专利名称：综合微粒速度和直径测量仪的制作方法
技术领域：
该实用新型属于激光测量仪器类，它适用于科研和工业部门对微粒的运动速度和直径的非接触测量。
在科研和工业部门测量微粒运动速度时，常用的设备是激光多普勒测速仪(Laser Doppler Anemometry，简写为LDA)，例如美国TSI公司LDA系列产品和丹麦DENTEC公司LDA系列产品，这些仪器仅能测量微粒直径。
近年来发展起来的相位多普勒测速仪(Phase Doppler Anemometry，简写为PDA)，例如美国(Aerometrics)公司的产品(PDPA)，虽能在测量微粒直径时测出微粒速度，但仅能测出一维速度分量，仍不能满足许多领域的使用要求(在测量时假定微粒是一个球。当微粒异于球形时，在测量中使它等效于一个球)。
本实用新型的研制目的是为了克服已有技术的不足，所设计的综合微粒速度和直径测量仪，不仅可以同时测定微粒的直径和它的两个互相正交的二维速度分量，即对二维速度进行非接触测量的功能，同时提供了高信噪比及低通道干扰信号，并有完备的并可监测的方位调节机构，从而实现了准确地测出二维速度及微粒的直径。
本实用新型的设计方案，是采用了三个光电信息通道间有严密的抗通道干扰结构，并以光纤－雪崩二极管－放大器系统代替常规的光电倍增管，可获得高信噪比的二维多普勒信号，还具有方位粗调及光纤端口微调的调节机构，从而准确地测出二维速度及微粒直径。
以下结合附图进一步详述本实用新型的设计方案及技术特征测量仪器的光学系统如图1所示。由微粒散射的光波经大孔径、消色差的接收物镜1成为平行光，接收物镜1的直径为100mm，焦距为400mm，除色差外，其它像差如球差、正弦差等都经过仔细校正。在接收物镜1后面有三个光电信息通道，分别由窄带滤色片2和窄带滤色片4、小孔径聚焦物镜3、光纤5及带有光纤接口的雪崩二极管－放大器组件6构成。窄带滤色片2的中心波长为488nm，带宽为10nm，直径为12mm。窄带滤色片4的中心波长为514.5nm，带宽为10nm，直径为12mm。图1中的高质量的消色差聚焦物镜3的直径为22mm，焦距为75mm，它们的焦点与光纤5的端口重合。当使用Ar＋激光器照射微粒时，由微粒散射的光波经过接收物镜1成为平行光。由于窄带滤色片2和窄带滤色片4的作用，散射光中的蓝光(波长为488.0nm)进入Ⅰ、Ⅲ通道，而绿光(波长为514.5nm)进入Ⅱ通道(即位于中间的通道)，它们分别被聚焦透镜3聚焦并耦合进入光纤5，经过光纤传输后由各自的雪崩二极管转换成电信号，由放大器放大，并送入三通道相位多普勒信号处理器进行处理。
根据相位多普勒测速原理(PDA)，由于Ⅰ、Ⅱ通道对于散射微粒的空间方位角θ不相同，这两个通道输出的多普勒信号有一个相位差△φ，根据△φ的大小可以测出微粒的直径。
根据相位多普勒测速原理，Ⅱ通道和Ⅰ、Ⅲ通道中任意一个通道输出的多普勒信号的频率νⅡ、νⅠ和νⅢ与微粒速度的两个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)为比例系数，λ为激光波长，θ为光学系统的参数。
Ⅰ、Ⅲ通道的信号是同相位的，而它们的相位与Ⅱ通道的相位差△φ与微粒直径d成正比△φ＝g(λ，θ1，θ2)d， (3)式中g(λ，θ1，θ2)为比例系数，λ为激光波长，θ1、θ2用来表示光学系统的一系列有关参数。
因此，测出νⅡ、νⅠ或νⅢ，及△φ，就可以测得两个互相正交的速度分量νx、νy的值及微粒的直径d。
由于窄带滤色片2和窄带滤色片4的作用，加上各个光学通道间的严密光屏蔽，保证了各通道间的干扰足够小。
图2为结构示意图。测量仪可由测微丝杆7带动，围绕垂直轴8旋转；并可由自身重量和测微丝杆9的共同作用，围绕水平轴13旋转，从而使测区(微粒被激光焦点照亮的区域)与接收物镜1的前焦点大致重合。测区经接收物镜1和聚焦物镜3形成的像与光纤端口10的重合情况，可通过目镜11及分光镜12监视。
图3是光纤端口微调机构图，光纤通过接口17和固定在聚四氟乙烯制成的导块16的中心孔中，一对正交的微调螺丝14及四个弹簧15构成弹性微调导轨，可以使光纤端口与测区的像准确重合，确保由微粒散射的光能量尽可能多地耦合到光纤中去。这两套粗调、微调机构使调节方便、平稳、准确。
