FR2720839A1

FR2720839A1 - Portable Doppler laser velocimeter.

Info

Publication number: FR2720839A1
Application number: FR9407269A
Authority: FR
Inventors: Imaging System Fis-Full
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-12-08
Also published as: AU2741495A; WO1995033998A1

Abstract

Portable compact laser Doppler velocimeter which is easy to use and comprises a laser source (1g), a splitter consisting of an opatque objet (6), splitting the beam (1h) from the laser source (1g) into two beams (1l and 1j) focussed by a lense (4f) at the measurement location. The device of the invention is especially suitable for flow measurements of transparent fluids and for teaching applications.

Description

Description
La présente demande de brevet concerne un vélocimètre laser à effet Doppler portable simple de mise en oeuvre, d'encombrement réduit et de faible coût de réalisation.Description
The present patent application relates to a laser velocimeter with a portable Doppler effect which is simple to implement, of reduced bulk and of low production cost.

Les vélocimètres laser à effet Doppler à ce jour sont essentiellement utilisés pour des applications de laboratoire et de recherche nécessitant d'excellentes performances en termes de résolution, dynamique de mesure, vitesse d'échantillonnage, mesures en 3 dimensions, possibilité de dimensionnement et quantification de particules. C'est principalement pour cette raison que le matériel disponible en vélocimétrie laser à effet Doppler ne comprend que des appareils coûteux, encombrants, fragiles et difficiles à mettre en oeuvre.Doppler laser velocimeters to date are mainly used for laboratory and research applications requiring excellent performance in terms of resolution, dynamic measurement, sampling speed, 3-dimensional measurements, possibility of dimensioning and quantification of particles. It is mainly for this reason that the equipment available in laser velocimetry with Doppler effect only includes expensive, bulky, fragile and difficult to implement devices.

Par ailleurs, les débitmètres actuels, quels que soient les principes de mesure électromagnétisme, micromoulinet, ultra sons, à effet Vortex, à effet Coriolis, à déprimogènes - comportent tous des limitations, notamment dans le domaine de la mesure des faibles vitesses (inférieures au décimètre par seconde). Dans ce seul domaine, la vélocimètrie laser Doppler peut offrir une solution technique intéressante à un coût comparable ou inférieur aux moyens de mesure précédents.In addition, current flowmeters, whatever the principles of electromagnetism, microminometer, ultrasound, Vortex effect, Coriolis effect, and pressure-measuring devices - all have limitations, particularly in the field of measurement of low speeds (less than decimeter per second). In this area alone, Doppler laser velocimetry can offer an interesting technical solution at a cost comparable to or less than the above measurement means.

L'objet de la présente demande concerne un vélocimètre laser à effet Doppler destiné entre autres à des applications industrielles ou pédagogiques et comprenant d'importantes simplifications par rapport aux produits habituels en vélocimètrie laser à effet Doppler (VLD).The subject of the present application relates to a laser Doppler velocimeter intended inter alia for industrial or educational applications and comprising important simplifications compared to the usual products in Doppler laser velocimetry (VLD).

Nous rappellerons dans une première partie le principe de la vélocimètrie laser à effet Doppler afin de bien mettre en évidence les composants nécessaires à la mise en oeuvre du principe.We will recall in the first part the principle of laser velocimetry with Doppler effect in order to clearly highlight the components necessary for the implementation of the principle.

Nous décrirons ensuite une réalisation possible du vélocimètre réduisant et simplifiant les composants nécessaires.We will then describe a possible realization of the velocimeter reducing and simplifying the necessary components.

La figure 1 permet la compréhension du principe mis en oeuvre sous le terme vélocimètre laser à effet Doppler.Figure 1 provides an understanding of the principle implemented under the term Doppler laser velocimeter.

La figure 2 présente une simplification connue de mise en oeuvre de la véloci métrie laser.FIG. 2 presents a known simplification of implementation of the laser metric veloci.

La figure 3 illustre le principe selon l'invention. Les figures 4 et 5 présentent d'autres mises en oeuvre de l'invention.FIG. 3 illustrates the principle according to the invention. Figures 4 and 5 show other implementations of the invention.

Les figures 6a, 6b, 7, 8, 9, 10 et Il présentent plusieurs possibilités d'application du principe selon l'invention.FIGS. 6a, 6b, 7, 8, 9, 10 and 11 present several possibilities for applying the principle according to the invention.

Les figures 12, 13 et 14 présentent des simplifications intéressantes de la vélo- cimétrie laser pour la détection du sens de l'écoulement.Figures 12, 13 and 14 show interesting simplifications of laser cyclimetry for detecting the direction of flow.

Le principe de la vélocimétrie laser à effet Doppler, tel que présenté sur la figure 1, est basé sur le décalage de la fréquence de la lumière diffusée par toute particule en mouvement lorsqu'elle traverse un faisceau de lumière monochromatique et cohérente.The principle of laser Doppler velocimetry, as presented in Figure 1, is based on the offset of the frequency of the light scattered by any moving particle when it crosses a beam of coherent monochromatic light.

Le décalage de fréquence induit par l'effet Doppler est proportionnel à la vitesse de la particule et dépend de la direction de détection. Ce décalage étant très faible, il n'est pas mesurable directement. On utilise alors la technique d'hétérodynage, ou battement de deux fréquences. Plusieurs configurations permettent la mise en oeuvre de ce phénomène.The frequency shift induced by the Doppler effect is proportional to the speed of the particle and depends on the direction of detection. As this difference is very small, it cannot be measured directly. We then use the heterodyning technique, or beat of two frequencies. Several configurations allow the implementation of this phenomenon.

La figure 1 représente la configuration utilisant le mode du faisceau de référence. On provoque le battement des deux fréquences sur la photodiode 5a utilisée pour capter le signal Doppler: la fréquence de la source laser et celle contenant le décalage en fréquence du à l'effet Doppler.Figure 1 shows the configuration using the reference beam mode. The two frequencies are beaten on the photodiode 5a used to pick up the Doppler signal: the frequency of the laser source and that containing the frequency shift due to the Doppler effect.

