水利工程實(shí)驗(yàn)技能(part I)

1、Tianjin UniversiTy一、流速測(cè)量1.畢托管（Pitot tube）Tianjin UniversiTy 畢托管是用來(lái)測(cè)量流速的一種畢托管是用來(lái)測(cè)量流速的一種差動(dòng)壓力計(jì)差動(dòng)壓力計(jì)。它是由。它是由法國(guó)工程師亨利法國(guó)工程師亨利畢托于畢托于17321732年發(fā)明，在年發(fā)明，在1919世紀(jì)中世紀(jì)中期由法國(guó)科學(xué)家亨利期由法國(guó)科學(xué)家亨利達(dá)西改造成現(xiàn)在的形式。它達(dá)西改造成現(xiàn)在的形式。它被廣泛應(yīng)用于流速測(cè)量中。畢托管通過(guò)將流體的動(dòng)被廣泛應(yīng)用于流速測(cè)量中。畢托管通過(guò)將流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能來(lái)測(cè)量流速。能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能來(lái)測(cè)量流速。Tianjin UniversiTy畢托管的測(cè)量原理畢托管的測(cè)量原理Tian

2、jin UniversiTy 動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能發(fā)生在位于畢托管進(jìn)口處的駐點(diǎn)。動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能發(fā)生在位于畢托管進(jìn)口處的駐點(diǎn)。動(dòng)能到勢(shì)能的轉(zhuǎn)換形成了它相對(duì)于自由流的靜壓有動(dòng)能到勢(shì)能的轉(zhuǎn)換形成了它相對(duì)于自由流的靜壓有一個(gè)壓升（動(dòng)壓），靜壓通過(guò)靜壓孔測(cè)量。總壓和一個(gè)壓升（動(dòng)壓），靜壓通過(guò)靜壓孔測(cè)量?？倝汉挽o壓之差可通過(guò)壓差計(jì)測(cè)量。將壓差計(jì)測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)靜壓之差可通過(guò)壓差計(jì)測(cè)量。將壓差計(jì)測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)化為流速依賴于伯努利方程：化為流速依賴于伯努利方程：Tianjin UniversiTy上式一般還要乘以一個(gè)常數(shù)上式一般還要乘以一個(gè)常數(shù)c c，c c一般應(yīng)該非常接近一般應(yīng)該非常接近1 1。c c依賴于靜壓孔與畢托管入

3、口和主桿中心線的位置。依賴于靜壓孔與畢托管入口和主桿中心線的位置。Tianjin UniversiTy優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 相對(duì)便宜相對(duì)便宜 幾乎不需要校正幾乎不需要校正 在流體中產(chǎn)生的壓降很小在流體中產(chǎn)生的壓降很小缺點(diǎn)：在某些應(yīng)用中精度和空間分辨率可能缺點(diǎn)：在某些應(yīng)用中精度和空間分辨率可能不夠不夠Tianjin UniversiTy2.旋槳流速儀 目前在流速測(cè)量方面應(yīng)用比較多的是旋槳式流速目前在流速測(cè)量方面應(yīng)用比較多的是旋槳式流速儀。旋槳式流速儀是通過(guò)一種旋槳傳感器提供脈儀。旋槳式流速儀是通過(guò)一種旋槳傳感器提供脈沖信號(hào)的一種測(cè)量流速的方式，旋槳流速儀按傳沖信號(hào)的一種測(cè)量流速的方式，旋

4、槳流速儀按傳感器的結(jié)構(gòu)分為感器的結(jié)構(gòu)分為電阻式電阻式、電感式電感式和和光電式光電式三種，三種，目前采用較多的是光電式。目前采用較多的是光電式。 Tianjin UniversiTy 2.1 2.1電阻式傳感器如下圖所示，在支桿的內(nèi)側(cè)鑲電阻式傳感器如下圖所示，在支桿的內(nèi)側(cè)鑲嵌兩個(gè)鉑金電極。支桿入水后，兩個(gè)電極間變形嵌兩個(gè)鉑金電極。支桿入水后，兩個(gè)電極間變形成一個(gè)水電阻。當(dāng)旋槳加寬的側(cè)邊處于位置（成一個(gè)水電阻。當(dāng)旋槳加寬的側(cè)邊處于位置（a a）時(shí)，遮擋了兩個(gè)電極，此時(shí)兩電極間的水電阻值時(shí)，遮擋了兩個(gè)電極，此時(shí)兩電極間的水電阻值最大，當(dāng)處于位置（最大，當(dāng)處于位置（b b）時(shí)，水電阻值最小。因此）時(shí)，

5、水電阻值最小。因此旋槳每旋轉(zhuǎn)一周便產(chǎn)生兩次水電阻阻值的變化，旋槳每旋轉(zhuǎn)一周便產(chǎn)生兩次水電阻阻值的變化，然后通過(guò)橋路輸出電脈沖訊號(hào)，送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行然后通過(guò)橋路輸出電脈沖訊號(hào)，送入計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)。Tianjin UniversiTy 優(yōu)點(diǎn)：電阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于優(yōu)點(diǎn)：電阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 缺點(diǎn)：其阻值大小受水溫、水質(zhì)、電極大小、氧化缺點(diǎn)：其阻值大小受水溫、水質(zhì)、電極大小、氧化程度、遮蔽體大小、間隙距離等因素影響，如果不程度、遮蔽體大小、間隙距離等因素影響，如果不在電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行解決，精確度和靈敏性均難以保在電路設(shè)計(jì)上進(jìn)行解決，精確度和靈敏性均難以

6、保證。證。Tianjin UniversiTy 2.2 2.2電感式傳感器如下圖所示，在支桿下端嵌入電感式傳感器如下圖所示，在支桿下端嵌入一個(gè)直徑為一個(gè)直徑為3mm3mm的線圈。旋槳的葉片中各嵌入直徑的線圈。旋槳的葉片中各嵌入直徑為為1mm1mm，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度5mm5mm的永久磁鐵。這樣，當(dāng)旋槳每旋的永久磁鐵。這樣，當(dāng)旋槳每旋轉(zhuǎn)一次，便有與葉片數(shù)相同的電感脈沖輸出，送轉(zhuǎn)一次，便有與葉片數(shù)相同的電感脈沖輸出，送至計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。其輸出脈沖是有極性的，能至計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。其輸出脈沖是有極性的，能反映旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，因此也就能測(cè)量流速方向反映旋槳的旋轉(zhuǎn)方向，因此也就能測(cè)量流速方向。Tianjin Un

7、iversiTy 優(yōu)點(diǎn)：電感式傳感器不受水溫，水質(zhì)的影響。優(yōu)點(diǎn)：電感式傳感器不受水溫，水質(zhì)的影響。 缺點(diǎn)：支桿中的線圈加工與葉片中永久磁鐵的鑲?cè)秉c(diǎn)：支桿中的線圈加工與葉片中永久磁鐵的鑲嵌都要求較高的工藝，支桿頂端與旋槳邊緣的間嵌都要求較高的工藝，支桿頂端與旋槳邊緣的間隙要求嚴(yán)格保持隙要求嚴(yán)格保持0.2mm0.2mm，因此加工安裝比較困難。，因此加工安裝比較困難。其輸出信號(hào)只有毫伏級(jí)，比較弱小。其輸出信號(hào)只有毫伏級(jí)，比較弱小。Tianjin UniversiTy 2.3 2.3光電式傳感器的旋槳葉片邊緣上貼有反光鏡光電式傳感器的旋槳葉片邊緣上貼有反光鏡片，傳感器上端安裝一發(fā)光源，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳至片

