第06章流速測(cè)量2-(LDV)

第6章流速測(cè)量測(cè)壓管與測(cè)速技術(shù)熱線熱膜風(fēng)速儀激光多普勒測(cè)速技術(shù)粒子圖像測(cè)速技術(shù)第6.3節(jié)激光多普勒測(cè)速LDV:LaserDopplerVelocityLDV是激光在熱工測(cè)量中比較成熟的一種應(yīng)用。非接觸測(cè)量技術(shù)。具有一切非接觸測(cè)量具有的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于小尺寸流道的流速測(cè)量和困難環(huán)境條件下（如低溫、低速、高溫、高速等）的流速測(cè)量；LDV已經(jīng)應(yīng)用于火焰、燃燒混合物中流速的測(cè)量、旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的流速測(cè)量。特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量準(zhǔn)確、僅對(duì)速度敏感而與流體其他參數(shù)(如溫度、壓力、密度、成分等)無(wú)關(guān)。本節(jié)內(nèi)容6.3.0光學(xué)和激光的基礎(chǔ)知識(shí)6.3.1多普勒頻移6.3.2激光多普勒測(cè)速原理－差動(dòng)多普勒技術(shù)6.3.3多普勒測(cè)速的光學(xué)系統(tǒng)6.3.4信號(hào)處理系統(tǒng)6.3.5散射粒子6.3.6實(shí)例6.3.0光學(xué)和激光的基礎(chǔ)知識(shí)1960年，美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室的H.Maiman成功地制成了第一臺(tái)激光器。

Laser(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光的優(yōu)點(diǎn)：高度方向性；單色性；相干性；高亮度；超短脈沖；可調(diào)諧性；1.光的基本性質(zhì)光具有波粒二象性光是電磁波，具有波動(dòng)的性質(zhì)，有一定的頻率和波長(zhǎng)。光波是交變電磁場(chǎng)在空間的傳播，既是電矢量E的振動(dòng)和傳播，同時(shí)也是磁矢量B的振動(dòng)和傳播。光是光子流，光子是具有一定能量和動(dòng)量的物質(zhì)粒子。光矢量---光對(duì)人眼的感覺、膠片的感光及在其它一般現(xiàn)象中起的主要作用是電矢量E。因此，習(xí)慣上常把電矢量E稱為光矢量。設(shè)光波沿z軸方向傳播，則光矢量的振動(dòng)方向必在與z軸垂直的xy平面內(nèi)。平面波---在光波場(chǎng)中，光波相位相同的空間各點(diǎn)所連成的面稱為波面或同相面。波面是平面的波稱為平面波。單色平面波--具有單一頻率的平面波稱為單色平面波。光的頻率：光矢量每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)。光的波長(zhǎng)：振動(dòng)狀態(tài)在經(jīng)歷一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)向前傳播的距離。各種不同頻率的光在真空中的傳播速度均等于c。式中 0---真空中的波長(zhǎng)

c---真空中的光速光在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，保持其原有頻率不變，速度v各不相同。各種介質(zhì)的折射率n總大于1，所以v總是小于c。不同介質(zhì)的折射率不同，光速不同，所以同頻率的光在不同介質(zhì)中的波長(zhǎng)也不同。光在折射率為n的介質(zhì)中的波長(zhǎng)是真空中波長(zhǎng)o的1/n光的量子描述：光場(chǎng)是由一個(gè)個(gè)光子組成，光子是光的最小單位。物質(zhì)發(fā)光是發(fā)射一系列光子，吸收光也就是吸收光子。2.光的反射和折射反射定律反射角等于入射角。折射定律：

3.光的干涉和衍射(1).光的干涉如果兩個(gè)頻率相等，相位關(guān)系始終保持不變的電磁波在相遇處振動(dòng)方向幾乎沿著同一直線，則它們疊加后產(chǎn)生的合振動(dòng)可能在有些地方加強(qiáng)，有些地方減弱，這一強(qiáng)度按空間周期性變化的現(xiàn)象稱為干涉。光的干涉現(xiàn)象是幾束光相互疊加的結(jié)果。(2).光的衍射光繞過障礙物偏離直線傳播而進(jìn)入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)光強(qiáng)不均勻分布的現(xiàn)象，稱為光的衍射。衍射現(xiàn)象的出現(xiàn)與否，主要決定于障礙物線度與波長(zhǎng)大小的對(duì)比。只有在光源離障礙物足夠遠(yuǎn)時(shí)，衍射現(xiàn)象才明顯地表現(xiàn)出來(lái)。4.光的偏振性偏振：光波的電矢量振動(dòng)方向、對(duì)于傳播方向的不對(duì)稱性稱為偏振。線偏振：電矢量只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)的光為線偏振光。自然光中包含許多彼此獨(dú)立的線偏振光，它們的電矢量可取不同的方位。自然光可以看成是兩個(gè)振幅相同、振動(dòng)相互垂直的、非相干的線偏振光的疊加。5.激光的工作原理工作物質(zhì)(A)激勵(lì)系統(tǒng)(P)光學(xué)諧振腔(M1,M2)6.激光的特性激光的方向性——將能量集中在很小的立體角中；激光的單色性——譜線寬度越小，單色性越好；激光的亮度；激光的相干性。7.激光的縱模和橫模在平行平面鏡腔內(nèi)，只有當(dāng)光在介質(zhì)中的波長(zhǎng)q滿足