Le faisceau 1 issu de la source laser 1c est séparé en deux faisceaux la et lb, par la séparatrice 4a. Un miroir à réflexion totale 4b réoriente le faisceau la, dit de référence, parallèlement au faisceau lb dit de mesure. Les 2 faisceaux la et lb sont focalisés par la lentille 4c au point de mesure 15. Le faisceau lb, dans la zone de mesure au point de focalisation, lors du passage d'une micro particule, va diffuser de la lumière dont la fréquence est décalée par rapport à celle du faisceau d'origine 1 par l'effet Doppler. La photodiode 5a, positionnée sur le faisceau de référence, capte les battements provoqués par les fréquences des 2 faisceaux, celle de la lumière diffusée par la particule et celle du faisceau de référence, et délivre un signal électrique 5b contenant les battements Dop- pler.The beam 1 from the laser source 1c is separated into two beams 1a and 1b, by the splitter 4a. A total reflection mirror 4b redirects the beam 1a, called the reference beam, parallel to the beam 1b said to be of measurement. The 2 beams 1a and 1b are focused by the lens 4c at the measurement point 15. The beam 1b, in the measurement area at the focus point, during the passage of a micro particle, will diffuse light whose frequency is offset from that of the original beam 1 by the Doppler effect. The photodiode 5a, positioned on the reference beam, picks up the beats caused by the frequencies of the 2 beams, that of the light scattered by the particle and that of the reference beam, and delivers an electrical signal 5b containing the Doppler beats.

La méthode dite des franges d'interférence constitue une autre présentation du principe de la vélocimétrie laser à effet Doppler : les deux faisceaux la et 1 b créent, au point de focalisation, des franges d'interférence 2. Toute micro particule 3 au passage des zones claires va diffuser de la lumière captée par la photodiode 5a.The so-called interference fringe method constitutes another presentation of the principle of laser velocimetry with Doppler effect: the two beams 1a and 1b create, at the focal point, interference fringes 2. Any micro particle 3 in the passage of bright areas will diffuse light captured by photodiode 5a.

L'interfrange x est liée à la longueur d'onde L de la source laser et à la géométrie des faisceaux définie par l'angle 2ss, par la relation x = L/2sin B
Une particule se déplaçant à une vitesse v perpendiculaire aux franges d'interférence va donc générer un signal de fréquence f telle que f=v/x=v*2sinss/L
La vitesse des particules est ainsi liée à la fréquence Doppler par la relation:
v = f * L / 2sine
Le traitement, c'est à dire l'extraction de la fréquence de battement Doppler porteuse de l'information de vitesse, peut être réalisée à l'aide de différentes méthodes décrites ultérieurement.The interfrange x is linked to the wavelength L of the laser source and to the geometry of the beams defined by the angle 2ss, by the relation x = L / 2sin B
A particle moving at a speed v perpendicular to the interference fringes will therefore generate a signal of frequency f such that f = v / x = v * 2sinss / L
The speed of the particles is thus linked to the Doppler frequency by the relation:
v = f * L / 2sine
The processing, that is to say the extraction of the Doppler beat frequency carrying the speed information, can be carried out using various methods described later.

De nombreux ouvrages ont été écrits (Durst / Melling / Whitelaw - 1987-
Théorie et pratique de la vélocimétrie laser à effet Doppler) qui ne concernent que le seul choix des particules et plus précisément du diamètre de celles-ci pour obtenir une bonne qualité de signal. Nous ne développerons pas cet aspect de la technique; la présente innovation s'intéresse principalement à des applications ne nécessitant pas d'ensemencement mais pouvant fonctionner avec les seules particules présentes dans le fluide à instrumenter.Many books have been written (Durst / Melling / Whitelaw - 1987-
Theory and practice of laser velocimetry with Doppler effect) which concern only the only choice of particles and more precisely the diameter of these to obtain a good signal quality. We will not develop this aspect of the technique; the present innovation is mainly concerned with applications which do not require seeding but which can operate with the only particles present in the fluid to be instrumented.

Dans les principales applications visées, sur des fluides fréquemment rencontrés (eau, vapeur, autres fluides transparents,) il existe statistiquement suffisamment de particules permettant une mesure de vitesse dans de bonnes conditions, sans nécessiter de faire appel à l'ensemencement.In the main targeted applications, on fluids frequently encountered (water, steam, other transparent fluids,) there are statistically sufficient particles allowing a speed measurement in good conditions, without requiring the use of seeding.

Généralement, ces applications s'intéressent plus particulièrement à la mesure de débits ou de volumes circulés qu'à la mesure de vitesse instantanée. Generally, these applications are more particularly interested in measuring flow rates or circulated volumes than in measuring instantaneous speed.

Si l'on se réfère au schéma de la figure 1 d'explication du principe de mesure, les fonctionnalités essentielles pour la mise en oeuvre d'un capteur VLD sont les suivantes:
- source de lumière monochromatique et monomode,
- séparation en 2 faisceaux, avec possibilité d'équilibrage de la séparation de ces faisceaux,
- focalisation de ces 2 faisceaux sur le point de mesure,
- réception du signal.If we refer to the diagram in Figure 1 explaining the measurement principle, the essential features for the implementation of a VLD sensor are as follows:
- monochromatic and monomode light source,
- separation into 2 beams, with the possibility of balancing the separation of these beams,
- focusing of these 2 beams on the measurement point,
- signal reception.

L'exemple représenté sur la figure I utilise une lame séparatrice 4a permettant d'obtenir deux faisceaux cohérents la et lb à partir de la même source laser lc, un miroir 4b réorientant le faisceau la parallèlement au faisceau lb et une lentille 4c focalisant les deux faisceaux au point de mesure. The example shown in FIG. 1 uses a separating plate 4a making it possible to obtain two coherent beams la and lb from the same laser source lc, a mirror 4b reorienting the beam parallel to the beam lb and a lens 4c focusing the two beams at the measuring point.