8、，傳感器上端安裝一發(fā)光源，經(jīng)光導(dǎo)纖維傳至旋槳處，旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光鏡片產(chǎn)生反射光，經(jīng)旋槳處，旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光鏡片產(chǎn)生反射光，經(jīng)另一組導(dǎo)光纖維傳送至光敏三極管，轉(zhuǎn)換成電脈另一組導(dǎo)光纖維傳送至光敏三極管，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。光電式傳感器輸出信號(hào)沖信號(hào)，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。光電式傳感器輸出信號(hào)較強(qiáng)，受水溫、水質(zhì)影響小，工作可靠。較強(qiáng)，受水溫、水質(zhì)影響小，工作可靠。Tianjin UniversiTy工作原理：工作原理：將旋槳傳感器放入水流測(cè)點(diǎn)處，在水流作用下旋槳將旋槳傳感器放入水流測(cè)點(diǎn)處，在水流作用下旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，流速越大，旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)越快。轉(zhuǎn)換后的電脈轉(zhuǎn)動(dòng)，流速越大，旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)越快。轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號(hào)經(jīng)

9、放大整形，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。通過(guò)計(jì)數(shù)器沖信號(hào)經(jīng)放大整形，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。通過(guò)計(jì)數(shù)器，記錄單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，換算成流速值，流速，記錄單位時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)，換算成流速值，流速計(jì)算公式為：計(jì)算公式為：式中：式中：V V流速，流速，cm/scm/s； k k傳感器率定系數(shù)；傳感器率定系數(shù)； C C傳感器率定系數(shù)；傳感器率定系數(shù)；T T設(shè)定的采樣時(shí)間，設(shè)定的采樣時(shí)間，s s； N N采樣時(shí)間內(nèi)的傳感器旋槳轉(zhuǎn)數(shù)（對(duì)單反光采樣時(shí)間內(nèi)的傳感器旋槳轉(zhuǎn)數(shù)（對(duì)單反光面旋槳而言，若對(duì)雙反光面旋槳，應(yīng)除以面旋槳而言，若對(duì)雙反光面旋槳，應(yīng)除以2 2才為采才為采樣時(shí)間內(nèi)的傳感器旋槳轉(zhuǎn)數(shù)）。樣時(shí)間內(nèi)的傳感器旋槳轉(zhuǎn)數(shù)）。Tianjin

10、UniversiTy3.3.熱線流速儀熱線流速儀工作原理：熱線是由電阻溫度系數(shù)很高的鉬、鎢、工作原理：熱線是由電阻溫度系數(shù)很高的鉬、鎢、鉑合金等材料制成，直徑鉑合金等材料制成，直徑1-10mm1-10mm，長(zhǎng)約，長(zhǎng)約1-2mm1-2mm。當(dāng)。當(dāng)用在水流中時(shí)，在金屬表面上濺射上一層極薄的用在水流中時(shí)，在金屬表面上濺射上一層極薄的（0.5-2 mm0.5-2 mm）石英膜絕緣保護(hù)層。金屬絲通電后）石英膜絕緣保護(hù)層。金屬絲通電后被加熱，流體流動(dòng)的強(qiáng)迫對(duì)流引起熱損耗使之冷被加熱，流體流動(dòng)的強(qiáng)迫對(duì)流引起熱損耗使之冷卻，電阻發(fā)生變化，流速越大，熱損耗越大，線卻，電阻發(fā)生變化，流速越大，熱損耗越大，線電阻變

11、化越大。通過(guò)檢測(cè)發(fā)熱敏感元件的電阻值電阻變化越大。通過(guò)檢測(cè)發(fā)熱敏感元件的電阻值，可以得到發(fā)熱敏感元件的表面溫度。同時(shí)監(jiān)測(cè)，可以得到發(fā)熱敏感元件的表面溫度。同時(shí)監(jiān)測(cè)水體的溫度就可以得到一個(gè)溫度差，這個(gè)差值隨水體的溫度就可以得到一個(gè)溫度差，這個(gè)差值隨著流速的變化而變化，從而能夠得出與流速有關(guān)著流速的變化而變化，從而能夠得出與流速有關(guān)的電信號(hào)。的電信號(hào)。Tianjin UniversiTy 若以熱線式流速儀電橋輸出的電壓若以熱線式流速儀電橋輸出的電壓E E為電信號(hào)，以為電信號(hào)，以V V為流速，則為流速，則E E與與V V之間的關(guān)系可用著名的之間的關(guān)系可用著名的KingKing公式公式表示表示Tian

12、jin UniversiTy式中：式中：I I發(fā)熱敏感元件的電流，發(fā)熱敏感元件的電流，mAmA； R R發(fā)熱敏感元件的工作電阻，發(fā)熱敏感元件的工作電阻，； t tW W發(fā)熱敏感元件的表面溫度，發(fā)熱敏感元件的表面溫度，； t tC C流體的溫度，流體的溫度，； A A，B B，n n儀器常數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。儀器常數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。Tianjin UniversiTy 按測(cè)量的電氣回路工作方式，熱線流速儀可分為按測(cè)量的電氣回路工作方式，熱線流速儀可分為恒定電流恒定電流式與式與恒定溫度恒定溫度式兩種，前者是把電氣線式兩種，前者是把電氣線路設(shè)計(jì)成保持通過(guò)熱線的電流為恒定，后者則是路設(shè)計(jì)成保持通過(guò)熱

13、線的電流為恒定，后者則是保持熱線的溫度為恒定。熱線流速儀工作框圖如保持熱線的溫度為恒定。熱線流速儀工作框圖如下圖所示，由測(cè)量電橋、伺服放大器、自動(dòng)調(diào)節(jié)下圖所示，由測(cè)量電橋、伺服放大器、自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，輸出放大器和輸出指示的幾個(gè)部分組成。環(huán)節(jié)，輸出放大器和輸出指示的幾個(gè)部分組成。Tianjin UniversiTy 以恒溫為例，熱線探頭作為測(cè)量電橋的一個(gè)橋臂以恒溫為例，熱線探頭作為測(cè)量電橋的一個(gè)橋臂。當(dāng)流速為零時(shí)，調(diào)整電橋平衡，放大器的兩個(gè)。當(dāng)流速為零時(shí)，調(diào)整電橋平衡，放大器的兩個(gè)輸入端沒(méi)有電壓差，輸出指示為零。當(dāng)熱線在流輸入端沒(méi)有電壓差，輸出指示為零。當(dāng)熱線在流速作用下，由強(qiáng)迫對(duì)流造成熱損耗，熱