q×q=2L(q為正整數(shù)，L為腔長(zhǎng)）時(shí)，在腔內(nèi)才能形成穩(wěn)定的駐波。滿足上式的某些特定波長(zhǎng)的光才可能在腔內(nèi)形成激光，這些特定波長(zhǎng)的激光稱為縱模。對(duì)應(yīng)于諧振腔中縱向不同的、穩(wěn)定的光場(chǎng)分布是不同的縱模。光場(chǎng)在橫向（即垂直于光傳播方向的平面上）不同的穩(wěn)定分布通常稱為不同的橫模。激光的模式一般用TEMmnq來(lái)表示，其中q為縱模序數(shù)，m、n為橫模序數(shù).9.激光多普勒風(fēng)速計(jì)

(LaserDopplerVelocimeter)（一）激光風(fēng)速計(jì)（LDV）的組成激光器：氦氖激光器（mW）、氬離子激光器（W）入射光學(xué)單元：將激光束分成多束互相平行的入射光，再通過聚焦透鏡聚到測(cè)量點(diǎn)。接收光學(xué)單元：收集運(yùn)動(dòng)微粒通過測(cè)量體時(shí)的散射光，再轉(zhuǎn)換成多普勒頻移頻率的光電流信號(hào)。多普勒信號(hào)處理器：對(duì)多普勒信號(hào)進(jìn)行處理，如頻率跟蹤器、計(jì)數(shù)式處理器等，將頻率量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：得到各種流動(dòng)參數(shù)激光風(fēng)速計(jì)（LDV）的發(fā)展1、第一代LDV

（1970~1980） 光路系統(tǒng)為離散的光學(xué)元件，處理器為跟蹤型信號(hào)處理器，模擬輸出。2、第二代LDV

（1980~2000） 光路系統(tǒng)為部分集成化、部分離散的光學(xué)元件，處理器為計(jì)數(shù)型信號(hào)處理器，數(shù)字輸出，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。3、第三代LDV（2000年后）集成化。用集成光學(xué)組合件代替離散的光學(xué)元件。光纖化。用大功率光學(xué)纖維代替部分光學(xué)傳送部件，使體積縮小，重量減輕，機(jī)動(dòng)性、靈活性提高。智能化。提高了自動(dòng)化程度，排除了人為因素的限制，確保了測(cè)量的有效性和正確性。精確化。利用了現(xiàn)代的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)改善了LDV的信號(hào)處理能力。6.3.1多普勒頻移1.基本多普勒頻移

(奧地利科學(xué)家多普勒于1842年首次進(jìn)行研究)----波源和接收器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的波運(yùn)動(dòng)（電磁波或其他形式的波）的頻率變化即多普勒頻移。波源S是靜止的，觀察者以速度V在移動(dòng)，波的速度為c，波長(zhǎng)為，移動(dòng)觀察者感受的頻率增加為：因c=,則頻率 的相對(duì)變化為:2.移動(dòng)源的多普勒頻移(P179)S1A=c(t-t1) S2D=c(t-t2)t2-t1==1/ S1S2=v則觀察到的波長(zhǎng)：=AC=S1A-S2D-S1S2cos=c-vcos

由于c=,相對(duì)多普勒頻移為3.散射物的多普勒頻移從光源S發(fā)出的頻率為v的光，被物體P散射，在Q處來(lái)觀察散射光相對(duì)多普勒頻移為多普勒頻移為Q6.3.2激光多普勒測(cè)速原理－差動(dòng)多普勒技術(shù)多普勒效應(yīng)測(cè)量流速時(shí)，必須使光源和接受器都固定，在流體中加入隨流體一起運(yùn)動(dòng)的微粒。微粒對(duì)于入射光具有散射作用，當(dāng)它接收到頻率為的入射光的照射后，會(huì)以同樣的頻率將其向四周散射。這樣，隨流體一起運(yùn)動(dòng)著的微粒既接收入射光的照射，又作為向固定的光接收器發(fā)射散射光波。固定的接收器所接收到的微粒散射光頻率，與光源發(fā)射出的光頻率不同，二者之間會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。差動(dòng)多普勒技術(shù)差動(dòng)多普勒頻移方法用兩束不同頻率的源S1(1),S2(2)同時(shí)通過散射物產(chǎn)生兩股散射頻移光，然后再測(cè)出這兩股散射頻移光強(qiáng)的差值。頻差

