实验流体力学6

1、第第6 6章章 激光测速技术激光测速技术实验流体力学实验流体力学 6.1 6.1 激光测速原理激光测速原理 6.2 6.2 双光束激光测速系统双光束激光测速系统 6.3 6.3 多速度分量系统多速度分量系统 6.4 6.4 光检测器光检测器 6.5 6.5 散射粒子散射粒子 6.6 6.6 信号处理器信号处理器激光多普勒测速仪（激光多普勒测速仪（Laser Doppler VelocimetryLaser Doppler Velocimetry）fiberlightLaser beamPDMOPR or Encoder signal TempPressureEICFiber probeFSA激

2、光多普勒测速仪（激光多普勒测速仪（Laser Doppler Velocimetry） 激光测速仪通过检测从一个移动物体散射的激光测速仪通过检测从一个移动物体散射的光的多普勒频移来测量物体的速度。光的多普勒频移来测量物体的速度。 Laser Laser：译成：译成“激光激光”，字面原意，字面原意“受激辐射受激辐射光放大器光放大器”。移动物体移动物体 播撒于流动中的微粒播撒于流动中的微粒照射光照射光 发自激光器的激光束发自激光器的激光束参考: 郁道银，谈恒英，工程光学1999，北京：机械工业出版社。6.1 6.1 激光测速原理激光测速原理激光特性：激光特性：方向性好；方向性好；亮度高；亮度高；单

3、色性好；单色性好；相干性好。相干性好。一一. .激光与激光器：激光与激光器：（一）光子的发射和吸收（一）光子的发射和吸收： 原子的能量状态是量子化的（量子态）。原子从原子的能量状态是量子化的（量子态）。原子从高能级自发向低能级跃迁的高能级自发向低能级跃迁的发光过程称为自发辐射。发光过程称为自发辐射。mnhfEE两能级之间的能量差两能级之间的能量差 上式中上式中h h为普朗克常数，为普朗克常数，f f为辐射光频率。为辐射光频率。辐射光的能量为辐射光的能量为： 处于高能级处于高能级EmEm态的原子也会在光激发下跃迁到低态的原子也会在光激发下跃迁到低能级的能级的EnEn态，并辐射出与入射光波的相位、

4、偏振、频态，并辐射出与入射光波的相位、偏振、频率以及传播方向相同的光波。称为受激辐射。率以及传播方向相同的光波。称为受激辐射。基态：基态： 能量最低的量子态能量最低的量子态激发态：激发态： 能量高于基态的量子态能量高于基态的量子态跃迁：跃迁： 原子在不同量子态间变化的过程原子在不同量子态间变化的过程(1)(1)加热：加热：(2)(2)辐射：辐射： 金属蒸气加热，高能级原子数迅速增加。它金属蒸气加热，高能级原子数迅速增加。它们向低能级跃迁时发光（受激发射）。们向低能级跃迁时发光（受激发射）。1.1.激发方式：激发方式： 外来光子能量等于原子的激发能时，处在外来光子能量等于原子的激发能时，处在基态

5、的原子就能在外来光子的激励下吸收外来光基态的原子就能在外来光子的激励下吸收外来光子能量而被激发到高能态（受激吸收）。子能量而被激发到高能态（受激吸收）。(3)(3)碰撞：碰撞： 从阴极发射出来的电子，在电场作用下获得从阴极发射出来的电子，在电场作用下获得动能。具有很大动能的电子与处在基态的原子碰动能。具有很大动能的电子与处在基态的原子碰撞时把能量传递给原子，使原子激发到高能级。撞时把能量传递给原子，使原子激发到高能级。 （比如氢灯、汞灯、钠光灯一类气体放电光源）（比如氢灯、汞灯、钠光灯一类气体放电光源）2.2.共振和荧光：共振和荧光： 由于受激吸收而跃迁到高能态的原子返回由于受激吸收而跃迁到高

