第9章典型光電測(cè)試系統(tǒng)

1、 光電檢測(cè)系統(tǒng)的類型 直接檢測(cè) 光外差檢測(cè)(相干檢測(cè)) 典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)第九章第九章 光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)光電信號(hào)檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)光電檢測(cè)系統(tǒng)分類 主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分) 紅外系統(tǒng)/紫外/可見(jiàn)光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分) 點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分) 模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分) 直接檢測(cè)？/光外差干涉檢測(cè)系統(tǒng)？(相干檢測(cè))9.1光電信號(hào)檢測(cè)種類 按照光信號(hào)的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率和光譜檢測(cè)屬性，分別講述光電信號(hào)的基本檢測(cè)方法。9.1.19.1.1光強(qiáng)度型信號(hào)檢測(cè)光強(qiáng)度型信號(hào)檢測(cè) 可以分為直接檢測(cè)和調(diào)制檢測(cè)兩種方法 。一.光強(qiáng)度型光電信號(hào)的直接檢測(cè)方法： 輻射式

2、、透射式、遮擋式和反射式等四種基本檢測(cè)形式 （a).輻射式直接檢測(cè)方法879年德國(guó)物理學(xué)家斯特藩:黑體單位表面積在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的全輻射輻射度M，與它的絕對(duì)溫度T的四次方成正比，即 4TM式中為“斯特藩-玻耳茲曼常量”（ 5.6710-8Wm-2K-4），為輻射發(fā)射率 9.1光電信號(hào)檢測(cè)種類(b). 透射式直接檢測(cè)方法 假設(shè)待測(cè)介質(zhì)是均勻的，探測(cè)光透過(guò)待測(cè)介質(zhì)后的光通量可以表達(dá)為 de0 式中為入射到介質(zhì)前的光通量，為介質(zhì)的吸收系數(shù)，d為介質(zhì)的厚度。對(duì)于均勻的液體或氣體介質(zhì).在探測(cè)液體或氣體濃度時(shí)，為提高探測(cè)的靈敏度，應(yīng)盡量增加探測(cè)光透過(guò)介質(zhì)的長(zhǎng)度d .9.1光電信號(hào)檢測(cè)種類(c).遮擋式直接

3、檢測(cè)方法 如圖5-2所示為光電產(chǎn)品自動(dòng)計(jì)數(shù)系統(tǒng)示意圖，每個(gè)產(chǎn)品經(jīng)過(guò)成對(duì)配置的光源光束和光電探測(cè)器時(shí)，都實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的一次遮擋，對(duì)應(yīng)光電探測(cè)器的一個(gè)脈沖信號(hào)，然后通過(guò)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的計(jì)數(shù)。類似的應(yīng)用還包括商場(chǎng)出入人數(shù)統(tǒng)計(jì)、住宅安全監(jiān)控報(bào)警以及電梯自動(dòng)啟停開(kāi)關(guān)等等.9.1光電信號(hào)檢測(cè)種類(c).遮擋式直接檢測(cè)方法 如圖5-3所示是一種遮擋補(bǔ)償式軸徑檢測(cè)原理圖，將平行光束1投射到待測(cè)物體軸上，部分光束被軸徑遮擋，被遮擋光強(qiáng)通量的大小反映了待測(cè)軸徑的大小，其后的光電探測(cè)器1將未經(jīng)遮擋的光轉(zhuǎn)化為光電流I1和相應(yīng)的負(fù)載電壓U1。作為補(bǔ)償式光強(qiáng)檢測(cè)結(jié)構(gòu).)(210UUKU9.1光電信號(hào)檢測(cè)種類(d).

