激光多普勒测速

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1、5-9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得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显示、医疗、受控热核反应等方

2、面。激光在热物理测量方面应用如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布（PDA），用于传热传质研究，测量燃烧动力及流场温度，对高能点火中能量释放，研究点火机理，加力燃烧室流场和温度场，等离子射流的浓度场、温度场和速度场等等（LIF）。激光测速仪（LDV）常见的测量速度方法与技术总压探针与静压探针相结合的皮托管一直是平均速度的主要测量方法。热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬时速度、平均速度、均方根速度和速度相关量的主要方法。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

3、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

4、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

5、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

6、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当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时，你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高；相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛声变得低沉，即笛声频率变低。这种因波源和观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波源频率发生变化的现象叫多普勒效应。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

7、述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0），观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f=f0（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动(u=0，)，观察者接收到的频率为观察者背离波源取负号。（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（，v=0），观察者接收到的频率f为：波源背着观察者运动时取负号。（4）波源和观察者同时相对于介质运动（，），