激光多普勒测速.ppt

125-9 激光多普勒流速仪测速激光多普勒流速仪测速 1 1概述概述-激光特性与应用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。3激光在工程中的应用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、受控热核反应等方面。4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）5常见的测量速度方法与技术总总压压探探针针与与静静压压探探针针相相结结合合的的皮皮托托管一直是平均速度的主要测量方法。管一直是平均速度的主要测量方法。热热线线和和热热薄薄膜膜风风速速仪仪是是测测量量流流体体瞬瞬时时速速度度、平平均均速速度度、均均方方根根速速度度和和速度相关量的主要方法。速度相关量的主要方法。6无无疑疑，机机械械探探头头将将继继续续是是实实验验流流体体力力学的重要方法。学的重要方法。但但接接触触测测量量法法干干扰扰流流场场，不不可可避避免免地地带有方法本身的误差，具有局限性。带有方法本身的误差，具有局限性。如如对对回回流流区区的的测测量量，机机械械探探头头会会扰扰动动回回流流图图形形；对对于于小小尺尺寸寸管管道道中中的的流流动动，机械探头会造成堵塞。机械探头会造成堵塞。不适合特殊情况下测试（火焰）不适合特殊情况下测试（火焰）7对对于于恶恶劣劣的的环环境境(像像燃燃烧烧火火焰焰)，常常常常不不能能使用小尺寸探头使用小尺寸探头。热热线线和和热热薄薄膜膜风风速速仪仪虽虽然然是是定定量量研研究究紊紊流流结结构构的的主主要要实实验验工工具具，但但它它仅仅限限于于低低温温、低低速速、低低紊紊流流度度、常常特特性性的的检检测测，而而且且必必须在回流区以外。须在回流区以外。8光光学学速速度度测测试试技技术术具具有有测测量量灵灵敏敏度度高高，不不干干扰扰流流场场等等优优点点，有有着着很强的应用前景。很强的应用前景。光光学学测测速速技技术术主主要要有有全全息息干干涉涉法法、散散斑斑照照相相法法、激激光光多多普普勒勒测测速速法法和激光双焦点测速法等。和激光双焦点测速法等。9 2.全息干涉测速法全息干涉测速法在在被被测测流流体体中中掺掺粒粒子子示示踪踪剂剂，通通常常用用双双脉脉冲冲激激光光作作光光源源，通通过过双双曝曝光光拍拍摄摄相隔相隔 t的两幅粒子图于同一块干版上。的两幅粒子图于同一块干版上。利利用用再再现现粒粒子子场场的的实实像像图图，求求出出粒粒子子对对 间间 的的 位位 移移 大大 小小 和和 方方 向向，再再 由由 v=s/t求出速度场求出速度场。10若若流流速速不不快快，也也可可使使用用功功率率较较大大的的连连续激光，通过双曝光记录粒子图。续激光，通过双曝光记录粒子图。粒粒子子稀稀少少，可可用用显显微微镜镜搜搜索索粒粒子子对对，并确定粒子对间的位移；并确定粒子对间的位移；粒粒子子很很多多，可可用用干干版版插插入入再再现现粒粒子子实实像像场场中中欲欲测测剖剖面面，记记录录粒粒子子对对，通通过过逐点扫描或全场分析求出位移场。逐点扫描或全场分析求出位移场。11 3.散斑测速法散斑测速法对对于于具具有有较较多多粒粒子子的的流流场场，可可用用频频闪闪片光照明粒子场的某一剖面，片光照明粒子场的某一剖面，通通过过双双曝曝光光将将两两幅幅粒粒子子场场记记录录在在同同一一块胶片或干版上，块胶片或干版上，再再利利用用逐逐点点分分析析或或全全场场分分析析求求出出粒粒子子对的位移场，最后转换成速度场。对的位移场，最后转换成速度场。12当当流流速速很很快快时时，可可用用连连续续片片光光照照明明，用用高高速速摄摄影影机机拍拍摄摄一一系系列列粒粒子图。子图。再再通通过过相相关关运运算算求求出出位位移移场场，进进而求出各粒子场的速度。而求出各粒子场的速度。散散斑斑法法只只能能记记录录一一个个平平面面内内的的粒粒子场速度信息。子场速度信息。138.2 8.2 激光多普勒测速法激光多普勒测速法(LDV)LDV)60年年第第一一台台氦氦-氖氖激激光光器器诞诞生生，64年年世界上就出现了激光多普勒测速仪。世界上就出现了激光多普勒测速仪。