光电测速技术市公开课一等奖省赛课获奖课件

11.9光电测速技术

11.9.1激光多普勒(Doppler)测速技术

1842年奥地利科学家Doppler等人首次发觉，以任何形式传输波，因为波源、接收器、传输介质或散射体运动会使波频率发生改变，即所谓多普勒频率移动。1964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子散射光有频率移动，证实能够用激光多普勒频移技术确定粒子流动速度。随即有些人又用该技术测量气体流速。当前，激光多普勒频移技术已被广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中速度测量。⒈多普勒测速原理激光多普勒测速技术(LDV)工作原理是基于运动物体散射光线多普勒效应。光电测速技术第1页⑴多普勒效应多普勒效应能够由波源和接收器相对运动产生，也能够由波传输通道中物体运动产生，LDV通常利用后一个情况。多普勒效应能够经过图10-54所表示观察者P相对波源S运动来解释。假设波源S静止，观察者以速度v移动，波速为c，波长为λ。假如和λ相比，P离开S足够远，可把P处波看成是平面波。设单位时间P朝S方向移动距离为vcosθ，θ是速度矢量和波运动方向夹角。比单位时间P点静止时多接收vcosθ/λ个波，移动观察者所感受到频率将增加光电测速技术第2页⑵激光多普勒测速公式(10-47)因为c=fλ，f是S波源发射频率(即观察者静止时感受到频率)，则频率相对改变可写为

(10-48)式(10-48)为基本多普勒频移方程。

分析式(10-48)可知，假如已知运动方向θ、波速c，和波长λ，若测量出观察者感受到频率增加Δf，便可求出观察者运动速度v。下面依据多普勒效应来研究微粒运动速度测量技术。其测速原理如图10-55所表示，假定L为固定激光光源，其频率为f，

光电测速技术第3页波长为λ，D为接收器。L发出光束照射在运动速度为v微粒P上，U和K分别代表接收方向和入射方向单位矢量。当微粒P静止时，单位时间内经过微粒波前数即为光波频率f，f=c/λ。设微粒P以速度v运动，则单位时间内经过微粒波前数

(10-49)同理，固定观察者沿接收方向U观察时，每单位时间到达D波前数为

(10-50)展现在微粒P上波长λP和频率fP之间关系为由

(10-51)光电测速技术第4页因为v<<c，式(10-51)中最终一项能够略去，则式(10-51)变为

(10-52)则多普勒频移

式(10-53)表明，多普勒频移Δf在数值上等于散射微粒速度在(U—K)方向投影与入射光波长又之比。假如接收散射光和光源入射光之间夹角为θ，则式(10-53)能够写为

或

(10-53)(10-54)光电测速技术第5页⒉激光多普勒测速仪组成式中，v是速度矢量V在y轴上分量。因为θ和λ都是已知，故Δf和v呈严格线性关系，只要测出Δf，便可知道微粒P运动速度v。式(10-54)为多普勒测速公式。在实际测量中，多采取光外差多普勒测速技术，即将入射光和散射光同时送到光接收器上，由光电器件按平方律检波，使输出电流中只包含两束光差频部分，这么，可接收到因为粒子运动速度而引发光频微小改变。

图10-56所表示为经典激光多普勒测速仪原理图。⑴激光器多普勒频移相对光源波动频率来说改变很小，所以，必须用频带窄及能量集中激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体激光器，如He-Ne激光器或氩离子激光器。光电测速技术第6页⑵光学系统

He-Ne激光器功率较小，适合用于流速较低或者被测粒子较大情况；氩离子激光器功率较大，信号较强，用得最广。

如图10-56所表示，光学系统由发射和接收两部分组成，发射部分由分束器F及反射器S把光线分成强度相等两束平行光，然后经过会聚透镜L1聚焦到待测粒子P上，接收部分由接收透镜L2将散射光束搜集到光电接收器PM上。为防止直接入射光及外界杂散光也进入接收器，在对应位置上设置挡光器R及小孔光阑D。光电测速技术第7页双散射型光路多普勒频移表示式为式(10-53)，该式中不出现散射光方向角，表明散射光频差与光电探测器方向无关。所以，使用时不受现场条件限制，可在任意方向测量，且能够使用大口径接收透镜，粒子散射光能量极大地得到利用，信噪比高。进入光电探测器散射光来自两束含有一样强度光线交点，它对全部尺寸散射微粒都发生高效率拍频作用，防止了信号“脱落”现象。调整时也只需依据两束光交点处干涉条纹清楚度进行调整，使用很方便。如图10-57所表示，在仪器设计时，为使结构紧凑常使光源和接收器放置在同一侧，并将这种光路称为后向散射光路。

光电测速技术第8页⑶

信号处理系统

激光多普勒信号是非常复杂。因为流速起伏，引发频率起伏改变，是个变频信号。又因为粒子尺寸及浓度不一样，使散射光强发生改变，频移幅值也按一定规律改变。粒子离散，每个粒子经过测量区又是随机。故波形断续，且随机改变。