14、線溫度發(fā)速作用下，由強(qiáng)迫對(duì)流造成熱損耗，熱線溫度發(fā)生變化，引起熱線電阻變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生變化，引起熱線電阻變化，電橋失去平衡，產(chǎn)生一個(gè)偏離于平衡點(diǎn)的誤差電壓，將此誤差電壓生一個(gè)偏離于平衡點(diǎn)的誤差電壓，將此誤差電壓輸入到伺服放大器，由高增益的伺服放大器放大輸入到伺服放大器，由高增益的伺服放大器放大后，推動(dòng)調(diào)整環(huán)節(jié)，使調(diào)整環(huán)節(jié)反饋到電橋頂端后，推動(dòng)調(diào)整環(huán)節(jié)，使調(diào)整環(huán)節(jié)反饋到電橋頂端的工作電壓自動(dòng)升高或降低，從而改變了熱線的的工作電壓自動(dòng)升高或降低，從而改變了熱線的加熱電流，使熱線保持恒定的溫度，亦即恒定的加熱電流，使熱線保持恒定的溫度，亦即恒定的電阻。電阻。Tianjin UniversiT

15、y 電橋從平衡至失去平衡又自動(dòng)恢復(fù)平衡，這過(guò)電橋從平衡至失去平衡又自動(dòng)恢復(fù)平衡，這過(guò)程中橋壓變化，反映了流速的變化。將橋壓輸程中橋壓變化，反映了流速的變化。將橋壓輸入到輸出放大器，與基準(zhǔn)電壓比較，將其差值入到輸出放大器，與基準(zhǔn)電壓比較，將其差值放大，作為輸出指示，由電壓表或其他顯式儀放大，作為輸出指示，由電壓表或其他顯式儀表讀出。通常流速值與電壓值不是直線關(guān)系，表讀出。通常流速值與電壓值不是直線關(guān)系，而是指數(shù)關(guān)系，因此都在儀器內(nèi)加設(shè)線性化線而是指數(shù)關(guān)系，因此都在儀器內(nèi)加設(shè)線性化線路。路。Tianjin UniversiTy 熱線流速儀用于水中時(shí)，最低流速可測(cè)到約熱線流速儀用于水中時(shí)，最低流速可

16、測(cè)到約9cm/s9cm/s。熱線流速儀雖然是一種接觸式測(cè)量?jī)x器，。熱線流速儀雖然是一種接觸式測(cè)量?jī)x器，但是它的傳感器小，對(duì)流場(chǎng)干擾不大，而且靈敏但是它的傳感器小，對(duì)流場(chǎng)干擾不大，而且靈敏度高，對(duì)流速脈動(dòng)的頻率響應(yīng)高（最高可達(dá)度高，對(duì)流速脈動(dòng)的頻率響應(yīng)高（最高可達(dá)1.2MHz1.2MHz），能同時(shí)測(cè)出多維速度分量，但它對(duì)水），能同時(shí)測(cè)出多維速度分量，但它對(duì)水質(zhì)有較高的要求，必須清潔無(wú)雜質(zhì)，否則由于雜質(zhì)有較高的要求，必須清潔無(wú)雜質(zhì)，否則由于雜質(zhì)沉淀在傳感器表面，改變了熱耗散率，將造成質(zhì)沉淀在傳感器表面，改變了熱耗散率，將造成誤差。誤差。Tianjin UniversiTy4.4.電磁流速儀電磁流速

17、儀工作原理：是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的原理進(jìn)行流速工作原理：是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律的原理進(jìn)行流速測(cè)量的，該定律指出，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)測(cè)量的，該定律指出，導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體兩端就會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，導(dǎo)體兩端就會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)式中：式中：B B磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度，1010-4-4T T； L L導(dǎo)體長(zhǎng)度，導(dǎo)體長(zhǎng)度，cmcm； V V導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度，導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)速度，cm/scm/s； 導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁力線方向的夾角。導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向與磁力線方向的夾角。Tianjin UniversiTy在電磁流速儀中，在電磁流速儀中，L L為兩電極間水體的長(zhǎng)度，為兩電極間水體的長(zhǎng)度，B B為

18、激磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。探頭設(shè)計(jì)為激磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度。探頭設(shè)計(jì)定型后，定型后，L L、B B即為確定的值。在測(cè)流中，即為確定的值。在測(cè)流中，水流方向與磁力線垂直，故有水流方向與磁力線垂直，故有即流速與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比，兩者呈線性關(guān)即流速與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正比，兩者呈線性關(guān)系。因此，測(cè)定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，便可系。因此，測(cè)定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，便可以確定相應(yīng)的流速。以確定相應(yīng)的流速。應(yīng)用：應(yīng)用：主要用在渾水測(cè)量中主要用在渾水測(cè)量中。Tianjin UniversiTyTianjin UniversiTy5.5.聲學(xué)多普勒流速儀聲學(xué)多普勒流速儀 聲學(xué)多普勒流速儀（聲學(xué)多普勒流速儀（Acoustic

19、 Doppler Acoustic Doppler VelocimeterVelocimeter，ADVADV），通常也叫做超聲波多普勒流），通常也叫做超聲波多普勒流速儀，它是利用聲波的多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)速儀，它是利用聲波的多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量流體運(yùn)動(dòng)速度的。速度的。Tianjin UniversiTy 由于由于ADVADV的測(cè)量點(diǎn)與發(fā)射、接收探頭之間存在一定的的測(cè)量點(diǎn)與發(fā)射、接收探頭之間存在一定的距離，器件對(duì)所測(cè)量部分流場(chǎng)造成的干擾可以忽略距離，器件對(duì)所測(cè)量部分流場(chǎng)造成的干擾可以忽略，因此通常認(rèn)為它是一種非接觸式測(cè)量，具有三維，因此通常認(rèn)為它是一種非接觸式測(cè)量，具有三維速度測(cè)量、精度高、無(wú)

20、需率定、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，速度測(cè)量、精度高、無(wú)需率定、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，而且而且ADVADV對(duì)工作環(huán)境條件的要求不高，對(duì)于不適合光對(duì)工作環(huán)境條件的要求不高，對(duì)于不適合光學(xué)方法的低濃度渾水測(cè)量，往往能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。學(xué)方法的低濃度渾水測(cè)量，往往能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。Tianjin UniversiTy測(cè)量原理測(cè)量原理 ADV ADV通過(guò)水流中微細(xì)的顆粒對(duì)發(fā)射的超聲波的發(fā)射通過(guò)水流中微細(xì)的顆粒對(duì)發(fā)射的超聲波的發(fā)射來(lái)應(yīng)用多普勒原理，在測(cè)量中，波源與接收器之間來(lái)應(yīng)用多普勒原理，在測(cè)量中，波源與接收器之間并不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，頻移是由水中粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生并不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，頻移是由水中粒子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，它們所引起的頻率變化就是

21、多普勒頻移。當(dāng)波的，它們所引起的頻率變化就是多普勒頻移。當(dāng)波源發(fā)射某一固定頻率（源發(fā)射某一固定頻率（ ）的聲波時(shí)，由于水中粒）的聲波時(shí)，由于水中粒子的漫反射，接收器接收到被散射回來(lái)的聲波（子的漫反射，接收器接收到被散射回來(lái)的聲波（ ），假設(shè)粒子的運(yùn)動(dòng)速度（），假設(shè)粒子的運(yùn)動(dòng)速度（v v）與水體流動(dòng)速度相）與水體流動(dòng)速度相同，取靜止介質(zhì)中聲速為同，取靜止介質(zhì)中聲速為c c，那么根據(jù)多普勒效應(yīng)，那么根據(jù)多普勒效應(yīng)接收信號(hào)頻率是接收信號(hào)頻率是Tianjin UniversiTy式中，式中， 、 分別為聲波發(fā)射方向、反射方向與水流方分別為聲波發(fā)射方向、反射方向與水流方向的夾角。向的夾角。如果粒子運(yùn)動(dòng)速