6、能态的原子返回基态时发光。基态时发光。（1 1）共振辐射：）共振辐射： 直接回到基态直接回到基态 这时，辐射光子的频率与吸收的光子频率相同。这时，辐射光子的频率与吸收的光子频率相同。（2 2）荧光：）荧光： 通过中间能级回到基态通过中间能级回到基态这时如果发射光子，频率必定比吸收的光子频率低。这时如果发射光子，频率必定比吸收的光子频率低。 共振辐射发生时，基态原子通过跟另一个激发态共振辐射发生时，基态原子通过跟另一个激发态原子碰撞跃迁到激发态，而另一个原子则同时回到基原子碰撞跃迁到激发态，而另一个原子则同时回到基态。态。例：例：253.6nm253.6nm紫外光照射水银蒸气观察到共振辐射紫外光

7、照射水银蒸气观察到共振辐射光谱。若在水银蒸气里掺入铊蒸气，则共振辐射减光谱。若在水银蒸气里掺入铊蒸气，则共振辐射减弱，出现铊蒸气特有的绿光。弱，出现铊蒸气特有的绿光。 这是由于水银原子吸收了这是由于水银原子吸收了253.6nm253.6nm的紫外光子跃的紫外光子跃迁到激发态，当它们跟基态铊原子碰撞时，就把激迁到激发态，当它们跟基态铊原子碰撞时，就把激发能传递给铊原子，使铊原子激发，而水银原子则发能传递给铊原子，使铊原子激发，而水银原子则回到基态。因此水银的共振辐射减弱，而获得激发回到基态。因此水银的共振辐射减弱，而获得激发能的铊原子回到基态时就发出绿光来。能的铊原子回到基态时就发出绿光来。3.

8、3.光的自发发射、受激吸收和受激发射：光的自发发射、受激吸收和受激发射： 自发发射：高能级原子回到低能态发光释放能量。自发发射：高能级原子回到低能态发光释放能量。为非相干自然光，其辐射方向和相位可能都不一致。为非相干自然光，其辐射方向和相位可能都不一致。两种原子互相转移激发能的过程叫做共振转移。两种原子互相转移激发能的过程叫做共振转移。激发能值越接近，共振转移的效率越高。激发能值越接近，共振转移的效率越高。比如，氦氖激光器利用共振转移使比如，氦氖激光器利用共振转移使NeNe原子激发。原子激发。 (2)(2)受激受激吸收吸收： 低能级原子吸收光子进到高能态。低能级原子吸收光子进到高能态。1212

9、EhfE+=(3)(3)受激发射：光子作用于高能级原子产生受激发射。受激发射：光子作用于高能级原子产生受激发射。 受激发射光子与入射光子频率、相位、偏振方向受激发射光子与入射光子频率、相位、偏振方向和传播方向相同，完全相干。和传播方向相同，完全相干。受激发射是光放大的过程。受激发射是光放大的过程。2211212EhfEhf+=+（二）粒子数反转（二）粒子数反转：热平衡条件下：热平衡条件下：（1 1）自发发射占主导地位。）自发发射占主导地位。（2 2）受激吸收能量大于受激发射能量。）受激吸收能量大于受激发射能量。 两个过程几率相等，但低能级原子数目多而高两个过程几率相等，但低能级原子数目多而高能

10、级原子数目少。能级原子数目少。)/(exp0kTENgNiii 在热平衡条件下，不同能级原子数遵循玻耳兹在热平衡条件下，不同能级原子数遵循玻耳兹曼分布律：曼分布律： 上式表明，热平衡时处于高能级上的原子数目上式表明，热平衡时处于高能级上的原子数目远少于低能级上的原子数目。远少于低能级上的原子数目。 为了使受激发射占优势，必须使高能级上的原为了使受激发射占优势，必须使高能级上的原子数目多于低能级上的原子数目。子数目多于低能级上的原子数目。 为实现粒子数反转，必须：为实现粒子数反转，必须：1.1.由外界向物质供给能量，使物质处于非平衡态。由外界向物质供给能量，使物质处于非平衡态。2.2.同时有三个

