專利名稱：綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該實(shí)用新型屬于激光測(cè)量儀器類，它適用于科研和工業(yè)部門對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)速度和直徑的非接觸測(cè)量。
在科研和工業(yè)部門測(cè)量微粒運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，常用的設(shè)備是激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Anemometry，簡寫為LDA)，例如美國TSI公司LDA系列產(chǎn)品和丹麥DENTEC公司LDA系列產(chǎn)品，這些儀器僅能測(cè)量微粒直徑。
近年來發(fā)展起來的相位多普勒測(cè)速儀(Phase Doppler Anemometry，簡寫為PDA)，例如美國(Aerometrics)公司的產(chǎn)品(PDPA)，雖能在測(cè)量微粒直徑時(shí)測(cè)出微粒速度，但僅能測(cè)出一維速度分量，仍不能滿足許多領(lǐng)域的使用要求(在測(cè)量時(shí)假定微粒是一個(gè)球。當(dāng)微粒異于球形時(shí)，在測(cè)量中使它等效于一個(gè)球)。
本實(shí)用新型的研制目的是為了克服已有技術(shù)的不足，所設(shè)計(jì)的綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀，不僅可以同時(shí)測(cè)定微粒的直徑和它的兩個(gè)互相正交的二維速度分量，即對(duì)二維速度進(jìn)行非接觸測(cè)量的功能，同時(shí)提供了高信噪比及低通道干擾信號(hào)，并有完備的并可監(jiān)測(cè)的方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確地測(cè)出二維速度及微粒的直徑。
本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方案，是采用了三個(gè)光電信息通道間有嚴(yán)密的抗通道干擾結(jié)構(gòu)，并以光纖－雪崩二極管－放大器系統(tǒng)代替常規(guī)的光電倍增管，可獲得高信噪比的二維多普勒信號(hào)，還具有方位粗調(diào)及光纖端口微調(diào)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而準(zhǔn)確地測(cè)出二維速度及微粒直徑。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳述本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方案及技術(shù)特征測(cè)量儀器的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。由微粒散射的光波經(jīng)大孔徑、消色差的接收物鏡1成為平行光，接收物鏡1的直徑為100mm，焦距為400mm，除色差外，其它像差如球差、正弦差等都經(jīng)過仔細(xì)校正。在接收物鏡1后面有三個(gè)光電信息通道，分別由窄帶濾色片2和窄帶濾色片4、小孔徑聚焦物鏡3、光纖5及帶有光纖接口的雪崩二極管－放大器組件6構(gòu)成。窄帶濾色片2的中心波長為488nm，帶寬為10nm，直徑為12mm。窄帶濾色片4的中心波長為514.5nm，帶寬為10nm，直徑為12mm。圖1中的高質(zhì)量的消色差聚焦物鏡3的直徑為22mm，焦距為75mm，它們的焦點(diǎn)與光纖5的端口重合。當(dāng)使用Ar＋激光器照射微粒時(shí)，由微粒散射的光波經(jīng)過接收物鏡1成為平行光。由于窄帶濾色片2和窄帶濾色片4的作用，散射光中的藍(lán)光(波長為488.0nm)進(jìn)入Ⅰ、Ⅲ通道，而綠光(波長為514.5nm)進(jìn)入Ⅱ通道(即位于中間的通道)，它們分別被聚焦透鏡3聚焦并耦合進(jìn)入光纖5，經(jīng)過光纖傳輸后由各自的雪崩二極管轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由放大器放大，并送入三通道相位多普勒信號(hào)處理器進(jìn)行處理。