La qualité du signal dépend notamment de la précision du cheminement optique des faisceaux, lui-même dépendant de la quantité des composants et de leur positionnement. Ainsi la figure 2 illustre une possibilité connue et inté- ressante de réalisation d'un capteur ne comportant qu'un nombre limité de composants : source laser ld, lame séparatrice 4d, dont une partie 4e a été traitée pour permettre la réflexion totale du faisceau le; les deux faisceaux le et If en sortie de la lame séparatrice sont toujours, sans autre précaution, parallèles.The quality of the signal depends in particular on the precision of the optical path of the beams, which itself depends on the quantity of the components and their positioning. Thus, FIG. 2 illustrates a known and interesting possibility of producing a sensor comprising only a limited number of components: laser source ld, separating blade 4d, part of which 4e has been treated to allow total reflection of the beam. the; the two beams le and If at the outlet of the separating blade are always, without other precautions, parallel.

De même, un signal Doppler de bonne qualité nécessite d'avoir des faisceaux cohérents, c'est-à-dire que la différence de chemin optique des faisceaux soit inférieure à la longueur de cohérence du laser. Toute différence de chemin ment optique entraîne ainsi un risque de non cohérence des faisceaux particulièrement si la longueur de cohérence de la source laser utilisée est faible.Likewise, a good Doppler signal requires having coherent beams, that is to say that the difference in optical path of the beams is less than the coherence length of the laser. Any difference in optical path thus involves a risk of non-coherence of the beams, particularly if the coherence length of the laser source used is small.

Les brevets FR 2 654 215, enregistré sous le N" 90 13540 et publié le 10/05/91, et FR 2 637 085, enregistré sous le N" 89 08632 et publié le 30/03/90, portent notamment sur des diviseurs de faisceau permettant la réalisation d'anémomètres laser Doppler compacts. En dépit d'avantages indéniables en compacité, les moyens permettant la séparation du faisceau laser en deux faisceaux comportent cependant dans l'un et l'autre brevet plusieurs éléments optiques nécessitant un positionnement et des réglages minutieux.The patents FR 2 654 215, registered under No. 90 13540 and published on 05/10/91, and FR 2 637 085, registered under No. 89 08632 and published on 03/30/90, relate in particular to dividers beam enabling the production of compact Doppler laser anemometers. Despite undeniable advantages in compactness, the means allowing the separation of the laser beam into two beams however include in both patents several optical elements requiring careful positioning and adjustments.

Le brevet 8908632 par exemple, nécessite un cube diviseur ou un diviseur symétrique pour la division du faisceau laser et des miroirs à réflexion totale, un par faisceau partiel, pour dévier les faisceaux et réaliser leur croisement dans le volume de mesure.Patent 8908632, for example, requires a divider cube or a symmetrical divider for the division of the laser beam and of mirrors with total reflection, one per partial beam, for deflecting the beams and making their crossing in the measurement volume.

Le brevet 90 13540 utilise aussi deux miroirs à réflexion totale, la séparation étant réalisée par un miroir semi transparent.Patent 90 13540 also uses two mirrors with total reflection, the separation being carried out by a semi-transparent mirror.

Dans l'un et l'autre brevet, au minimum trois composants sont nécessaires à la division des faisceaux, ce qui implique, en dehors de tout élément de prix, des précautions particulières quant au positionnement de chacun d'eux et, par voie de conséquence, des possibilités de déréglage.In both patents, at least three components are necessary for the division of the beams, which implies, apart from any price element, special precautions as to the positioning of each of them and, by way of consequently, possibilities of adjustment.

Pour éviter de mettre en oeuvre des moyens optiques coûteux permettant de pallier ce genre de problème, la présente invention propose une méthode de séparation simple à mettre en oeuvre, fiable et permettant l'obtention d'un ordre d'interférence très bas, la différence de chemin optique au niveau de la frange centrale étant nulle.To avoid using expensive optical means making it possible to overcome this kind of problem, the present invention proposes a separation method which is simple to implement, reliable and which makes it possible to obtain a very low interference order, the difference optical path at the central fringe being zero.

La figure 3 schématise une possibilité de réaliser cette séparation.Figure 3 shows schematically a possibility of achieving this separation.

La présente invention réalise la séparation en interposant simplement sur le faisceau 1h en sortie de la source laser Ig, selon une direction perpendiculaire au plan passant par la direction de la vitesse à mesurer et celle du faisceau 1h de la source laser lg, un objet opaque 6, dont l'épaisseur, constante dans sa partie utile et s'opposant au passage du faisceau lh, est inférieure à la largeur du dit faisceau lh, comme représenté sur la figure 3. Cet objet sépare le faisceau initial 1h en deux sous-faisceaux li et îj qui sont ensuite focalisés par la lentille 4f sur le point de mesure 15a, créant en ce point des franges d'interfé- rence. Les signaux résultant du passage d'une particule dans ces franges d'interférences sont détectés par les moyens de détection 5c. Dans une mise en oeuvre intéressante de l'invention, l'objet opaque 6 constituant la séparatrice est un cylindre de diamètre inférieur à la largeur du faisceau 1h comme repré senté sur la figure 3.The present invention achieves separation by simply interposing on the beam 1h at the output of the laser source Ig, in a direction perpendicular to the plane passing through the direction of the speed to be measured and that of the beam 1h of the laser source lg, an opaque object 6, the thickness of which, constant in its useful part and opposing the passage of the beam lh, is less than the width of the said beam lh, as shown in FIG. 3. This object separates the initial beam 1h into two sub- beams li and îj which are then focused by the lens 4f on the measurement point 15a, creating at this point interference fringes. The signals resulting from the passage of a particle through these interference fringes are detected by the detection means 5c. In an advantageous implementation of the invention, the opaque object 6 constituting the separator is a cylinder of diameter less than the width of the beam 1h as shown in FIG. 3.