20多多年年来来，激激光光多多普普勒勒测测速速技技术术有有了了很很大大的的发发展展，这这是是测测量量技技术术上上的的一一个个重大突破重大突破。14多多普普勒勒测测速速是是通通过过检检测测流流体体中中运运动动微微粒粒散射光的多普勒频移来测定速度的。散射光的多普勒频移来测定速度的。激激光光多多普普勒勒测测速速属属于于非非接接触触测测量量，激激光光作为测量探头作为测量探头不干扰流场。不干扰流场。激激光光多多普普勒勒测测速速应应用用很很广广:可可用用于于燃燃烧烧混混合合物物、火火焰焰、旋旋转转机机械械、窄窄通通道道、化化学学反反应应流流动动、风风洞洞或或循循环环水水洞洞中中流流动动速速度的测量等。度的测量等。15 激光多普勒测速有其突出的优点：激光多普勒测速有其突出的优点：1如不需要流动校正；如不需要流动校正；2不取决于温度、密度和流体成份，仅不取决于温度、密度和流体成份，仅 对速度敏感对速度敏感;3取出量与速度成线性关系；取出量与速度成线性关系；4动态响应快，等等。动态响应快，等等。16但但激激光光多多普普勒勒测测速速也也有有其其局局限限性性，例如例如:1 需要示踪粒子需要示踪粒子;2 示踪粒子要与流体一起运动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，对介质和实验通道有光学要求，要求光能透过流动等。要求光能透过流动等。175-9-1 5-9-1 激光多普勒测速的原理激光多普勒测速的原理 1.激光多普勒效应激光多普勒效应激光多普勒测速的基本原理：激光多普勒测速的基本原理：是是依依据据激激光光多多普普勒勒效效应应，利利用用运运动动粒粒子散射光的频移来测量速度子散射光的频移来测量速度.因因为为散散射射光光的的频频移移中中包包含含有有粒粒子子速速度度的信息。的信息。18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。19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。20（4）波源和观察者同时相对于介质运动（，），观察者接收到的频率f为：电磁波也存在多普勒效应，对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为观察者背离波源取负号。21l当当一一单单色色频频率率为为f0的的激激光光,照照射射到到运运动动速速度度为为v的的微微粒粒上上时时，运运动动微微粒粒接接收收到到的的频频率率不不等等于于f0，发发生生了了一一次次多多普勒效应。普勒效应。若若用用一一个个静静止止的的光光检检测测器器，接接收收运运动动微微粒粒的的散散射射光光，则则接接收收到到的的频频率率又又经经过了一次多普勒效应过了一次多普勒效应。22下下图图为为静静止止光光源源O、运运动动微微粒粒P和和静静止止光光检检测测器器S三三者者之之间间相相对对关系。关系。图图8-1静止光源、运动微粒、静止光源、运动微粒、和静止光检测器和静止光检测器23根根据据相相对对论论变变换换，运运动动微微粒粒P接接收收到的光波频率到的光波频率fp近似为近似为:(5-1)式式中中，为为入入射射光光方方向向的的单单位位向向量，量，c为介质中的光速。为介质中的光速。24光检测器接收的粒子散射光频率：光检测器接收的粒子散射光频率：(5-2)式式中中，为为粒粒子子散散射射光光指指向向光光检检测器方向的单位向量。测器方向的单位向量。25(5-1)代入代入(5-2)，忽略高次项，得到：，忽略高次项，得到：(5-3)l光检测器接收的光波频率与入射光波光检测器接收的光波频率与入射光波频率之差叫频率之差叫多普勒频差或频移。多普勒频差或频移。26l多普勒频移用多普勒频移用fD表示：表示：(5-4)或者用波长表示为：或者用波长表示为：(5-5)式中，式中，为入射光波长。为入射光波长。27可可见见，如如果果仅仅知知光光源源、运运动动粒粒子子和和光光检检测测器器三三者者之之间间的的相相对对位位置置，那那么么只只能能确确定定速速度度 上上的的投影大小，不能确定速度方向。投影大小，不能确定速度方向。一一种种固固定定的的相相对对位位置置，不不可可能能确确定定平平面面速速度度的的方方向向，这这就就是是所所谓谓LDV的的方方向模糊性。