[發明專利]一種一體式多用途激光多普勒流速測量儀器

在審

• 申請號: 202111356171.4
• 申請日: 2021-11-16
• 公開（公告）號: CN114137251A
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 俞本立;孫曉園;涂郭結;甄勝來;曹志剛;張磊;孫靜靜
• 申請（專利權）人: 安徽大學
• 主分類號: G01P5/26
• 分類號: G01P5/26
• 代理公司: 合肥匯融專利代理有限公司 34141
• 代理人: 趙宗海

本發明公開了一種一體式多用途激光多普勒流速測量儀器，涉及流速測量技術領域。包括封裝殼體和封裝殼體內部的激光光源、干涉光路、信號處理模塊，激光光源設置于封裝殼體內部右端，干涉光路設置于激光光源的左端，干涉光路包括雙光束結構和參考光結構，信號處理模塊設置于封裝殼體的尾部。本發明克服了現有技術的不足，突破傳統的激光多普勒流速儀在高濃度粒子流體中信號品質下降，探測精度下降等問題，保證在不同環境中測量的準確性。

技術領域

本發明涉及流速測量技術領域，尤其涉及一種一體式多用途激光多普勒流速測量儀器。

背景技術

自19世紀60年代激光多普勒測速方法被首次應用于流體流速測量以來，該技術得到了很大的發展和廣泛的應用。目前，激光多普勒測速技術因其在光學單元的集成、光路結構的緊湊性和光路調校等方便的優勢，已經成為非接觸式流速測量的主要手段。

激光多普勒測速技術主要包括以下三種光學結構：參考光結構、雙光束結構和雙散射結構。前兩者應用的較為廣泛，參考光模式又被稱之為本振外差模式，激光光源發出的光束被分成兩束功率相差較大的光束，大功率激光束經過一系列光學器件入射至被測流體內，弱功率光束，又被稱之為參考光，直接入射至探測器的光陰極上，與強光束經過流體中粒子散射的接收光進行差拍從而得到流體粒子運動的速度，根據粒子在流體中的跟隨性即為流體的流動速度。流體的流速與散射光和參考光干涉的頻差成正比。

雙光束又被稱之為條紋模式，激光光源發出的光束被分成兩束功率相等的相交光束，交叉光束入射至被測流體中，并在其相交區域形成明暗相間的干涉條紋，當被測流體中粒子穿過干涉條紋時，散射光的頻率發生變化，該頻移與流體的流速成正比，并與流體流速方向無關。在任意方向所檢測到的總是兩束入射光的散射光多普勒頻移之差。

兩種光學模式在不同的測量環境中展示出各自的優勢，參考光模式在高濃度(多粒子)流體中能夠有效提高信噪比。而雙光束模式更適合應用于粒子較少或者清澈的流體流速測量，但由于其頻差與方向無關，光接收器可放置于任意位置，因此其在系統集成性和便攜性方面更具有優勢，目前該模式已被應用于國際上大部分激光多普勒流速儀器。

另外，兩種光學探測模式在信號解調，即流速檢測精度方面也展示出不同的優勢。在復雜和自然的流速測量環境中，粒子的濃度、大小和空間分布不等在采用雙光束模式時易造成頻譜展寬，從而引起信號處理模塊尋峰誤差增大，解調難度增加，面臨探測精度下降等問題。所以需要在不同的環境中使用不同的測速裝置，一般為單一裝置測速，無法達到兩種測速方式便捷選擇的操作方式，給實際的測速帶來較大的困擾。

發明內容

針對現有技術不足，本發明提供一種一體式多用途激光多普勒流速測量儀器，可根據特定的測量場景，在多種模式中選用一種工作模式對流體進行測量以期得到較好的信號品質，從而達到針對不同的流體環境進行高精度準確測量，突破傳統的激光多普勒流速儀器在高濃度粒子流體中信噪比下降，探測精度下降等問題，而發明出的適合不同測試場景下的非接觸式高精度激光多普勒流速探測裝置。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

一種一體式多用途激光多普勒流速測量儀器，包括封裝殼體，封裝殼體內部封裝的激光光源、干涉光路和信號處理模塊，所述激光光源內部呈環形腔結構，且激光光源設置于封裝殼體內部右端，所述干涉光路設置于激光光源左端，所述干涉光路包括雙光束結構和參考光結構。

優選的，所述激光光源為單頻窄線寬綠光激光光源，在環形腔結構的基礎上，利用窄帶光纖布拉格光柵和未抽運摻鐿光纖飽和吸收效應引入的自寫入光柵共同作用，抑制多縱模，獲得單頻窄線寬激光波長1064nm的輸出，通過溫度反饋控制系統保證輸出激光的中心頻率穩定度，利用全保偏摻鐿光纖多級放大結構對1064nm波段窄線寬激光進行放大，通過泵浦結構與參數，實現低噪聲放大，優化后的1064nm激光通過性能優異的周期性極化鈮酸鋰晶體，實現532nm的激光輸出，線寬小于10kHz，保證光束在流體中的低損耗和較高的探測精度，且激光器輸出光為線偏振光。