11、能级存在。同时有三个能级存在。1.1.把低能级的原子激发到高能级（泵浦）。把低能级的原子激发到高能级（泵浦）。（三）激光器运转的物理过程（三）激光器运转的物理过程： 对于粒子数反转的介质由于受激发射大于受激对于粒子数反转的介质由于受激发射大于受激吸收，光场被加强。即一定频率的单色光通过粒子吸收，光场被加强。即一定频率的单色光通过粒子数反转状态的工作物质后，光比入射时更强了，也数反转状态的工作物质后，光比入射时更强了，也可以说光被放大了。可以说光被放大了。 可见实现粒子数反转的工作物质（激活介质）可可见实现粒子数反转的工作物质（激活介质）可以作为激光放大器。以作为激光放大器。 要产生激光还必须要

12、有激光振荡器即光学谐振腔。要产生激光还必须要有激光振荡器即光学谐振腔。激光器运转的物理过程如下：激光器运转的物理过程如下：2.2.不稳定的高能级原子下降到亚稳态能级，造成亚不稳定的高能级原子下降到亚稳态能级，造成亚稳态能级与基态间的粒子数反转（发光或放热）。稳态能级与基态间的粒子数反转（发光或放热）。3.3.亚稳态能级上的原子跃迁到基态，自发辐射出亚稳态能级上的原子跃迁到基态，自发辐射出各个方向的光子。各个方向的光子。4.4.谐振腔选择出沿腔轴线方向传播的光子，反馈刺谐振腔选择出沿腔轴线方向传播的光子，反馈刺激亚稳态原子，受激发射成倍增加的光子。产生激亚稳态原子，受激发射成倍增加的光子。产生“

13、雪雪崩崩”放大效果。放大效果。（谐振腔：（谐振腔： 一对光学反射镜作端面的腔体）一对光学反射镜作端面的腔体）5.5.激光束从腔的端面射出。激光束从腔的端面射出。激光器由三部分组成：激光器由三部分组成：1.1.泵浦源泵浦源 实现粒子数反转。实现粒子数反转。2.2.工作物质工作物质 能级结构决定激光频率。能级结构决定激光频率。 （固体、气体、半导体等激光器）（固体、气体、半导体等激光器）3.3.谐振腔（光学反馈器）谐振腔（光学反馈器） 光放大产生激光。光放大产生激光。实现这种过程的光学装置就是激光器。实现这种过程的光学装置就是激光器。（MaimanMaiman，19601960）第一台红宝石激光器

14、）第一台红宝石激光器按激光器的工作介质分：按激光器的工作介质分：按激光器的工作方式分：按激光器的工作方式分：气体激光器；气体激光器；固体激光器；固体激光器；半导体激光器；半导体激光器；液体激光器。液体激光器。连续激光器；连续激光器；脉冲激光器。脉冲激光器。（四）激光器的类型（四）激光器的类型：固体激光器的特点：固体激光器的特点： 气体激光器的特点：气体激光器的特点：光激励，能量效率低；光激励，能量效率低；常用脉冲方式及冷却，功率大；常用脉冲方式及冷却，功率大；激光的相干性较差。激光的相干性较差。 电激发，效率高；电激发，效率高； 常用连续方式，频率稳定；常用连续方式，频率稳定； 激光相干性好（

15、常用于精密测量，全息照激光相干性好（常用于精密测量，全息照相等）。相等）。气体激光器的典型结构气体激光器的典型结构M1、M2 -反射镜；A-阳极；K一阴极；D-放电管；T-套管；G-毛细管；B-布儒斯特窗。 He-Ne激光器 气体激光器的一般结构气体激光器的一般结构：固体激光器的两种典型结构固体激光器的两种典型结构红宝石激光器红宝石激光器谐振腔：棒状基质晶体端面抛光镀反射膜光源：氙灯或高压水银灯，发光连续或脉冲式固体激光器的一般结构固体激光器的一般结构：声学多普勒效应声学多普勒效应1919世纪德国物理学家多普勒世纪德国物理学家多普勒 平面波矢 sl波数 k=2/频率 0波长 激光测速原理：利用