向模糊性。28若若速速度度方方向向已已知知，如如风风洞洞，可可将将入入射射光光、散射光和速度方向按下图散射光和速度方向按下图布置：布置：图图5-2激光多普勒测速的特殊布置激光多普勒测速的特殊布置29由图可得：由图可得：代入代入(8-5)式，多普勒频移表达式化为：式，多普勒频移表达式化为：(5-6)302.条纹模式条纹模式前前面面从从激激光光多多普普勒勒效效应应出出发发，叙叙述了激光多普勒测速原理。述了激光多普勒测速原理。69年年，Rudd提提出出干干涉涉条条纹纹模模式式，进进一一步步说说明明激激光光多多普普勒勒测测速速的的基基本原理。本原理。31如如图图5-3所所示示，两两束束平平行行的的、相相干干细细光光束束在在透透镜镜后后焦焦点点形形成成相相交交区区，该该相相交交区称为区称为控制体控制体。在在控控制制体体中中存存在在着着明明暗暗相相间间的的干干涉涉条条纹，由几何关系可得条纹间距纹，由几何关系可得条纹间距df为为:(5-9)32首先考虑两个同频率、同振动方向、初相位为零首先考虑两个同频率、同振动方向、初相位为零的单色光波的叠加的单色光波的叠加光源S1和S2相交在P点，距离分别为r1和r2，振幅为E01和E02，初相位为 ，两束光电场分别为：P点的光电场为其中其中33如果：用光强表示则有上式变成：其中，其中，当相位差为 的偶数倍时，即（m=0,1,2,）时，P点光强达到最大值。当相位差为 的奇数倍时，即（m=0,1,2,）时，P点光强达到最小值。当相位介于这两者之间变化时，当相位介于这两者之间变化时，P点光强在点光强在0和和4 4I I0 0之间变化。之间变化。34这种在迭加区域出现的光强稳定的强弱分布的现象称为光的干涉。在观察时间内，P点平均光强为：如果在观察时间内，各个时刻到达的两束光波迅速而无规则地变化，多次经理02之间的一切值，则，因而 ，P点光强为两迭加光强之和，不可能发生干涉现象。如果在P点两光束波是紧密相关的，例如激光多普勒测速中两束入射光是由同一束激光分束而来，以至在观察时间内，他们的相位固定不变，则 ，。因此，两迭加光波相位差固定不变是产生干涉的必要条件。此外，还要求两列光波的光程差最大不超过光波的波列长度，这也是两束光相干的条件。35图图5-3控制体的主要光学参数控制体的主要光学参数两束入射光的相交区域叫控制体积，光检测器接收到的散沙光区域叫测量体。控制体是一个椭球体，这是由于两束入射的激光光强按高斯分布的结果。控制体的几何参数决定了LDV的空间分辨率。很显然，控制体中存在着一组明暗相间的干涉条纹，因为这两束入射光满足干涉条件。36干涉条纹 37测量体发射系统产生测量体测量体中有三维高斯分布光强测量体是椭球形Dimensions/diameters dx,dy and dz are given by the 1/e2 intensity pointsFq qDLYZXTransmittingSystemMeasurementVolumeIntensityDistribution01/e 21d dzd dxd dyXZY38Measurement VolumeLength:J JWidth:Height:No.of Fringes:d dzd dxXZd dfFringe Separation:dlqf=22sin39Flow with particlesd(known)Velocity=distance/time速度速度=距离距离/时间时间t(measured)SignalTimeLaserBraggCell后散射光后散射光测量控制体测量控制体DetectorProcessor40当当粒粒子子以以速速度度 穿穿过过控控制制中中明明暗暗相相间间的条纹时的条纹时:在在空空间间就就散散射射着着明明暗暗相相间间的的光光信信号号，其闪烁的频率其闪烁的频率fD为：为：(5-10)413.外差检测外差检测多多普普勒勒频频移移中中含含有有速速度度信信息息，检检测测多多普勒频移即可求出粒子运动速度。普勒频移即可求出粒子运动速度。频移检测方法有两种：频移检测方法有两种：直接检测直接检测和和外差检测。外差检测。