信号处理系统任务是从这些复杂信号中提取反应流速真实信息，传统测频仪极难满足要求。现在已经有各种多普勒信号处理方法，如频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、滤波器组分析法、光子计数相关法及扫描干涉法等。下面介绍最广泛使用频率跟踪法及近几年发展较快频率计数方法。

①

频率跟踪法

光电测速技术第9页频率跟踪法能使信号在很宽频带范围内(2.25kHz~15MHz)得到均匀放大，并能实现窄带滤波，从而提升了信噪比。它输出频率量可直接用频率计显示平均流速。输出模拟电压与流速速度成正比，能够给出瞬时流速以及流速随时间改变，配合均方根电压表可测量湍流速度。

如图10-58所表示为频率跟踪器电路方框图。光电测速技术第10页②

频率计数法

频率计数法信号处理原理如图10-59所表示。

频率计数测频仪是计时装置，用测量已知条纹数所对应时间来测量频率装置。流体速度v由下式计算：

式中，d为条纹间隔，n为人为设定穿越条纹数，Δt为穿越n条条纹所用时间。

光电测速技术第11页⒊

激光多普勒测速技术应用

激光多普勒测速仪(LDV)含有非接触测量、不干扰测量对象、测量装置可远离被测物体等优点，在生物医学、流体力学、空气动力学、燃烧学等领域得到了广泛应用。

⑴血液流速测量LDV具有极高空间分辨力，再配置一台显微镜可用以观察毛细血管内血液流动。图10-60所示为激光多普勒显微镜光路图，将多普勒测速仪与显微镜组合起来，显微镜用视场照明光源照明观察对象，用以捕捉目标。测速仪经分光棱镜将双散射信号投向光电接收器，被测点可认为60μm粒子。光电测速技术第12页因为被测对象为生物体，光束不易直接进入生物体内部，且要求测量探头尺寸小。光纤测量仪探头体积小，便于调整测量位置，能够深入到难以测量角落；而且抗干扰能力强，密封型光纤探头可直接放入液体中使用。

图10-61所表示为光纤多普勒测速仪原理图，采取后向散射参考光束型光路，参考光路由光纤端面反射产生。为消除透镜反光影响，利用安置在与入射激光偏振方向正交检偏器接收血液质点P射散光和参考光。

光电测速技术第13页⑵

管道内水流测量

图10-62所示为测量圆管或矩形管内水流速度分布多普勒测量系统原理图，采取最经典双散射型测量光路。光电测速技术第14页⒋

多普勒全场测速技术

LDV为对流场中某一固定点进行测量方法。如要做全场测量，还需逐点扫描，故只限于改变较小流动，不能用于非定量流。近年来在此基础上新发展了一个多普勒全场测速技术(DGV)，可对流体做全场测量，对粒子选择、播发没有严格要求，尤其适合于气流测量。

⑴测量原理DGV基本原理是利用了一些物质选择吸收特征，把多普勒频移转换成光强度，经过视频相机拍摄后进行处理，取得全场速度信息，从而实现全场、实时及三维测量。

图10-63所表示为一些原子或分子蒸气吸收曲线图，fa为吸收频率，在该处吸收最大，两边吸收逐步降低，即吸收大小随入射光频率改变而改变。

光电测速技术第15页(10-56)DGV可用于三维速度测量，使用三个放于不一样位置统计装置进行统计，对于光屏面上任意一点P，处于不一样方向统计装置各自接收到与该点所对应多普勒频移fD1、fD2和fD3，由式(11-54)可知

式中，U1、U2、U3分别表示三个不一样接收方向矢量。

光电测速技术第16页激光经过光学系统形成光屏，照明流场中一个待测截面。流场按通常激光多普勒技术那样施以微小示踪粒子，散射多普勒频移光线被置于前方统计装置方便接收和转换。统计装置如图10-64所表示，它主要包含变焦镜头、CCD摄像机及位于摄像机前端一个充以碘蒸气鉴频器。

⑵

测量装置

光电测速技术第17页(10-58)设变焦镜头像平面上某点P′光强为I′，光线频率为f，经分光镜分为两路，光强分别为Is′及IR′。其中Is′经鉴频器后光强变为，为信号光强。IR′经一块中性滤光片滤波后光强变为，作为参考光强。T(f)及TF分别为鉴频器及滤光片透过率。中性滤光片用来平衡两路光光强。CCD摄像机输出信号电压为

(10-57)

式中，α是CCD摄像机光强-电压转换系数。则可知，参考信号和测量信号相除比较后信号与散射光强弱无关，仅与其频率相关。

光电测速技术第18页若鉴频器吸收特征曲线线性区斜率为K，激光输出频率为fs，fD为多普勒频移，则鉴频器透过率可表示为

于是有