專利名稱：綜合微粒速度和直徑測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
該實用新型屬于激光測量儀器類，它適用于科研和工業(yè)部門對微粒的運動速度和直徑的非接觸測量。
在科研和工業(yè)部門測量微粒運動速度時，常用的設(shè)備是激光多普勒測速儀(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，這些儀器僅能測量微粒直徑。
近年來發(fā)展起來的相位多普勒測速儀(Phase Doppler Anemometry，簡寫為PDA)，例如美國(Aerometrics)公司的產(chǎn)品(PDPA)，雖能在測量微粒直徑時測出微粒速度，但僅能測出一維速度分量，仍不能滿足許多領(lǐng)域的使用要求(在測量時假定微粒是一個球。當(dāng)微粒異于球形時，在測量中使它等效于一個球)。
本實用新型的研制目的是為了克服已有技術(shù)的不足，所設(shè)計的綜合微粒速度和直徑測量儀，不僅可以同時測定微粒的直徑和它的兩個互相正交的二維速度分量，即對二維速度進(jìn)行非接觸測量的功能，同時提供了高信噪比及低通道干擾信號，并有完備的并可監(jiān)測的方位調(diào)節(jié)機構(gòu)，從而實現(xiàn)了準(zhǔn)確地測出二維速度及微粒的直徑。
本實用新型的設(shè)計方案，是采用了三個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，還具有方位粗調(diào)及光纖端口微調(diào)的調(diào)節(jié)機構(gòu)，從而準(zhǔn)確地測出二維速度及微粒直徑。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳述本實用新型的設(shè)計方案及技術(shù)特征測量儀器的光學(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，它們的焦點與光纖5的端口重合。當(dāng)使用Ar＋激光器照射微粒時，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，由放大器放大，并送入三通道相位多普勒信號處理器進(jìn)行處理。
根據(jù)相位多普勒測速原理(PDA)，由于Ⅰ、Ⅱ通道對于散射微粒的空間方位角θ不相同，這兩個通道輸出的多普勒信號有一個相位差△φ，根據(jù)△φ的大小可以測出微粒的直徑。
根據(jù)相位多普勒測速原理，Ⅱ通道和Ⅰ、Ⅲ通道中任意一個通道輸出的多普勒信號的頻率νⅡ、νⅠ和νⅢ與微粒速度的兩個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，測出νⅡ、νⅠ或νⅢ，及△φ，就可以測得兩個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。測量儀可由測微絲桿7帶動，圍繞垂直軸8旋轉(zhuǎn)；并可由自身重量和測微絲桿9的共同作用，圍繞水平軸13旋轉(zhuǎn)，從而使測區(qū)(微粒被激光焦點照亮的區(qū)域)與接收物鏡1的前焦點大致重合。測區(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，一對正交的微調(diào)螺絲14及四個彈簧15構(gòu)成彈性微調(diào)導(dǎo)軌，可以使光纖端口與測區(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)機構(gòu)使調(diào)節(jié)方便、平穩(wěn)、準(zhǔn)確。
由上述設(shè)計方案所制成的綜合微粒速度和直徑測量儀，具有其獨特的優(yōu)點及效果，對微粒直徑和二維速度可進(jìn)行非接觸測量，即可以同時測定微粒的直徑和它的兩個互相正交的速度分量，同時具備多普勒測速儀和微粒尺寸測量儀的功能，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，并有完備的方位調(diào)節(jié)機構(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。該實用新型具有設(shè)計新穎、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，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量儀結(jié)構(gòu)總圖7.測微絲桿8.垂直軸9.測微絲桿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.光纖接口本實用新型的實施例由圖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；測微絲桿7和測微絲桿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、光電探測器和放大器的綜合微粒速度和直徑測量儀，其特征是在大孔徑消色差的接收物鏡1之后，設(shè)置了三個光電信息通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，每個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)而配置了測微絲杠帶動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)測裝置所構(gòu)成的該測量儀。
2.按照權(quán)利要求書1所述的微粒速度和直徑測量儀，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量儀，其特性在于其方位調(diào)節(jié)是由一對動程為0～13mm的測微絲杠7帶動，圍繞垂直軸8旋轉(zhuǎn)；并由自身重量和動程為0～13mm的測微絲杠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量儀，其特征在于其目視監(jiān)測裝置是由目鏡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量儀不僅同時具備對微粒直徑和二維速度進(jìn)行非接觸測量的功能，還具有方位粗調(diào)及光纖端口微調(diào)的調(diào)節(jié)機構(gòu)；三個通道間有嚴(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，從而準(zhǔn)確地測出二維速度及微粒直徑。該儀器具有設(shè)計新、功能完備、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便、成本低等優(yōu)點，廣泛適用于科研和工業(yè)部門對微粒速度和尺寸的非接觸測量。
文檔編號G01N15/00GK2194510SQ93239938
公開日1995年4月12日 申請日期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 申請人:中國大恒公司