激光多普勒測速技術介紹及發(fā)展史.doc

精品文檔激光多普勒測速概述：利用光的多普勒頻移效應，用激光作光源，測量氣體、液體、固體速度的一種裝置。1842年奧地利物理學家C.多普勒發(fā)現(xiàn)了聲波的多普勒效應。1905年A.愛因斯坦在狹義相對論中指出，多普勒效應也能在光波中發(fā)生。光照射到運動的粒子上發(fā)生散射時，散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化。頻率的偏移量與運動粒子的速度成正比。當流場中散射粒子的直徑與入射光的波長為同一量級，且散射粒子的重量與周圍流場粒子重量相近時，散射粒子的運動速度基本上代表流場的局部流速。美國Y.耶和H.卡明斯于1964年第一次報道利用激光多普勒頻移效應進行流體速度測量。激光多普勒測速計包括光學系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。光學系統(tǒng)將激光束照射到跟隨流體運動的粒子上，并使被測點（體積）的散射光會聚進入光電接收器。按接受散射光的方式光學系統(tǒng)可分為前向散射型、后向散射型和混合散射型。按光學結(jié)構(gòu)可分為參考光型、雙散射型、條紋型和偏振光型。圖6為前向雙散射型原理圖。 光電接收器（光電倍增管、硅光二極管等）接收隨時間變化的兩束散射光波，經(jīng)混頻后輸出信號的頻率是兩部分光波的頻率差，與流速成正比。采用信號處理系統(tǒng)把反映流速的真正信息從各種噪聲中檢測出來,并轉(zhuǎn)換成模擬量或數(shù)字量,作進一步處理或顯示。常用的信號處理器有頻率分析儀、頻率跟蹤器、計數(shù)式處理器等。從原理上講，激光多普勒測速計是直接測量速度的唯一手段。在風洞實驗中可用它測量局部速度、平均速度、湍流強度、速度脈動等，適用于研究激波和邊界層的分離干擾區(qū)、旋翼速度場、有引射的邊界層以及高溫流等。測速儀器或裝置的測速范圍從0.05厘米/秒到2000米/秒。測量高速時受光電器件頻率響應范圍的限制。實驗中，有時需要用專門的粒子播發(fā)裝置把不同大小的粒子摻入氣流中。由于散射粒子慣性等的影響，粒子運動速度滯后于流體，因而測速精度較低，湍流度高時精度更低。原理：由布拉格單元輸出的兩束強度相同的光，其中一束被加了一個頻移。這兩束光通過聚焦進入光纖，然后被傳輸?shù)教筋^。這些光經(jīng)過一個聚焦透鏡在探測體內(nèi)相交于一點。在探測體內(nèi)，由于光的干涉現(xiàn)象，光的強度被調(diào)整而產(chǎn)生一組干涉條紋,條紋的方向與兩束入射光的的角平分線平行。由兩列相干涉平面波相互干涉的結(jié)果可知，干涉條紋的距離是由激光的波長和兩光束的角度決定的：d=2sin2 式中入射光的波長；入射光束的夾角。當示蹤粒子在垂直于干涉條紋方向上隨流體以速度V穿過條紋時，若粒子位于條紋的亮區(qū)，則對光的阻擋及散射最大，相反對光的阻擋及散射最小。因此，散射光中包含了一個多普勒頻移，在條紋之后接收到的光信號是一個調(diào)制量，它與和這兩個光束等分線垂直的速度分量成比例。光電探測器把光強度的波動轉(zhuǎn)化成電信號，即多普勒脈沖。多普勒脈沖在信號處理器中被過濾和放大，然后經(jīng)過頻率分析（諸如快速傅立葉變換）確定多普勒頻率，進而獲得粒子的速度信息。優(yōu)點：a、無接觸測量，測量過程對流場無干擾；b、空間分辯率高,適用于邊界層、薄層流體及狹通道流體的測量；c、動態(tài)響應快，可進行瞬時測量，是研究紊流,測量瞬時速度的新方法；d、測量精度高，該儀器的基本原理是一個精確的物理表達式，基本上與流體的其它特性無關；e、利用測須差來測速度，由于須差和速度從低速到高速是一個線性關系式，故不需校正，并且頻移的可測速度范圍很大；f、好的方向靈敏性，可以比較方便地測量任意方向上的速度分量。局限性a、被測流體要有一定的透光度，管道要有透明窗口。試驗段一般采用透明的有機玻璃，但若測量精度要求很高,通常采用光學玻璃；b、測純凈的水或空氣時，須人工摻入適當?shù)牧Ｗ幼魃⑸渲行?，并對粒子尺寸有一定要求；c、流速很高時，要求提高激光輸出功率，另外由于信號頻率高而使信號處理困難；d、價格較貴，且有一定的防震要求。改善措施：實驗時需要選用線寬較窄的激光器；選用孔徑較小的探測器；在滿足外差干涉條件的情況下,適當增大兩光束光軸之間的夾角；在保證信號強度的前提下,適當增大待測點到半透半反鏡上有效光斑中心的距離，以減小系統(tǒng)的測量誤差。激光多普勒測速的未來發(fā)展趨勢激光的多普勒效應是激光多普勒測速技術的重要理論基礎，當光源和運動物體發(fā)生相對運動時，從運動物體散射回來的光會產(chǎn)生多普勒頻移，這個頻移量的大小與運動物體的速度、入射光和速度方向的夾角都有關系，可以通過測量激光多普勒頻移量的值來獲得運動物體的速度信息目前的單頻激光多普勒測速儀存在著直流漂移，抗干擾能力差的缺陷；正交偏振雙頻激光多普勒測速儀不存在直流漂移，抗干擾能力強，但是，它的測速上限受限于所采用雙頻激光器的頻差，無法滿足對高速運動物體進行速度測量的需求，可以通過研制大頻差雙頻激光器來提高這種測量方法的測速上限；采用雙頻激光同時照射到運動物體上以傳感運動速度的型雙頻激光多普勒測速儀能夠有效提高可測速度上限，擴大測速范圍。單頻激光多普勒測速儀：通過測量由于運動物體對光的散射所產(chǎn)生的多普勒頻移量來獲取待測物體的速度。1、 邁克爾遜干涉型測速儀：（測速體積比較大的固體材料，對信號檢測系統(tǒng)的帶寬有較高的要求）2、 差分混頻單頻激光多普勒測速儀（只能測量很低的速度）3、 單頻激光速度干涉儀（不能測量勻速運動的物體速度）下面詳細介紹適用于風洞測速技術的激光多普勒測速儀（LDV）詳見上面的介紹為了修正其中的一些缺陷，最近發(fā)展了雙頻激光多普勒測速儀雙頻激光多普勒測速儀不同于單頻激光多普勒測速儀，采用雙頻激光器作為光源，能夠克服單頻激光多普勒測速儀易受測量環(huán)境影響的缺點，抗干擾能力強，具有較高的信噪比。分為正交偏振雙頻激光多普勒測速儀和型雙頻激光多普勒測速儀正交偏振雙頻激光多普勒測速儀：外差式雙頻激光多普勒測速儀的最大測量速度取決于雙頻激光器的頻差。至今已見報道的此類測速儀所用的雙頻激光器的頻差還不夠高，限制了它們的測速范圍型雙頻激光多普勒測速儀：不同于正交偏振雙頻激光多普勒測速儀必須采用偏振方向相互垂直的線偏振雙頻激光器作為光源，這種測速儀既可以采用同偏