22、度遠(yuǎn)小于聲速，即有如果粒子運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于聲速，即有 ，那么，那么聲學(xué)多普勒頻移，即接收頻率與發(fā)射頻率之差：聲學(xué)多普勒頻移，即接收頻率與發(fā)射頻率之差：當(dāng)當(dāng) 時(shí)，多普勒頻移表達(dá)式可簡(jiǎn)化為時(shí)，多普勒頻移表達(dá)式可簡(jiǎn)化為頻移與水流速度之間呈線性關(guān)系。頻移與水流速度之間呈線性關(guān)系。Tianjin UniversiTy 由于聲速在介質(zhì)中受環(huán)境的影響，因此在利用由于聲速在介質(zhì)中受環(huán)境的影響，因此在利用ADVADV計(jì)計(jì)算粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要對(duì)具體情況下的聲速進(jìn)行重新計(jì)算粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要對(duì)具體情況下的聲速進(jìn)行重新計(jì)算。水中聲速（算。水中聲速（c c）（）（m/sm/s）可按下式給出：）可按下式給出：式中，式中，T T

23、為溫度；為溫度；S S為鹽度；為鹽度；D D為水深，即代表水壓力。為水深，即代表水壓力。Tianjin UniversiTy 垂直于運(yùn)動(dòng)粒子和接收器之間連線的運(yùn)動(dòng)并不會(huì)導(dǎo)垂直于運(yùn)動(dòng)粒子和接收器之間連線的運(yùn)動(dòng)并不會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移；如果運(yùn)動(dòng)粒子和接收器之間的距離致多普勒頻移；如果運(yùn)動(dòng)粒子和接收器之間的距離減少，即粒子向接收器方向靠近，則頻率增加；如減少，即粒子向接收器方向靠近，則頻率增加；如果運(yùn)動(dòng)粒子和接收器之間的距離增加，即粒子運(yùn)動(dòng)果運(yùn)動(dòng)粒子和接收器之間的距離增加，即粒子運(yùn)動(dòng)背離接收器方向，則頻率減少。由于多普勒頻移與背離接收器方向，則頻率減少。由于多普勒頻移與粒子運(yùn)動(dòng)速度成正比，只要測(cè)量出多普

24、勒頻率的變粒子運(yùn)動(dòng)速度成正比，只要測(cè)量出多普勒頻率的變化值，就可以確定粒子的運(yùn)動(dòng)速度?；?，就可以確定粒子的運(yùn)動(dòng)速度。Tianjin UniversiTy系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成常見(jiàn)的常見(jiàn)的ADVADV系統(tǒng)主要由三部分組成：量測(cè)探頭（也稱傳系統(tǒng)主要由三部分組成：量測(cè)探頭（也稱傳感器）、信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理。感器）、信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理。量測(cè)探頭的實(shí)質(zhì)是超聲換能器：發(fā)射探頭將電能轉(zhuǎn)換為量測(cè)探頭的實(shí)質(zhì)是超聲換能器：發(fā)射探頭將電能轉(zhuǎn)換為聲能，形成超聲波波源；接收探頭則將接收到的聲能聲能，形成超聲波波源；接收探頭則將接收到的聲能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理程序獲取多普勒頻移，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理程序獲取多普勒

25、頻移，進(jìn)而得到流速及相關(guān)參量。進(jìn)而得到流速及相關(guān)參量。Tianjin UniversiTy 通常遇到的粒子速度和聲速相比要小得多，相應(yīng)的通常遇到的粒子速度和聲速相比要小得多，相應(yīng)的多普勒頻移也很小，因此，一般不能直接使用前面多普勒頻移也很小，因此，一般不能直接使用前面的式子作為實(shí)用的測(cè)量方法。的式子作為實(shí)用的測(cè)量方法。ADVADV采用了脈沖相干（采用了脈沖相干（或純相干）處理技術(shù)，即發(fā)射器發(fā)出兩個(gè)時(shí)間滯后或純相干）處理技術(shù)，即發(fā)射器發(fā)出兩個(gè)時(shí)間滯后分離的脈沖，量測(cè)出每一個(gè)返回脈沖的相位，兩個(gè)分離的脈沖，量測(cè)出每一個(gè)返回脈沖的相位，兩個(gè)脈沖之間的相位差與脈沖相隔時(shí)間的商值正比于水脈沖之間的相位差

26、與脈沖相隔時(shí)間的商值正比于水中粒子的速度，據(jù)此求出水中粒子的速度，也就得中粒子的速度，據(jù)此求出水中粒子的速度，也就得出水流速度。采用脈沖相干處理技術(shù)保證了出水流速度。采用脈沖相干處理技術(shù)保證了ADVADV高精高精度的流速測(cè)量，度的流速測(cè)量，10MHz10MHz的的ADVADV的測(cè)速范圍為的測(cè)速范圍為0.01250cm/s0.01250cm/s。Tianjin UniversiTy發(fā)射和接收探頭超聲換能器的工作原理大體是相同的。發(fā)射和接收探頭超聲換能器的工作原理大體是相同的。通常，換能器都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)通常，換能器都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射聲波時(shí)，從激勵(lì)電源

27、的輸出極送來(lái)的電系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)射聲波時(shí)，從激勵(lì)電源的輸出極送來(lái)的電振蕩信號(hào)引起換能器電儲(chǔ)能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化振蕩信號(hào)引起換能器電儲(chǔ)能元件中電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化，這種變化通過(guò)某種效應(yīng)對(duì)換能器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)，這種變化通過(guò)某種效應(yīng)對(duì)換能器的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)推動(dòng)力，使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，從而推動(dòng)與振動(dòng)生一個(gè)推動(dòng)力，使其進(jìn)入振動(dòng)狀態(tài)，從而推動(dòng)與振動(dòng)系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)，向介質(zhì)中輻射聲波。接收聲波的系統(tǒng)相接觸的介質(zhì)，向介質(zhì)中輻射聲波。接收聲波的過(guò)程則剛好相反，外來(lái)聲波作用在換能器的振動(dòng)面上過(guò)程則剛好相反，外來(lái)聲波作用在換能器的振動(dòng)面上，使機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，借助于某種物理效應(yīng)，使機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)，借助于某

28、種物理效應(yīng)，引起換能器儲(chǔ)能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化引起換能器儲(chǔ)能元件中的電場(chǎng)或磁場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起換能器的電輸出端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于聲信號(hào)，從而引起換能器的電輸出端產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)于聲信號(hào)的電壓和電流。的電壓和電流。Tianjin UniversiTy傳感器應(yīng)具備的主要技術(shù)性能包括：良好的電聲轉(zhuǎn)換傳感器應(yīng)具備的主要技術(shù)性能包括：良好的電聲轉(zhuǎn)換效率，以提高儀器的靈敏度；能夠不破壞測(cè)量點(diǎn)的效率，以提高儀器的靈敏度；能夠不破壞測(cè)量點(diǎn)的流態(tài)，以保證儀器的測(cè)量精度；較強(qiáng)的抗干擾能力流態(tài)，以保證儀器的測(cè)量精度；較強(qiáng)的抗干擾能力，以保證儀器的穩(wěn)定性能；良好的信號(hào)譜特性，以，以保證儀器的穩(wěn)定性能；良好