Les avantages d'une telle mise en oeuvre sont nombreux, les principaux étant les suivants:
- extrême simplicité de mise en oeuvre,
- coût négligeable des composants nécessaires à cette séparation,
- mise au point simplifiée.The advantages of such an implementation are numerous, the main ones being the following:
- extreme simplicity of implementation,
- negligible cost of the components necessary for this separation,
- simplified development.

Les inconvénients (gaspillage d'énergie, géométrie figée de la séparation des faisceaux) peuvent certes en limiter les applications, particulièrement dans le domaine de la mesure en laboratoire. Sa simplicité, par contre, ouvre la voie à de nombreuses applications dans le domaine industriel, difficilement envisageables avec les produits classiques en vélocimétrie laser à effet Doppler.The drawbacks (waste of energy, fixed geometry of the separation of the beams) can certainly limit its applications, particularly in the field of laboratory measurement. Its simplicity, on the other hand, opens the way to many applications in the industrial field, difficult to envisage with conventional products in laser velocimetry with Doppler effect.

Cette séparation peut être réalisée à l'aide de moyens très divers, la liste de ceux décrits ci-après n'étant nullement limitative.This separation can be achieved using a variety of means, the list of those described below is by no means limiting.

Une manière simple de réaliser cette séparation, comme schématisé sur la figure 4, consiste à coller simplement une bande de ruban adhésif 7, en sortie de la source laser.A simple way of making this separation, as shown diagrammatically in FIG. 4, consists in simply sticking a strip of adhesive tape 7, at the outlet of the laser source.

Une autre manière offrant un peu plus de possibilités de réglage est schématisée sur la figure 5. Elle met en oeuvre un axe 8 qui sépare en deux le faisceau initial. Cet axe dans une réalisation intéressante de l'invention est monté excentré sur une vis 9 dont l'axe est perpendiculaire au plan passant par la direction du faisceau et celle de vitesse à mesurer. La rotation de cette vis permet de positionner la bande de séparation à volonté sur la largeur du faisceau et de régler l'équilibrage en intensité et géométrie de chaque faisceau. Les figures 6a-vue de dessus- et 6b -vue latérale- représentent une application mettant en jeu l'invention et illustrant bien sa simplicité de mise en oeuvre. Dans cette application, l'invention est utilisée comme banc pédagogique d'initiation à la vélocimétrie laser à effet Doppler.Another way offering a little more adjustment possibilities is shown diagrammatically in FIG. 5. It implements an axis 8 which separates the initial beam in two. This axis in an interesting embodiment of the invention is mounted eccentrically on a screw 9 whose axis is perpendicular to the plane passing through the direction of the beam and that of speed to be measured. The rotation of this screw makes it possible to position the separation strip at will over the width of the beam and to adjust the balance in intensity and geometry of each beam. Figures 6a - top view - and 6b - side view - represent an application involving the invention and illustrating its simplicity of implementation. In this application, the invention is used as an educational bench for initiation to laser velocimetry with Doppler effect.

Le capteur 10 selon l'invention comprend la source laser 11, la séparatrice 13 et la lentille de focalisation 26. La source laser 11 après positionnement du faisceau dans la direction de mesure est bloquée par la vis 12. The sensor 10 according to the invention comprises the laser source 11, the splitter 13 and the focusing lens 26. The laser source 11 after positioning the beam in the measurement direction is blocked by the screw 12.

Le capteur 10 et le récepteur 14 sont fixés sur une platine 15 mobile par rapport au banc 16. Le point de mesure 17 peut ainsi être déplacé en tout point du diamètre intérieur du tube 18 dans lequel on fait circuler de l'eau.The sensor 10 and the receiver 14 are fixed on a plate 15 movable relative to the bench 16. The measurement point 17 can thus be moved to any point of the inside diameter of the tube 18 in which water is circulated.

L'ensemble permet de réaliser le profil des vitesses d'écoulement à l'inté- rieur du tube.The assembly makes it possible to produce the profile of the flow velocities inside the tube.

Dans une réalisation intéressante de l'invention telle que représentée sur les figures 6a, vue de dessous, et 6b, vue latérale, le récepteur est constitué simplement d'un support monté sur la platine 15 et supportant une fibre optique 19 recevant le signal Doppler. Cette fibre optique 19 transporte le signal jusqu'à une photodiode 20 qui convertit le signal optique en courant électrique; ce courant est transformé en tension et amplifié par la carte électronique 21. Ce signal peut ensuite être directement visualisé sur un oscilloscope 22. Un oscilloscope à mémoire permet de sé- lectionner les mesures intéressantes et de calculer la fréquence du signal
Doppler ainsi visualisé. La connaissance du coefficient de la sonde, te nant compte de la longueur d'onde L de la source laser et de la géométrie des faisceaux permet de calculer la vitesse d'écoulement au point de mesure selon la relation mentionnée précédemment:
v=f * L/2sinss
Un tel système est parfaitement adapté à des applications pédagogiques, en présentant de manière simple les différentes configurations possibles pour mettre en oeuvre un capteur à base de vélocimétrie laser à effet
Doppler; il permet aussi des applications intéressantes dans le domaine industriel.In an interesting embodiment of the invention as shown in Figures 6a, bottom view, and 6b, side view, the receiver simply consists of a support mounted on the plate 15 and supporting an optical fiber 19 receiving the Doppler signal . This optical fiber 19 transports the signal to a photodiode 20 which converts the optical signal into electric current; this current is transformed into voltage and amplified by the electronic card 21. This signal can then be directly viewed on an oscilloscope 22. A memory oscilloscope makes it possible to select the interesting measurements and to calculate the frequency of the signal
Doppler thus viewed. Knowing the coefficient of the probe, taking into account the wavelength L of the laser source and the geometry of the beams, makes it possible to calculate the flow speed at the measurement point according to the relationship mentioned above:
v = f * L / 2sinss
Such a system is perfectly suited to educational applications, by presenting in a simple manner the different possible configurations for implementing a sensor based on laser velocimetry with an effect.
Doppler; it also allows interesting applications in the industrial field.

