Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор методов контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы 11
1.1 Обзор методов дистанционного измерения скорости ветра 11
1.2 Обзор основных типов оптических доплеровских локаторов 21
1.3 Анализ результатов применения оптических доплеровских локаторов для зондирования скорости ветра в атмосфере 26
Глава 2. Разработка лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы 46
2.1 Описание принципа построения лазерного доплеровского анемометра 46
2.2 Анализ вариантов построения структурной схемы лазерного доплеровского анемометра 54
2.3 Преимущества и недостатки лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы 73
2.4 Выводы 74
Глава 3. Исследование влияния характеристик узлов анемометра на его основные параметры 76
3.1 Моделирование входных сигналов 76
3.2 Влияние параметров элементов структурной схемы анемометра на погрешность измерений 82
3.3 Влияние параметров элементов структурной схемы анемометра на пространственную разрешающую способность 91
3.4 Влияние параметров элементов структурной схемы анемометра на его быстродействие 98
3.5 Влияние параметров элементов структурной схемы анемометра на максимальную дальность зондирования 104
3.6 Разработка методики выбора основных параметров элементов структурной схемы анемометра 117
Глава 4. Экспериментальное исследование лазер ного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы 127
4.1 Обоснование проводимых экспериментов 127
4.2 Описание экспериментальных установок 128
4.3 Методика обработки экспериментальных данных 137
4.4 Анализ результатов экспериментов 144
4.5 Выводы ' 156
Заключение 157
Список использованньгх источников 158
- Обзор основных типов оптических доплеровских локаторов
- Преимущества и недостатки лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы
- Влияние параметров элементов структурной схемы анемометра на пространственную разрешающую способность
- Методика обработки экспериментальных данных
Введение к работе
Физическая картина большинства реальных аэро- и гидродинамических потоков чрезвычайно многообразна и сложна, и даже в простейших случаях трудно воспользоваться для ее описания соответствующими уравнениями движения. Нелинейность задач в теоретической аэрогидродинамике и невозможность их строгого аналитического решения выдвигают на первый план экспериментальные методы измерения параметров потоков в лабораторных и естественных условиях. Это особенно касается турбулентных потоков, так как большинство естественных потоков относится к этой категории. Разнообразие объектов исследования и сложность решаемых задач требуют применения новейших достижений измерительной техники и методов исследования пространственного распределения скорости потоков.
Пространственное распределение скорости — важнейший параметр, определяющий характер течения жидких, газообразных, плазменных и многофазных сред. Методы дистанционного измерения скорости воздушных потоков, использующие лазерное излучение, позволяют выполнять одновременно локальные измерения мгновенных значений ряда параметров потоков: скоростей, температур и концентраций (плотностей) частиц.
Аппаратура дистанционного зондирования скорости ветра в приземном слое атмосферы требуется в химической и атомной промышленности для определения направления и скорости ветра в моменты аварийных выбросов токсичных и радиоактивных веществ в атмосферу, с целью прогнозирования последствий и очагов заражения. Также точная и своевременная информация о ветровом поле в приземном
слое атмосферы позволит увеличить безопасность полетов летательных аппаратов и снизить процент аварий и катастроф. Так, например, в настоящее время особый интерес вызывают проблемы, связанные с обеспечением безопасности полетов летательных аппаратов, где самые ответственные этапы: взлет и посадка, т.к. во время совершения взлета или посадки летательный аппарат наиболее уязвим. В этот момент имеет малую скорость и находится в непосредственной близости от земли. При этом наиболее важной является информация о ветровом поле приземного слоя атмосферы (на высотах до 150 м).
По этим причинам, особую актуальность приобретает разработка современных, простых в производстве и обслуживании, надежных и компактных анемометров для измерения скорости воздушных потоков в приземном слое атмосферы.
Чтобы получить данные о ветровом поле, необходимо произвести измерения скоростей воздушных потоков за короткий интервал времени в большом объеме пространства. Очевидно, что это можно реализовать, используя дистанционные методы измерения скоростей воздушных потоков. Несмотря на бурное развитие программного обеспечения, темпы развития методов и аппаратуры для проведения измерения скоростей воздушных потоков крайне невысоки. Существующая, на данный момент, для этих целей аппаратура, имеет большие стоимость и габариты, что делает ее непригодной для проведения оперативных исследований в полевых условиях.