29、的信號(hào)譜特性，以減少無(wú)用雜波的調(diào)制作用等。減少無(wú)用雜波的調(diào)制作用等。按接收探頭數(shù)目，按接收探頭數(shù)目，ADVADV探頭通常有探頭通常有3 3探頭式和探頭式和4 4探頭式。探頭式。從實(shí)際使用考慮，按其測(cè)量點(diǎn)位置可分為俯視式、從實(shí)際使用考慮，按其測(cè)量點(diǎn)位置可分為俯視式、側(cè)視式和仰視式側(cè)視式和仰視式3 3種形式。種形式。Tianjin UniversiTy以常見(jiàn)的以常見(jiàn)的3 3探頭俯視式為例，量測(cè)探頭由探頭俯視式為例，量測(cè)探頭由3 3個(gè)接收傳感個(gè)接收傳感器和一個(gè)發(fā)射傳感器組成，器和一個(gè)發(fā)射傳感器組成，3 3個(gè)接收傳感器分別分布個(gè)接收傳感器分別分布在發(fā)射傳感器軸線的周圍，它們之間的夾角為在發(fā)射傳感器軸線

30、的周圍，它們之間的夾角為120120，接收傳感器和采樣體的連線與發(fā)射傳感器的軸線，接收傳感器和采樣體的連線與發(fā)射傳感器的軸線之間夾角為之間夾角為3030，采樣體一般位于探頭下方，采樣體一般位于探頭下方56cm56cm或或1011cm1011cm（深水或野外試驗(yàn)），這樣可以基本上消除（深水或野外試驗(yàn)），這樣可以基本上消除探頭部分對(duì)待測(cè)區(qū)水流的干擾。探頭部分對(duì)待測(cè)區(qū)水流的干擾。Tianjin UniversiTy由于由于ADVADV測(cè)量時(shí)探頭（接收傳感器和發(fā)射傳感器）必須測(cè)量時(shí)探頭（接收傳感器和發(fā)射傳感器）必須浸入水中，因此水流表面下浸入水中，因此水流表面下5cm5cm范圍內(nèi)的流動(dòng)是上述范圍內(nèi)的流

31、動(dòng)是上述俯視式探頭的測(cè)量盲區(qū)，這時(shí)采用仰視式探頭就可以俯視式探頭的測(cè)量盲區(qū)，這時(shí)采用仰視式探頭就可以彌補(bǔ)這一不足。同樣的，當(dāng)需要測(cè)量側(cè)向邊壁附近的彌補(bǔ)這一不足。同樣的，當(dāng)需要測(cè)量側(cè)向邊壁附近的流速時(shí)，側(cè)視式探頭的使用也就成為必然。流速時(shí)，側(cè)視式探頭的使用也就成為必然。信號(hào)調(diào)理器由檢測(cè)微弱信號(hào)的模擬電路組成，將接收傳信號(hào)調(diào)理器由檢測(cè)微弱信號(hào)的模擬電路組成，將接收傳感器獲取的信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過(guò)高頻電纜送入信感器獲取的信號(hào)進(jìn)行放大，然后通過(guò)高頻電纜送入信號(hào)處理器。號(hào)處理器。信號(hào)處理部分由一個(gè)單獨(dú)的電路板完成，主要完成輸出信號(hào)處理部分由一個(gè)單獨(dú)的電路板完成，主要完成輸出頻率為頻率為25Hz25Hz

32、的實(shí)時(shí)三維流速測(cè)量值的計(jì)算。的實(shí)時(shí)三維流速測(cè)量值的計(jì)算。ADVADV測(cè)量測(cè)量采用與廠家一致的坐標(biāo)系統(tǒng)和記法，即采用與廠家一致的坐標(biāo)系統(tǒng)和記法，即 、 和和 分分別代表流向、橫向和垂向流速。在實(shí)際測(cè)量時(shí)需盡量別代表流向、橫向和垂向流速。在實(shí)際測(cè)量時(shí)需盡量使使ADVADV探頭的向接收探頭對(duì)準(zhǔn)水流方向，以減少所測(cè)探頭的向接收探頭對(duì)準(zhǔn)水流方向，以減少所測(cè)流速分布中的流速偏差。流速分布中的流速偏差。Tianjin UniversiTy信號(hào)采集與處理信號(hào)采集與處理ADVADV的運(yùn)行方式采用了雙向分置式，即發(fā)射器發(fā)射的聲的運(yùn)行方式采用了雙向分置式，即發(fā)射器發(fā)射的聲束與接收器接收到的聲束構(gòu)成一個(gè)狹窄的錐體，聲

33、束與接收器接收到的聲束構(gòu)成一個(gè)狹窄的錐體，聲波能量主要濃縮在這個(gè)狹窄的錐體中，接收器對(duì)這波能量主要濃縮在這個(gè)狹窄的錐體中，接收器對(duì)這個(gè)范圍內(nèi)的能量最為敏感。發(fā)射器發(fā)出一束已知頻個(gè)范圍內(nèi)的能量最為敏感。發(fā)射器發(fā)出一束已知頻率的聲脈沖，并在水中沿其聲束軸傳播，當(dāng)脈沖通率的聲脈沖，并在水中沿其聲束軸傳播，當(dāng)脈沖通過(guò)采樣體時(shí)，能量被水中粒子（如懸浮物、小的生過(guò)采樣體時(shí)，能量被水中粒子（如懸浮物、小的生物體、氣泡等）向各個(gè)方向反射，反射的部分能量物體、氣泡等）向各個(gè)方向反射，反射的部分能量沿接收器軸被沿接收器軸被ADVADV的接收器接收，并且由信號(hào)調(diào)理部的接收器接收，并且由信號(hào)調(diào)理部分測(cè)量出頻率的變化，

34、再由信號(hào)處理部分計(jì)算出水分測(cè)量出頻率的變化，再由信號(hào)處理部分計(jì)算出水流的三維速度。流的三維速度。Tianjin UniversiTyADVADV測(cè)速點(diǎn)位置在采樣體的垂直中心上。采樣體的尺寸測(cè)速點(diǎn)位置在采樣體的垂直中心上。采樣體的尺寸取決于四個(gè)因素：發(fā)射聲束、接收聲束、脈沖長(zhǎng)度取決于四個(gè)因素：發(fā)射聲束、接收聲束、脈沖長(zhǎng)度、接收窗（返回信號(hào)的時(shí)間跨越周期）。采樣體的、接收窗（返回信號(hào)的時(shí)間跨越周期）。采樣體的水平邊界由發(fā)射聲束和接收聲束的相交部分確定，水平邊界由發(fā)射聲束和接收聲束的相交部分確定，但聲束相交部分的范圍不易確定，因此把發(fā)射聲束但聲束相交部分的范圍不易確定，因此把發(fā)射聲束和接收聲束近似假