Dans une autre réalisation intéressante de l'invention, le capteur inclut un traitement du signal 41 permettant en sortie du convertisseur courant-tension de numériser le signal et de le traiter pour en extraire la fré- quence Doppler.In another interesting embodiment of the invention, the sensor includes a processing of the signal 41 allowing at the output of the current-voltage converter to digitize the signal and to process it to extract the Doppler frequency therefrom.

Les méthodes d'extraction de la fréquence Doppler les plus fréquemment rencontrées sont les suivantes:
comptage: on compte le temps correspondant à "n" passages par zéro du signal périodique contenant la fréquence Doppler; c'est une technique simple à mettre en oeuvre et donnant de bons résultats quelle que soit l'application ; les contraintes de validation permettant de s'assurer de la réalité du signal entraînent cependant l'élimination de données intéressantes; en effet, pour valider la fréquence calculée, on peut par exemple comparer le temps correspondant à "n" passages par zéro, au double du temps pour "n/2" passages par zéro; les valeurs situées en dehors de seuils de tolérance fixés préalablement sont éliminées; ceci conduit à rejeter des valeurs intéressantes notamment dans le cas d'écoulements turbulents; le temps de mesure peut devenir anormalement long;
système de boucle à verrouillage de phase: on compare la fréquence du signal Doppler à celle d'un oscillateur asservi en tension; cette méthode n'est utilisable que dans le cas où le signal est permanent et de fréquence ne variant que faiblement;
transformées de FOURIER rapides ; sans entrer dans les limitations liées au principe de calcul bien connues des spécialistes, en présence de signaux non permanents, la fenêtre, correspondant au signal obtenu lors du passage d'une particule dans le volume de mesure, est trop étroite pour permettre un traitement satisfaisant par transformées de FOURIER
Le traitement du signal par paramétrage mathématique constitue une autre possibilité intéressante.The most frequently encountered methods of extracting the Doppler frequency are:
counting: the time corresponding to "n" zero crossings of the periodic signal containing the Doppler frequency is counted; it is a simple technique to implement and giving good results whatever the application; validation constraints making it possible to ascertain the reality of the signal, however, lead to the elimination of interesting data; in fact, to validate the calculated frequency, one can for example compare the time corresponding to "n" zero crossings, to twice the time for "n / 2" zero crossings; values outside of previously established tolerance thresholds are eliminated; this leads to the rejection of interesting values, particularly in the case of turbulent flows; the measurement time may become abnormally long;
phase locked loop system: the frequency of the Doppler signal is compared to that of a voltage-controlled oscillator; this method can only be used in the case where the signal is permanent and of frequency varying only slightly;
fast FOURIER transforms; without going into the limitations related to the principle of calculation well known to specialists, in the presence of non-permanent signals, the window, corresponding to the signal obtained during the passage of a particle in the measurement volume, is too narrow to allow satisfactory processing by transforms of FOURIER
Another interesting possibility is signal processing by mathematical parameterization.

Soit un signal sinusoïdal de fréquence f échantillonné à une période T. Si nous notons S (n) =(cos Q + nT) la valeur du signal échantillonné à la nème période d'échantillonnage, nous pouvons écrire pour le (n+l)ième échantillon:
S (n+l) = 2cos R T S(n)- S (n-l) fonction récursive du second ordre. Notre problème est de déterminer la valeur de cos QT et donc la valeur de la fréquence f = Q/2s qui vérifie la relation: S (n+1) + S(n-1) = a1S (n) oùa1 =2cosT. Let be a sinusoidal signal of frequency f sampled at a period T. If we write S (n) = (cos Q + nT) the value of the signal sampled at the nth sampling period, we can write for the (n + l) th sample:
S (n + l) = 2cos RTS (n) - S (nl) second order recursive function. Our problem is to determine the value of cos QT and therefore the value of the frequency f = Q / 2s which verifies the relation: S (n + 1) + S (n-1) + a1S (n) wherea1 = 2cosT.

D'une manière générale ce type de traitement comprend:
- la numérisation du signal, après conversion courant / tension et amplification du signal,
- un traitement linéaire récursif dans lequel un algorithme calcule la pulsation Q de façon à minimiser l'écart entre l'estimation et la valeur réelle du signal.Generally this type of treatment includes:
- signal digitization, after current / voltage conversion and signal amplification,
- a recursive linear processing in which an algorithm calculates the pulsation Q so as to minimize the difference between the estimate and the real value of the signal.

Divers problèmes peuvent limiter ce type de traitement. On est capable de fournir une estimation de a1 même si le signal n'est pas sinusoïdal. L'algo rithme utilisé dans la présente invention comprend une première phase dans laquelle on s'assure de la nature du signal. Pour cela, on calcule les coefficients de la relation de récurence:
S (n+1) =a1 S (n) + a2S (n-1)
Pour un signal 100% sinusoïdal, on doit avoir a2 = -1. Le signal étant modulé de manière aléatoire en amplitude, une marge (environ 1% à 2%) est tolérée autour de -1; si a2 n'est pas situé dans l'intervalle correspondant, on procède au même calcul sur l'échantillon suivant.Various problems can limit this type of treatment. We are able to provide an estimate of a1 even if the signal is not sinusoidal. The algorithm used in the present invention comprises a first phase in which the nature of the signal is verified. To do this, we calculate the coefficients of the recursion relation:
S (n + 1) = a1 S (n) + a2S (n-1)
For a 100% sinusoidal signal, we must have a2 = -1. Since the signal is modulated randomly in amplitude, a margin (around 1% to 2%) is tolerated around -1; if a2 is not located in the corresponding interval, the same calculation is carried out on the following sample.