4、反射式直接檢測(cè)方法 鏡面反射鏡面反射檢測(cè)方法通常用于判斷光信號(hào)的有無(wú)，在光準(zhǔn)直、轉(zhuǎn)速測(cè)量以及激光測(cè)距技術(shù)中多有應(yīng)用。而漫反射漫反射檢測(cè)方法則不同，其反射光只有一部分入射到光電探測(cè)器件上，入射到光電探測(cè)器上的光強(qiáng)大小與漫反射表面材料、表面粗糙度以及表面缺陷等因素有關(guān)，因此光電探測(cè)器的信號(hào)輸出可以反映漫反射表面的材料性能、粗糙度大小或者表面的缺陷。 根據(jù)待測(cè)反射物體的不同，光反射檢測(cè)方法有鏡面反射和漫反射兩種，在光電檢測(cè)技術(shù)中有著不同的應(yīng)用。9.1光電信號(hào)檢測(cè)種類 按照光信號(hào)的強(qiáng)度、相位、偏振、頻率和光譜檢測(cè)屬性，分別講述光電信號(hào)的基本檢測(cè)方法。9.1.19.1.1光強(qiáng)度型信號(hào)檢測(cè)光強(qiáng)度型信號(hào)檢測(cè)

5、 可以分為直接檢測(cè)和調(diào)制檢測(cè)兩種方法 。一.光強(qiáng)調(diào)制檢測(cè)方法 圖5-9 光強(qiáng)正弦調(diào)制盤(pán) 圖5-9 光強(qiáng)正弦調(diào)制盤(pán) 圖5-9 光強(qiáng)正弦調(diào)制盤(pán) 圖5-9 光強(qiáng)正弦調(diào)制盤(pán) 電光調(diào)制(P196):電致晶體雙折射 聲光調(diào)制(P199):聲學(xué)光柵衍射 磁光調(diào)制(P206):法拉第磁光效應(yīng)(法拉第磁旋)二二.光信號(hào)的三種調(diào)制方法光信號(hào)的三種調(diào)制方法9.1.2光相位型信號(hào)檢測(cè)9.1.3光偏振型信號(hào)檢測(cè) 在高壓傳輸線中，要檢測(cè)傳輸電流，最理想的檢測(cè)方法就是利用光纖傳感器進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)機(jī)理就是石英材料的法拉第磁旋效應(yīng)，即傳輸線中的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，引起光纖中信號(hào)光的偏振方向發(fā)生變化，檢測(cè)這種變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通電電流的

6、檢測(cè). RVLI2式中，V為維爾德常數(shù)，L為線圈與光纖間的作用長(zhǎng)度，R為通電線圈的直徑。212122sinEEEE2121EEEEVLRI由聚焦透鏡進(jìn)入屋拉斯頓棱鏡分解出兩振動(dòng)方向垂直的偏振光a和b，經(jīng)光電探測(cè)器接收，其信號(hào)大小為E1和E2 .9.1.4 光頻率型信號(hào)檢測(cè) 光學(xué)多普勒效應(yīng)差頻檢測(cè)方法光學(xué)多普勒效應(yīng)差頻檢測(cè)方法 :類似于聲學(xué)的多普勒效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)物體改變?nèi)肷涞狡渖系墓庑盘?hào)頻率的現(xiàn)象被稱作光學(xué)多普勒效應(yīng)。通過(guò)對(duì)光學(xué)多普勒效應(yīng)進(jìn)行分析表明：當(dāng)頻率為的單色光入射到以速度v運(yùn)動(dòng)的物體上，被物體散射的光波頻率 會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移.9.1.4 光頻率型信號(hào)檢測(cè) 薩格納克效應(yīng)差頻檢測(cè)方法薩格納克效應(yīng)

7、差頻檢測(cè)方法 : : 當(dāng)封閉的光路相對(duì)于慣性系空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)角速度時(shí)，則順時(shí)針傳輸光路與逆時(shí)針傳輸光路之間將形成與轉(zhuǎn)速成正比的光程差L，其大小滿足關(guān)系cos4cAL式中，c為光速，A為封閉光路包圍的面積，為角速度矢量與面積A的法線間的夾角，如圖5-19所示。當(dāng)光路平面垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí) cAL49.1.5光譜型信號(hào)檢測(cè) 運(yùn)用吸收方法實(shí)現(xiàn)光譜檢測(cè)系統(tǒng)的兩種典型布局如圖2-21（a）和（b）所示，主要由四個(gè)組成部分，即：光源，固定或放置被檢試樣的容器，分光系統(tǒng)，檢測(cè)器件及信號(hào)處理 .9.2 直接檢測(cè)的基本原理 直接檢測(cè)(非相干檢測(cè)):都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息,直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的