35、定為圓柱體（對(duì)于和接收聲束近似假定為圓柱體（對(duì)于10MHz10MHz的的ADVADV，其直徑為其直徑為6mm6mm）。采樣體的垂直邊界由接收窗和脈沖）。采樣體的垂直邊界由接收窗和脈沖長(zhǎng)度的卷積確定。對(duì)于長(zhǎng)度的卷積確定。對(duì)于10MHz10MHz的的ADVADV，采用體的總高，采用體的總高度為度為9mm9mm，且可隨，且可隨ADVADV數(shù)據(jù)采集軟件中的設(shè)置改變而數(shù)據(jù)采集軟件中的設(shè)置改變而變化，如變化，如6mm6mm，3mm3mm，小的采用體可用于對(duì)邊壁附近，小的采用體可用于對(duì)邊壁附近流速分布的精細(xì)測(cè)量，但采樣體的減小意味著有效流速分布的精細(xì)測(cè)量，但采樣體的減小意味著有效粒子數(shù)的減少，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度

36、下降。粒子數(shù)的減少，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度下降。Tianjin UniversiTyADVADV信號(hào)強(qiáng)度由以分貝（信號(hào)強(qiáng)度由以分貝（dBdB）為單位的信噪比來(lái)表示，）為單位的信噪比來(lái)表示，其主要作用是檢驗(yàn)水中有無(wú)足夠的粒子，既如果水其主要作用是檢驗(yàn)水中有無(wú)足夠的粒子，既如果水中粒子過(guò)少，返回信號(hào)強(qiáng)度小于噪聲強(qiáng)度，中粒子過(guò)少，返回信號(hào)強(qiáng)度小于噪聲強(qiáng)度，ADVADV就不就不能進(jìn)行精確的速度測(cè)量。對(duì)于瞬時(shí)流速測(cè)量（如以能進(jìn)行精確的速度測(cè)量。對(duì)于瞬時(shí)流速測(cè)量（如以25Hz25Hz采樣），信噪比一般要求大于采樣），信噪比一般要求大于15dB15dB；對(duì)于平均；對(duì)于平均流速測(cè)量（如取流速測(cè)量（如取10s10s內(nèi)的

37、平均值），內(nèi)的平均值），ADVADV可以在信噪可以在信噪比為比為5dB5dB時(shí)正常工作。時(shí)正常工作。Tianjin UniversiTy下圖顯示了下圖顯示了ADVADV接收器信號(hào)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的典型剖面圖。接收器信號(hào)強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的典型剖面圖。水平軸顯示發(fā)送脈沖以后的時(shí)間，而垂直軸顯示了水平軸顯示發(fā)送脈沖以后的時(shí)間，而垂直軸顯示了被接收器量度的返回信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)射脈沖在水被接收器量度的返回信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)射脈沖在水中傳播時(shí)，聲波被水體中的各種懸浮粒子散射，其中傳播時(shí)，聲波被水體中的各種懸浮粒子散射，其中只有沿著接收傳感器軸線方向的聲束被接收，形中只有沿著接收傳感器軸線方向的聲束被接收，形成有效采樣信

38、號(hào)，而其他方向的反射聲波則不在接成有效采樣信號(hào)，而其他方向的反射聲波則不在接收器的感應(yīng)范圍，不產(chǎn)生信號(hào)。收器的感應(yīng)范圍，不產(chǎn)生信號(hào)。Tianjin UniversiTy因此，當(dāng)聲束從發(fā)射器送出后，雖然來(lái)自采樣體之外因此，當(dāng)聲束從發(fā)射器送出后，雖然來(lái)自采樣體之外的反射信號(hào)會(huì)陸續(xù)到達(dá)接收傳感器，但這時(shí)接收器的反射信號(hào)會(huì)陸續(xù)到達(dá)接收傳感器，但這時(shí)接收器獲得的僅僅是環(huán)境噪聲電平。在脈沖聲波進(jìn)入采樣獲得的僅僅是環(huán)境噪聲電平。在脈沖聲波進(jìn)入采樣體時(shí)，相應(yīng)的有效粒子反射信號(hào)開(kāi)始到達(dá)接收器，體時(shí)，相應(yīng)的有效粒子反射信號(hào)開(kāi)始到達(dá)接收器，接收信號(hào)在強(qiáng)度上逐漸增加；當(dāng)脈沖跨越接收聲束接收信號(hào)在強(qiáng)度上逐漸增加；當(dāng)脈沖

39、跨越接收聲束中心（也即采樣體中心）時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)中心（也即采樣體中心）時(shí)，相應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度到達(dá)最大值；之后，脈沖移出采樣體，接收信號(hào)強(qiáng)度又最大值；之后，脈沖移出采樣體，接收信號(hào)強(qiáng)度又減弱到環(huán)境噪聲電平。鐘形曲線的峰值對(duì)應(yīng)于發(fā)射減弱到環(huán)境噪聲電平。鐘形曲線的峰值對(duì)應(yīng)于發(fā)射聲束和接收聲束的交叉點(diǎn)，依靠采樣此時(shí)的返回信聲束和接收聲束的交叉點(diǎn)，依靠采樣此時(shí)的返回信號(hào)，號(hào)，ADVADV就完成了對(duì)采樣體區(qū)域流速的測(cè)量。就完成了對(duì)采樣體區(qū)域流速的測(cè)量。Tianjin UniversiTy不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，并非每一次脈沖聲波獲得的信息不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，并非每一次脈沖聲波獲得的信息都作為采樣結(jié)果輸出。事實(shí)

40、上，都作為采樣結(jié)果輸出。事實(shí)上，ADVADV每秒內(nèi)發(fā)射的脈每秒內(nèi)發(fā)射的脈沖數(shù)可多達(dá)沖數(shù)可多達(dá)150250150250次，但單次脈沖獲取的信號(hào)噪聲次，但單次脈沖獲取的信號(hào)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)際測(cè)量的要求，由于這種噪聲是強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)際測(cè)量的要求，由于這種噪聲是完全隨機(jī)分布的，可以通過(guò)多樣本統(tǒng)計(jì)平均的辦法完全隨機(jī)分布的，可以通過(guò)多樣本統(tǒng)計(jì)平均的辦法來(lái)削弱，因此來(lái)削弱，因此ADVADV通常將若干次脈沖的信號(hào)進(jìn)行平均通常將若干次脈沖的信號(hào)進(jìn)行平均作為一次采樣結(jié)果，已達(dá)到降低噪聲干擾的目的。作為一次采樣結(jié)果，已達(dá)到降低噪聲干擾的目的。比如，當(dāng)以比如，當(dāng)以25Hz25Hz的采樣頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次輸出的

41、采樣頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，每次輸出的采樣數(shù)據(jù)就是在的采樣數(shù)據(jù)就是在40ms40ms時(shí)間內(nèi)所測(cè)若干次脈沖信號(hào)時(shí)間內(nèi)所測(cè)若干次脈沖信號(hào)的平均結(jié)果。的平均結(jié)果。Tianjin UniversiTyADVADV的特點(diǎn)及測(cè)量精度的特點(diǎn)及測(cè)量精度ADVADV測(cè)量方法具有以下特點(diǎn)：測(cè)量方法具有以下特點(diǎn)：1 1）相對(duì)的非接觸式測(cè)量。）相對(duì)的非接觸式測(cè)量。ADVADV的采樣體位于探頭以下的采樣體位于探頭以下5cm5cm或或10cm10cm，使得其對(duì)被測(cè)區(qū)域內(nèi)流速分布的影響達(dá)，使得其對(duì)被測(cè)區(qū)域內(nèi)流速分布的影響達(dá)到最小，探頭對(duì)測(cè)點(diǎn)流速的干擾幾乎可以忽略，因此到最小，探頭對(duì)測(cè)點(diǎn)流速的干擾幾乎可以忽略，因此可以說(shuō)是一種相對(duì)的

