第6章流速測量測壓管與測速技術熱線熱膜風速儀激光多普勒測速技術粒子圖像測速技術第6.3節激光多普勒測速LDV:LaserDopplerVelocityLDV是激光在熱工測量中比較成熟的一種應用。非接觸測量技術。具有一切非接觸測量具有的優點，尤其適用于小尺寸流道的流速測量和困難環境條件下（如低溫、低速、高溫、高速等）的流速測量；LDV已經應用于火焰、燃燒混合物中流速的測量、旋轉機械中的流速測量。特點：動態響應快、測量準確、僅對速度敏感而與流體其他參數(如溫度、壓力、密度、成分等)無關。本節內容6.3.0光學和激光的基礎知識6.3.1多普勒頻移6.3.2激光多普勒測速原理－差動多普勒技術6.3.3多普勒測速的光學系統6.3.4信號處理系統6.3.5散射粒子6.3.6實例6.3.0光學和激光的基礎知識1960年，美國休斯實驗室的H.Maiman成功地制成了第一臺激光器。

Laser(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)激光的優點：高度方向性；單色性；相干性；高亮度；超短脈沖；可調諧性；1.光的基本性質光具有波粒二象性光是電磁波，具有波動的性質，有一定的頻率和波長。光波是交變電磁場在空間的傳播，既是電矢量E的振動和傳播，同時也是磁矢量B的振動和傳播。光是光子流，光子是具有一定能量和動量的物質粒子。光矢量---光對人眼的感覺、膠片的感光及在其它一般現象中起的主要作用是電矢量E。因此，習慣上常把電矢量E稱為光矢量。設光波沿z軸方向傳播，則光矢量的振動方向必在與z軸垂直的xy平面內。平面波---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：光矢量每秒鐘振動的次數。光的波長：振動狀態在經歷一個周期的時間內向前傳播的距離。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

c---真空中的光速光在各種介質中傳播時，保持其原有頻率不變，速度v各不相同。各種介質的折射率n總大于1，所以v總是小于c。不同介質的折射率不同，光速不同，所以同頻率的光在不同介質中的波長也不同。光在折射率為n的介質中的波長是真空中波長o的1/n光的量子描述：光場是由一個個光子組成，光子是光的最小單位。物質發光是發射一系列光子，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，則它們疊加后產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象稱為干涉。光的干涉現象是幾束光相互疊加的結果。(2).光的衍射光繞過障礙物偏離直線傳播而進入幾何陰影，并在屏幕上出現光強不均勻分布的現象，稱為光的衍射。衍射現象的出現與否，主要決定于障礙物線度與波長大小的對比。只有在光源離障礙物足夠遠時，衍射現象才明顯地表現出來。4.光的偏振性偏振：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。線偏振：電矢量只沿一個固定方向振動的光為線偏振光。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。自然光可以看成是兩個振幅相同、振動相互垂直的、非相干的線偏振光的疊加。5.激光的工作原理工作物質(A)激勵系統(P)光學諧振腔(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，只有當光在介質中的波長q滿足

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

(LaserDopplerVelocimeter)（一）激光風速計（LDV）的組成激光器：氦氖激光器（mW）、氬離子激光器（W）入射光學單元：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量點。接收光學單元：收集運動微粒通過測量體時的散射光，再轉換成多普勒頻移頻率的光電流信號。多普勒信號處理器：對多普勒信號進行處理，如頻率跟蹤器、計數式處理器等，將頻率量轉換成數字量數據處理系統：得到各種流動參數激光風速計（LDV）的發展1、第一代LDV

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

（1980~2000） 光路系統為部分集成化、部分離散的光學元件，處理器為計數型信號處理器，數字輸出，利用計算機進行處理。3、第三代LDV（2000年后）集成化。用集成光學組合件代替離散的光學元件。光纖化。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、靈活性提高。智能化。提高了自動化程度，排除了人為因素的限制，確保了測量的有效性和正確性。精確化。利用了現代的數字信號處理技術改善了LDV的信號處理能力。6.3.1多普勒頻移1.基本多普勒頻移