8、變化。單通道測(cè)量變化雙通道測(cè)量變化II0I=MKIK SKSMMM 00I0KKKSM， 0I SKM 照明光通量為恒定，樣品透光率為，透過(guò)樣品后光強(qiáng)為，PIN靈敏度為 ，放大器增益為，電表傳遞系數(shù)為則： 例如：液體樣品的光透光率的檢測(cè)直接檢測(cè)的基本特性 光探測(cè)器的平方律特性 光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方 輸出的電功率正比于入射光功率的平方 信噪比：表征檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度 視場(chǎng)角:表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍 通頻帶寬度:頻帶寬度越寬，通過(guò)信號(hào)的能量越大，系統(tǒng)的噪聲功率也越大 檢測(cè)距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評(píng)價(jià)指標(biāo)222)(AhqtEhqSPIpLLppRPhqRIS222返回返回0其中，9

9、.2.1 三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù) 引言： 激光三角法是激光測(cè)試技術(shù)的一種，也是激光技術(shù)在工業(yè)測(cè)試中的一種較為典型的測(cè)試方法。 該方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)試速度快、實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)、使用靈活方便等特點(diǎn)，在長(zhǎng)度、距離以及三維形貌等的測(cè)試中有廣泛地應(yīng)用。9.2.2 三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)激光器會(huì)聚透鏡a接收透鏡光電探測(cè)器xxba）直射式結(jié)構(gòu)cossinxbaxx9.2.2 三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)激光器會(huì)聚透鏡2a接收透鏡光電探測(cè)器xxb1b）斜射式結(jié)構(gòu))cos()sin(cos21211xbaxx9.2.2 三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù)在上述的三角法測(cè)

10、量原理中，要計(jì)算被測(cè)面的位移量，需要知道距離a，而在實(shí)際應(yīng)用中，一般很難知道a的具體值，或者知道其值但準(zhǔn)確度也不高，影響系統(tǒng)的測(cè)試準(zhǔn)確度。實(shí)際應(yīng)用中可以采用另一種表述方式，如圖所示有下列關(guān)系:zb圖7-16 三角法原理示意圖激光器fxtanbz / tanxf/ xbfz 9.2.2 三角法測(cè)試技術(shù)三角法測(cè)試技術(shù) 激光三角法測(cè)量技術(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度受傳感器自身因素和外部因素的影響。 傳感器自身影響因素主要包括:光學(xué)系統(tǒng)的像差;光點(diǎn)大小和形狀;探測(cè)器固有的位置檢測(cè)不確定度和分辨力;探測(cè)器暗電流和外界雜散光的影響;探測(cè)器檢測(cè)電路的測(cè)量準(zhǔn)確度和噪聲;電路和光學(xué)系統(tǒng)的溫度漂移等等。 測(cè)量準(zhǔn)確度的外部影響因

11、素主要有:被測(cè)表面傾斜;被測(cè)表面光澤、粗糙度、表面顏色等。 在使用之前必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。)(cos)()2(cos)(2cos121)(2cos121),(cos)cos(),(222x,yt-EEx,ytEEx,ytEtEyxtEtEtyxItrtrtrtr),(cos2/2/),(22yxtEEEEtyxitrtr )/1/(2),(),(00vttyxyx/2vfv2fv2nVfv tttttfNLLtvtvtf0000d22 2d2d2d 所以由于fffffffDD00ss() 9.4 9.4 典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)典型的光電檢測(cè)系統(tǒng) 你所知道的光電檢測(cè)系統(tǒng)? 你能講一講光電檢測(cè)系統(tǒng)?

12、 你能評(píng)一評(píng)光電檢測(cè)系統(tǒng)?典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)典型的光電檢測(cè)系統(tǒng) 直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制） 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 激光測(cè)距儀 環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng) 光外差檢測(cè)系統(tǒng) 激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制） 多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制） 光外差通信9.4.1莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 莫爾條紋的原理 將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度,透過(guò)光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強(qiáng)調(diào)制作用 長(zhǎng)光柵莫爾條紋的形式 橫向條紋:P1=P2, 很小; 縱向條紋: P1P2, =0;斜條紋: P1P2, 很小. 莫爾條紋演示縱向條紋橫向條紋莫爾條紋的特性 光柵的節(jié)距比光的波長(zhǎng)大很多. 莫爾條紋