L'émetteur 10 est conçu pour permettre une mise en oeuvre de la vélocimétrie laser dans une autre configuration. On a mis récemment en évidence (small laser Doppler Velocimeter based on the self mixing effect in a diode laser /
Applied Optics 27, p379 (1988) / F.F.M. de MUL, H.E. SUICHIES, J.C. A. AR
NOUDSE, J. GREVE), (S. SHINOHARA, A. MOCHIZUKI, H. YOSHIDA and
M. SUMI, " laser Doppler velocimeter using the self-mixing effect of a semi conductor laser diode" / Applied Optics 25, 1417-1986), l'effet de rétrodiffusion de la lumière dans une diode laser. Supposons comme sur la figure 7 qu'un objet 21 soit déplacé dans l'axe de la diode laser 22. Une partie de la lumière diffusée et affectée du décalage Doppler est réinjectée dans la cavité du laser 22 créant ainsi des interférences. I1 en résulte une fluctuation de l'intensi té de la lumière émise à la fréquence de battement correspondant à la diffé- rence entre la fréquence propre du laser et la fréquence de la lumière réinjectée affectée du décalage Doppler. Cette fréquence peut être détectée soit en mesurant la tension aux bornes de la diode laser, soit à l'aide d'une photodiode. La simplicité du capteur selon l'invention permet aussi de mettre en oeuvre cette configuration, à partir du même module. La figure 8 représente l'émetteur 10 déjà présenté sur les figures 6a/6b sans la séparatrice. Le faisceau 29 de la diode laser 23 est focalisé par la lentille 26 sur un tapis 27 en mouvement par l'intermédiaire d'un rouleau motorisé 28a et d'un rouleau tendeur 28b. La lentille 26 n'est pas traitée anti reflets et est légèrement inclinée sous un angle a par rapport à l'axe du faisceau 29 du laser 23. Une partie du faisceau 29 est ainsi réfléchie par la lentille 26. La partie du faisceau réflé- chi est captée par la fibre optique 24, positionnée selon une direction faisant un angle 2a par rapport à l'axe du faisceau 29, passant par le centre de la lentille 26, dans le plan perpendiculaire à la lentille 26. La fibre optique 24 peut être maintenue en place par un bouton moleté 25 percé au diamètre extérieur de la fibre 24 et vissé sur le corps de l'émetteur 10. La projection dans l'axe du faisceau 29 de la lumière diffusée par tout déplacement du tapis 27 donnera lieu à interférence dans la cavité du laser 23 entre la lumière émise par le laser et celle diffusée par le tapis 27 en mouvement. Le traitement du signal récuse ré par la fibre optique 24 permet d'extraire la vitesse de déplacement du tapis 27. Cette configuration peut de même être mise en oeuvre dans l'exemple représenté sur les figures 6a/6b. En effet, si le point de focalisation de la lentille 26 est proche du tube en verre 18, tout déplacement de l'émetteur 10 perpendiculairement à l'axe du tube 18, par l'intermédiaire du bouton moleté 30 connecté à un système vis 38/écrou, donne lieu à rétrodiffusion dans le laser et possibilité de mesurer la vitesse de déplacement relatif entre le tube 18 et l'émetteur 10. Dans cette configuration, le signal peut être récupéré soit après traversée du tube comme sur la figure 6a, soit comme sur l'exemple de la figure 8. Ainsi en dépit de sa simplicité, un capteur selon l'invention peut être utilisé dans d'autres configurations avec un minimum de modifications.The transmitter 10 is designed to allow an implementation of laser velocimetry in another configuration. We recently highlighted (small laser Doppler Velocimeter based on the self mixing effect in a diode laser /
Applied Optics 27, p379 (1988) / FFM de MUL, HE SUICHIES, JCA AR
NOUDSE, J. GREVE), (S. SHINOHARA, A. MOCHIZUKI, H. YOSHIDA and
M. SUMI, "laser Doppler velocimeter using the self-mixing effect of a semi conductor laser diode" / Applied Optics 25, 1417-1986), the effect of backscattering of light in a laser diode. Suppose as in FIG. 7 that an object 21 is displaced in the axis of the laser diode 22. Part of the scattered light and affected by the Doppler shift is reinjected into the cavity of the laser 22 thus creating interference. This results in a fluctuation in the intensity of the light emitted at the beat frequency corresponding to the difference between the natural frequency of the laser and the frequency of the reinjected light affected by the Doppler shift. This frequency can be detected either by measuring the voltage across the laser diode, or using a photodiode. The simplicity of the sensor according to the invention also makes it possible to implement this configuration, from the same module. Figure 8 shows the transmitter 10 already shown in Figures 6a / 6b without the splitter. The beam 29 of the laser diode 23 is focused by the lens 26 on a moving belt 27 by means of a motorized roller 28a and a tension roller 28b. The lens 26 is not anti-reflection treated and is slightly inclined at an angle a relative to the axis of the beam 29 of the laser 23. A part of the beam 29 is thus reflected by the lens 26. The part of the reflected beam chi is picked up by the optical fiber 24, positioned in a direction making an angle 2a with respect to the axis of the beam 29, passing through the center of the lens 26, in the plane perpendicular to the lens 26. The optical fiber 24 can be held in place by a knurled button 25 pierced to the outside diameter of the fiber 24 and screwed onto the body of the transmitter 10. The projection in the axis of the beam 29 of the light scattered by any movement of the carpet 27 will give rise to interference in the laser cavity 23 between the light emitted by the laser and that scattered by the moving belt 27. The processing of the rejected signal received by the optical fiber 24 makes it possible to extract the speed of movement of the belt 27. This configuration can likewise be implemented in the example shown in FIGS. 6a / 6b. Indeed, if the focal point of the lens 26 is close to the glass tube 18, any movement of the emitter 10 perpendicular to the axis of the tube 18, by means of the knurled button 30 connected to a screw system 38 / nut, gives rise to backscattering in the laser and possibility of measuring the relative speed of movement between the tube 18 and the emitter 10. In this configuration, the signal can be recovered either after crossing the tube as in FIG. 6a, or as in the example in FIG. 8. Thus, despite its simplicity, a sensor according to the invention can be used in other configurations with a minimum of modifications.