42、非接觸式測(cè)量，但可以說(shuō)是一種相對(duì)的非接觸式測(cè)量，但ADVADV的探頭必的探頭必須淹沒(méi)于水下才能進(jìn)行測(cè)量。須淹沒(méi)于水下才能進(jìn)行測(cè)量。2 2）三維瞬時(shí)流速的測(cè)量。）三維瞬時(shí)流速的測(cè)量。ADVADV利用多普勒頻移的原理，利用多普勒頻移的原理，實(shí)現(xiàn)了三維瞬時(shí)流速的測(cè)量，并且沒(méi)有零偏置或零漂實(shí)現(xiàn)了三維瞬時(shí)流速的測(cè)量，并且沒(méi)有零偏置或零漂移的潛在可能。移的潛在可能。3 3）采樣脈沖相干技術(shù)的）采樣脈沖相干技術(shù)的ADVADV不受最小可測(cè)速度和流速方不受最小可測(cè)速度和流速方向的限制，測(cè)速精度可達(dá)向的限制，測(cè)速精度可達(dá)0.01cm/s0.01cm/s，為分析水流的，為分析水流的紊動(dòng)特性提供了極大的方便。紊動(dòng)特性

43、提供了極大的方便。Tianjin UniversiTy4 4）對(duì)于目前常見(jiàn)的）對(duì)于目前常見(jiàn)的ADVADV商品，操作者可根據(jù)測(cè)量需要商品，操作者可根據(jù)測(cè)量需要調(diào)整采樣體的大小和數(shù)據(jù)采樣頻率，如調(diào)整采樣體的大小和數(shù)據(jù)采樣頻率，如SonTekSonTek公司公司的的ADVADV產(chǎn)品，采樣體一般高度為產(chǎn)品，采樣體一般高度為9mm9mm、6mm6mm和和3mm3mm，其，其體積均小于體積均小于0.25cm0.25cm3 3，采樣頻率范圍為，采樣頻率范圍為0.125Hz0.125Hz。操。操作者還可根據(jù)需要選擇水體的溫度和鹽度，并由作者還可根據(jù)需要選擇水體的溫度和鹽度，并由ADVADV自動(dòng)計(jì)算出聲波的傳播

44、速度，從而方便地調(diào)整自動(dòng)計(jì)算出聲波的傳播速度，從而方便地調(diào)整ADVADV的的采集參數(shù)以適應(yīng)水流環(huán)境的測(cè)試要求采集參數(shù)以適應(yīng)水流環(huán)境的測(cè)試要求。Tianjin UniversiTy影響測(cè)量精度的主要因素：影響測(cè)量精度的主要因素：進(jìn)行多維測(cè)量時(shí)，進(jìn)行多維測(cè)量時(shí)，ADVADV探頭各傳感器的空間角度分布對(duì)探頭各傳感器的空間角度分布對(duì)測(cè)量結(jié)果有著顯著影響，如果各接收傳感器的軸線測(cè)量結(jié)果有著顯著影響，如果各接收傳感器的軸線與發(fā)射傳感器的軸線交點(diǎn)重合度過(guò)低，就可能直接與發(fā)射傳感器的軸線交點(diǎn)重合度過(guò)低，就可能直接導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果完全失真，這給自主開(kāi)發(fā)研制導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果完全失真，這給自主開(kāi)發(fā)研制ADVADV的實(shí)的實(shí)驗(yàn)

45、工作者提出相當(dāng)高的加工工藝要求。對(duì)于驗(yàn)工作者提出相當(dāng)高的加工工藝要求。對(duì)于ADVADV商品商品而言，廠家一般都能將該部分誤差控制在所測(cè)速度而言，廠家一般都能將該部分誤差控制在所測(cè)速度的的1%1%左右。左右。Tianjin UniversiTy除硬件外，影響除硬件外，影響ADVADV測(cè)量精度的主要因素還有以下幾點(diǎn)測(cè)量精度的主要因素還有以下幾點(diǎn)：1 1）聲波對(duì)速度測(cè)量的影響：由）聲波對(duì)速度測(cè)量的影響：由ADVADV測(cè)速原理可知，聲測(cè)速原理可知，聲波頻率和聲速的變化都會(huì)對(duì)多普勒頻移數(shù)值產(chǎn)生影波頻率和聲速的變化都會(huì)對(duì)多普勒頻移數(shù)值產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生速度測(cè)量的偏差。從理論上來(lái)講，增響，從而產(chǎn)生速度測(cè)量的

46、偏差。從理論上來(lái)講，增加聲波頻率有助于提高測(cè)量精度，但聲波頻率增大加聲波頻率有助于提高測(cè)量精度，但聲波頻率增大會(huì)導(dǎo)致粒子對(duì)聲能吸收的增加，從而加快聲波的衰會(huì)導(dǎo)致粒子對(duì)聲能吸收的增加，從而加快聲波的衰減，縮短減，縮短ADVADV的測(cè)量距離。聲速的變化受多種因素影的測(cè)量距離。聲速的變化受多種因素影響，在水中，聲速是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)，它響，在水中，聲速是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)，它們的變化將引起聲速的變化。們的變化將引起聲速的變化。Tianjin UniversiTy2 2）不同采樣頻率和采樣體高度對(duì)）不同采樣頻率和采樣體高度對(duì)ADVADV測(cè)速的影響：采測(cè)速的影響：采樣頻率的高低是控制采樣精度的

47、關(guān)鍵。頻率越高，樣頻率的高低是控制采樣精度的關(guān)鍵。頻率越高，采樣精度就越高；而采樣體高度也決定了采樣精度就越高；而采樣體高度也決定了ADVADV的測(cè)量的測(cè)量精度。不同采樣頻率對(duì)平均流速的測(cè)量影響較小，精度。不同采樣頻率對(duì)平均流速的測(cè)量影響較小，而采用不同采樣體高度測(cè)量出的結(jié)果則波動(dòng)較大，而采用不同采樣體高度測(cè)量出的結(jié)果則波動(dòng)較大，小采樣體應(yīng)用于高頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)還有待于進(jìn)一步研究小采樣體應(yīng)用于高頻測(cè)量實(shí)驗(yàn)還有待于進(jìn)一步研究論證。論證。Tianjin UniversiTy3 3）散射粒子的濃度對(duì)速度測(cè)量的影響：水體中散射）散射粒子的濃度對(duì)速度測(cè)量的影響：水體中散射粒子的濃度對(duì)多普勒頻移信號(hào)的產(chǎn)生有著直