13、的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角(rad)之間的關(guān)系為： 當(dāng)兩光柵沿垂直于柵線的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動(dòng)光柵每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)寬度 因?yàn)楹苄?，放大倍?shù)很大例如: =20,K=172PPB2tan21PBK斜向條紋莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺(tái)固定一塊為長(zhǎng)光柵工作臺(tái)前后移動(dòng)的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)得到指示光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋變化一周指示光柵移動(dòng)的距離為： ：指示光柵移動(dòng)距離中包含的光柵線對(duì)數(shù)，：小于個(gè)光柵節(jié)距的小數(shù)簡(jiǎn)單光柵讀數(shù)頭：燈，：聚光鏡，：指示光柵，：長(zhǎng)光柵，：光電探測(cè)器 NPx莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 光電

14、探測(cè)器接收到的明暗變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)； 通過(guò)對(duì)莫爾條紋的直接測(cè)量，可以測(cè)的光柵的位移量； 在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細(xì)分裝置進(jìn)行細(xì)分，可讀取位移的分?jǐn)?shù)，提高測(cè)量的靈敏度和精度光柵輸出信號(hào)波形莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀的應(yīng)用 工業(yè)自動(dòng)化中的核心測(cè)控部件 小型智能化的長(zhǎng)度測(cè)試儀器，用于對(duì)長(zhǎng)度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測(cè)量。 新一代的計(jì)量測(cè)試工具 某些幾何量計(jì)量檢測(cè)儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 某些物理量的計(jì)量檢測(cè)儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 納米級(jí)測(cè)量的重要儀器 非接觸在線測(cè)量控制儀器9.4.2激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀的類型脈沖激光測(cè)距儀相位激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀的特點(diǎn)測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)量精度高結(jié)構(gòu)小巧、攜帶方便快速、非

15、接觸式距離測(cè)量激光對(duì)點(diǎn)準(zhǔn)確受氣象條件影響較大激光測(cè)距儀廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防軍事、科學(xué)技術(shù)。一、脈沖激光測(cè)距儀 測(cè)距原理： 由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后接受目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖，通過(guò)測(cè)量光脈沖往返所經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)計(jì)算出目標(biāo)的距離。 測(cè)距儀原理： 由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受系統(tǒng)，門(mén)控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器和計(jì)數(shù)器等組成。脈沖激光測(cè)距儀的原理框圖脈沖激光測(cè)距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器低噪聲寬帶放大器整形電路門(mén)控電路時(shí)鐘脈沖振蕩器計(jì)數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調(diào)（調(diào)Q/鎖模）鎖模）電源發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片 激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號(hào)和回波信號(hào)。 回波脈

16、沖經(jīng)光電探測(cè)器變換成電信號(hào)，再經(jīng)放大和整形后，將電子門(mén)打開(kāi)，使通過(guò)電子門(mén)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)回波脈沖（負(fù)與門(mén)）到來(lái)時(shí)，關(guān)閉電子們。 在參考和回波脈沖之間計(jì)數(shù)器所接收到的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)代表來(lái)被測(cè)距離。 時(shí)鐘頻率越高，測(cè)量的分辨率越高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時(shí)間。脈沖測(cè)距波形二、相位激光測(cè)距儀 相位測(cè)距原理： 相位激光測(cè)距是用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。 若調(diào)制光角頻率為，在待測(cè)量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t 可表示為： t=/距離L可表示為 式中： 信號(hào)往返測(cè)線一

17、次產(chǎn)生的總的相位延遲。 調(diào)制信號(hào)的角頻率，=2f。 cctL2120fLN：測(cè)線所包含調(diào)制波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。N：測(cè)線所包含不足波長(zhǎng)的小數(shù)部分。 ：稱為測(cè)尺長(zhǎng)，又稱“光尺”。0L相位延遲：被測(cè)距離：NNN2)(2)()(2NNNNfcL距離的測(cè)量變成了測(cè)線所包含波長(zhǎng)個(gè)數(shù)和不足一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分的測(cè)量。 測(cè)量信號(hào)相位的方法都不能確定出相位的整周期數(shù)N，只能測(cè)定不足2的尾數(shù)N。由于N值不確定，距離L就成為多值解。 測(cè)程長(zhǎng)，精度低；反之，精度高，則測(cè)程短 用兩個(gè)頻率的波（兩個(gè)不同的光尺）進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)用來(lái)測(cè)量距離的大數(shù)，另一個(gè)用于精確測(cè)量距離的尾數(shù)。 就可以既擴(kuò)大測(cè)程又保證精度。 如果需要還可以用更多的頻率測(cè)