De nombreuses applications industrielles du capteur vélocimètre laser à effet Doppler selon la présente invention sont envisageables; les exemples qui suivent sont présentés à titre de simple illustration et ne sont nullement limitatifs.Many industrial applications of the Doppler effect laser velocimeter sensor according to the present invention can be envisaged; the examples which follow are presented by way of simple illustration and are in no way limiting.

La figure 9 présente une possibilité de mise en oeuvre du capteur selon l'invention pour la mesure de vitesse de circulation d'eau en canalisation.FIG. 9 shows a possibility of implementing the sensor according to the invention for measuring the speed of circulation of water in a pipe.

Comme dans les exemples des figures 6a/6b, ce sont les microparticules présentes dans le fluide qui sont à l'origine des signaux Doppler détectés par le récepteur 14.Les hublots 31 et 32 permettent un accès optique au fluide en écoulement. Le capteur 10 selon l'invention et le récepteur 14 sont positionnés de part et d'autre de la canalisation comme dans l'exemple des figures 6a et 6b du banc pédagogique. Le traitement du signal est alors réalisé dans un boitier électronique 33 et délivre un signal électrique proportionnel au paramètre à mesurer: vitesse ponctuelle, vitesse moyenne, débit en tenant compte du diamètre de la canalisation ou quantité de fluide débité après intégration des débits dans le temps. Le capteur de la figure 9 peut aussi être utilisé pour tout fluide présentant des qualités de transparence suffisantes, des adaptations ponctuelles, quant à la nature des composants, des hublots notamment, pouvant être nécessaires en fonction du fluide transporté : agressivité chimique ou température dans le cas de transport de vapeur par exemple...As in the examples of FIGS. 6a / 6b, it is the microparticles present in the fluid which are at the origin of the Doppler signals detected by the receiver 14. The portholes 31 and 32 allow optical access to the flowing fluid. The sensor 10 according to the invention and the receiver 14 are positioned on either side of the pipe as in the example of Figures 6a and 6b of the educational bench. The signal processing is then carried out in an electronic unit 33 and delivers an electrical signal proportional to the parameter to be measured: point speed, average speed, flow taking into account the diameter of the pipe or quantity of fluid delivered after integration of the flows over time . The sensor of FIG. 9 can also be used for any fluid having sufficient qualities of transparency, ad hoc adaptations, as to the nature of the components, in particular portholes, which may be necessary depending on the fluid transported: chemical aggressiveness or temperature in the case of steam transport for example ...

Un autre exemple de réalisation est présenté à la figure 11 où l'émetteur 35 et le récepteur 36 sont montés sur le même support mécanique 37. Un seul piquage 40 dans la canalisation 43 est nécessaire pour mettre en oeuvre le capteur selon l'invention. Une ouverture 39, dans le corps du support mécanique 37 du capteur permet le passage du fluide sans perturbation de l'écoulement dans la zone de mesure entre l'émetteur et le récepteur.Another embodiment is shown in Figure 11 where the transmitter 35 and the receiver 36 are mounted on the same mechanical support 37. A single tap 40 in the pipe 43 is necessary to implement the sensor according to the invention. An opening 39 in the body of the mechanical support 37 of the sensor allows the passage of the fluid without disturbing the flow in the measurement zone between the transmitter and the receiver.

De même le vélocimètre laser à effet Doppler illustré sur les figures 7 et 8 peut être utilisé pour des problèmes de mesure de défilement sans contact tels que production de pâte à papier, production de laminés ou mesure de vitesse d'un mobile. Ce dernier exemple, non limitatif des possibilités d'application, est illustré sur la figure 10 où un mobile 41 équipé d'un capteur en rétrodiffusion 42 et circulant sur des rails 34 mesure la vitesse de défilement du rail 34.Likewise, the Doppler effect laser velocimeter illustrated in FIGS. 7 and 8 can be used for non-contact scrolling measurement problems such as production of paper pulp, production of laminates or measurement of the speed of a mobile. This last example, which does not limit the possibilities of application, is illustrated in FIG. 10 where a mobile 41 equipped with a backscatter sensor 42 and traveling on rails 34 measures the running speed of the rail 34.

Cette application est extrapolable à tout mobile se déplaçant sur une surface suffisamment plane.This application can be extrapolated to any mobile moving on a sufficiently flat surface.

La simplicité et la compacité d'un tel capteur selon l'invention ouvrent la voie à de nombreuses applications et notamment la possibilité de réaliser un capteur donnant le sens de l'écoulement sans nécessiter d'avoir recours par exemple à une cellule de Braggs, permettant le décalage en fréquence de l'un des deux faisceaux, encombrante et coûteuse.The simplicity and compactness of such a sensor according to the invention opens the way to numerous applications and in particular the possibility of producing a sensor giving the direction of flow without requiring the use, for example, of a Braggs cell, allowing the frequency shift of one of the two beams, bulky and expensive.

La figure 12 représente 2 capteurs 44 et 45 selon l'invention, conformes à la description de la figure 3, positionnés parallèlement et séparés d'une distance d. La lentille de focalisation 46 commune aux deux capteurs est une lentille de
Billet. Les lentillles de Billet sont des lentilles ayant été modifiés conforme' ment à la figure 13. Sur la lentille 47, on a enlevé par usinage la tranche 48; les deux éléments restants sont ensuite accolés formant l'ensemble 49. Avec une telle lentille de focalisation, sur l'ensemble selon la figure 12, le capteur 44 a son point de focalisation en 50, le capteur 45 son point de focalisation en 51.FIG. 12 represents 2 sensors 44 and 45 according to the invention, in accordance with the description of FIG. 3, positioned in parallel and separated by a distance d. The focusing lens 46 common to the two sensors is a
Ticket. The Billet lenses are lenses which have been modified in accordance with FIG. 13. On the lens 47, the edge 48 has been removed by machining; the two remaining elements are then joined together forming the assembly 49. With such a focusing lens, on the assembly according to FIG. 12, the sensor 44 has its focal point at 50, the sensor 45 its focal point at 51.