16、小粒子散射光的多普勒频移反激光测速原理：利用小粒子散射光的多普勒频移反映粒子的移动速度。映粒子的移动速度。二二. .小粒子散射的多普勒频移：小粒子散射的多普勒频移：多普勒现象：多普勒现象：21/ 1 ()liolffCCililV sV s按相对论原理，有：按相对论原理，有：粒子接收的光波频率（粒子远离光源时）：粒子接收的光波频率（粒子远离光源时）：11olffCilV s 接收器接收的散射光频率（粒子接近接收器时）：接收器接收的散射光频率（粒子接近接收器时）：11liffCiV r ClisVC C为光速。为光速。多普勒全频移与粒子速度在两个方向的投影有关：多普勒全频移与粒子速度在两个方向的

17、投影有关： 1.1.粒子在入射波粒子在入射波 s sl l方向远离光源的速度分量；方向远离光源的速度分量； 2.2.粒子朝着粒子朝着r r处观察者的速度分量。处观察者的速度分量。 s , r, lx 由光源、粒子和检测器三者相对位置可确定由光源、粒子和检测器三者相对位置可确定速度在波矢方向的投影。速度在波矢方向的投影。( ( 为单位方向矢）为单位方向矢）()1liolffCilVrs 直接光检测只能用于高速流动（否则会因频移直接光检测只能用于高速流动（否则会因频移太小而无法检测）。太小而无法检测）。 一般激光多普勒测速从全频率中减去入射光一般激光多普勒测速从全频率中减去入射光频率，留下在多普勒

18、频率上振荡的信号，这种技频率，留下在多普勒频率上振荡的信号，这种技术称为光外差检测或光混频。术称为光外差检测或光混频。三三. .光外差检测：光外差检测： 激光测速仪通过检测运动粒子的散射频移来激光测速仪通过检测运动粒子的散射频移来测量粒子的速度。测量粒子的速度。激光测速系统：激光测速系统：多普勒效应加多普勒效应加光外差检测技术光外差检测技术四四. .激光测速光学布置的基本模式：激光测速光学布置的基本模式：激光多普勒测速仪（又称激光多普勒测速仪（又称LDVLDV）的基本组成：）的基本组成： 空气或水冷激光器空气或水冷激光器 集成发射光学组集成发射光学组 光纤光学探头光纤光学探头 集成接收送光学组

19、集成接收送光学组/ /电子器件组电子器件组 信号处理器信号处理器 采集采集/ /分析窗口分析窗口（一）（一）. .现代光纤光路现代光纤光路 LDVLDV系统组件：系统组件：氦氖激光器：氦氖激光器： 波长波长633nm红色激光；红色激光； 输出功率输出功率15mw-40mw； 价廉，使用方便。价廉，使用方便。氩离子激光器：氩离子激光器： 波长波长514.5nm绿光、绿光、488nm蓝光和蓝光和 476.5nm紫光；紫光； 风冷风冷300mw，水冷，水冷2w-6w； 波长稳定，价高，功耗大。波长稳定，价高，功耗大。1.1.激光器：激光器：氩离子（氩离子（Ar+Ar+）激光器的结构示意图：）激光器的

20、结构示意图：多线模式多线模式单线模式单线模式70系列氩离子（Ar+）激光器 分色分束系统：分色分束系统：将激光器发射出来的一束光分将激光器发射出来的一束光分离成一对、二对或三对单色光束。离成一对、二对或三对单色光束。 光学部件：光学部件：各对光束焦点相交在同一测量各对光束焦点相交在同一测量“点点”，实现一维、二维或三维速度的测量。，实现一维、二维或三维速度的测量。光纤传输器件：使光纤传输器件：使发射光路紧凑而又灵活。发射光路紧凑而又灵活。2.2.发射光路系统：发射光路系统：3.3.接收光路系统：接收光路系统： 其作用是跟随粒子散射光的接收、分色和光电其作用是跟随粒子散射光的接收、分色和光电转换

