第06章流速測量2-(LDV)

1、第第6章章 流速測量流速測量測壓管與測速技術測壓管與測速技術熱線熱膜風速儀熱線熱膜風速儀激光多普勒測速技術激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術粒子圖像測速技術第第6.3節(jié)節(jié) 激光多普勒測速激光多普勒測速nLDV: Laser Doppler Velocity nLDV是激光在熱工測量中比較成熟的一種應用。是激光在熱工測量中比較成熟的一種應用。n非接觸測量技術。具有一切非接觸測量具有的優(yōu)點，尤其非接觸測量技術。具有一切非接觸測量具有的優(yōu)點，尤其適用于小尺寸流道的流速測量和困難環(huán)境條件下（如低溫、適用于小尺寸流道的流速測量和困難環(huán)境條件下（如低溫、低速、高溫、高速等）的流速測量；低速、高溫、高速等）

2、的流速測量；nLDV已經(jīng)應用于火焰、燃燒混合物中流速的測量、旋轉(zhuǎn)機已經(jīng)應用于火焰、燃燒混合物中流速的測量、旋轉(zhuǎn)機械中的流速測量。械中的流速測量。n特點：特點：n動態(tài)響應快、測量準確、僅對速度敏感而與流體其他動態(tài)響應快、測量準確、僅對速度敏感而與流體其他參數(shù)參數(shù)(如溫度、壓力、密度、成分等如溫度、壓力、密度、成分等)無關。無關。 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容n6.3.0 光學和激光的基礎知識光學和激光的基礎知識n6.3.1 多普勒頻移多普勒頻移n6.3.2 激光多普勒測速原理差動多普勒技術激光多普勒測速原理差動多普勒技術n6.3.3 多普勒測速的光學系統(tǒng)多普勒測速的光學系統(tǒng)n6.3.4 信號處理系統(tǒng)信號處理

3、系統(tǒng)n6.3.5 散射粒子散射粒子n6.3.6 實例實例6.3.0 光學和激光的基礎知識光學和激光的基礎知識1960年，美國休斯實驗室的年，美國休斯實驗室的H.Maiman成功地制成成功地制成了第一臺激光器。了第一臺激光器。Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)n激光的優(yōu)點：激光的優(yōu)點：n高度方向性；單色性；相干性；高亮度；超短高度方向性；單色性；相干性；高亮度；超短脈沖；可調(diào)諧性；脈沖；可調(diào)諧性；1. 光的基本性質(zhì)光的基本性質(zhì)n光具有波粒二象性光具有波粒二象性n光是電磁波，具有波動的性質(zhì)，有一定的頻率和波

4、長。光是電磁波，具有波動的性質(zhì)，有一定的頻率和波長。n光波是交變電磁場在空間的傳播，既是光波是交變電磁場在空間的傳播，既是電矢量電矢量E的振動和的振動和傳播，同時也是傳播，同時也是磁矢量磁矢量B的振動和傳播。的振動和傳播。n光是光是光子流光子流，光子是具有一定能量和動量的物質(zhì)粒子。，光子是具有一定能量和動量的物質(zhì)粒子。光矢量光矢量-光對人眼的感覺、膠片的感光及在其它一般光對人眼的感覺、膠片的感光及在其它一般現(xiàn)象中起的主要作用是現(xiàn)象中起的主要作用是電矢量電矢量E E。因此，習慣。因此，習慣上常把上常把電矢量電矢量E E稱為稱為光矢量光矢量。設光波沿。設光波沿z z軸方軸方向傳播，則光矢量的振動方

5、向必在與向傳播，則光矢量的振動方向必在與z z軸垂直軸垂直的的xyxy平面內(nèi)。平面內(nèi)。平面波平面波-在光波場中，光波相位相同的空間各點所連在光波場中，光波相位相同的空間各點所連成的面稱為波面或同相面。波面是平面的波成的面稱為波面或同相面。波面是平面的波稱為平面波。稱為平面波。單色平面波單色平面波-具有單一頻率的平面波稱為單色平面波。具有單一頻率的平面波稱為單色平面波。n光的頻率光的頻率：光矢量每秒鐘振動的次數(shù)。光矢量每秒鐘振動的次數(shù)。T10cn光的波長：光的波長：振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(nèi)向前傳播的振動狀態(tài)在經(jīng)歷一個周期的時間內(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距離。