由上述设计方案所制成的综合微粒速度和直径测量仪，具有其独特的优点及效果，对微粒直径和二维速度可进行非接触测量，即可以同时测定微粒的直径和它的两个互相正交的速度分量，同时具备多普勒测速仪和微粒尺寸测量仪的功能，而且由新的技术特征提供了高信噪比、低通道干扰的PDA及LDA信号，并有完备的方位调节机构，使调节方便、平稳、准确。全部调节过程都可以监视。该实用新型具有设计新颖、巧妙、功能完备、调节方便、光能耦合效率高、成本低等优点，可广泛应用于科研和工业中。
图1综合微粒速度和直径测量仪光学系统图1.接收物镜2.窄带滤色片3.聚焦物镜4.窄带滤色片5.光纤6.雪崩二极管／放大器组件图2综合微粒速度和直径测量仪结构总图7.测微丝杆8.垂直轴9.测微丝杆10.光纤端口11.目镜12.分光镜13.水平轴图3光纤端口微调部件结构图14.微调螺丝15.弹簧16.聚四氟乙烯导块17.光纤接口本实用新型的实施例由图1－3所示，其中物镜1的直径为φ100mm，焦距为400mm；聚焦物镜3的直径为φ22mm，焦距为75mm；窄带滤色片2和窄带滤色片4的带宽为10nm；测微丝杆7和测微丝杆9可取0～13mm；微调螺丝14的螺距为0.5mm并经过配研；目镜11的焦距为40mm，为双胶合消色差型；分光镜12厚度为1mm、45°放置，其一面镀有增透膜，其另一面镀有分光膜，透射／反射比为101；仪器总重量3Kg，体积为150mm×300mm×300mm。
权利要求1.一种含有大孔径接收物镜、聚焦物镜、滤色片、光电探测器和放大器的综合微粒速度和直径测量仪，其特征是在大孔径消色差的接收物镜1之后，设置了三个光电信息通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，每个光电信息通道均由窄带滤光片、小孔径聚焦物镜及光纤组成，并在光纤之后连接带有光纤接口的雪崩二极管一放大器组件；为了光电信息通道的主光轴调节而配置了测微丝杠带动围绕垂直轴与水平轴旋转的方位调节装置，以及在光纤端口连接测微丝杠的微调装置和在光电信息通道的末端由目镜11及分光镜12组成的目视监测装置所构成的该测量仪。
2.按照权利要求书1所述的微粒速度和直径测量仪，其特征在于其光电信息通道是由窄带滤色片2、4，小孔径聚焦物镜3，光纤5及带有光纤接口的雪崩二级管－放大器组件6所组成，且窄带滤色片2的中心波长为488.0nm，带宽为10nm，直径为12mm，窄带滤色片4的中心波长为514.5nm，带宽为10nm，直径为12mm；聚焦物镜3的直径为75mm，其焦点与光纤5的端口重合。
3.按照权利要求1所述的微粒速度和直径测量仪，其特性在于其方位调节是由一对动程为0～13mm的测微丝杠7带动，围绕垂直轴8旋转；并由自身重量和动程为0～13mm的测微丝杠9的共同作用，围绕水平轴13旋转而成。
4.按照权利要求书1所述的微粒速度和直径测量仪，其特征在于其微调装置是由光纤通过接口17和固定在聚四氟乙烯制成的导块16的中心孔中、一对正交的微调导轨所组成。
5.按照权利要求书1所述的微粒速度和直径测量仪，其特征在于其目视监测装置是由目镜11和分光镜12构成的，且其目镜的焦距为40mm，为双胶合消色差型；分光镜厚度为1mm，45°放置，其一面镀有增透膜，另一面镀有分光膜，透射与反射比为101。
专利摘要综合微粒速度和直径测量仪不仅同时具备对微粒直径和二维速度进行非接触测量的功能，还具有方位粗调及光纤端口微调的调节机构；三个通道间有严密的抗通道干扰结构，并以光纤—雪崩二极管—放大器系统代替常规的光电倍增管，可获得高信噪比的二维多普勒信号，从而准确地测出二维速度及微粒直径。该仪器具有设计新、功能完备、结构紧凑、调节方便、成本低等优点，广泛适用于科研和工业部门对微粒速度和尺寸的非接触测量。
文档编号G01N15/00GK2194510SQ93239938
公开日1995年4月12日 申请日期1993年12月23日 优先权日1993年12月23日
发明者冀萍, 宋菲君, 王长生 申请人:中国大恒公司