直直 接接 检检 测测 法法：如如 用用 扫扫 描描 Fabray-Perot干干 涉涉 仪仪，典典 型型 的的 分分 辨辨 率率 为为5MHz，只能用于有限的场合。只能用于有限的场合。42外外差差检检测测法法，检检测测来来自自两两个个光光源源的的频差作为多普勒频移。频差作为多普勒频移。因因为为两两束束光光在在光光检检测测器器上上叠叠加加，其其和和频频率率太太高高，超超过过了了光光检检测测器器的的频频率响应，只有频率差可被检出。率响应，只有频率差可被检出。外差检测方法得到广泛的应用。外差检测方法得到广泛的应用。43外差检测有三种基本模式：外差检测有三种基本模式：双光束系统、双光束系统、参考光束系统参考光束系统 单光束双散射系统单光束双散射系统44 (1)双光束系统双光束系统见图见图5-4和图和图5-5，双光束系统，双光束系统，也叫双光束也叫双光束-双散射系统。双散射系统。该系统是两束入射光束该系统是两束入射光束 的散射光之间的外差，是近场相的散射光之间的外差，是近场相干。干。45图图5-4前向双散型光路前向双散型光路图中：图中：A1：孔径光阑，孔径光阑，A2：小孔光阑小孔光阑46 图图5-5后向双散射型光路后向双散射型光路47接收到两束散射光的频率分别为接收到两束散射光的频率分别为：(5-11)(5-12)48于是，多普勒频差为于是，多普勒频差为:(5-13)双光速系统有一个突出优点：双光速系统有一个突出优点：多普勒频差与接收方向无关！多普勒频差与接收方向无关！49双双光光束束系系统统分分为为前前向向散散射射与与后后向向散散射射两种：两种：前向散射入射光路与接收光路位于实前向散射入射光路与接收光路位于实 验段两侧；验段两侧；后向散射入射光路与接收光路同在实后向散射入射光路与接收光路同在实 验段一侧。验段一侧。双光束系统要求等光强、等光程分光。双光束系统要求等光强、等光程分光。50前向散射光路的优点：前向散射光路的优点：散射光强！散射光强！当散射角小于当散射角小于10o时，其散射光强比在时，其散射光强比在 180o方向上的散射光强方向上的散射光强大几百倍！大几百倍！前向散射光路的缺点：前向散射光路的缺点：结构不紧凑！结构不紧凑！51后向散射光路的优点：后向散射光路的优点：结构紧凑！结构紧凑！用入射透镜兼作接收透镜，结构紧凑；用入射透镜兼作接收透镜，结构紧凑；且只要求模型开一个窗口。且只要求模型开一个窗口。后向散射光路的缺点：后向散射光路的缺点：散射光功率低！散射光功率低！需要具备大功率的激光器！需要具备大功率的激光器！52双双光光束束系系统统容容易易调调准准，可可使使用用大大口径透镜，以便提高收集光功率。口径透镜，以便提高收集光功率。该系统适用于低粒子浓度的情况该系统适用于低粒子浓度的情况。53(2)参考光束系统参考光束系统参参考考光光束束系系统统，也也叫叫基基准准光光束束系系统统，一一束束入入射射光光的的散散射射光光与与另另一一束束直直接接来来自自光光源源的的参参考考光光束束之之间间的的外外差差，是是远远场相干的虚条纹型系统。场相干的虚条纹型系统。图图5-7是是1964年年的的、世世界界上上的的第第一一台多普勒测速仪。台多普勒测速仪。54 图图5-7世界上第一台世界上第一台LDV系统简图系统简图55该光路调整困难：该光路调整困难：因因为为要要使使信信号号散散射射光光与与参参考考光光很很好好地地相相干干，就就必必须须满满足足散散射射光光的的波波前前与与参参考考光光的的波波前前具具有有相相同同曲曲率率半半径径，才能使两束光完全重合。才能使两束光完全重合。该系统可用于管流中层流流动速度该系统可用于管流中层流流动速度的测量。的测量。56为为使使光光路路调调试试简简便便，1971年年Bedi设设计计了了改改进进型型的的参参考考光光束束系系统统，如如图图5-8所示。所示。参参考考光光束束系系统统中中的的信信号号光光和和参参考考光光都都通通过过控控制制体体，使使信信号号散散射射光光沿沿参参考考光光方向到达检测器混合求差频。方向到达检测器混合求差频。57图图8-8参考光束系统参考光束系统PD：检测器检测器,A1：光阑光阑A2：小孔光阑小孔光阑58该系统接收器接收的频率该系统接收器接收的频率fs为：为：式中，式中，c为光速。