18、量。差頻相位檢測(cè)原理主振ed光調(diào)制混頻em相位計(jì)本振el混頻er光電接收反射器ems 調(diào)制頻率越高,測(cè)量精度越高.但是,一般相位計(jì)工作在低頻區(qū). 差頻后兩信號(hào)都工作在低頻區(qū),但相位差仍保持高頻信號(hào)的相位差s.差頻后差頻后:相位激光測(cè)距儀的原理精主振f1粗主振f2精本振f1fc粗本振f2fc開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)發(fā)光管光電二極管放大器基準(zhǔn)混頻器信號(hào)混頻器相位計(jì)運(yùn)算顯示指令發(fā)射物鏡接收物鏡精主振f1(高頻)和粗主振f2 (低頻) ，由開(kāi)關(guān)控制依次對(duì)發(fā)光管供電進(jìn)行兩次測(cè)相檢相器只能工作于較低頻率，故設(shè)立精本振頻率f1-fc，粗本振頻率f2-fc基準(zhǔn)混頻器對(duì)本振電壓和主振電壓進(jìn)行混頻外差，進(jìn)行外差，輸出低頻fc的基

19、準(zhǔn)電壓信號(hào)混頻器對(duì)本振電壓和輸出信號(hào)進(jìn)行混頻外差，輸出低頻fc的信號(hào)電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓的有相同的頻率,但相位差仍保持高頻信號(hào)的相位差.由相檢計(jì)檢出相位差.兩次測(cè)相的結(jié)果輸入計(jì)算電路計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。相位激光測(cè)距儀的原理圖9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)一一. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 當(dāng)波源與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所接當(dāng)波源與觀測(cè)者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所接收到的頻率不等于波源振動(dòng)頻率，此現(xiàn)象稱為多收到的頻率不等于波源振動(dòng)頻率，此現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)普勒效應(yīng)。 多普勒在其聲學(xué)理論中指出，在聲源、介質(zhì)、觀多普勒在其聲學(xué)理論中指

20、出，在聲源、介質(zhì)、觀測(cè)者存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的聲波頻率測(cè)者存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的聲波頻率與聲源頻率不同的現(xiàn)象就是聲學(xué)多普勒效應(yīng)。與聲源頻率不同的現(xiàn)象就是聲學(xué)多普勒效應(yīng)。 愛(ài)因斯坦在愛(ài)因斯坦在論物體的電動(dòng)力學(xué)論物體的電動(dòng)力學(xué)中指出，當(dāng)光中指出，當(dāng)光源與觀測(cè)者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的光波源與觀測(cè)者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接收到的光波頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普頻率與光源頻率不同，即存在光（電磁波）多普勒效應(yīng)。勒效應(yīng)。9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù) 概述概述 1842年奧地利科學(xué)家年奧地利科學(xué)家Doppler等人首次發(fā)現(xiàn)，任等人首次發(fā)現(xiàn)，任何形式的波傳

21、播，波源、接收器、傳播介質(zhì)或散何形式的波傳播，波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng)會(huì)使頻率發(fā)生變化射體的運(yùn)動(dòng)會(huì)使頻率發(fā)生變化多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)。 1964年，年，Yeh和和Cummins觀察到水流中粒子的散觀察到水流中粒子的散射光有頻移，首次證實(shí)了可用激光多普勒頻移技射光有頻移，首次證實(shí)了可用激光多普勒頻移技術(shù)來(lái)確定粒子流動(dòng)速度。術(shù)來(lái)確定粒子流動(dòng)速度。 目前，激光多普勒頻移技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到流體目前，激光多普勒頻移技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測(cè)量生產(chǎn)中的速度測(cè)量。9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普