根據(jù)相位多普勒測(cè)速原理(PDA)，由于Ⅰ、Ⅱ通道對(duì)于散射微粒的空間方位角θ不相同，這兩個(gè)通道輸出的多普勒信號(hào)有一個(gè)相位差△φ，根據(jù)△φ的大小可以測(cè)出微粒的直徑。
根據(jù)相位多普勒測(cè)速原理，Ⅱ通道和Ⅰ、Ⅲ通道中任意一個(gè)通道輸出的多普勒信號(hào)的頻率νⅡ、νⅠ和νⅢ與微粒速度的兩個(gè)互相正交的速度分量νx、νy成正比νⅡ＝fx(λ，θ)νx(1)νⅠ＝νⅢ＝fy(λ，θ)νy(2)其中fx(λ，θ)和fy(λ，θ)為比例系數(shù)，λ為激光波長，θ為光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)。
Ⅰ、Ⅲ通道的信號(hào)是同相位的，而它們的相位與Ⅱ通道的相位差△φ與微粒直徑d成正比△φ＝g(λ，θ1，θ2)d， (3)式中g(shù)(λ，θ1，θ2)為比例系數(shù)，λ為激光波長，θ1、θ2用來表示光學(xué)系統(tǒng)的一系列有關(guān)參數(shù)。
因此，測(cè)出νⅡ、νⅠ或νⅢ，及△φ，就可以測(cè)得兩個(gè)互相正交的速度分量νx、νy的值及微粒的直徑d。
由于窄帶濾色片2和窄帶濾色片4的作用，加上各個(gè)光學(xué)通道間的嚴(yán)密光屏蔽，保證了各通道間的干擾足夠小。
圖2為結(jié)構(gòu)示意圖。測(cè)量儀可由測(cè)微絲桿7帶動(dòng)，圍繞垂直軸8旋轉(zhuǎn)；并可由自身重量和測(cè)微絲桿9的共同作用，圍繞水平軸13旋轉(zhuǎn)，從而使測(cè)區(qū)(微粒被激光焦點(diǎn)照亮的區(qū)域)與接收物鏡1的前焦點(diǎn)大致重合。測(cè)區(qū)經(jīng)接收物鏡1和聚焦物鏡3形成的像與光纖端口10的重合情況，可通過目鏡11及分光鏡12監(jiān)視。
圖3是光纖端口微調(diào)機(jī)構(gòu)圖，光纖通過接口17和固定在聚四氟乙烯制成的導(dǎo)塊16的中心孔中，一對(duì)正交的微調(diào)螺絲14及四個(gè)彈簧15構(gòu)成彈性微調(diào)導(dǎo)軌，可以使光纖端口與測(cè)區(qū)的像準(zhǔn)確重合，確保由微粒散射的光能量盡可能多地耦合到光纖中去。這兩套粗調(diào)、微調(diào)機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)方便、平穩(wěn)、準(zhǔn)確。
由上述設(shè)計(jì)方案所制成的綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)及效果，對(duì)微粒直徑和二維速度可進(jìn)行非接觸測(cè)量，即可以同時(shí)測(cè)定微粒的直徑和它的兩個(gè)互相正交的速度分量，同時(shí)具備多普勒測(cè)速儀和微粒尺寸測(cè)量儀的功能，而且由新的技術(shù)特征提供了高信噪比、低通道干擾的PDA及LDA信號(hào)，并有完備的方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使調(diào)節(jié)方便、平穩(wěn)、準(zhǔn)確。全部調(diào)節(jié)過程都可以監(jiān)視。該實(shí)用新型具有設(shè)計(jì)新穎、巧妙、功能完備、調(diào)節(jié)方便、光能耦合效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于科研和工業(yè)中。


圖1綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀光學(xué)系統(tǒng)圖1.接收物鏡2.窄帶濾色片3.聚焦物鏡4.窄帶濾色片5.光纖6.雪崩二極管／放大器組件圖2綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀結(jié)構(gòu)總圖7.測(cè)微絲桿8.垂直軸9.測(cè)微絲桿10.光纖端口11.目鏡12.分光鏡13.水平軸圖3光纖端口微調(diào)部件結(jié)構(gòu)圖14.微調(diào)螺絲15.彈簧16.聚四氟乙烯導(dǎo)塊17.光纖接口本實(shí)用新型的實(shí)施例由圖1－3所示，其中物鏡1的直徑為φ100mm，焦距為400mm；聚焦物鏡3的直徑為φ22mm，焦距為75mm；窄帶濾色片2和窄帶濾色片4的帶寬為10nm；測(cè)微絲桿7和測(cè)微絲桿9可取0～13mm；微調(diào)螺絲14的螺距為0.5mm并經(jīng)過配研；目鏡11的焦距為40mm，為雙膠合消色差型；分光鏡12厚度為1mm、45°放置，其一面鍍有增透膜，其另一面鍍有分光膜，透射／反射比為101；儀器總重量3Kg，體積為150mm×300mm×300mm。