6、各種不同頻率的光在真空中的傳播速度均等于c c。式中式中 0 0- - 真空中的波長真空中的波長 c - c - 真空中的光速真空中的光速n光在各種介質(zhì)中傳播時，保持其原有頻率不變，速度光在各種介質(zhì)中傳播時，保持其原有頻率不變，速度v v各各不相同。不相同。ncv n各種介質(zhì)的折射率各種介質(zhì)的折射率n n總大于總大于1 1，所以，所以v v總是小于總是小于c c。n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)中的波長也不同。介質(zhì)中的波長也不同。n光在折射率為光在折射率為n n的介質(zhì)中的波長的介質(zhì)中的波長是真空中波長是真空中波長 o

7、 o的的1/1/n nn光的量子描述：光的量子描述：1.1.光場是由一個個光子組成，光子是光的最小單位。光場是由一個個光子組成，光子是光的最小單位。2.2.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。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. 光的反射和折射光的反射和折射n反射定律反射定律反射角等于入射角。反射角等于入射角。n折射定律：折射定律：2211sinsinnn3. 光的干涉和衍射光的干涉和衍射(1). 光的干涉光的干涉n如果兩個頻率相等，相位關系始終保持不變的電如果兩個頻率相等，相位關系始終保持不變的電磁波在相遇處振動方向幾乎沿著同一直線，則它磁波在相遇處振動方向幾乎沿

8、著同一直線，則它們疊加后產(chǎn)生的合振動可能在有些地方加強，有們疊加后產(chǎn)生的合振動可能在有些地方加強，有些地方減弱，這一強度按空間周期性變化的現(xiàn)象些地方減弱，這一強度按空間周期性變化的現(xiàn)象稱為干涉。稱為干涉。n光的干涉現(xiàn)象是幾束光相互疊加的結(jié)果。光的干涉現(xiàn)象是幾束光相互疊加的結(jié)果。(2). 光的衍射光的衍射n光繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，并在光繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，并在屏幕上出現(xiàn)光強不均勻分布的現(xiàn)象，稱為光的衍射。屏幕上出現(xiàn)光強不均勻分布的現(xiàn)象，稱為光的衍射。n衍射現(xiàn)象的出現(xiàn)與否，主要決定于障礙物線度與波衍射現(xiàn)象的出現(xiàn)與否，主要決定于障礙物線度與波長大小的對比。只有在光源

9、離障礙物足夠遠時，衍長大小的對比。只有在光源離障礙物足夠遠時，衍射現(xiàn)象才明顯地表現(xiàn)出來。射現(xiàn)象才明顯地表現(xiàn)出來。4. 光的偏振性光的偏振性n偏振偏振：光波的電矢量振動方向、對于傳播方向的不對稱性稱：光波的電矢量振動方向、對于傳播方向的不對稱性稱為偏振。為偏振。n線偏振線偏振：電矢量只沿一個固定方向振動的光為線偏振光。：電矢量只沿一個固定方向振動的光為線偏振光。n自然光中包含許多彼此獨立的線偏振光，它們的電矢量可取不自然光中包含許多彼此獨立的線偏振光，它們的電矢量可取不同的方位。同的方位。n自然光可以看成是兩個自然光可以看成是兩個振幅相同、振動相互垂振幅相同、振動相互垂直的、非相干的線偏振直的、

10、非相干的線偏振光的疊加。光的疊加。5. 激光的工作原理激光的工作原理n工作物質(zhì)工作物質(zhì)(A)n激勵系統(tǒng)激勵系統(tǒng)(P)n光學諧振腔光學諧振腔(M1,M2)6. 激光的特性激光的特性1.激光的方向性激光的方向性將能量集中在很小的立體角中；將能量集中在很小的立體角中；2.激光的單色性激光的單色性譜線寬度越小，單色性越好；譜線寬度越小，單色性越好；3.激光的亮度；激光的亮度；4.激光的相干性。激光的相干性。7. 激光的縱模和橫模激光的縱模和橫模n在平行平面鏡腔內(nèi)，只有當光在介質(zhì)中的波長在平行平面鏡腔內(nèi)，只有當光在介質(zhì)中的波長 q q滿足滿足 q q q q = 2L = 2L (q (q為正整數(shù)，為正

