第06章 流速测量2(LDV)

1、第第6章章 流速测量流速测量测压管与测速技术测压管与测速技术热线热膜风速仪热线热膜风速仪激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术粒子图像测速技术粒子图像测速技术第第6.3节节 激光多普勒测速激光多普勒测速nLDV: Laser Doppler Velocity nLDV是激光在热工测量中比较成熟的一种应用。是激光在热工测量中比较成熟的一种应用。n非接触测量技术。具有一切非接触测量具有的优点，尤其非接触测量技术。具有一切非接触测量具有的优点，尤其适用于小尺寸流道的流速测量和困难环境条件下（如低温、适用于小尺寸流道的流速测量和困难环境条件下（如低温、低速、高温、高速等）的流速测量；低速、高温、高速等）

2、的流速测量；nLDV已经应用于火焰、燃烧混合物中流速的测量、旋转机已经应用于火焰、燃烧混合物中流速的测量、旋转机械中的流速测量。械中的流速测量。n特点：特点：n动态响应快、测量准确、仅对速度敏感而与流体其他动态响应快、测量准确、仅对速度敏感而与流体其他参数参数(如温度、压力、密度、成分等如温度、压力、密度、成分等)无关。无关。 本节内容本节内容n6.3.0 光学和激光的基础知识光学和激光的基础知识n6.3.1 多普勒频移多普勒频移n6.3.2 激光多普勒测速原理差动多普勒技术激光多普勒测速原理差动多普勒技术n6.3.3 多普勒测速的光学系统多普勒测速的光学系统n6.3.4 信号处理系统信号处理

3、系统n6.3.5 散射粒子散射粒子n6.3.6 实例实例6.3.0 光学和激光的基础知识光学和激光的基础知识1960年，美国休斯实验室的年，美国休斯实验室的H.Maiman成功地制成成功地制成了第一台激光器。了第一台激光器。Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)n激光的优点：激光的优点：n高度方向性；单色性；相干性；高亮度；超短高度方向性；单色性；相干性；高亮度；超短脉冲；可调谐性；脉冲；可调谐性；1. 光的基本性质光的基本性质n光具有波粒二象性光具有波粒二象性n光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波

4、长。光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。n光波是交变电磁场在空间的传播，既是光波是交变电磁场在空间的传播，既是电矢量电矢量E的振动和的振动和传播，同时也是传播，同时也是磁矢量磁矢量B的振动和传播。的振动和传播。n光是光是光子流光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。光矢量光矢量-光对人眼的感觉、胶片的感光及在其它一般光对人眼的感觉、胶片的感光及在其它一般现象中起的主要作用是现象中起的主要作用是电矢量电矢量E E。因此，习惯。因此，习惯上常把上常把电矢量电矢量E E称为称为光矢量光矢量。设光波沿。设光波沿z z轴方轴方向传播，则光矢量的振动方

5、向必在与向传播，则光矢量的振动方向必在与z z轴垂直轴垂直的的xyxy平面内。平面内。平面波平面波-在光波场中，光波相位相同的空间各点所连在光波场中，光波相位相同的空间各点所连成的面称为波面或同相面。波面是平面的波成的面称为波面或同相面。波面是平面的波称为平面波。称为平面波。单色平面波单色平面波-具有单一频率的平面波称为单色平面波。具有单一频率的平面波称为单色平面波。n光的频率光的频率：光矢量每秒钟振动的次数。光矢量每秒钟振动的次数。T10cn光的波长：光的波长：振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。各种不同频率的光在真空中的传播速度均等于距离。

6、各种不同频率的光在真空中的传播速度均等于c c。式中式中 0 0- - 真空中的波长真空中的波长 c - c - 真空中的光速真空中的光速n光在各种介质中传播时，保持其原有频率不变，速度光在各种介质中传播时，保持其原有频率不变，速度v v各各不相同。不相同。ncv n各种介质的折射率各种介质的折射率n n总大于总大于1 1，所以，所以v v总是小于总是小于c c。n不同介质的折射率不同，光速不同，所以同频率的光在不同不同介质的折射率不同，光速不同，所以同频率的光在不同介质中的波长也不同。介质中的波长也不同。n光在折射率为光在折射率为n n的介质中的波长的介质中的波长是真空中波长是真空中波长 o

7、 o的的1/1/n nn光的量子描述：光的量子描述：1.1.光场是由一个个光子组成，光子是光的最小单位。光场是由一个个光子组成，光子是光的最小单位。2.2.物质发光是发射一系列光子，吸收光也就是吸收光子。物质发光是发射一系列光子，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如果两个频率相等，相位关系始终保持不变的电如果两个频率相等，相位关系始终保持不变的电磁波在相遇处振动方向几乎沿着同一直线，则它磁波在相遇处振动方向几乎沿