21、。转换。 特点：前向接收方式则特点：前向接收方式则光散射信号强；光散射信号强；而后向接收方式则较为而后向接收方式则较为方便。方便。接收方式：接收方式： 前向接收；前向接收； 后向接收；后向接收； 侧向接收。侧向接收。4.4.信号处理器：信号处理器：要求从噪声中分离并精确测量多普勒频率。要求从噪声中分离并精确测量多普勒频率。 （具有准确性、近壁测量的能力和一定的测量（具有准确性、近壁测量的能力和一定的测量动态范围）动态范围） 信号处理器信号处理器分为：频率跟踪型信号处理器分为：频率跟踪型信号处理器和和计数型信号处理器等。计数型信号处理器等。LDVLDV系统数据采集处理系统。系统数据采集处理系统。

22、5.5.数据处理：数据处理：（二）（二）. .激光多普勒测速仪光学系统模式：激光多普勒测速仪光学系统模式：1.1.双光束模式：双光束模式：0102ui 双光束系统双光束系统用大口径收集光用大口径收集光栏产生强信号。栏产生强信号。111V (rs )iioff222V (rs )iioff0102ui在散射方向，光波的频率为：在散射方向，光波的频率为：2siniDiuf211212V (ss )()iiioosDiffffff0102ui反映出速度分量反映出速度分量u ui i的方位以及大小。的方位以及大小。 速度分量速度分量u ui i位于入射光束平面，并且垂位于入射光束平面，并且垂直于入射光

23、束夹角直于入射光束夹角2 2 的角平分线。的角平分线。 V (rs )illiolff2.2.参考光模式：参考光模式：2siniDiuf若将若将r r选为与选为与s s2 2相同方向，则：相同方向，则：同样可测出速度分量同样可测出速度分量u ui i的方位以及大小。的方位以及大小。V (rs )illiolff3.3.双散射模式：双散射模式：2siniDiuf混频频率为：混频频率为：DiiiifrrVff) (1212同样可测出速度分量同样可测出速度分量u ui i的方位以及大小。的方位以及大小。 单色光，同方向线偏振在相交处的位相差不单色光，同方向线偏振在相交处的位相差不变，在相交处振幅接近

24、时干涉现象较明显。变，在相交处振幅接近时干涉现象较明显。如图为两束光波的干涉条纹。如图为两束光波的干涉条纹。（三）（三）. .两束光波干涉的条件：两束光波干涉的条件：从分束到相交点的光程差影响干涉效果。从分束到相交点的光程差影响干涉效果。6.2 6.2 双光束激光测速系统双光束激光测速系统一一. .实用的双光束光学系统：实用的双光束光学系统： 高度平行光的气体激光器光束经过分光器后成高度平行光的气体激光器光束经过分光器后成为两束强度相等的平行光。为两束强度相等的平行光。二二. .双光束光学系统工作方式：双光束光学系统工作方式： 将两束平行光通过高质量聚焦透镜汇聚于聚焦将两束平行光通过高质量聚焦

25、透镜汇聚于聚焦平面，形成相交的小光斑。平面，形成相交的小光斑。测量体：测量体：两平行光束通过聚焦透镜相交于焦平面两平行光束通过聚焦透镜相交于焦平面 进行测量的空间区域就是光束交汇处，称为测进行测量的空间区域就是光束交汇处，称为测量体。量体。激光束光强为高斯分布，相交区的光强呈椭球体。激光束光强为高斯分布，相交区的光强呈椭球体。激光束光强为高斯分布，相交区的光强呈椭球体激光束光强为高斯分布，相交区的光强呈椭球体LDV测量体测量体两束入射光的散射光产生外差信号。两束入射光的散射光产生外差信号。 粒子以速度粒子以速度u u垂直于条纹穿过测量体时，向任垂直于条纹穿过测量体时，向任意方向产生散射光信号。

26、意方向产生散射光信号。 光电接收器接收散射光信号并转换成多普勒光电接收器接收散射光信号并转换成多普勒波群信号。波群信号。 如图，接收透镜中心对准系统光轴，称为共轴如图，接收透镜中心对准系统光轴，称为共轴。 如图，收光光栏接收的散射光是入射光向前散射如图，收光光栏接收的散射光是入射光向前散射的，称为前向散射。的，称为前向散射。 若收光光栏接收的散射光是入射光向后散射的，若收光光栏接收的散射光是入射光向后散射的，则称为后向散射。则称为后向散射。共轴前向散射系统：共轴前向散射系统：6.3 6.3 多速度分量系统多速度分量系统 将两个或三个单分量测速系统组合可以同时测量将两个或三个单分量测速系统组合可