11、整數(shù)，L L為腔長）時，在腔內(nèi)才能形為腔長）時，在腔內(nèi)才能形成穩(wěn)定的駐波。成穩(wěn)定的駐波。n滿足上式的某些特定波長的光才可能在腔內(nèi)形成激光，這滿足上式的某些特定波長的光才可能在腔內(nèi)形成激光，這些特定波長的激光稱為些特定波長的激光稱為縱?？v模。對應于諧振腔中縱向不同的、。對應于諧振腔中縱向不同的、穩(wěn)定的光場分布是不同的縱模。穩(wěn)定的光場分布是不同的縱模。n光場在橫向（即垂直于光傳播方向的平面上）不同的穩(wěn)定光場在橫向（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分布通常稱為不同的橫模橫模。n激光的模式一般用激光的模式一般用TEMmnqTEMmnq來表示，其中來表示，其中q q為縱模序數(shù)，為

12、縱模序數(shù)，m m、n n為橫模序數(shù)為橫模序數(shù). .9. 激光多普勒風速計激光多普勒風速計(Laser Doppler Velocimeter)（一）激光風速計（一）激光風速計（LDV）的組成的組成1.激光器激光器：氦氖激光器（：氦氖激光器（mW）、氬離子激光器（）、氬離子激光器（W）2.入射光學單元入射光學單元：將激光束分成多束互相平行的入射光，：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量點。再通過聚焦透鏡聚到測量點。3.接收光學單元接收光學單元：收集運動微粒通過測量體時的散射光，：收集運動微粒通過測量體時的散射光，再轉(zhuǎn)換成多普勒頻移頻率的光電流信號。再轉(zhuǎn)換成多普勒頻移頻率的光電

13、流信號。4.多普勒信號處理器多普勒信號處理器：對多普勒信號進行處理，如頻率：對多普勒信號進行處理，如頻率跟蹤器、計數(shù)式處理器等，將頻率量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量跟蹤器、計數(shù)式處理器等，將頻率量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量5.數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：得到各種流動參數(shù)：得到各種流動參數(shù)激光風速計（激光風速計（LDV）的發(fā)展的發(fā)展1、第一代、第一代LDV （19701980）光路系統(tǒng)為光路系統(tǒng)為離散離散的光學元件，處理器為的光學元件，處理器為跟蹤型跟蹤型信號處理器，模擬輸出。信號處理器，模擬輸出。2、第二代、第二代LDV （19802000）光路系統(tǒng)為光路系統(tǒng)為部分集成化部分集成化、部分離散、部分離散的光學元件，的光學元件，

14、處理器為處理器為計數(shù)型計數(shù)型信號處理器，數(shù)字輸出，利用信號處理器，數(shù)字輸出，利用計算機進行處理。計算機進行處理。3、第三代、第三代LDV （2000年后）年后）1.集成化集成化。用集成光學組合件代替離散的光學元件。用集成光學組合件代替離散的光學元件。2.光纖化光纖化。用大功率光學纖維代替部分光學傳送部件，使用大功率光學纖維代替部分光學傳送部件，使體積縮小，重量減輕，機動性體積縮小，重量減輕，機動性、靈活性提高。、靈活性提高。3.智能化智能化。提高了自動化程度提高了自動化程度，排除了人為因素的限制，排除了人為因素的限制，確保了測量的有效性和正確性。確保了測量的有效性和正確性。4.精確化精確化。利

15、用了現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術改善了利用了現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術改善了LDV的的信號處理能力。信號處理能力。6.3.1 多普勒頻移多普勒頻移1. 基本多普勒頻移基本多普勒頻移 (奧地利科學家奧地利科學家多普勒多普勒于于1842年首次進行研究年首次進行研究) -波源和接波源和接收器的相對運動引起的波運動（電磁波或其他形式的波）收器的相對運動引起的波運動（電磁波或其他形式的波）的的頻率變化頻率變化即多普勒頻移。即多普勒頻移。n波源波源S是靜止的，觀察者以速度是靜止的，觀察者以速度V在移動，波的速度為在移動，波的速度為c，波長為波長為 ，移動觀察者感受的移動觀察者感受的頻率增加頻率增加為：為：cosVc