48、接的影粒子的濃度對(duì)多普勒頻移信號(hào)的產(chǎn)生有著直接的影響，這也是造成響，這也是造成ADVADV測(cè)量誤差的一個(gè)重要來(lái)源。粒測(cè)量誤差的一個(gè)重要來(lái)源。粒子過(guò)多或過(guò)少都會(huì)引起噪聲數(shù)據(jù)的增加：如果散射子過(guò)多或過(guò)少都會(huì)引起噪聲數(shù)據(jù)的增加：如果散射粒子很少，產(chǎn)生的反射信號(hào)就很微弱，容易導(dǎo)致噪粒子很少，產(chǎn)生的反射信號(hào)就很微弱，容易導(dǎo)致噪聲掩蓋信號(hào)，所測(cè)速度可能失真；如果粒子濃度過(guò)聲掩蓋信號(hào)，所測(cè)速度可能失真；如果粒子濃度過(guò)大，產(chǎn)生的信號(hào)之間將互相干擾，更重要的是聲波大，產(chǎn)生的信號(hào)之間將互相干擾，更重要的是聲波被吸收的聲能會(huì)隨粒子濃度的增大而增大，導(dǎo)致聲被吸收的聲能會(huì)隨粒子濃度的增大而增大，導(dǎo)致聲波快速衰減，測(cè)量距

49、離迅速減小，這也是波快速衰減，測(cè)量距離迅速減小，這也是ADVADV難以難以應(yīng)用到高含沙水流測(cè)量中的制約因素。應(yīng)用到高含沙水流測(cè)量中的制約因素。Tianjin UniversiTy此外，在進(jìn)行邊壁附近流速的測(cè)量時(shí)，來(lái)自邊壁的反此外，在進(jìn)行邊壁附近流速的測(cè)量時(shí)，來(lái)自邊壁的反射信號(hào)往往比來(lái)自粒子的信號(hào)強(qiáng)得多，從而造成對(duì)射信號(hào)往往比來(lái)自粒子的信號(hào)強(qiáng)得多，從而造成對(duì)測(cè)點(diǎn)速度的干擾。因?yàn)檫叡谕ǔＪ遣粍?dòng)的，所以典測(cè)點(diǎn)速度的干擾。因?yàn)檫叡谕ǔＪ遣粍?dòng)的，所以典型的信號(hào)特性就是速度趨于零，這種測(cè)量失真的情型的信號(hào)特性就是速度趨于零，這種測(cè)量失真的情況還是比較容易發(fā)現(xiàn)的；但對(duì)移動(dòng)邊壁或不規(guī)則邊況還是比較容易發(fā)現(xiàn)的；

50、但對(duì)移動(dòng)邊壁或不規(guī)則邊壁附近的流速測(cè)量，信號(hào)失真的判斷就需要非常細(xì)壁附近的流速測(cè)量，信號(hào)失真的判斷就需要非常細(xì)心的操作。心的操作。Tianjin UniversiTy6.激光多普勒流速儀激光多普勒流速儀Tianjin UniversiTy激光多普勒流速儀（激光多普勒流速儀（laser Doppler velocimeterlaser Doppler velocimeter，LDVLDV）是一種利用激光多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量流體或固）是一種利用激光多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量流體或固體運(yùn)動(dòng)速度的儀器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，體運(yùn)動(dòng)速度的儀器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LDVLDV是利用流體中是利用流體中散射粒子或固體表面對(duì)入射激光進(jìn)行散射，并

51、通過(guò)散射粒子或固體表面對(duì)入射激光進(jìn)行散射，并通過(guò)光電探測(cè)器測(cè)得此散射光的多普勒頻移，由于該散光電探測(cè)器測(cè)得此散射光的多普勒頻移，由于該散射光的多普勒頻移與散射粒子的速度呈簡(jiǎn)單線性關(guān)射光的多普勒頻移與散射粒子的速度呈簡(jiǎn)單線性關(guān)系，據(jù)此換算得到流體或固體表面的運(yùn)動(dòng)速度。通系，據(jù)此換算得到流體或固體表面的運(yùn)動(dòng)速度。通過(guò)調(diào)節(jié)激光光束，過(guò)調(diào)節(jié)激光光束，LDVLDV可以精確地控制被測(cè)空間的可以精確地控制被測(cè)空間的大小，使光束在被測(cè)點(diǎn)聚焦成很小的測(cè)量區(qū)域，因大小，使光束在被測(cè)點(diǎn)聚焦成很小的測(cè)量區(qū)域，因此空間分辨率很高，典型的分辨率為此空間分辨率很高，典型的分辨率為2010020100m mm m，在，在測(cè)量

52、精度上超過(guò)其他任何方法。測(cè)量精度上超過(guò)其他任何方法。Tianjin UniversiTy從原理上來(lái)看，從原理上來(lái)看，LDVLDV具有輸出信號(hào)的頻率和速度呈線性具有輸出信號(hào)的頻率和速度呈線性關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)，并能覆蓋很寬的一個(gè)流速范圍，從每關(guān)系的優(yōu)點(diǎn)，并能覆蓋很寬的一個(gè)流速范圍，從每秒幾毫米的速度到超音速均可以測(cè)量，并且不受壓秒幾毫米的速度到超音速均可以測(cè)量，并且不受壓力、溫度、密度和粘度等流場(chǎng)參數(shù)的影響。通常情力、溫度、密度和粘度等流場(chǎng)參數(shù)的影響。通常情況下，在液體中散射粒子的多普勒信號(hào)是連續(xù)的，況下，在液體中散射粒子的多普勒信號(hào)是連續(xù)的，因此，因此，LDVLDV的響應(yīng)不存在滯后，能夠跟上紊流的快速

53、的響應(yīng)不存在滯后，能夠跟上紊流的快速脈動(dòng)；在采用近代光機(jī)電一體化技術(shù)后，可以比較脈動(dòng)；在采用近代光機(jī)電一體化技術(shù)后，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)二維、三維流動(dòng)的測(cè)量，并獲得各種復(fù)容易地實(shí)現(xiàn)二維、三維流動(dòng)的測(cè)量，并獲得各種復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量信息。雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量信息。Tianjin UniversiTyLVDLVD的主要優(yōu)點(diǎn)在于非接觸測(cè)量、線性特性、較高的空的主要優(yōu)點(diǎn)在于非接觸測(cè)量、線性特性、較高的空間分辨率和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方面具間分辨率和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)方面具有卓越的優(yōu)勢(shì)，也已成為當(dāng)前科學(xué)研究和實(shí)際工程有卓越的優(yōu)勢(shì)，也已成為當(dāng)前科學(xué)研究和實(shí)際工程中測(cè)量復(fù)雜流場(chǎng)流動(dòng)速度和固體表面運(yùn)動(dòng)速度的一中測(cè)量復(fù)雜流場(chǎng)流動(dòng)速度和固體表面運(yùn)動(dòng)速度的一種有力手段，應(yīng)用范圍也從最初的流速測(cè)量領(lǐng)域擴(kuò)種有力手段，應(yīng)用范圍也從最初的流速測(cè)量領(lǐng)域擴(kuò)展到風(fēng)洞速度場(chǎng)測(cè)量、邊界層流測(cè)量、兩相流測(cè)量展到風(fēng)洞速度場(chǎng)測(cè)量、邊界層流測(cè)量、兩相流測(cè)量以及噴氣過(guò)程和燃燒過(guò)程等方面的研究。以及噴氣過(guò)程和燃燒過(guò)程等方面的研究。Tianjin UniversiTy優(yōu)點(diǎn)：非接