Первые работы, посвященные разработке теоретических и экспериментальных основ лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и ее практическому применению, были опубликованы в 1964 г., а с 1978 г. началось интенсивное исследование практического применения ЛДА во многих областях науки и техники. История разработки лазерных беззондовых методов насчитывает около 40 лет. За это время выполнен ряд
фундаментальных физических исследований, раскрывших уникальные возможности и перспективность лазерных методов. Большой вклад внесли работы Б. С. Ринкевичюса - одного из первых исследователей в области лазерной анемометрии в нашей стране, группы новосибирских ученых во главе с В. С. Соболевым, коллектива ученых под руководством Г. Л. Гродзовского, решивших комплексные научно-технические проблемы разработки, создания и промышленного внедрения методов лазерной диагностики. В становление и развитие лазерных бесконтактных методов внесли свой вклад и зарубежные ученые: Йех, Кумминс, Дурст, Уайтлоу, Меллинг, Голдштейн, Грэйтид, Дюррани, Лединг, Ламлей и многие другие.
Лазерные методы позволяют выполнять одновременно локальные измерения мгновенных значений ряда параметров потоков: скоростей, температур и концентраций (плотностей) частиц. Эти методы особенно полезны при исследовании труднодоступных и мелкомасштабных потоков, химически активных и высокотемпературных потоков, потоков в плазме и МГД генераторах, в реактивных струях и в ударных трубах и т. д.
В настоящее время актуальным вопросом является возможность
сопряжения лазерных доплеровских анемометров с
неспециализированными ЭВМ для обработки полученной информации. Также особый интерес представляет аппаратура, позволяющая проводить непрерывное исследование локального ветрового поля в автономном режиме с большой точностью. Очевидно, что для широкого внедрения ЛДА в промышленности и экологических службах требуется создание простого и компактного оптического доплеровского локатора (ОДЛ). Но в настоящий момент, несмотря на то, что такие разработки ведутся, еще не созданы ОДЛ, отвечающие таким требованиям.
Цель диссертации: Повышение эксплуатационных показателей атмосферных анемометров посредством разработки основы оптико-акустического метода измерения скорости ветра в приземном слое атмосферы.
Научная новизна:
Исследована новая оптическая схема лазерного доплеровского анемометра, позволяющая применять полупроводниковые лазеры в качестве источника излучения.
Найдены зависимости, описывающие влияние мешающих факторов и параметров узлов анемометра на погрешность измерений, пространственную разрешающую способность, быстродействие и максимальную дальность зондирования прибора.
Решаемые задачи:
Теоретическое исследование лазерного доплеровского анемометра с новой дифференциальной схемой для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы.
Исследование влияния мешающих факторов и конструкционных параметров на основные показатели разрабатываемого лазерного доплеровского анемометра, такие как: погрешность измерения, максимальная дальность зондирования, пространственная разрешающая способность и быстродействие.
Разработка методики выбора основных параметров элементов структурной схемы разрабатываемого оптического доплеровского локатора.
Подтверждение результатов теоретического исследования лазерного доплеровского анемометра на основе результатов экспериментов.
Методы и средства исследования.
Эксперименты производились на созданных моделях анемометров с использованием универсальных и специализированных приборов. Регистрация полученных в ходе экспериментов сигналов производилась посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП), сопряженным с ЭВМ. Для математических расчетов и обработки полученных экспериментальных данных применялись пакеты программного обеспечения MathCad и SpectraLab. В теоретических исследования применялась теория функций ошибок и методы функционального анализа.
Краткое содержание глав диссертации: Введение.
Излагается цель, научная новизна, практическая значимость и очерчивается область применения.
Приводится краткое описание по главам и основные научные положения, выносимые на защиту.
Обзор основных типов оптических доплеровских локаторов
Несмотря на различие конструкций, оптические схемы ОДЛ можно рассматривать как определенные разновидности интерферометров, которые используют один из следующих интерференционных эффектов [19,31].