为光速。(5-14)59于是，多普勒频差于是，多普勒频差fD为：为：可见，参考光束系统的多普勒频可见，参考光束系统的多普勒频差与接收光方向和入射光方向都有差与接收光方向和入射光方向都有关系。关系。(5-15)60参考光束系统：参考光束系统：要要求求参参考考光光与与信信号号光光1：9分分光！光！参考光束系统适用于粒子浓度参考光束系统适用于粒子浓度高的情况。高的情况。61(3)单光束双散射系统单光束双散射系统单单光光束束双双散散射射系系统统，是是来来自自两两个个方方向向的的散散射射光光之之间间的的外外差差，光光路路见见图图5-9。单单光光束束系系统统光光能能利利用用率率太太低低，且且对对环境要求避光，目前应用较少。环境要求避光，目前应用较少。（3）成像式光路）成像式光路光路见图光路见图4-10，两栅分离，便于动态及高温测量。，两栅分离，便于动态及高温测量。62图图8-9单光束双散射光系统单光束双散射光系统A1：孔镜光阑；孔镜光阑；A2：小孔光阑；小孔光阑；PD：光检测器光检测器63(4)二维光路系统二维光路系统还还有有二二维维和和三三维维光光学学系系统统，如如二二维维双双色色光光系系统统、二二维维参参考考光光路路和和二二维维偏偏振振光路光路。图图5-10是二维双色光系统：利用氩是二维双色光系统：利用氩离子激光器的两种波长离子激光器的两种波长:蓝光蓝光和和绿光绿光,同时测量两个垂直方向上分速度。同时测量两个垂直方向上分速度。64 图图5-10二维双色光系统二维双色光系统65分光镜先将激光束分成两束混合光，分光镜先将激光束分成两束混合光，再将一束混合光分成再将一束混合光分成蓝蓝、绿绿两光束，两光束，且使且使蓝光束蓝光束与与绿光束绿光束相垂直。相垂直。在相交区在相交区，绿光与混合光中绿光相干绿光与混合光中绿光相干，蓝光与混合光中蓝光相干，蓝光与混合光中蓝光相干，形成两组形成两组互相垂直的干涉条纹。互相垂直的干涉条纹。分别接收两种颜色的散射光，即可得分别接收两种颜色的散射光，即可得到两个垂直方向的分速度。到两个垂直方向的分速度。66二二维维参参考考光光路路由由一一束束信信号号光光和和二二束束参参考光组成，见图考光组成，见图5-11。沿沿激激光光传传播播方方向向有有一一束束强强信信号号光光 ，同同时时有有两两束束弱弱参参考考光光 。分分别别测测得得两两个个方方向向上上的的多多普普勒勒频频差差，即即可可确确定定这这两两个个方方向向上上的的分分速速度度大大小小，进而确定二维速度。进而确定二维速度。67 图图5-11二维参考光路二维参考光路M：反射镜，反射镜，S：分光镜，分光镜，L：透镜，透镜，A：光阑光阑68 5.2.2 激光多普勒测速系统激光多普勒测速系统695-10-2分光系统分光系统（a）不等光程分光；(b)等光程分光图5-9-16等光程分光与不等光程分光（M，反光镜；S，分光镜）（a）不等光程分光；(b)等光程分光图5-9-16等光程分光与不等光程分光（M，反光镜；S，分光镜）70图5-9-17两束光在焦点处相交情况双光束系统的一个重要参数是外差效率，即两束光在焦点处相交面积占光束截面积的百分比。71通常用光楔调节分光后两束光的平行度，如图5-9-18所示。夹角为23的两个平面组成平面光楔。光楔绕轴旋转时，对应空间一个不动点处，光楔平面的法线在空间摆动，从而改变折射方向。图5-9-18，平面光楔图5-9-19，光束通过楔角为的光楔时方向改变725-10-3聚焦发射系统 聚焦有两个目的：一，使入射光束能量集中，以提高入射光的功率密度，从而提高散射光的强度；二，两束入射光束聚焦，减少了相交的控制体，提高了仪器的空间分辨率。图5-9-20一束平行光被聚焦的情形73a)最细处交于焦点；b)不是在最细处相交；c)相交不是在光轴上图5-9-21二束平行光被聚焦的情形两束平行光经透镜后聚焦的情况，视透镜球差大小、加工质量好坏，焦点的情况不尽相同，可能两束光不是最细处相交，甚至交不到同一个点，如图5-9-21所示。74两束光相交情况不同，严重影响相交区干涉条纹的质量。如果两束平行光在最细处相交，即两束激光在光腰处相交，相交区条纹清晰，宽度均匀；如果两束光不是在最细处相交，则相交区的干涉条纹不均匀，如图5-9-22所示意。