16、Vcosn因因c= , 則頻率則頻率的相對變化為的相對變化為:2. 移動源的多普勒頻移移動源的多普勒頻移(P179)222coscoscVcVvvvvvS1A = c(t-t1)S2D = c(t-t2)t2-t1= =1/ S1S2=v 則觀察到的波長：則觀察到的波長： =AC=S1A-S2D-S1S2cos =c -v cos 由于由于c= , 相對多普勒頻移為相對多普勒頻移為3. 散射物的多普勒頻移散射物的多普勒頻移n從光源從光源S發(fā)出的頻率為發(fā)出的頻率為v的的光，被物體光，被物體P散射，在散射，在Q處處來觀察散射光相對多普勒來觀察散射光相對多普勒頻移為頻移為2sincos2acVvv2

17、sincos2aVvn多普勒頻移為多普勒頻移為Q6.3.2 激光多普勒測速原理差動多普勒技術激光多普勒測速原理差動多普勒技術n多普勒效應測量流速時，必須使多普勒效應測量流速時，必須使光源和接受器都固定光源和接受器都固定，在流體中加入在流體中加入隨流體一起運動的微粒隨流體一起運動的微粒。n微粒對于入射光具有散射作用，當它接收到頻率為微粒對于入射光具有散射作用，當它接收到頻率為 的入射光的照射后，會以同樣的頻率將其向四周散射。的入射光的照射后，會以同樣的頻率將其向四周散射。這樣，隨流體一起運動著的微粒既這樣，隨流體一起運動著的微粒既接收接收入射光的照射，入射光的照射，又作為向固定的光接收器又作為向

18、固定的光接收器發(fā)射發(fā)射散射光波。散射光波。n固定的接收器所接收到的微粒散射光頻率，與光源發(fā)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，二者之間會產(chǎn)生射出的光頻率不同，二者之間會產(chǎn)生多普勒頻移多普勒頻移。差動多普勒技術差動多普勒技術n差動多普勒頻移方法差動多普勒頻移方法n用兩束不同頻率的源用兩束不同頻率的源S1 ( 1),S2( 2)同時通過散射同時通過散射物產(chǎn)生兩股散射頻移光，然后再測出這兩股散射物產(chǎn)生兩股散射頻移光，然后再測出這兩股散射頻移光強的頻移光強的差值差值。cos2sin2vDn頻差頻差 6.3.3 多普勒測速的光學系統(tǒng)多普勒測速的光學系統(tǒng)1. 光路系統(tǒng)光路系統(tǒng)激

19、光多普勒測速的光路系統(tǒng)有三種激光多普勒測速的光路系統(tǒng)有三種n參考光束系統(tǒng)參考光束系統(tǒng)n單光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng)n雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)(1) 參考光束系統(tǒng)參考光束系統(tǒng)(P182)n來自同一光源來自同一光源的激光被分光的激光被分光鏡分為兩束，鏡分為兩束，一束為參考光一束為參考光Kr，一束為信，一束為信號光號光Ks，兩束，兩束光強度不同。光強度不同。)2sin(2nDvKr：光檢測器：光檢測器Ks：測點微粒，散射光：測點微粒，散射光光檢測器光檢測器(2) 單光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng)n方法：方法：P182n要求兩個接收孔的直徑要選擇適當，過大過小都要求兩個接收孔的直徑要選擇適當，過大過小都會使信號質(zhì)量變壞，降低

20、測量精度。對光能利用會使信號質(zhì)量變壞，降低測量精度。對光能利用率低，目前已較少使用。率低，目前已較少使用。)2sin(2nDv 雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)n方法：方法：P183n特點：特點：n多普勒頻移與多普勒頻移與接收方向無關接收方向無關;n任意選擇光檢任意選擇光檢測器的位置測器的位置;n信噪比高信噪比高;n容易調(diào)準容易調(diào)準)2sin(2nDv2.干涉條紋干涉條紋n根據(jù)干涉原理，來自同一根據(jù)干涉原理，來自同一光源的兩束相干光，當它光源的兩束相干光，當它們以角們以角 相交時，在交叉部相交時，在交叉部位會產(chǎn)生明暗相間的干涉位會產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋如圖條紋如圖6-22。只要兩。只要兩條相干光的波長保持

