激光多普勒测速.ppt

25-9激光多普勒流速仪测速1．概述-激光特性与应用激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性）而著称。因为普通光源向4立体角发散，而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立体角单位面积的输出功率就特别大。激光在工程中的应用激光在热物理测量方面应用常见的测量速度方法与技术无疑，机械探头将继续是实验流体力学的重要方法。但接触测量法干扰流场，不可避免地带有方法本身的误差，具有局限性。如对回流区的测量，机械探头会扰动回流图形；对于小尺寸管道中的流动，机械探头会造成堵塞。不适合特殊情况下测试（火焰）对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能使用小尺寸探头。热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流结构的主要实验工具，但它仅限于低温、低速、低紊流度、常特性的检测，而且必须在回流区以外。光学速度测试技术具有测量灵敏度高，不干扰流场等优点，有着很强的应用前景。光学测速技术主要有全息干涉法、散斑照相法、激光多普勒测速法和激光双焦点测速法等。2.全息干涉测速法在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。利用再现粒子场的实像图，求出粒子对间的位移大小和方向，再由v=s/t求出速度场。若流速不快，也可使用功率较大的连续激光，通过双曝光记录粒子图。粒子稀少，可用显微镜搜索粒子对，并确定粒子对间的位移；粒子很多，可用干版插入再现粒子实像场中欲测剖面，记录粒子对，通过逐点扫描或全场分析求出位移场。3.散斑测速法对于具有较多粒子的流场，可用频闪片光照明粒子场的某一剖面，通过双曝光将两幅粒子场记录在同一块胶片或干版上，再利用逐点分析或全场分析求出粒子对的位移场，最后转换成速度场。当流速很快时，可用连续片光照明，用高速摄影机拍摄一系列粒子图。再通过相关运算求出位移场，进而求出各粒子场的速度。散斑法只能记录一个平面内的粒子场速度信息。§8.2激光多普勒测速法(LDV)60年第一台氦-氖激光器诞生，64年世界上就出现了激光多普勒测速仪。20多年来，激光多普勒测速技术有了很大的发展，这是测量技术上的一个重大突破。多普勒测速是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频移来测定速度的。激光多普勒测速属于非接触测量，激光作为测量探头不干扰流场。激光多普勒测速应用很广:可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。激光多普勒测速有其突出的优点：1>如不需要流动校正；2>不取决于温度、密度和流体成份，仅对速度敏感;3>取出量与速度成线性关系；4>动态响应快，等等。但激光多普勒测速也有其局限性，例如:1>需要示踪粒子;2>示踪粒子要与流体一起运动;3>对介质和实验通道有光学要求，要求光能透过流动等。5-9-1激光多普勒测速的原理1.激光多普勒效应激光多普勒测速的基本原理：是依据激光多普勒效应，利用运动粒子散射光的频移来测量速度.因为散射光的频移中包含有粒子速度的信息。声学中的多普勒现象如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设波源相对于介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。（4）波源和观察者同时相对于介质运动（，），观察者接收到的频率f为：当一单色频率为f0的激光,照射到运动速度为v的微粒上时，运动微粒接收到的频率不等于f0，发生了一次多普勒效应。若用一个静止的光检测器，接收运动微粒的散射光，则接收到的频率又经过了一次多普勒效应。下图为静止光源O、运动微粒P和静止光检测器S三者之间相对关系。根据相对论变换，运动微粒P接收到的光波频率fp近似为:(5-1)式中，为入射光方向的单位向量，c为介质中的光速。光检测器接收的粒子散射光频率：(5-2)式中，为粒子散射光指向光检测器方向的单位向量。(5-1)代入(5-2)，忽略高次项，得到：(5-3)光检测器接收的光波频率与入射光波频率之差叫多普勒频差或频移。多普勒频移用fD表示：(5-4)或者用波长表示为：(5-5)式中，为入射光波长。可见，如果仅知光源、运动粒子和光检测器三者之间的相对位置，那么只能确定速度上的投影大小，不能确定速度方向。一种固定的相对位置，不可能确定平面速度的方向，这就是所谓LDV的方向模糊性。若速度方向已知，如风洞，可将入射光、散射光和速度方向按下图布置：由图可得：代入(8-5)式，多普勒频移表达式化为：(5-6)2.条纹模式前面从激光多普勒效应出发，叙述了激光多普勒测速原理。69年，Rudd提出干涉条纹模式，进一步说明激光多普勒测速的基本原理。如图5-3所示，两束平行的、相干细光束在透镜后焦点形成相交区，该相交区称为控制体。在控制体中