Основными параметрами при конструировании передающего и приемного трактов оптических схем ОДЛ являются следующие.1) Диапазон измеряемых скоростей. ОДЛ но этому параметру разделяются на несколько групп:а) Для измерения малых скоростей (10" —10 м/с); б) Для измерения средних скоростей (10"2— 102 м/с);в) Для измерения больших скоростей (10 —10 м/с).2) Пространственное разрешение — показывает, скольконезависимых измерений можно выполнить в единице объема. Это оченьэтому параметру разделяются на несколькогрупп:а) с малым пространственным разрешением (до 1 см"3);б) со средним пространственным разрешением (1 — 103 см"3);в) с высоким пространственным разрешением (до 10м см"3).3) Чувствительность — показывает, какую минимальную мощность ОДЛ может зарегистрировать, определяет его дальность действия и минимально допустимую концентрацию рассеивающая свет частиц в потоках жидкости и газа.4) Число измеряемых проекций вектора скорости. По этому параметру ОДЛ разделяются наа) одно компонентные;б) двухкомпонентные;в) трехкомпонентные.5) Точность измерений — в основном определяется блокомвыделения доплеровского сдвига частоты (ДСЧ) и блоком обработкиинформации. ОДЛ по этому параметру разделяются на несколько групп:а) для технических измерений (с погрешностью 5-3 %);б) для научных измерений (с погрешностью порядка 3 — 0,5 %);в) для прецизионных измерений (с погрешностью порядка 0,5- 0,05 %).
После постановки задачи и определения основных параметров ОДЛ, указанных выше, задача разработки анемометра сводится к выбору типа оптической схемы ОДЛ. Выбор оптимальной схемы ОДЛ определяется такими условиями измерения как размером и концентрацией рассеивающих частиц, размером измерительного объема, уширением спектра доплеровской частоты, сложностью оптических узлов и юстировки. В табл. 1.1 приводится ссравнительные характеристики типов оптических систем [31].
Небольшой ДСЧ рассеянного света можно обнаружить только при анализе на частотах радиодиапазона, для чего частота рассеянного света должна быть сдвинута в этот диапазон, большой - проведением анализа на оптических частотах с помощью узкополосных фильтров.
В блоке выделения ДСЧ могут использоваться три принципа, дающие полную информацию о движении объекта:1) метод фотосмешения;2) прямого гетеродинирования, или дифференциальный метод;3) оптический спектральный метод.
В методе фотосмешения на фотоприёмник направляются две волны: одна, несущая информацию о скорости объекта (сигнальная волна), и другая, несущая информацию о начальной частоте излучения лазера (опорная волна). В результате на выходе образуется электрический сигнал определённой частоты, что позволяет использовать известные методы обработки сигнала и стандартную измерительную аппаратуру. К преимуществам метода относится и его высокая чувствительность.
Недостатки метода следующие:1. Требуется высокое пространственное согласование волновыхфронтов падающих волн.2. Измеряется только разность частот, т.е. модуль вектора скоростиветра.
В оптическом спектральном методе применяется спектральная аппаратура оптического диапазона: спектрографы и интерферометры. Наибольшей разрешающей способностью (107-И09) обладают интерферометры Фабри-Перо. В этом методе верхний предел измеряемых скоростей неограничен и возможно определеіше направления движения [31].Недостатки метода следующие.1. Необходимо преобразовать пространственный спектр2. Недостаточное временное разрешение.
Дифференциальный метод является наиболее перспективным [19].В этом методе два идентичных лазерных пучка имеют разные проекции на вектор скорости, и, как следствие, разное доплеровское смещение частоты. При рассеянии на аэрозоле образуется два пучка с разными световыми частотами, которые, интерферируя на фотоприемнике, дают низкочастотный сигнал, с частотой разности доплеровского смещения частоты между обоими рассеянными пучками.
Оптические схемы ОДЛ, в которых выделение ДСЧ осуществляется с помощью фотоприемника (метод фотосмешения, или прямого детектирования), не позволяют определить направление движения потока, поскольку фотоприемник регистрирует частоту, равную модулю скалярного произведения вектора скорости на разностный волновой вектор. При изучении течений с рециркулирующими зонами, когда знак скорости потока непрерывно изменяется, причем положительные и отрицательные значения могут чередоваться, в областях с высокой степенью турбулентности можно получить ошибочные данные измерений с помощью ОДЛ, если при оценке конечных результатов не учитывать знак измеряемой компоненты скорости.