8、着同一直线，则它们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，有们叠加后产生的合振动可能在有些地方加强，有些地方减弱，这一强度按空间周期性变化的现象些地方减弱，这一强度按空间周期性变化的现象称为干涉。称为干涉。n光的干涉现象是几束光相互叠加的结果。光的干涉现象是几束光相互叠加的结果。(2). 光的衍射光的衍射n光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象，称为光的衍射。屏幕上出现光强不均匀分布的现象，称为光的衍射。n衍射现象的出现与否，主要决定于障碍物线度与波衍射现象的出现与否，主要决定于障碍物线度与波长大小的对比。只有在光源

9、离障碍物足够远时，衍长大小的对比。只有在光源离障碍物足够远时，衍射现象才明显地表现出来。射现象才明显地表现出来。4. 光的偏振性光的偏振性n偏振偏振：光波的电矢量振动方向、对于传播方向的不对称性称：光波的电矢量振动方向、对于传播方向的不对称性称为偏振。为偏振。n线偏振线偏振：电矢量只沿一个固定方向振动的光为线偏振光。：电矢量只沿一个固定方向振动的光为线偏振光。n自然光中包含许多彼此独立的线偏振光，它们的电矢量可取不自然光中包含许多彼此独立的线偏振光，它们的电矢量可取不同的方位。同的方位。n自然光可以看成是两个自然光可以看成是两个振幅相同、振动相互垂振幅相同、振动相互垂直的、非相干的线偏振直的、

10、非相干的线偏振光的叠加。光的叠加。5. 激光的工作原理激光的工作原理n工作物质工作物质(A)n激励系统激励系统(P)n光学谐振腔光学谐振腔(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将能量集中在很小的立体角中；将能量集中在很小的立体角中；2.激光的单色性激光的单色性谱线宽度越小，单色性越好；谱线宽度越小，单色性越好；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. 激光的纵模和横模激光的纵模和横模n在平行平面镜腔内，只有当光在介质中的波长在平行平面镜腔内，只有当光在介质中的波长 q q满足满足 q q q q = 2L = 2L (q (q为正整数，为正

11、整数，L L为腔长）时，在腔内才能形为腔长）时，在腔内才能形成稳定的驻波。成稳定的驻波。n满足上式的某些特定波长的光才可能在腔内形成激光，这满足上式的某些特定波长的光才可能在腔内形成激光，这些特定波长的激光称为些特定波长的激光称为纵模纵模。对应于谐振腔中纵向不同的、。对应于谐振腔中纵向不同的、稳定的光场分布是不同的纵模。稳定的光场分布是不同的纵模。n光场在横向（即垂直于光传播方向的平面上）不同的稳定光场在横向（即垂直于光传播方向的平面上）不同的稳定分布通常称为不同的分布通常称为不同的横模横模。n激光的模式一般用激光的模式一般用TEMmnqTEMmnq来表示，其中来表示，其中q q为纵模序数，为

12、纵模序数，m m、n n为横模序数为横模序数. .9. 激光多普勒风速计激光多普勒风速计(Laser Doppler Velocimeter)（一）激光风速计（一）激光风速计（LDV）的组成的组成1.激光器激光器：氦氖激光器（：氦氖激光器（mW）、氩离子激光器（）、氩离子激光器（W）2.入射光学单元入射光学单元：将激光束分成多束互相平行的入射光，：将激光束分成多束互相平行的入射光，再通过聚焦透镜聚到测量点。再通过聚焦透镜聚到测量点。3.接收光学单元接收光学单元：收集运动微粒通过测量体时的散射光，：收集运动微粒通过测量体时的散射光，再转换成多普勒频移频率的光电流信号。再转换成多普勒频移频率的光电

13、流信号。4.多普勒信号处理器多普勒信号处理器：对多普勒信号进行处理，如频率：对多普勒信号进行处理，如频率跟踪器、计数式处理器等，将频率量转换成数字量跟踪器、计数式处理器等，将频率量转换成数字量5.数据处理系统数据处理系统：得到各种流动参数：得到各种流动参数激光风速计（激光风速计（LDV）的发展的发展1、第一代、第一代LDV （19701980）光路系统为光路系统为离散离散的光学元件，处理器为的光学元件，处理器为跟踪型跟踪型信号处理器，模拟输出。信号处理器，模拟输出。2、第二代、第二代LDV （19802000）光路系统为光路系统为部分集成化部分集成化、部分离散、部分离散的光学元件，的光学元件，