27、以同时测量速度矢量的两个或三个分量。速度矢量的两个或三个分量。一一. .二分量激光测速系统：二分量激光测速系统：1.1.双色系统：双色系统： 将激光器发出的两种不同颜色的激光经过分光、将激光器发出的两种不同颜色的激光经过分光、聚焦形成两个互相垂直的双光束系统，可用于测量速聚焦形成两个互相垂直的双光束系统，可用于测量速度矢量的两个分量。度矢量的两个分量。2.2.双偏振系统：双偏振系统：3.3.双频率系统：双频率系统： 一种偏振系统是用两对照射光束交叉偏振，将散一种偏振系统是用两对照射光束交叉偏振，将散射光通过一个偏振立方柱或类似装置使信号分离；另射光通过一个偏振立方柱或类似装置使信号分离；另一种

28、偏振系统则是布置一束光的偏振方向具有其它两一种偏振系统则是布置一束光的偏振方向具有其它两束光偏振方向的矢量分量，形成三束光偏振系统。束光偏振方向的矢量分量，形成三束光偏振系统。双偏振系统可用于测量两个速度分量。双偏振系统可用于测量两个速度分量。二分量激光测速系统：二分量激光测速系统：3D LDV System三分量同轴检测三分量同轴检测三色布置：三色布置：GBBVG/VBGG/VVBTransmittinglens 用几个单分量系统测量速度矢量的两个或三个用几个单分量系统测量速度矢量的两个或三个分量时，若每个单分量系统都采用用双光束方法测分量时，若每个单分量系统都采用用双光束方法测流速。则，除

29、了二个基本的入射光束外还要为每一流速。则，除了二个基本的入射光束外还要为每一个增加的速度分量提供至少一束增加的入射光。个增加的速度分量提供至少一束增加的入射光。 这样就带来了一个问题，就是需要鉴别来自每这样就带来了一个问题，就是需要鉴别来自每一对光束的信号。对这些信号分别加以处理，并输一对光束的信号。对这些信号分别加以处理，并输出。这当然会增加系统的复杂程度。出。这当然会增加系统的复杂程度。 6.4 6.4 光检测器光检测器一一. .光检测器的作用：光检测器的作用： 光检测器检测投射到检测器上的光能总通量，并光检测器检测投射到检测器上的光能总通量，并将其转变为电压信号，将其转变为电压信号，输入

30、到处理器输入到处理器。 光检测器信号是一系列多普勒频率正弦波的光检测器信号是一系列多普勒频率正弦波的随机短脉冲群，它们是由粒子通过测量体时引起随机短脉冲群，它们是由粒子通过测量体时引起的。的。 光检测器主要有光电倍增管（光检测器主要有光电倍增管（PMTPMT）和光电二）和光电二极管。极管。光电倍增管（光电倍增管（PMTPMT）和光电二极管的特性：）和光电二极管的特性： 1. 1.光电二极管可在相当高的水平上工作，而光电二极管可在相当高的水平上工作，而PMTPMT则在光通量太大时会烧毁。则在光通量太大时会烧毁。 2.PMT 2.PMT在低光通量水平上仍工作良好（因为它有在低光通量水平上仍工作良好

31、（因为它有高增益，可达高增益，可达10103 3 10107 7），而光电二极管的增益则），而光电二极管的增益则很小（很小（10102 2量级）。量级）。 3. 3.好的光电二极管的量子效率在可见光段有好的光电二极管的量子效率在可见光段有80%80%，而好的而好的PMTPMT仅仅20%20%左右。左右。 4. 4.光电二极管的尺寸小，能耗低。光电二极管的尺寸小，能耗低。 5.PMT 5.PMT具有较高的灵敏度，因而在具有较高的灵敏度，因而在LDVLDV中采用较多。中采用较多。二二. .针孔光栏：针孔光栏：光源与收光孔径光源与收光孔径 粒子的散射光经由针孔光栏聚于光检测器（光粒子的散射光经由针孔