Для устранения этой неопределенности применяется ячейка Брэгга, которая предназначена для сдвига частоты одного (или двух) лазерных пучков [19, 31]. Изменением частоты света можно осуществить перенос спектра доплеровской составляющей сигнала в удобную для наблюдения и обработки частотную область и отфильтровать в выходном сигнале постоянную составляющую сигнала и лазерные шумы, спектр которых локализован на низких частотах.
Состояния дымки и туманной дымки, в которых пограничный слой атмосферы находится приблизительно 90% времени, является наиболее естественной ситуацией при применении оптических локационных устройств. Оптические характеристики атмосферных дымок к настоящему времени изучены достаточно полно. Так, спектральные коэффициенты ослабления подробно рассмотрены в монографии [22, 48]. Получены новые результаты, уточняющие, в частности, спектральный ход коэффициента ослабления aext (А,) в широком спектральном интервале, включающем видимый и инфракрасный (до 10 мкм) диапазоны [48, 54].
Авторами работы [48, 54], на основании анализа экспериментальных измерений aext, выделены три основных периода (зимний, летний и весенне-осенний), внутри которых свойства атмосферных дымок остаются однотипными. Средние месячные функции распределения метеорологической дальности видимости приведены на рис.
Преимущества и недостатки лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы
Исходя из вышеприведенного, можно сделать сравнительный анализ, описываемого в данной работе анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы и лазерных доплеровских анемометров, приведенных в работах [19, 31].
Преимущества лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы: 1) Простая оптическая схема, полученная как результат совмещения в АОМ функций расщепителя лазерного пучка, устройства сдвига частот пучков и передающей оптической системы. 2) Более высокая надежность анемометра за счет простой оптической схемы и применения сравнительно простых конструктивных элементов: полупроводникового лазера и акустооптического модулятора. 3) Компактность анемометра, достигнутая за счет простых оптической и электронной схем. 4) Отсутствие необходимости юстировки вследствие отсутствия систем зеркал и расщепителей, двухканальной оптической схемы. Необходимость в юстировке отпадает из-за того, что на период интерференционной картины не влияет передающая оптическая система, а влияет только разность частот управляющих сигналов. 5) Возможность использования лазера с малой длиной когерентности, например, полупроводниковых лазеров, которые обладают высоким КПД, малыми габаритами, низкой стоимостью и надежной конструкцией. 6) Снижаются требования к быстродействию АЦП и объем информации, обрабатываемой с помощью ЭВМ. Это происходит за счет более низкой частоты полезного сигнала [7, 8, 62]. 7) Снижается уровень шумов на входе спектранализатора из-за более узкого доплеровского спектра. Недостатки лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы: 1) Относительно большой поперечный размер измерительного объема приводит к более низкой интенсивности излучения в измерительном объеме. 2) Несущая частота, находящаяся в низкочастотном диапазоне, и более узкий доплеровский спектр, приводят к низкой, по сравнению с существующими методами, точности. Здесь имеется в виду, что погрешность измерения определяется конечной спектральной разрешающей способностью спектранализатора. Исходя из вышеприведенных преимуществ и недостатков, становится видно, что предлагаемый в настоящей диссертации принцип построения лазерного доплеровского анемометра имеет больше преимуществ перед существующими анемометрами, чем недостатков. Причем недостатки проявляются в сравнении с уже существующими схемами анемометров, и могут быть компенсированы, при необходимости, повышением требований к мощности лазера и разрешающей способности спектранализатора соответственно. I. Рассмотренный в разделе 2.1 принцип построения лазерного доплеровского анемометра позволяет производить измерение скорости аэрозоля. Предполагая, что аэрозоль свободно перемещается с воздушными потоками, появляется возможность измерения скорости ветра. 