Лазерный измеритель размеров и дисперсного состава частиц

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера и дисперсного состава твердых частиц, присутствующих в жидкой или газообразной среде, оптическими средствами. Цель изобретения сост-оит в повышении помехоустойчивости , чувствительности и точности измерения размеров и дисперсного состава частиц. Анализируемые частшда облучают пучком когерентного света, содержащего две частотные компоренты, в результате чего в измерительной зоне создаются два интерфе- . ренционных поля с взаимно ортогональными линейными состояниями поляризаций и движением интерференционных картин в противоположные стороны. Положительный зффект достигается за счет исключения влияния случайной фазовой модуляции вьоделяемого сигнала и исключением влияния допплеровского сдвига частоты частиц, движущихся с большой скоростью. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3022 А1 (19) (И) дц 4 G 01 N 15/14

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ г с

«I с««

1

1.-«К» сь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

00 делАм изОБРетений и ОткРытий

Н АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4006475/24-25

;(22) 10.01.86 (46) 30 ° 12.87. Бюл. Р 48 (7 1) Киевский институт инженеров гражданской авиации им. 60-летия СССР (72) В.М.Землянский и А.П.Чудесов (53) 66.063.62 (088.8) (56) W.Donald. Particle sizing

using laser interfегоmetry. Applied

Optics 1977, ч. 16 )(7. (54) ЛАЗЕРНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗМЕРОВ И

ДИСПЕРСНОГО СОСТАВА ЧАСТИЦ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения размера и дисперсного состава твердых частиц, присутствующих в жидкой или газообразной среде, оптическими средствами. Цель изобретения состоит в повышении помехоустойчивости, чувствительности и точности измерения размеров и дисперсного состава частиц. Анализируемые частицы облучают пучком когерентного света, содержащего две частотные компоненты, в результате чего в измерительной зоне создаются два интерфе- . ренционных поля с взаимно ортогональными линейными состояниями поляризаций и движением интерференционных картин в противоположные стороны, Положительный эффект достигается за счет исключения влияния случайной фазовой модуляции выделяемого сигнала и исключением влияния допплеровского сдвига частоты частиц, движущихся с большой скоростью. 3 s.ï, ф-лы, 2 ил.

1363022

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольЗО зовано для измерения размера и дисперсного состава твердых частиц, присутствующих в жидкой или газообразной среде, оптическими средствами.

Цель, изобретения — повышение помехоустойчивости, чувствительности и точности измерения размеров и дис- 10 персного состава частиц.

На фиг.1 изображена блок-схема лазерного измерителя размеров и дис-. персного состава частиц; на фиг.2 блок-схема расщепителя. 1г

Лазерный измеритель размеров и дисперсного состава частиц содержит лазер 1, излучающий на частоте f частотосдвигающий блок 2, блок 3 оптической коррекции,. коллиматор 4, рас-20 щепитель 5, формирующий два световых пучка 6 и 7 равной интенсивности, пересекающихся в зоне 8 измерений, полуволновую пластину 9, первую 10, вторую 11 и третью 12 собирающие лин- 25 зы, аппертурную диафрагму 13, первый

14 и второй 15 фотоприемники, блок 16 регистрации, генератор 17, удвоитель

18 частоты и поляризационный расщепитель 19.

Блок 16 регистрации содержит первый 20, второй 21 и третий 22 фильтры верхних частот, смеситель 23, синхронный детектор 24.и амплитудный анализатор 25.

Частотосдвигающий блок 2 содержит первую четвертьволновую пластину 26, злектрооптический кристалл 27 и вторую четвертьволновую пластину 28, Расщепитель 5 содержит расщепитель-4О ную призму 29, поворотную призму 30 и призму 31.