權(quán)利要求1.一種含有大孔徑接收物鏡、聚焦物鏡、濾色片、光電探測(cè)器和放大器的綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀，其特征是在大孔徑消色差的接收物鏡1之后，設(shè)置了三個(gè)光電信息通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，每個(gè)光電信息通道均由窄帶濾光片、小孔徑聚焦物鏡及光纖組成，并在光纖之后連接帶有光纖接口的雪崩二極管一放大器組件；為了光電信息通道的主光軸調(diào)節(jié)而配置了測(cè)微絲杠帶動(dòng)圍繞垂直軸與水平軸旋轉(zhuǎn)的方位調(diào)節(jié)裝置，以及在光纖端口連接測(cè)微絲杠的微調(diào)裝置和在光電信息通道的末端由目鏡11及分光鏡12組成的目視監(jiān)測(cè)裝置所構(gòu)成的該測(cè)量儀。
2.按照權(quán)利要求書1所述的微粒速度和直徑測(cè)量儀，其特征在于其光電信息通道是由窄帶濾色片2、4，小孔徑聚焦物鏡3，光纖5及帶有光纖接口的雪崩二級(jí)管－放大器組件6所組成，且窄帶濾色片2的中心波長為488.0nm，帶寬為10nm，直徑為12mm，窄帶濾色片4的中心波長為514.5nm，帶寬為10nm，直徑為12mm；聚焦物鏡3的直徑為75mm，其焦點(diǎn)與光纖5的端口重合。
3.按照權(quán)利要求1所述的微粒速度和直徑測(cè)量儀，其特性在于其方位調(diào)節(jié)是由一對(duì)動(dòng)程為0～13mm的測(cè)微絲杠7帶動(dòng)，圍繞垂直軸8旋轉(zhuǎn)；并由自身重量和動(dòng)程為0～13mm的測(cè)微絲杠9的共同作用，圍繞水平軸13旋轉(zhuǎn)而成。
4.按照權(quán)利要求書1所述的微粒速度和直徑測(cè)量儀，其特征在于其微調(diào)裝置是由光纖通過接口17和固定在聚四氟乙烯制成的導(dǎo)塊16的中心孔中、一對(duì)正交的微調(diào)導(dǎo)軌所組成。
5.按照權(quán)利要求書1所述的微粒速度和直徑測(cè)量儀，其特征在于其目視監(jiān)測(cè)裝置是由目鏡11和分光鏡12構(gòu)成的，且其目鏡的焦距為40mm，為雙膠合消色差型；分光鏡厚度為1mm，45°放置，其一面鍍有增透膜，另一面鍍有分光膜，透射與反射比為101。
專利摘要綜合微粒速度和直徑測(cè)量儀不僅同時(shí)具備對(duì)微粒直徑和二維速度進(jìn)行非接觸測(cè)量的功能，還具有方位粗調(diào)及光纖端口微調(diào)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；三個(gè)通道間有嚴(yán)密的抗通道干擾結(jié)構(gòu)，并以光纖—雪崩二極管—放大器系統(tǒng)代替常規(guī)的光電倍增管，可獲得高信噪比的二維多普勒信號(hào)，從而準(zhǔn)確地測(cè)出二維速度及微粒直徑。該儀器具有設(shè)計(jì)新、功能完備、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于科研和工業(yè)部門對(duì)微粒速度和尺寸的非接觸測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N15/00GK2194510SQ93239938
公開日1995年4月12日 申請(qǐng)日期1993年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1993年12月23日
發(fā)明者冀萍, 宋菲君, 王長生 申請(qǐng)人:中國大恒公司