2. Предложенный метод основан на поперечном эффекте Доплера. Доплеровский сдвиг частоты (J\C4)f() определяется выражением: где f„ — несущая частота сигнала; Vx- проекция вектора скорости на ось х (см. рис. 2.1); изе скорость звука в кристалле АОМ. 3. При сопряжении предлагаемого ОДЛ с ПЭВМ, снижаются требования к АЦП и ЭВМ (сравнительно с другими типами анемометров). Это показано в работах [7, 8]. 4. Объединение функций расщепителя лазерного пучка, устройства сдвига частот пучков и передающей оптической системы в АОМ позволяет создать ОДЛ с простой оптической и структурной схемой. Вследствие этого получится простой, не дорогостоящий, надежный и компактный лазерный доплеровский анемометр. 5. В результате анализа вариантов структурной схемы ОДЛ предложено использовать передающий цилиндрический объектив. Это позволит, незначительно изменив конструкцию, увеличить максимальную дальность зондирования и повысить пространственное разрешение. 6. Проведенные теоретические исследования показали, что при использовании несущего сигнала низкой частоты следует выделять ДСЧ при обработке полученного сигнала в ЭВМ, а не в аналоговой части электронного тракта анемометра. Построим структурную схему приемной части анемометра, т.е. систему первичной обработки информации (СПОИ). Она принимает вид, изображенный на рис. 3.1. При этом предполагается, что работа всех звеньев СПОИ, кроме АЦП, происходит в линейном режиме. Спектральная плотность сигнала на входе реконструирующей системы равна произведению спектра входного сигнала на передаточные характеристики всех предшествующих АЦП линейных звеньев [59]: Для одной компоненты скорости V достаточно рассмотреть одномерное распределение интенсивности света. Сигнал от одиночной частицы упрощенно представляется в виде [31]:
Влияние параметров элементов структурной схемы анемометра на пространственную разрешающую способность
Исходя из вышеприведенного, можно сделать сравнительный анализ, описываемого в данной работе анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы и лазерных доплеровских анемометров, приведенных в работах [19, 31].
Преимущества лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы:1) Простая оптическая схема, полученная как результат совмещения в АОМ функций расщепителя лазерного пучка, устройства сдвига частот пучков и передающей оптической системы.2) Более высокая надежность анемометра за счет простой оптической схемы и применения сравнительно простых конструктивных элементов: полупроводникового лазера и акустооптического модулятора.3) Компактность анемометра, достигнутая за счет простыхоптической и электронной схем.4) Отсутствие необходимости юстировки вследствие отсутствиясистем зеркал и расщепителей, двухканальной оптической схемы.
Необходимость в юстировке отпадает из-за того, что на периодинтерференционной картины не влияет передающая оптическая система, авлияет только разность частот управляющих сигналов.5) Возможность использования лазера с малой длиной когерентности, например, полупроводниковых лазеров, которые обладают высоким КПД, малыми габаритами, низкой стоимостью и надежной конструкцией. 6) Снижаются требования к быстродействию АЦП и объем информации, обрабатываемой с помощью ЭВМ. Это происходит за счет более низкой частоты полезного сигнала [7, 8, 62]. 7) Снижается уровень шумов на входе спектранализатора из-за более узкого доплеровского спектра. Недостатки лазерного доплеровского анемометра для контроля скорости ветра в приземном слое атмосферы: 1) Относительно большой поперечный размер измерительного объема приводит к более низкой интенсивности излучения в измерительном объеме. 2) Несущая частота, находящаяся в низкочастотном диапазоне, и более узкий доплеровский спектр, приводят к низкой, по сравнению с существующими методами, точности. Здесь имеется в виду, что погрешность измерения определяется конечной спектральной разрешающей способностью спектранализатора. Исходя из вышеприведенных преимуществ и недостатков, становится видно, что предлагаемый в настоящей диссертации принцип построения лазерного доплеровского анемометра имеет больше преимуществ перед существующими анемометрами, чем недостатков. Причем недостатки проявляются в сравнении с уже существующими схемами анемометров, и могут быть компенсированы, при необходимости, повышением требований к мощности лазера и разрешающей способности спектранализатора соответственно. I. Рассмотренный в разделе 2.1 принцип построения лазерного доплеровского анемометра позволяет производить измерение скорости аэрозоля. Предполагая, что аэрозоль свободно перемещается с воздушными потоками, появляется возможность измерения скорости ветра. 