Лазерный измеритель размеров и дисперсного состава частиц работает следующим образом, 45

Лазер 1 излучает линейно поляризованпый пучок с азимутом Ы= 45, которое направляется на вход частотосдвигающего блока 2, состоящего из последовательно установленных первой четвертьволновой пластины 26, электрооптического кристалла 27 и второй четвертьволновой пластины 28, причем первая 26 и вторая 28 четвертьволновые пластинки установлены с азимутом оси, равным у = 0, а поворотная ось третьего порядка электрооптического кристалла 27 совпадает с направлением распространения лазерного пучка в двух взаимно перпендикулярных направлениях, лежащих в плоскости, перпендикулярной оптической оси кристалла

27. От генератора 17 на частоте

1 подаются два четвертьволновых напряжения, сдвинутых по фазе на 90 . Таким образом, на выходе частотосдвигающего блока образуется суперпозиция двух пространственно-совмещенных пучков излучения с линейными взаимно ортогональными состояниями поляризации (например, один горизонтально, а другой вертикально поляризованный), имеющих различные частоты f и f +f, 1 где Й вЂ” частота излучения лазера 1.

Затем пучок излучения проходит оптическую корректирующую систему 3 и коллиматор 8 и поступает на расщепитель 5, па выходе которого формируют- . ся пучки 6 и 7, представляющие собой суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков излучения с различными частотами f .и f„, причем излучения с согласованным состоянием поляризации пучков 6 и 7 также имеют различные частоты f и f,, что позво.ляет получить в зоне 8 измерения два интерференционных поля с одинаковыми периодами и взаимно ортогональными состояними поляризации, с движущимися с одинаковой скоростью в противоположных направлениях картинами интерференционных полей. При движении потока с частицами через зону измерения необходимо обеспечить одночастотный режим работы схемы, что ограничивает концентрацию частиц, Размер частиц должен быть меньше периода интерференционного поля.

Рассеянное на движущейся в зоне 8 измерения частице излучения собирается линзой 10, оптическая ось которой совпадает с осью схемы в пределах апертурной диафрагмы 13, и после пространственного расщепления поляризационной призмой 19 горизонтально поляризованное излучение направляется линзой 11 на фотоприемник 14, а вертикально поляризованное излучение направляется линзой 12 на фотоприемник 15.

В результате оптического гетеродинирования на выходе фотоприемника

14 образуется переменная составляющая сигнала на частоте fg = f „ — Df .

i{ t) =A(t) cos Г(Ш, — Ы ) t — „), 1363022 где

ld) = !и =

A(t)—

К,,1

1,2

V и и (0

На вых

25 ется пере ла на час

2)if, 1 У

-м

2, f =2 7/(К 1 — K<) Чи ч(к, — к,).„ ; амплитуда высокочастотной составляющей сигнала, значение которой при равномерной освещенности зоны измерения определяется размером частицы, проходящей через зону измерения; волновой вектор облучающего пучка; скорость и-ой частицы, проходящей через зону измерения; момент вхождения п-ой частицы в зону измерения; доплеровская частота. оде фотоприемника 15 образуменная составляющая сигнатоте f = f, + af,.

i<(t) = A(t)cosГ(Ы,+ы ) t + V„j

Таким образом, на выходе фотоприемников 14 и 15 образуются высокочастотные сигналы одинаковой амплитуды, представляющие собой радиоимпульсы с огибающей, близкой к прямоугольной форме, имеющих различные частоты, величина которых определяется скоростью движения частицы, относительно интерференционных полей зоны 8 измерения. Следует отметить, что рассеивающие частицы расположены в потоке случайным образом, поэтому фазы рассеянных на них волн также случайны, что приводит к случайной фазовой модуляции высокочастотного сигнала на выходе фотоприемника, причем случайные фазы на выходах фотоприемников

14 и 15 равны по величине, но имеют противоположные знаки, что обеспечивается созданием в зоне 8 измерения двух интерференционных полей с взаимно ортогональными линейными состояниями поляризации и движением интерференционных картин в противоположные стороны.

Сигналы с частотами f> и f > с выходов фотоприемников 14 и 15 выделяются фильтрами 20 и 21 верхних частот и поступают на первый и второй входы смесителя 23, на выходе которого с помощью фильтра 22 верхних частот выделяется сигнал суммарной частоты f + f = 2f » величина которой не зависит от скорости V „ час30

50 тицы и, кроме того, этот сигнал не подвержен случайно фаэовой модуляции, что существенно упрощает дальнейшую обработку полезного сигнала. Далее сигнал с выхода смесителя 23 через фильтр 22 верхних частот поступает на первый вход синхронного детектора

24, на второй вход которого поступает сигнал через удвоитель 18 частоты с выхода генератора 17 высокой частоты. Выделенный с помощью синхронного детектора 24 сигнал с амплитудой, пропорциональной размеру частиц. поступает на вход амплитудного анализатора 25 импульсов.

