. Сложность юстировки.
Наиболее близким к предлагаемой оптической модели является устройство для формирования зондирующих пучков лазерного измерителя скорости и расхода [2], не имеющее отмеченных выше недостатков. Устройство состоит из последовательно расположенных линзы и амплитудного светоделителя, который выполнен в виде оптического моноблока, состоящего из двух призм.
Первая призма имеет параллельные грани, расположенные под углом 45° к основанию, вторая - две параллельные грани, расположенные под углом 90° к основанию, причем призмы склеены таким образом, что основание второй призмы и первая параллельная грань первой призмы образуют светоделительную поверхность, ориентированную под углом 45° к оптической оси, при этом выполняется соотношение:
где α - угол пересечения с оптической осью каждого из зондирующих пучков, n - показатель преломления каждой призмы, γ - преломляющий угол призм, образованный второй параллельной гранью и гранью, противоположной основанию каждой призмы.
Устройство отличается простотой конструкции и возможностью получения малых геометрических размеров зондирующего объема, что, в первую очередь, необходимо при использовании его в измерителях расхода и локальной скорости жидкостей и газов.
Принципиальным недостатком аналога и прототипа являются ограничения использования их в бортовых измерителях скорости и пройденного расстояния автомобильных и железнодорожных транспортных средств. Это связано со значительными изменениями в процессе работы расстояния между доплеровским датчиком и рассеивающей поверхностью (дорожным покрытием) (до 20-50% от номинального расстояния Lн). Для расширения допустимого диапазона изменения номинального расстояния "ΔLн" необходимо соответствующее увеличение протяженности зондирующего объема по оси моноблока. Для этого необходимо уменьшение угла "α" и, соответственно, базового расстояния между зондирующими пучками на выходе моноблока "В" (см. рис.). Только при соблюдении этих двух условий возможно увеличение "ΔLн" при сохранении заданного значения Lн.
Однако конструкция оптического моноблока имеет принципиальные ограничения по уменьшению "В" из-за размеров зондирующих пучков. Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является уменьшение минимально допустимого базового расстояния "В" и соответствующее увеличение "ΔLн" при заданном значении номинального рабочего расстояния Lн.
Эта задача решается за счет того, что в предлагаемом устройстве, состоящем из доплеровского датчика, в состав которого входят передающий канал, содержащий последовательно расположенные источник излучения, выполненный в виде полупроводникового лазерного модуля, и оптический моноблок, а также приемный канал, выход которого соединен со входом электронного блока, оптический моноблок выполнен в виде интегрального элемента, состоящего из четырех склеенных призм. Первая призма представляет собой параллелограмм с острым углом 45°, вторая призма имеет две параллельные грани, расположенные под углом 90° к основанию и четвертую грань расположенную под углом 45° к основанию. Между собой призмы склеены таким образом, что основание второй призмы и длинная грань при угле 45° первой призмы образуют светоделительную поверхность, ориентированную под углом 45° к оптической оси. Третья и четвертая призмы имеют параллельные грани, расположенные под углом 45° к основанию, при этом основание третьей призмы приклеивается к противоположной основанию грани первой призмы, а основание четвертой призмы приклеивается к противоположной основанию грани второй призмы. Между собой третья и четвертая призмы склеиваются гранями, перпендикулярными основаниям, при этом выполняется соотношение:
где α - угол пересечения с оптической осью каждого из зондирующих пучков, n - показатель преломления каждой призмы, γ - преломляющий угол призм, образованный основанием и гранью, противоположной основанию каждой призмы.
Предлагаемое устройство приведено на рис.
Лазерный доплеровский измеритель скорости и пройденного расстояния транспортных средств состоит из двух блоков: доплеровского датчика (1) и электронного блока (7). В свою очередь доплеровский датчик состоит из передающего (2) и приемного (6) каналов. Передающий канал состоит из источника излучения в виде полупроводникового лазерного модуля (3) и оптического интегрального элемента (4), выполняющего функции:
- Расщепление излучения лазера на два пучка,
- Выравнивание хода лучей,
- Согласование количества отражений пучков,
- Уменьшение базового расстояния между зондирующими пучками на выходе интегрального элемента,
- Сведение пучков под заданным углом "α" с целью формирования зондирующего объема с необходимыми параметрами,
- Получение протяженного и равномерного зондирующего объема. Интегральный элемент состоит из четырех склеенных призм:
- Призмы abcde,
- Призмы afgh,
- Двух одинаковых призм dkron и hirom.
На поверхность af призмы afgh нанесено светоделительное покрытие, делящее излучение полупроводникового лазерного модуля на два пучка равной интенсивности. Один из пучков отразившись от светоделительного покрытия af и от граней be, dn, kr падает на грань по, повернутую под углом у к оси пучка. Другой пучок, пройдя через светоделительное покрытие и отразившись от граней fg, ah, hm и lr падает на грань то, повернутую под таким же углом γ, но в другую сторону. Преломившись на этих гранях, пучки пересекаются на расстоянии Lн, образуя пространственную интерференционную картину (зондирующий объем). Проходя через интерференционную картину, образующую зондирующий объем, оптические неоднородности поверхности (5) рассеивают свет, который модулирован по амплитуде с частотой пропорциональной скорости движения объекта. Рассеянное излучение попадает в приемный канал (6) датчика, где преобразуется в электрический доплеровский сигнал, поступающий на вход электронного блока (7), измеряющего частоту доплеровского сигнала и вычисляющего значение скорости и расстояния (длины).
Принципиальным преимуществом ЛДИС с оптическим интегральным элементом (4) является возможность уменьшения базового расстояния между зондирующими пучками "В" и, соответственно, увеличение "ΔLн".
Минимальное базовое расстояние для оптического моноблока прототипа:
мин
В=4·[(2·Wx)+(dW)],
где (2·Wx) - размер пучка в меридиональной плоскости,
(dW) - допуск на увеличение светового диаметра для устранения ограничения пучков.
Для (2·Wx)=6 мм и (dW)=2 мм В=32 мм.
В предлагаемом ЛДИС может быть получено базовое расстояние В=8 мм и, соответственно, ΔLн=(100÷200) мм при Lн=(200÷500) мм, что позволит успешно использовать его в качестве бортового измерителя скорости и пройденного расстояния на автомобильном и железнодорожном транспорте.
Литература:
1. Ринкявичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. МЭИ, 1990
2. Авторское свидетельство №1654754 от 08.02.1991 г.