Une microparticule se déplaçant perpendiculairement aux axes de mesure et passant par les volumes de mesure contenant les franges d'interférence, traversera tout d'abord celui du capteur 45 puis celui du capteur 44, si le sens d'écoulement est celui de la flèche 52. La comparaison des moments d'apparition de détection du signal de chaque capteur donne le sens de l'écoulement:
- sens de la flèche 52 dans le cas d'une détection sur 45 puis 44, comme schématisé sur la figure 12a,
- sens contraire à celui de la flèche 52 dans le cas d'une détection sur 44 puis 45.A microparticle moving perpendicular to the measurement axes and passing through the measurement volumes containing the interference fringes, will first cross that of the sensor 45 then that of the sensor 44, if the flow direction is that of arrow 52 The comparison of the moments of appearance of detection of the signal from each sensor gives the direction of flow:
- direction of arrow 52 in the case of detection on 45 then 44, as shown diagrammatically in FIG. 12a,
- opposite direction to that of arrow 52 in the case of detection on 44 then 45.

Le même résultat peut être obtenu en utilisant une lentille ordinaire 55 et en
inclinant le faisceau issu de l'un des 2 capteurs constitués des sources laser 53 et 54 et des séparatrices 59 et 60, par rapport à l'axe de la lentille 55, dans le plan formé par l'axe de la lentille et les faisceaux des capteurs, de façon à décaler le volume de mesure correspondant dans le dit plan, conformément à la figure 14.The same result can be obtained by using an ordinary lens 55 and by
tilting the beam from one of the 2 sensors made up of the laser sources 53 and 54 and the separators 59 and 60, relative to the axis of the lens 55, in the plane formed by the axis of the lens and the beams sensors, so as to offset the corresponding measurement volume in the said plane, in accordance with FIG. 14.

Un tel capteur peut devenir, sous certaines conditions, un capteur vectoriel. Such a sensor can become, under certain conditions, a vector sensor.

En effet, nous disposons alors de deux composantes de la vitesse 58, selon les perpendiculaires aux interfranges de chaque capteur dont les orientations sont connues par construction, permettant de déterminer la direction de la vitesse; la comparaison des moments de détection du signal sur l'un et l'autre des capteurs 53 ou 54, permet de définir le sens de la vitesse. Ceci suppose que la même particule traverse les zones de mesure correspondant à chaque capteur 53 et 54. Un palliatif simple à cette situation, rendue possible par l'utilisation de capteurs bon marché selon l'invention, consiste alors à associer d'autres capteurs selon une géométrie permettant la détection des microparticules par au moins deux capteurs, quelle que soit la direction de la vitesse. Indeed, we then have two components of the speed 58, along the perpendiculars to the interfringes of each sensor whose orientations are known by construction, making it possible to determine the direction of the speed; comparing the moments of detection of the signal on one and the other of the sensors 53 or 54, makes it possible to define the direction of the speed. This supposes that the same particle crosses the measurement zones corresponding to each sensor 53 and 54. A simple remedy to this situation, made possible by the use of inexpensive sensors according to the invention, then consists in associating other sensors according to a geometry allowing the detection of microparticles by at least two sensors, whatever the direction of the speed.

Claims

1 - Doppler laser velocimeter using a laser source lg, a focusing lens 4f and detection means 5c, characterized in that it comprises a separator consisting of a body 6 having a constant thickness in its useful part, lower to the width of the initial beam 1h from the laser diode lg, positioned perpendicular to the plane formed by the direction of the speed to be measured and that of the beam 1h from the laser source and separating said beam 1h into two beams li and lj crossing at focus point 15a.

2 - Doppler effect laser velocimeter according to claim 1 characterized in that the separator consists of an adhesive tape 7, of width less than that of the initial beam of the laser diode lg bonded at the output of the laser diode lg.

3 -Doppler laser velocimeter according to claim 1 characterized in that the separator consists of an axis 8 of diameter less than the width of the beam mounted on eccentric 9.

4 - Doppler laser velocimeter according to claim I characterized in that the separator consists of a cylinder 6 of diameter less than the width of the beam.

5 - Doppler effect laser velocimeter according to claim 1, characterized in that it comprises a laser source 11, a splitter 13, a focusing lens 26 and means for receiving the signal 14, associated with a glass tube 18 in which water circulates, and in that the laser source 11, the splitter 13, the focusing lens 26 and the receiver 14 are supported by a plate 15 movable relative to the bench 16 supporting the tube 18, making it possible to carry out measurements flow velocity at any point of the inner diameter of the tube 18.

6 - Doppler effect laser velocimeter, according to claim 1, characterized in that it comprises a laser source 11, a separator 13 according to the invention, a focusing lens 26 on the one hand and a receiver 14 on the other hand positioned on either side of the pipeline and optically accessing the measurement point inside the pipeline via portholes 31 and 32.

7 - Doppler effect laser velocimeter according to claim 6, characterized in that the sensor 35 and the receiver 36 are mounted on a mechanical support 37 on either side of an opening 39 in said support 37, said opening 39 allowing the passage of the flowing fluid in the pipe 43, and in that the support 37 is introduced into the pipe 43 by means of a nozzle 40.

8 - Laser Doppler velocimeter according to claims 6 and 7, characterized in that the signal processing allowing the frequency to be extracted

Doppler uses a mathematical algorithm with recursive computation which includes a verification of the sinusoidal nature of the signal.