流体多普勒测速实验

1、4)激光多普勒测量流体速度一、光学多普勒效应当观察者与被观察对象有相对移动时，观察者接收到的光会发生频移，称为Doppler频移。在图1中，当光源S和接收器R都静止，物体运动时。R接收来自运动物体表面漫反射光源的光，经历了两次Doppler变换，即静止的光源到运动的观察者，运动的光源到静止的观察者。R图1物体运动时的Doppler效应光从S到物体经历第一次Doppler频移为:1)从物体表面漫反射光到达接收者R的频移为:2)vf一k)71-二！Jc丿3)总频移为:f1-Jc丿甘=f一f=J;丿-fi-v!c当物体的运动速度VVVC时，上式可简化为:纣=也二、Doppler频移的测量方法可见光波

2、段，如果物体运动速度10m/s时，这时的Doppler频移为107Hz，而可见光频率为1015Hz量级，无法直接测量Doppler频移。所以采用光学差频（降频）技术来间接测量Doppler频移。在图2中，两束激光夹角为a同时照射被测对象，在另一个方向上观探测射光。两散射光在探测器所产生拍频信号的频率等于激光Doppler频移之差。9激光束a0v去检测器图2双光束照射假设图2中的两光交汇处有颗粒，颗粒的速度V，9和9颗粒分别与两束入射光之间的夹角，92是颗粒速度与观测方向的夹角，探测器探测两束入射光的散射光的Doppler频移的差值，即探测器所探测到的频率为：Af=AvZ=(cos9-cos9，

3、)c115）2vasincos九2式中，Av，Av分别对应两束入射光的散射光的Doppler频移；a=9-耳，是两束照射光之间的夹角；吐2（91+91-兀），是运动方向和光束夹角平分线的法线之间的夹角。三、激光Doppler测速实验装置及操作图3激光Doppler测速实验系统二”光电二极管PC信号显示放大和滤波图4激光Doppler测速实验装置光路图本实验利用液体中的杂质颗粒，采用多普勒测量杂质颗粒速度确定液体的流速。实验用的激光器为波长632.8nm的He-Ne,激光器功率为5mW,1:1分束镜，汇聚透镜焦距100mm，收集光透镜焦距50mm，硅光电极管探测器。光学部件按如下方式安装：(1)

4、两导轨成L形式摆放，短导轨上放激光器和分束器。其它器件在长导轨上。(2)调整光具座使是各个元件互相平行。打开He-Ne激光器，调整激光束与导轨平行。调节分光器，形成平行于长导轨的两束光，且两束光间距约1.6厘米。激光通过小孔光阑滤掉杂光，两小孔相隔1cm。调整汇聚透镜的高低，使光恰好通过汇聚透镜中心。应将两路光在待测量处聚焦，使激光在该处产生干涉条纹，利用透镜将像呈在远处。调整分光器半反镜的角度，使两个光斑在远处重合到一起，在远处可以观察到干涉条纹。图5两束光交汇处的光分布图6干涉条纹截面将可变光阑放置在距待测量处约5厘米左右并充分打开，让这两个光束通过待测量区域后恰好被光阑遮住，将收集光路靠

5、近光阑，散射光聚焦到硅光电二极管。前后移动硅光电二极管，并使散射光点位于其接收镜头的焦点上。使光电二极管能接收到最多的Doppler信号。此时光路调整完毕。将硅光电二极管接到放大器，用示波器观察并记录信号。四、激光Doppler测速实验结果被测液体采用蒸馏水掺入微量散射粒子（本实验要求粒子数体密度不能过高）。将约12微克散射粒子放入500ml的蒸馏水中，并混合，倒入到分液漏斗中，打开分液漏斗阀门并打开软管的夹子，使管中完全充满水。此时需确认，两束激光交叉点恰好在充满水的管中心。在实验中He-Ne激光器发出的光由分光系统分成两束相互平行的光，由透镜聚焦在透明玻璃管中，控制漏斗流量使水缓慢在玻璃管中流动，水中微粒会产生散射，散射光频率发生了Doppler频移，光电探测器放在收集光路的焦点处，接收散射光，并通过光电探测器的光平方律效应，获取Doppler频率，再送入放大电路和滤波电路等进行处理。图7双光束的多普勒频移光拍频信号波形从波形中可以清楚的得到有一个f=2kHz的频移，即为两光的Doppler频移差。由水的折射率与真空折射率差别，激光的速度、角度和波长都发生明显变化，在本实验中部分因素相互抵消，最终的总影响不显著。本次实验两条光相距10mm，汇聚透镜f=100mm，得出=2arctan0.05，流