32、光栏聚于光检测器（光电倍增器或光电二极管）。电倍增器或光电二极管）。通过透镜通过透镜-针孔联合作用可阻拦杂散光。针孔联合作用可阻拦杂散光。三三. .减少背景光的方法：减少背景光的方法：1.1.转动光学器件使反射光错开转动光学器件使反射光错开PMTPMT针孔。针孔。2.2.用清洁的光学表面，或用抗反射涂层表面。用清洁的光学表面，或用抗反射涂层表面。3.3.遮挡杂散光。遮挡杂散光。4.4.针孔远离接收透镜，以小立体角收光。针孔远离接收透镜，以小立体角收光。 在接近壁面处测量时难以消除壁面闪烁的干扰，在接近壁面处测量时难以消除壁面闪烁的干扰，这时可采用荧光粒子。当粒子穿越近条纹区时发出荧这时可采用荧

33、光粒子。当粒子穿越近条纹区时发出荧光，其波长不同于激光波长，可用窄波段光学滤波器光，其波长不同于激光波长，可用窄波段光学滤波器区分荧光波与壁面闪烁。区分荧光波与壁面闪烁。 采用荧光粒子时要注意：采用荧光粒子时要注意：避免粒子沉淀在壁面避免粒子沉淀在壁面形成荧光染料层。形成荧光染料层。三三. .荧光粒子：荧光粒子： 可在壁面上涂上一层荧光漆提高光的吸收率可在壁面上涂上一层荧光漆提高光的吸收率以降低闪烁。以降低闪烁。空气中散射粒子性质：6.5 6.5 散射粒子散射粒子 散射粒子是多普勒信号的基本源，它们对信号质散射粒子是多普勒信号的基本源，它们对信号质量的影响高于其它的任何系统因素。量的影响高于其

34、它的任何系统因素。 单个散射粒子最主要的性质是它产生的信噪比，单个散射粒子最主要的性质是它产生的信噪比，以及其跟随流体能力的气动尺寸。以及其跟随流体能力的气动尺寸。 散射粒子在满足保证足够的散射光强的前提下，尺散射粒子在满足保证足够的散射光强的前提下，尺寸要尽量小。这样它才具有良好的对流体的跟随性。寸要尽量小。这样它才具有良好的对流体的跟随性。水中散射粒子性质： 散射粒子也不能太小，否则它的散射光强不够，信散射粒子也不能太小，否则它的散射光强不够，信号将无法被检测到。号将无法被检测到。 微粒与波长尺度邻近时，产生散射光。微粒与波长尺度邻近时，产生散射光。Ka=2 a/ ，a为球粒半径为球粒半径

35、散射微粒尺度比光的波长小，遵循瑞利定律；散射微粒尺度比光的波长小，遵循瑞利定律；散射微粒尺度比光波大，遵循米氏散射理论。散射微粒尺度比光波大，遵循米氏散射理论。 （G.MieG.Mie和和P.DebgeP.Debge，19081908）散射粒子是多普勒信号的基本源。散射粒子是多普勒信号的基本源。单个散射粒子主要性质：信噪比、跟随性。单个散射粒子主要性质：信噪比、跟随性。 3. 3.粒子折射率对流体折射率的比值越高，散粒子折射率对流体折射率的比值越高，散射光越强。射光越强。（若要增加激光功率或改进光学系统则代价较大）（若要增加激光功率或改进光学系统则代价较大） 1. 1.增加粒子直径从零点几增加

