Введение
Создание современных методов диагностики потоков определяется возрастающими требованиями, связанными с проблемами оптимизации различных технологических процессов и создания техники нового поколения в энергетике, на транспорте, в машиностроении и т.д. [5]. Улучшение точности диагностики вихревых течений необходимо как для описания режимов работы и совершенствования вихревых технологий, так и для разработки и совершенствования современных методов их расчета. Несмотря на развитие компьютерных систем, позволяющих проводить численное моделирование физических процессов, решающая роль при исследованиях по-прежнему остается за экспериментом. Важнейшим требованием к измерительным приборам, наряду с обеспечением точности, является недопустимость механических возмущений исследуемых сред в процессе измерений. Перспективным инструментом бесконтактной диагностики является лазерная доплеровская анемометрия, обладающая высоким пространственно-временным разрешением [4].
Методы исследований
В настоящее время в лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) широко используется дифференциальная схема с двумя зондирующими пучками [2]. В качестве дифракционных лучевых расщепителей в таких схемах часто используются акустооптические модуляторы (АОМ), работающие в режиме дифракции Брэгга [4]. При этом дополнительным преимуществом использования дифференциальной схемы ЛДА, выполненной на основе комбинации АОМ и объектив, является некритичность регистрируемой доплеровской частоты к изменению длины волны лазерного излучателя. На рисунке 1 показана типовая схема оптоэлектронного тракта дифференциального ЛДА.
Рисунок 1. Структурная схема оптоэлектронного тракта дифференциального ЛДА.
Цифрами на рисунке обозначены:
1 – лазер (fL - частота излучения лазера);
2 – акустооптический модулятор (fG – частота гетеродина, определяемая типом АОМ);
3 – оптическая формирующая система;
4 – исследуемый объект, движущийся со скоростью V, пропорциональной доплеровской частоте F(V);
5 – оптическая приемная система;
6 – фотоприемник.
Наиболее простым в реализации является режим частотного преобразования сигнала лазерных доплеровских анемометров (ЛДА) без промежуточной частоты. Известные устройства управления АОМ [1; 3] двухчастотных ЛДА работают в одноканальном режиме. При этом теряется информация о знаке скорости (рис. 2а).
а) 
б) 
Рисунок 2. Частотные преобразования фотоэлектронного сигнала в электронном измерительном канале ЛДА при нулевой промежуточной частоте. Показаны: а – спектр сигнала в одноканальном ЛДА; б – спектр сигнала в квадратурном ЛДА.
Переход к квадратурному режиму позволяет сохранить фазовую информацию и восстановить знак скорости измеряемого объекта (рис. 2б). Вместе с тем квадратурный режим сложен в реализации из-за необходимости обеспечения равенства фазовых (в том числе динамических) искажений в квадратурных каналах при условии малых шумов и высокой устойчивости к многократным импульсным перегрузкам.
Практическая реализация
На рисунке 3 представлена функциональная схема разработанного авторами спектрального фотоэлектронного квадратурного дифференциального преобразователя сигналов для ЛДА. Преобразователь состоит из кварцевого задающего генератора 1, предварительного усилителя 2 и оконечного усилителя мощности 3 и квадратурного дифференциального смесителя 4. Назначение смесителя – перенос спектра выходного сигнала фотоприемника в область промежуточной частоты (в данном случае – нулевой).
Кварцевый генератор содержит собственно кварцевый генератор 1.1, работающий на пятой гармонике резонатора, и буферный каскад 1.2. Выходной сигнал этого буферного каскада, усиленный резонансным двухкаскадным предварительным усилителем 2.1 и регулируемым оконечным усилителем мощности 3.1, через выходной согласующий П-контур 3.2 по линии связи ЛС подводится к акустооптическому модулятору АОМ.
Смеситель квадратурный 4 состоит из фазовращателей 4.1 и 4.1, буферных каскадов 4.3 и 4.4, балансных модуляторов 4.5 и 4.6, фильтров нижних частот 4.7 и 4.8 и дифференциальных усилителей 4.9 и 4.10.
Рисунок 3. Функциональная схема спектрального фотоэлектронного квадратурного дифференциального преобразователя сигналов ЛДА.
Сигнал кварцевого генератора 1.1 через буферный каскад 1.2 подается на фазовращатели 4.1 и 4.2, формирующие квадратурный сигнал, который подводится к сигнальным входам балансных модуляторов 4.3 и 4.4. На гетеродинные входы этих модуляторов подается радиосигнал фотоприемника ЛДА, содержащий доплеровскую компоненту F(V), частоту гетеродина fG , а также различного рода аддитивные шумы. Информация о модуле скорости движения исследуемых объектов содержится в частоте выходных сигналов модуляторов. Эти сигналы проходят через фильтр нижних частот 4.7 и 4.8 с частотой среза 5 МГц, дифференциальные усилители 4.9, 4.10 и поступают на входы сигнального процессора ЛДА. Применение согласованного двухканального дифференциального тракта с оптимизированной переходной характеристикой, соответствующей фильтрам Бесселя 10 порядка, позволило существенно снизить уровень синфазных помех в полезном сигнале и, как следствие, повысить точность определения доплеровской частоты.
Заключение
Для предварительного частотно-временного преобразования электрических сигналов предложен и реализован малошумящий спектральный оптико-электронный квадратурный дифференциальный преобразователь сигналов ЛДА. Преобразователь предназначен для сохранения информации о знаке отклонения частоты доплеровского радиосигнала и представления ее в виде относительной фазы выходных радиосигналов, формирования сигнала, управляющего акустооптическим модулятором, переноса спектра выходного сигнала фотоприемника в область нулевой частоты. Преобразователь обеспечивает равенство фазовых и динамических искажений в квадратурных каналах, что положительно влияет на метрологические характеристики ЛДА. Преобразователь реализован в лазерном анемометре «ЛАД-015», установленном во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д.И. Менделеева, Санкт-Петербург. ЛДА «ЛАД-015» внесен в Государственный реестр средств измерений, № 46694-11.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК № 11.519.11.6022).
Рецензенты:
Бердников Владимир Степанович, д.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией, Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.
Лежнин Сергей Иванович, д.ф.-м.н., профессор, г.н.с., Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.