14、处理器为处理器为计数型计数型信号处理器，数字输出，利用信号处理器，数字输出，利用计算机进行处理。计算机进行处理。3、第三代、第三代LDV （2000年后）年后）1.集成化集成化。用集成光学组合件代替离散的光学元件。用集成光学组合件代替离散的光学元件。2.光纤化光纤化。用大功率光学纤维代替部分光学传送部件，使用大功率光学纤维代替部分光学传送部件，使体积缩小，重量减轻，机动性体积缩小，重量减轻，机动性、灵活性提高。、灵活性提高。3.智能化智能化。提高了自动化程度提高了自动化程度，排除了人为因素的限制，排除了人为因素的限制，确保了测量的有效性和正确性。确保了测量的有效性和正确性。4.精确化精确化。利

15、用了现代的数字信号处理技术改善了利用了现代的数字信号处理技术改善了LDV的的信号处理能力。信号处理能力。6.3.1 多普勒频移多普勒频移1. 基本多普勒频移基本多普勒频移 (奥地利科学家奥地利科学家多普勒多普勒于于1842年首次进行研究年首次进行研究) -波源和接波源和接收器的相对运动引起的波运动（电磁波或其他形式的波）收器的相对运动引起的波运动（电磁波或其他形式的波）的的频率变化频率变化即多普勒频移。即多普勒频移。n波源波源S是静止的，观察者以速度是静止的，观察者以速度V在移动，波的速度为在移动，波的速度为c，波长为波长为 ，移动观察者感受的移动观察者感受的频率增加频率增加为：为：cosVc

16、Vcosn因因c= , 则频率则频率的相对变化为的相对变化为:2. 移动源的多普勒频移移动源的多普勒频移(P179)222coscoscVcVvvvvvS1A = c(t-t1)S2D = c(t-t2)t2-t1= =1/ S1S2=v 则观察到的波长：则观察到的波长： =AC=S1A-S2D-S1S2cos =c -v cos 由于由于c= , 相对多普勒频移为相对多普勒频移为3. 散射物的多普勒频移散射物的多普勒频移n从光源从光源S发出的频率为发出的频率为v的的光，被物体光，被物体P散射，在散射，在Q处处来观察散射光相对多普勒来观察散射光相对多普勒频移为频移为2sincos2acVvv2

17、sincos2aVvn多普勒频移为多普勒频移为Q6.3.2 激光多普勒测速原理差动多普勒技术激光多普勒测速原理差动多普勒技术n多普勒效应测量流速时，必须使多普勒效应测量流速时，必须使光源和接受器都固定光源和接受器都固定，在流体中加入在流体中加入随流体一起运动的微粒随流体一起运动的微粒。n微粒对于入射光具有散射作用，当它接收到频率为微粒对于入射光具有散射作用，当它接收到频率为 的入射光的照射后，会以同样的频率将其向四周散射。的入射光的照射后，会以同样的频率将其向四周散射。这样，随流体一起运动着的微粒既这样，随流体一起运动着的微粒既接收接收入射光的照射，入射光的照射，又作为向固定的光接收器又作为向

18、固定的光接收器发射发射散射光波。散射光波。n固定的接收器所接收到的微粒散射光频率，与光源发固定的接收器所接收到的微粒散射光频率，与光源发射出的光频率不同，二者之间会产生射出的光频率不同，二者之间会产生多普勒频移多普勒频移。差动多普勒技术差动多普勒技术n差动多普勒频移方法差动多普勒频移方法n用两束不同频率的源用两束不同频率的源S1 ( 1),S2( 2)同时通过散射同时通过散射物产生两股散射频移光，然后再测出这两股散射物产生两股散射频移光，然后再测出这两股散射频移光强的频移光强的差值差值。cos2sin2vDn频差频差 6.3.3 多普勒测速的光学系统多普勒测速的光学系统1. 光路系统光路系统激

19、光多普勒测速的光路系统有三种激光多普勒测速的光路系统有三种n参考光束系统参考光束系统n单光束系统单光束系统n双光束系统双光束系统(1) 参考光束系统参考光束系统(P182)n来自同一光源来自同一光源的激光被分光的激光被分光镜分为两束，镜分为两束，一束为参考光一束为参考光Kr，一束为信，一束为信号光号光Ks，两束，两束光强度不同。光强度不同。)2sin(2nDvKr：光检测器：光检测器Ks：测点微粒，散射光：测点微粒，散射光光检测器光检测器(2) 单光束系统单光束系统n方法：方法：P182n要求两个接收孔的直径要选择适当，过大过小都要求两个接收孔的直径要选择适当，过大过小都会使信号质量变坏，降低