a)相交点位于两束光的焦点处，此时干涉条纹清晰，宽度均匀b)相交点不在两束光的焦点处，此时干涉条纹不均匀图5-5-22两束相交光在相交区的干涉现象755-10-4 收集系统和光检测系统收集系统和光检测系统 收集系统的主要任务是收集包含多普勒频移的散射光，并让它聚焦在光检测器的阴极表面进行光混合，变成含多普勒频差的光电流信号输出。图5-9-23，光收集系统76光检测器 两束光混合，得到光强按一定频率变化的光信号，这种光信号在光阴极表面转换为频率相同的电信号。这种检测器就是光检测器。光检测器响应平均的入射光能量。77光电效应 光电转换的机理有光电效应、光-电发射效应和光电导效应等等。在激光多普勒测速中光检测器常用光电二极管和光电倍增管。光电倍增管一般包括以下四部分：光阴极K，光-电发射器件，聚焦极，倍增级或联级D，二次电子发射系统和阳极A。如图5-9-24所示。78图5-9-24，光电倍增管光阴极K，光-电发射器件，聚焦极，倍增级或联级D，二次电子发射系统和阳极A。79图图5-12激光多普勒测速系统激光多普勒测速系统15.激光、扩束、折光、分光、分距系统激光、扩束、折光、分光、分距系统,910.光电接收系统光电接收系统,1114.信号处理系统信号处理系统.80Transmitting OpticsBasic modules:分光镜（Beam splitter）削色差镜头（Achromatic lens）Options:Frequency shift(Bragg cell)low velocitiesflow directionBeam expandersreduce measurement volumeincrease power densityLaserBraggCellBSFD EJ J E EDDLLens81LensesInterferencefiltrePhotomultiplierReceiving SystemsReceiving OpticsReceiving opticsMultimode fibre acting as spatial filtreInterference filtreDetector光电倍增管Photomultiplier光电二极管PhotodiodeMultimodefibre82System ConfigurationsForward scatterand side scatter(off-axis)Difficult to align,vibration sensitiveBackscatter Easy to align User friendlyReceiving Opticswith DetectorTransmittingOpticsFlowReceiving Opticswith DetectorFlowLaserBraggCellDetectorTransmitting and Receiving Optics83Backscatter ConfigurationLaserBraggCellColoursplitterPMPMFibre manipulatorsSingle mode polarisationpreserving fibresFlowBack scattered lightMultimodefibreMultimodefibreInterferencefiltresColoursplitterSingle modefibres84粒子无论是向上移动还是以相反的方向移动，产生同样的信号和多普勒频移方向模糊/频移Directional Ambiguity/Frequency Shiftfmaxfshiftfminfuuminumaxuminumax把两光束中的一个，相对另外一个产生频率移动，干涉条纹以频移频率把两光束中的一个，相对另外一个产生频率移动，干涉条纹以频移频率移动移动 经过频移以后经过频移以后,速度的方向可以区分出来速度的方向可以区分出来no shift shift 855-10-5频移装置频移装置 86图5-9-27，带频移装置的差动式光路系统87图5-9-28，干涉条纹的移动88图5-9-29，削平效应的避免频移量的选择十分重要，一般应使最大反向流速所对应的多普勒频率大于频率检测系统量程的下限，以避免削平效应。