21、不變，條相干光的波長保持不變，且交角且交角 已知，那么，干涉已知，那么，干涉條紋的間距條紋的間距DF是定值，是定值，)2sin(2FDn雙光束系統(tǒng)中，雙光束系統(tǒng)中，差拍信號差拍信號 D的測量利用了光的干涉的測量利用了光的干涉現(xiàn)象?，F(xiàn)象。n當微粒以當微粒以vn的速度通過干涉條紋區(qū)時，在明的速度通過干涉條紋區(qū)時，在明紋處散射光強度增大，在暗紋處散射光強紋處散射光強度增大，在暗紋處散射光強度減弱。這樣，散射光強度的變化頻率為度減弱。這樣，散射光強度的變化頻率為vn /DF，它恰好就是光檢測器所接收到的差拍，它恰好就是光檢測器所接收到的差拍信號信號 D n因此，在雙光束系統(tǒng)中，可以通過測出散因此，在雙

22、光束系統(tǒng)中，可以通過測出散射光強度的變化頻率來確定流速分量射光強度的變化頻率來確定流速分量vn 。干涉條紋干涉條紋n 3. 方向模糊性及解決辦法方向模糊性及解決辦法n基本多普勒頻移方程式基本多普勒頻移方程式(6-40) 速度信號速度信號與多普勒頻移成正比關系；與多普勒頻移成正比關系；n多普勒頻移是兩個頻率之差，故不可能知多普勒頻移是兩個頻率之差，故不可能知道哪一個頻率高，因此速度符號變化對產(chǎn)道哪一個頻率高，因此速度符號變化對產(chǎn)生的頻率無差別。所以激光多普勒測速中生的頻率無差別。所以激光多普勒測速中的一個基本問題是速度的一個基本問題是速度方向方向的鑒別。的鑒別。 解決辦法：光束的頻移解決辦法：光

23、束的頻移n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，而是一組體中的干涉條紋就不再是靜止不動，而是一組運動的條紋系統(tǒng)運動的條紋系統(tǒng)，如圖如圖6-24。這樣，在檢測器檢測到的一個靜止的粒子產(chǎn)生的信。這樣，在檢測器檢測到的一個靜止的粒子產(chǎn)生的信號頻率等于光束增加的頻率號頻率等于光束增加的頻率。n如果粒子運動的方向與干涉條紋運動的方向相反，則得到大于如果粒子運動的方向與干涉條紋運動的方向相反，則得到大于光束增加頻率光束增加頻率的的多普勒頻率多普勒頻率，粒子運動的速度方向為正；，粒子運動的速度方向為正；n如

24、果粒子運動的方向與干涉條紋運動的方向相同，則得到小于如果粒子運動的方向與干涉條紋運動的方向相同，則得到小于光束增加頻率光束增加頻率的的多普勒頻率多普勒頻率，粒子運動的速度方向為負。，粒子運動的速度方向為負。n激光多普勒測速儀，光束增加頻率激光多普勒測速儀，光束增加頻率多采用多采用40MHz。4、主要光學部件、主要光學部件n光源光源n分光器分光器n發(fā)射透鏡發(fā)射透鏡n接收透鏡接收透鏡n光檢測器光檢測器激光光源激光光源分光器分光器發(fā)射透鏡發(fā)射透鏡n發(fā)射透鏡的作用：發(fā)射透鏡的作用：n聚焦兩束入射光，以便更好地相交聚焦兩束入射光，以便更好地相交n提高交點處光束功率密度提高交點處光束功率密度n減小焦點處測

25、點體積減小焦點處測點體積n提高測點的空間分辨率提高測點的空間分辨率接收透鏡接收透鏡n接收透鏡的主要作用：接收透鏡的主要作用：n收集包含多普勒頻移的散射光，通過成像，只讓這部分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光檢測器，而限制其他雜散光。散射光到達光檢測器，而限制其他雜散光。n前向散射前向散射方式工作的光路系統(tǒng)，需要加裝單獨的接收透方式工作的光路系統(tǒng)，需要加裝單獨的接收透鏡；鏡；n后向散射后向散射方式工作的系統(tǒng)，發(fā)射透鏡可兼作接收透鏡，方式工作的系統(tǒng)，發(fā)射透鏡可兼作接收透鏡，使整個光路結(jié)構緊湊。使整個光路結(jié)構緊湊。n接收透鏡之前還可加裝光欄。調(diào)節(jié)光欄孔徑，以控制測接收透鏡之前還可加裝光欄。調(diào)節(jié)光欄孔徑，以控制測點的有效體積，提高系統(tǒng)的空間分分辨率。