Расщепитель 5 работает следующим образом.

Пучок света поступает на вход расщепительной призмы 29, делящего ei о на два пучка равной интенсивности, один из которых не изменяет своего направления, а второй направляется на поворотную призму 30, выполненную с возможностью создания на выходе параллельного пучка, которые направляются на призму 31, на выходе которой формируются два пучка 6 и 7 излучения с равной интенсивностью, симметричных оптической оси схемы и пересекающихся с ней в зоне 8 измерения, На выходе расщепителя 5 на пути одного из пучков излучения установлена полуволновая пластинка 9 с возможностью изменения состояния поляризации пучка излучения на взаимно ортогональное.

Таким образом, пучки 6 и 7 излучения представляют собой суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков излучения, причем колебание электрического вектора одного из них перпендикулярно плоскости облучающих пучков, а другого вектора— параллельно этой плоскости, кроме того, параллельные колебания электрических векторов пучков 6 и 7 излучения, а также взаимно ортогональные колебания электрических векторов пространственно совмещенных пучков излучения имеют различные частоты f0 и Е

Формула изобретения

1. Лазерный измеритель размеров и дисперсного состава частиц, содержащий лазер и последовательно размещенные на его оптической оси, опти"

5 13630 чески сопряженные с ним частотосдвигающий блок, вход которого соединен с первым выходом генератора, расщепитель, первая и вторая собирающие линзы с аппертурной диафрагмой между

5 ними, первый фотоприемник, выход которого соединен с первым входом блока регистрации, о т л и ч а ю— щ и и C я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, чувствительности и точности, в него введены блок оптической коррекции, коллиматор, полуволновая пластинка, поляризационный расщепитель, третья собирающая линза, второй фотоприемник, удвоитель частоты, причем блок оптической коррекции и коллиматор размещены последовательно на оптической оси лазера между частотосдвигающим блоком и расщепителем, поляриэационный расщепитель установлен между аппертурной диафрагмой и второй собирающей линзой, второй фотоприемник сопряжен оптически через третью со 25 бирающ о линзу с расщепителем, расщепител.; выполнен с возможностью формирования двух пучков света, симметрично наклоненных относительно оптической оси лазера и пересекающихся на оптической оси лазера в зоне прокачки с исследуемыми частицами, полуволновая пластина установлена между расщепителем и зоной пересечения его выходных пучков на пути одного из них, а второй выход генератора через блок удвоения частоты соединен с вторым входом блока регистрации, третий вход которого соединен с выходом второго фотоприемника.

2. Измеритель по п.1, о т л и— ч а ю щ и й. с я тем, что блок ре22 6 гистрации содержит первый, второй и третий фильтры верхних частот, смеситель, синхронный детектор и амплитудный анализатор, причем первый и третий входы блока регистрации через соответственно первый и второй фильтры верхних частот соединены соответственно с первым и вторым входами смесителя, выход которого через третий фильтр верхних частот соединен с вто. рым входом синхронного детектора, первый вход которого соединен с вторым входом блока регистрации, а выход — с входом амплитудного анализатора.

3. Измеритель по пп.1 и 2, о т— л и ч а ю шийся тем, что частотосдвигающий блок выполнен в виде последовательно установленных первой четвертьволновой пластинки, электрооптического кристалла и второй четвертьволновой пластинки, причем электрический вход электрооптического кристалла соединен с входом частотосдвигающего блока.

4. Измеритель по пп.1-3, о т л и— ч а ю шийся тем, что расщепитель выполнен в виде расщепительной призмы, поворотной призмы и призмы, установленных так, что входная грань расщепительной призмы является входом расщепителя, первая входная грань призмы сопряжена оптически с первой выходной гранью расщепительной призмы, вторая входная грань призмы сопряжена оптически через поворотную призму с второй выходной гранью расщепительной призмы, а выходная грань призмы является выходом расщепителя.

1363022

Составитель Р.Иванов

Техред А.Кравчук Корректор А.Обручар

Редактор А.Ревин

Заказ 6395/31 Тираж 776 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, NocKBa, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4