20、测量精度。对光能利用会使信号质量变坏，降低测量精度。对光能利用率低，目前已较少使用。率低，目前已较少使用。)2sin(2nDv 双光束系统双光束系统n方法：方法：P183n特点：特点：n多普勒频移与多普勒频移与接收方向无关接收方向无关;n任意选择光检任意选择光检测器的位置测器的位置;n信噪比高信噪比高;n容易调准容易调准)2sin(2nDv2.干涉条纹干涉条纹n根据干涉原理，来自同一根据干涉原理，来自同一光源的两束相干光，当它光源的两束相干光，当它们以角们以角 相交时，在交叉部相交时，在交叉部位会产生明暗相间的干涉位会产生明暗相间的干涉条纹如图条纹如图6-22。只要两。只要两条相干光的波长保持

21、不变，条相干光的波长保持不变，且交角且交角 已知，那么，干涉已知，那么，干涉条纹的间距条纹的间距DF是定值，是定值，)2sin(2FDn双光束系统中，双光束系统中，差拍信号差拍信号 D的测量利用了光的干涉的测量利用了光的干涉现象。现象。n当微粒以当微粒以vn的速度通过干涉条纹区时，在明的速度通过干涉条纹区时，在明纹处散射光强度增大，在暗纹处散射光强纹处散射光强度增大，在暗纹处散射光强度减弱。这样，散射光强度的变化频率为度减弱。这样，散射光强度的变化频率为vn /DF，它恰好就是光检测器所接收到的差拍，它恰好就是光检测器所接收到的差拍信号信号 D n因此，在双光束系统中，可以通过测出散因此，在双

22、光束系统中，可以通过测出散射光强度的变化频率来确定流速分量射光强度的变化频率来确定流速分量vn 。干涉条纹干涉条纹n 3. 方向模糊性及解决办法方向模糊性及解决办法n基本多普勒频移方程式基本多普勒频移方程式(6-40) 速度信号速度信号与多普勒频移成正比关系；与多普勒频移成正比关系；n多普勒频移是两个频率之差，故不可能知多普勒频移是两个频率之差，故不可能知道哪一个频率高，因此速度符号变化对产道哪一个频率高，因此速度符号变化对产生的频率无差别。所以激光多普勒测速中生的频率无差别。所以激光多普勒测速中的一个基本问题是速度的一个基本问题是速度方向方向的鉴别。的鉴别。 解决办法：光束的频移解决办法：光

23、束的频移n使入射到散射体的两束光之间的一束光的频率增加，这样散射使入射到散射体的两束光之间的一束光的频率增加，这样散射体中的干涉条纹就不再是静止不动，而是一组体中的干涉条纹就不再是静止不动，而是一组运动的条纹系统运动的条纹系统，如图如图6-24。这样，在检测器检测到的一个静止的粒子产生的信。这样，在检测器检测到的一个静止的粒子产生的信号频率等于光束增加的频率号频率等于光束增加的频率。n如果粒子运动的方向与干涉条纹运动的方向相反，则得到大于如果粒子运动的方向与干涉条纹运动的方向相反，则得到大于光束增加频率光束增加频率的的多普勒频率多普勒频率，粒子运动的速度方向为正；，粒子运动的速度方向为正；n如

24、果粒子运动的方向与干涉条纹运动的方向相同，则得到小于如果粒子运动的方向与干涉条纹运动的方向相同，则得到小于光束增加频率光束增加频率的的多普勒频率多普勒频率，粒子运动的速度方向为负。，粒子运动的速度方向为负。n激光多普勒测速仪，光束增加频率激光多普勒测速仪，光束增加频率多采用多采用40MHz。4、主要光学部件、主要光学部件n光源光源n分光器分光器n发射透镜发射透镜n接收透镜接收透镜n光检测器光检测器激光光源激光光源分光器分光器发射透镜发射透镜n发射透镜的作用：发射透镜的作用：n聚焦两束入射光，以便更好地相交聚焦两束入射光，以便更好地相交n提高交点处光束功率密度提高交点处光束功率密度n减小焦点处测

25、点体积减小焦点处测点体积n提高测点的空间分辨率提高测点的空间分辨率接收透镜接收透镜n接收透镜的主要作用：接收透镜的主要作用：n收集包含多普勒频移的散射光，通过成像，只让这部分收集包含多普勒频移的散射光，通过成像，只让这部分散射光到达光检测器，而限制其他杂散光。散射光到达光检测器，而限制其他杂散光。n前向散射前向散射方式工作的光路系统，需要加装单独的接收透方式工作的光路系统，需要加装单独的接收透镜；镜；n后向散射后向散射方式工作的系统，发射透镜可兼作接收透镜，方式工作的系统，发射透镜可兼作接收透镜，使整个光路结构紧凑。使整个光路结构紧凑。n接收透镜之前还可加装光栏。调节光栏孔径，以控制测接收透镜之前还可加装光栏。调节光栏孔径，以控制测点的有效体积，提高系统的空间分分辨率。