6.3.3多普勒測(cè)速的光學(xué)系統(tǒng)1.光路系統(tǒng)激光多普勒測(cè)速的光路系統(tǒng)有三種參考光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)(1)參考光束系統(tǒng)(P182)來(lái)自同一光源的激光被分光鏡分為兩束，一束為參考光Kr，一束為信號(hào)光Ks，兩束光強(qiáng)度不同。Kr：光檢測(cè)器Ks：測(cè)點(diǎn)微粒，散射光－》光檢測(cè)器(2)單光束系統(tǒng)方法：P182要求兩個(gè)接收孔的直徑要選擇適當(dāng)，過大過小都會(huì)使信號(hào)質(zhì)量變壞，降低測(cè)量精度。對(duì)光能利用率低，目前已較少使用。

雙光束系統(tǒng)方法：P183特點(diǎn)：多普勒頻移與接收方向無(wú)關(guān);任意選擇光檢測(cè)器的位置;信噪比高;容易調(diào)準(zhǔn)2.干涉條紋根據(jù)干涉原理，來(lái)自同一光源的兩束相干光，當(dāng)它們以角相交時(shí)，在交叉部位會(huì)產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋．如圖6-22。只要兩條相干光的波長(zhǎng)保持不變，且交角已知，那么，干涉條紋的間距DF是定值，雙光束系統(tǒng)中，差拍信號(hào)D的測(cè)量利用了光的干涉現(xiàn)象。當(dāng)微粒以vn的速度通過干涉條紋區(qū)時(shí)，在明紋處散射光強(qiáng)度增大，在暗紋處散射光強(qiáng)度減弱。這樣，散射光強(qiáng)度的變化頻率為vn

/DF，它恰好就是光檢測(cè)器所接收到的差拍信號(hào)D

．因此，在雙光束系統(tǒng)中，可以通過測(cè)出散射光強(qiáng)度的變化頻率來(lái)確定流速分量vn

。干涉條紋

3.方向模糊性及解決辦法基本多普勒頻移方程式(6-40)→速度信號(hào)與多普勒頻移成正比關(guān)系；多普勒頻移是兩個(gè)頻率之差，故不可能知道哪一個(gè)頻率高，因此速度符號(hào)變化對(duì)產(chǎn)生的頻率無(wú)差別。所以激光多普勒測(cè)速中的一個(gè)基本問題是速度方向的鑒別。解決辦法：光束的頻移使入射到散射體的兩束光之間的一束光的頻率增加，這樣散射體中的干涉條紋就不再是靜止不動(dòng)，而是一組運(yùn)動(dòng)的條紋系統(tǒng)，如圖6-24。這樣，在檢測(cè)器檢測(cè)到的一個(gè)靜止的粒子產(chǎn)生的信號(hào)頻率等于光束增加的頻率。如果粒子運(yùn)動(dòng)的方向與干涉條紋運(yùn)動(dòng)的方向相反，則得到大于光束增加頻率的多普勒頻率，粒子運(yùn)動(dòng)的速度方向?yàn)檎?；如果粒子運(yùn)動(dòng)的方向與干涉條紋運(yùn)動(dòng)的方向相同，則得到小于光束增加頻率的多普勒頻率，粒子運(yùn)動(dòng)的速度方向?yàn)樨?fù)。激光多普勒測(cè)速儀，光束增加頻率多采用40MHz。4、主要光學(xué)部件光源分光器發(fā)射透鏡接收透鏡光檢測(cè)器激光光源分光器發(fā)射透鏡發(fā)射透鏡的作用：聚焦兩束入射光，以便更好地相交提高交點(diǎn)處光束功率密度減小焦點(diǎn)處測(cè)點(diǎn)體積提高測(cè)點(diǎn)的空間分辨率接收透鏡接收透鏡的主要作用：收集包含多普勒頻移的散射光，通過成像，只讓這部分散射光到達(dá)光檢測(cè)器，而限制其他雜散光。前向散射方式工作的光路系統(tǒng)，需要加裝單獨(dú)的接收透鏡；后向散射方式工作的系統(tǒng)，發(fā)射透鏡可兼作接收透鏡，使整個(gè)光路結(jié)構(gòu)緊湊。接收透鏡之前還可加裝光欄。調(diào)節(jié)光欄孔徑，以控制測(cè)點(diǎn)的有效體積，提高系統(tǒng)的空間分分辨率。光檢測(cè)器6.3.4信號(hào)處理系統(tǒng)頻譜分析儀頻率計(jì)數(shù)器頻率跟蹤器頻譜分析儀用頻譜分析儀對(duì)輸入的多普勒信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以在所需要的掃描時(shí)間內(nèi)給出多普勒頻率的概率密度分布曲線。將頻域中振幅最大的頻率作為多普勒頻移，從而求得測(cè)點(diǎn)處的平均流速．而根據(jù)頻譜的分散范圍，可以粗略求得流速脈動(dòng)分量的變化范圍。由于頻譜儀工作需要一定的掃描時(shí)間，它不適于實(shí)時(shí)地測(cè)量變化頻率較快的瞬時(shí)流速。只用來(lái)測(cè)量定常