2. Предложенный метод основан на поперечном эффекте Доплера. Доплеровский сдвиг частоты (J\C4)f() определяется выражением: где f„ — несущая частота сигнала; Vx- проекция вектора скорости на ось х (см. рис. 2.1); изе скорость звука в кристалле АОМ. 3. При сопряжении предлагаемого ОДЛ с ПЭВМ, снижаются требования к АЦП и ЭВМ (сравнительно с другими типами анемометров). Это показано в работах [7, 8]. 4. Объединение функций расщепителя лазерного пучка, устройства сдвига частот пучков и передающей оптической системы в АОМ позволяет создать ОДЛ с простой оптической и структурной схемой. Вследствие этого получится простой, не дорогостоящий, надежный и компактный лазерный доплеровский анемометр. 5. В результате анализа вариантов структурной схемы ОДЛ предложено использовать передающий цилиндрический объектив. Это позволит, незначительно изменив конструкцию, увеличить максимальную дальность зондирования и повысить пространственное разрешение. 6. Проведенные теоретические исследования показали, что при использовании несущего сигнала низкой частоты следует выделять ДСЧ при обработке полученного сигнала в ЭВМ, а не в аналоговой части электронного тракта анемометра. Построим структурную схему приемной части анемометра, т.е. систему первичной обработки информации (СПОИ). Она принимает вид, изображенный на рис. 3.1. При этом предполагается, что работа всех звеньев СПОИ, кроме АЦП, происходит в линейном режиме. Спектральная плотность сигнала на входе реконструирующей системы равна произведению спектра входного сигнала на передаточные характеристики всех предшествующих АЦП линейных звеньев [59]: Для одной компоненты скорости V достаточно рассмотреть одномерное распределение интенсивности света. Сигнал от одиночной частицы упрощенно представляется в виде [31]:
Методика обработки экспериментальных данных
В ходе экспериментов измеряются доплеровское смещение несущей частоты и ширина спектральной линий, которые прямо пропорциональны скорости рассеивателя в измерительном объеме. Ниже приводится методика получения и обработки данных исследований на экспериментальных установках «А» и «Б».
Методика проведения экспериментов состоит из двух этапов: измерение скорости модели рассеивателя (скорости нити) и измерение скорости воздушного потока. Такое разделение на этапы объясняется тем, что сначала необходимо исследовать особенности работы экспериментальных установок, измеряя объект с известной скоростью движения. Результатом проведения исследований на этом этапе являются подтверждение утверждений и выводов, выдвинутых в ходе теоретических исследований. Также результатом первого этапа экспериментальных исследований является калибровка экспериментальной установки, которая необходима для проведения второго этапа измерений. Так как обе экспериментальные установки являются моделями анемометров, то конечным результатом экспериментальных исследований должно являться измерения скорости воздушного потока с определенной погрешностью. Эта задача ставится во втором этапе экспериментальных исследований.
В первом этапе проведения экспериментов производится измерение скорости вращающейся нити. Следует отметить, что плоскость вращения нити располагается перпендикулярно биссектрисе угла схождения интерферирующих пучков. Скорость VH нити вычисляется по формулегде гп - расстояние между осью вращения нити и осью лазерного пучка(см. рис.4.3);
Тн — период пересечения вращающейся нитью измерительногообъема.
Значение периода 7 „ пересечения вращающейся нитью измерительного объема определяется по осциллограмме сигнала на входе ЭВМ.
При измерениях на экспериментальной установке «А» сдвиг доплеровской частоты определяется формулой (2.1.13) в которую следует подставить (4.3.1)где А/ несущая частота полезного сигнала (в установке «А»);изв- скорость распространения звука в кристалле АОМ.
При измерениях на экспериментальной установке «Б» сдвиг доплеровской частоты определяется следующим выражением [1]:где / - несущая частота полезного сигнала (в установке «Б»);а — расстояние от плоскости предмета до передней главной плоскости объектива;а — расстояние от задней главной плоскости объектива до плоскости изображения.