36、粒子直径从零点几 m m到几到几 m m，信号的，信号的强度增加强度增加10102 2 10104 4倍。倍。 2. 2.采用前向散射时，在粒径采用前向散射时，在粒径 0.5 0.5 2020 m m范围范围内，即使用低功率激光，粒子的散射光强也足够。内，即使用低功率激光，粒子的散射光强也足够。1.1.天然气溶胶、水溶胶：天然气溶胶、水溶胶： 2. 2.后向散射要求高激光功率，播撒粒子的粒径在后向散射要求高激光功率，播撒粒子的粒径在5m5m以上。以上。 水流中可采用后向散射方式（除非速度太高或水流中可采用后向散射方式（除非速度太高或发散透镜焦距大于发散透镜焦距大于0.50.5 1m)1m)。可

37、采用粒径均匀的塑料。可采用粒径均匀的塑料球，其重度接近球，其重度接近1 1，不存在沉降问题。，不存在沉降问题。用于用于LDVLDV的粒子种类：的粒子种类： 水流中前向散射用天然悬浮粒子就可以达到水流中前向散射用天然悬浮粒子就可以达到要求。要求。 亦可用牛奶、乳胶颜料漆和各种细粉（采用亦可用牛奶、乳胶颜料漆和各种细粉（采用5 5 25mW25mW激光）激光） 4.0.1 4.0.1 1 1 m m天然气溶胶颗粒最适合用作气流天然气溶胶颗粒最适合用作气流的的LDVLDV散射粒子。散射粒子。 5. 5.对于低到中速气流的其散射粒子的粒径最好对于低到中速气流的其散射粒子的粒径最好为为1 12 2 m

38、m。 3. 3.碳化硅粒子折射率高，可用于水流中的后向碳化硅粒子折射率高，可用于水流中的后向散射方式，但是在其缺点是在散射方式，但是在其缺点是在1m/s1m/s以下的流动中沉以下的流动中沉降太快。降太快。 可采用液滴（水，各种植物油、矿物油，研磨可采用液滴（水，各种植物油、矿物油，研磨粉）作为散射粒子。粉）作为散射粒子。 由于粒子随机进入测量体，需要专门的数字处理由于粒子随机进入测量体，需要专门的数字处理方法。方法。LDVLDV信号处理器是设计用于测量多普勒脉冲群信号处理器是设计用于测量多普勒脉冲群的频率的专门仪器。的频率的专门仪器。相关器相关器谱分析仪谱分析仪计数器计数器 * *频率跟踪器频

39、率跟踪器 * *6.6 6.6 信号处理器信号处理器LDVLDV信号处理器的类型主要有：信号处理器的类型主要有： 信号处理和数据处理技术的关键在于信号处理和数据处理技术的关键在于LDVLDV信号信号的类型。应根据脉冲群密度和光密度结合决定采用的类型。应根据脉冲群密度和光密度结合决定采用何种处理技术。何种处理技术。 这些类型的信号处理器没有谁是最佳的。要取这些类型的信号处理器没有谁是最佳的。要取得良好的测量效果，实验工作者必须根据特殊的场得良好的测量效果，实验工作者必须根据特殊的场合选用相应的仪器。合选用相应的仪器。 将不同的多普勒信号分解为：将不同的多普勒信号分解为：基底信号和基底信号和多普勒

40、脉冲群信号。多普勒脉冲群信号。应根据特殊场合选择相应的仪器：应根据特殊场合选择相应的仪器： 相关器分析和谱分析是长时间平均的技相关器分析和谱分析是长时间平均的技术，得到的速度是时间平均值。术，得到的速度是时间平均值。 计数器和频率跟踪器采用的是时间分辨技计数器和频率跟踪器采用的是时间分辨技术。术。测量时间为单个多普勒脉冲群的时间量级测量时间为单个多普勒脉冲群的时间量级（小于流动时间尺度），得到的速度是时间的（小于流动时间尺度），得到的速度是时间的函数。函数。 频率计数器测量信号频率。精确计算累计频率计数器测量信号频率。精确计算累计N N个周期的信号时间长度。多普勒信号过零，个周期的信号时间长度。多普勒信号过零，则移去基底信号，将信号通过固定高通滤波器。则移去基底信号，将信号通过固定高通滤波器。 当最高多普勒脉冲群频率的基底信号频率超当最高多普勒脉冲群频率的基底信号频率超过了可能的