(奧地利科學家多普勒于1842年首次進行研究)----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）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，波的速度為c，波長為，移動觀察者感受的頻率增加為：因c=,則頻率 的相對變化為:2.移動源的多普勒頻移(P179)S1A=c(t-t1) S2D=c(t-t2)t2-t1==1/ S1S2=v則觀察到的波長：=AC=S1A-S2D-S1S2cos=c-vcos

由于c=,相對多普勒頻移為3.散射物的多普勒頻移從光源S發出的頻率為v的光，被物體P散射，在Q處來觀察散射光相對多普勒頻移為多普勒頻移為Q6.3.2激光多普勒測速原理－差動多普勒技術多普勒效應測量流速時，必須使光源和接受器都固定，在流體中加入隨流體一起運動的微粒。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。這樣，隨流體一起運動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，與光源發射出的光頻率不同，二者之間會產生多普勒頻移。差動多普勒技術差動多普勒頻移方法用兩束不同頻率的源S1(1),S2(2)同時通過散射物產生兩股散射頻移光，然后再測出這兩股散射頻移光強的差值。頻差

6.3.3多普勒測速的光學系統1.光路系統激光多普勒測速的光路系統有三種參考光束系統單光束系統雙光束系統(1)參考光束系統(P182)來自同一光源的激光被分光鏡分為兩束，一束為參考光Kr，一束為信號光Ks，兩束光強度不同。Kr：光檢測器Ks：測點微粒，散射光－》光檢測器(2)單光束系統方法：P182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量變壞，降低測量精度。對光能利用率低，目前已較少使用。

雙光束系統方法：P183特點：多普勒頻移與接收方向無關;任意選擇光檢測器的位置;信噪比高;容易調準2.干涉條紋根據干涉原理，來自同一光源的兩束相干光，當它們以角相交時，在交叉部位會產生明暗相間的干涉條紋．如圖6-22。只要兩條相干光的波長保持不變，且交角已知，那么，干涉條紋的間距DF是定值，雙光束系統中，差拍信號D的測量利用了光的干涉現象。當微粒以vn的速度通過干涉條紋區時，在明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vn

/DF，它恰好就是光檢測器所接收到的差拍信號D

．因此，在雙光束系統中，可以通過測出散射光強度的變化頻率來確定流速分量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)→速度信號與多普勒頻移成正比關系；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，而是一組運動的條紋系統，如圖6-24。這樣，在檢測器檢測到的一個靜止的粒子產生的信號頻率等于光束增加的頻率。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的多普勒頻率，粒子運動的速度方向為正；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的多普勒頻率，粒子運動的速度方向為負。激光多普勒測速儀，光束增加頻率多采用40MHz。4、主要光學部件光源分光器發射透鏡接收透鏡光檢測器激光光源分光器發射透鏡發射透鏡的作用：聚焦兩束入射光，以便更好地相交提高交點處光束功率密度減小焦點處測點體積提高測點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光檢測器，而限制其他雜散光。前向散射方式工作的光路系統，需要加裝單獨的接收透鏡；后向散射方式工作的系統，發射透鏡可兼作接收透鏡，使整個光路結構緊湊。接收透鏡之前還可加裝光欄。調節光欄孔徑，以控制測點的有效體積，提高系統的空間分分辨率。光檢測器6.3.4信號處理系統頻譜分析儀頻率計數器頻率跟蹤器頻譜分析儀用頻譜分析儀對輸入的多普勒信號進行頻譜分析，可以在所需要的掃描時間內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，從而求得測點處的平均流速．而根據頻譜的分散范圍，可以粗略求得流速脈動分量的變化范圍。由于頻譜儀工作需要一定的掃描時間，它不適于實時地測量變化頻率較快的瞬時流速。只用來測量定常