Кроме доплеровского сдвига несущей частоты интерес представляет ширина AfD спектральной линии, которая вследствие конечного времени пролета частицей измерительного объема равнаэкспериментальной установке «Б» отличается от приведенной в главе 3. Причиной этого является применение в ходе экспериментов АЦП звуковой карты ESS 688 и программного обеспечения SpectraLab 4.32.17, которые при работе системы «АЦП — ЭВМ» (см. рис. 4.1 и 4.2) выдают значение погрешности А/д измерения частоты аналогового сигнала. Тогда погрешность AV определения скорости будет определяться следующим выражением
Так как требуемая погрешность А V определения скорости устанавливается заранее, то используя выражение (4.3.5), можно вывести условие для погрешности A/d измерения частоты аналогового сигнала, при которой погрешность AV измерения скорости не превысит заданного значения:
Данные, полученные при измерении скорости вращающейся нити подвергаются проверке на соответствие выведенным ранее выражениям (2.1.13)и(3.1.12). Если выражения (2.1.13) и (3.1.12) соответствуют полученным экспериментальным данным, то это является прямым подтверждением возможности применения предложенного принципа построения лазерного доплеровского анемометра для измерения скоростей малых объектов, а также подтверждает то, что проведенные в разделах 2.1 и 3.1 расчеты и предположения являются правильными. Необходимо отметить, что в методике обработки полученных данных при исследованиях на установках «А» и «Б» есть существенные различия. Схема алгоритма обработки данных, полученных при измерении скорости нити в экспериментальной установке «А», приведена на рис. 4.5. Так как необходимо математическим путем выделить доплеровский сдвиг частоты из спектра полученного сигнала, то для удобства математической обработки результатов измерения производились выборки спектра сигнала, полученного с помощью программного обеспечения SpectraLab 4.32.17, которые через определенный временной интервал записывались в текстовый файл. Причем, для снижения количества обрабатываемой информации, выборки производились только для интересующего спектрального диапазона, который содержит спектр полезного сигнала. Эта часть спектра сигнала восстанавливалась, усреднялась по выборкам и интерполировалась (кубическая интерполяция) с использованием программного обеспечения MathCad. Для вычисления доплеровского сдвига частоты, определялся экстремум вблизи от заранее известного значения несущей частоты сигнала/, (частота генератора несущей частоты на рис. 4.1). Разность между несущей частотой fH и частотой экстремума является значением доплеровского сдвига частоты (ДСЧ). Параллельно, по осциллограмме (см. рис. 4.5) определялся период пересечения вращающейся нитью измерительного объема. Значение этого периода использовалось для вычисления фактической скорости нити. Затем, используя полученные значения ДСЧ и скорости нити, строился график экспериментальной зависимости ДСЧ от скорости рассеивателя в измерительном объеме. Кроме этого, используя MathCad определялась ширина Л/Ь спектральной линии. В отличие от экспериментальной установки «А», на установке «Б» на дисплее ЭВМ отображается доплеровский спектр сигнала, т.е. разность спектров полученного сигнала и несущей частоты (разностной частоты генераторов Г4-107), поэтому последующая математическая обработка, кроме перевода значения частоты в соответствующую скорость, не требуется.
Во втором этапе экспериментальных исследований измерялась скорость аэрозоля, который присутствует в помещении, где проводятся исследования, т.е. измеряется скорость воздушного потока. Измерения производились согласно схеме на рис. 4.4.
Для обработки данных измерений скорости воздушного потока в экспериментальной установке «А» используется алгоритм, схема которого показана на рис. 4.6. Необходимость использования разных алгоритмов обработки данных для измерения скорости нити и воздушного потока объясняется следующим. Так как измерение скорости вращающейся нити представляет собой стационарный неслучайный процесс, то возможно произвести накопление полученного сигнала с минимальной погрешностью. Во втором случае, скорости частиц и моменты их появления в измерительном объеме носят случайный характер. Для обработки такого сигнала требуется обработка параметров каждого импульса, полученного при пересечении рассеивателем измерительного объема, в отдельности. Сущность алгоритма, показанного на рис. 4.6, состоит в следующем. С помощью ПО SpectraLab производилась запись сигнала в wav файл. Этот сигнал восстанавливался в ПО MathCad. По амплитуде сигнала отыскивались и изолировались сигнальные импульсы от пересечения крупными частицами измерительного объема. Затем в среде MathCad производилось преобразование Фурье этих импульсов, с