22、勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理）聲多普勒效應(yīng)原理 聲波是依賴于介質(zhì)傳播的，離開(kāi)介質(zhì)就談不上波聲波是依賴于介質(zhì)傳播的，離開(kāi)介質(zhì)就談不上波的存在。的存在。 設(shè)聲源的頻率為設(shè)聲源的頻率為 f，聲波在媒質(zhì)中的速度為，聲波在媒質(zhì)中的速度為v，波，波長(zhǎng)長(zhǎng)=v/f聲源不動(dòng)，觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)以速度聲源不動(dòng)，觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)以速度v1運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng) 設(shè)聲源相對(duì)于介質(zhì)靜止，觀測(cè)者迎向聲源運(yùn)動(dòng)，設(shè)聲源相對(duì)于介質(zhì)靜止，觀測(cè)者迎向聲源運(yùn)動(dòng)，則聲波相對(duì)于觀測(cè)者的速度不再是則聲波相對(duì)于觀測(cè)者的速度不再是v，而是，而是v+v1，則觀測(cè)者接收到聲波的頻率為

23、則觀測(cè)者接收到聲波的頻率為 同理，觀測(cè)者背離聲源有同理，觀測(cè)者背離聲源有 /111fvvvfvvvvvf 1fvvvf9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理）聲多普勒效應(yīng)原理聲源相對(duì)于媒質(zhì)以速度聲源相對(duì)于媒質(zhì)以速度v2運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)者靜止于媒運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)者靜止于媒質(zhì)中質(zhì)中 設(shè)聲源設(shè)聲源S相對(duì)于媒質(zhì)以速度相對(duì)于媒質(zhì)以速度v2迎著觀測(cè)者迎著觀測(cè)者D運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。波源在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按照自己的頻率振動(dòng)，一個(gè)周波源在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按照自己的頻率振動(dòng)，一個(gè)周期內(nèi)完成一次全振動(dòng)，在媒質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)完整波期內(nèi)完成一次全

24、振動(dòng)，在媒質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)完整波形；同時(shí)在形；同時(shí)在T內(nèi)，波源前進(jìn)了內(nèi)，波源前進(jìn)了v2T距離，波長(zhǎng)變?yōu)榫嚯x，波長(zhǎng)變?yōu)門(mén)vvTvvTTv)(222S1S2v2Dv2T )(22fvvvTvvvvf 2fvvvf9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)1）聲多普勒效應(yīng)原理）聲多普勒效應(yīng)原理聲源和觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，速度分別為聲源和觀測(cè)者相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，速度分別為v2和和v1綜合上述情況，可以得到：綜合上述情況，可以得到： 21fvvvvf9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)

25、激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理）光多普勒效應(yīng)原理 對(duì)于任何慣性系，光在真空中的傳播速度都相同，對(duì)于任何慣性系，光在真空中的傳播速度都相同，所以，光源和觀測(cè)者誰(shuí)相對(duì)于誰(shuí)運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，所以，光源和觀測(cè)者誰(shuí)相對(duì)于誰(shuí)運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，只取決于相對(duì)速度的大小。如圖示。只取決于相對(duì)速度的大小。如圖示。yDOK 系系K 系系O xxys1s2r1r2v12ttNfs9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理）光多普勒效應(yīng)原理 在觀測(cè)者所在坐標(biāo)系在觀測(cè)者所在坐標(biāo)系K中來(lái)看，

26、此波列發(fā)射始于中來(lái)看，此波列發(fā)射始于t1時(shí)刻（光源在時(shí)刻（光源在S1處），接收這個(gè)波列的時(shí)刻是處），接收這個(gè)波列的時(shí)刻是yDOK 系系K 系系O xxys1s2r1r2vcrt111cos)(1212222ttcvcrtcrtcos)(1212ttvrr12tt 9.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理）光多普勒效應(yīng)原理cvttcos1)(12129.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二. 激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)激光多普勒測(cè)速技術(shù)基礎(chǔ)1. 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)2）光多普勒效應(yīng)原理）光多普勒效應(yīng)原理 觀測(cè)者接收光波的頻率為觀測(cè)者接收光波的頻率為cvttNNfDcos1)(1212221212/1cvttttcvttcvNfDcos1) (/1122212ttNfssDfvcvcfcos229.4.3 激光多普勒測(cè)速技術(shù)激光多普勒測(cè)速技術(shù)二二.激光多普勒測(cè)速