频移的另一个功能是便于消除信号中基底噪音频谱。对高脉动流动，如高湍流的情况，或者两相流、边界层情况，基低频谱和多普勒谱加宽，甚至重叠。如存在反向流动，反向流频谱加到正向流频谱上，使频谱变形89基底频谱位置和形状不变，但多普勒频率和基底频谱距离拉开，利于用高通滤波器消除基底噪音频谱，检测出信号频率。90Frequency Shift/Bragg CellAcousto-optical ModulatorBragg cell requires a signal generator(typically:40 MHz)Frequency of laser light is increased by the shift frequencyBeam correction by means of additional prisms PiezoelectricTransducerfs=40 MHzAbsorberwave frontLaserj jB BfLfL+fS91Components on the transmitting sideOverviewLaser:1D,2D,3D:Argon-ion:air or water cooled60X41 Transmitter60X24 ManipulatorsFiberFlow series probeLaser (Ar -ion)+60X414 60X2460X6192The 60X24 ManipulatorThe manipulator centers and directs the laser beam to get the maximum amount of light coupled into the thin single mode optical fibers of the fiber flow probe.For each output beam from the transmitter one 60X24 Manipulator is needed.Thus,for a 3D system 6 manipulators are needed93A 60 mm 2D FiberFlow probe The FiberFlow probe comprises Four fiber plugs for coupling with the manipulators.Four single mode fibers-one for each of the transmitted beams-cased in an enforced cable hose.One multimode fiber used as receiving fiber in backscatter cased in the same hose.The probe house.One of several front lenses.Can be used with a 55X12 Beam Expander to reduce probe volume94Assembled FiberFlow transmitting optics60X414 60X2460X619560 mm and 85 mm FiberFlow probes963-D 速度测量测量三维速度需要三对光束两对从二维探头中发射一对从一维探头发射两个探头关联安装，让他们的控制体重合在一起.2D探头测量的速度分量相互垂直第三个速度分量用软件来正交化.97Seeding:ability to follow flowParticleFluidDiameter(m)f=1 kHzf=10 kHzSilicone oil atmospheric air 2.6 0.8TiO2 atmospheric air 1.3 0.4TiO2 oxygen plasma 3.2 0.8(2800 K)MgO methane-air flame 2.6 0.8(1800 K)98Seeding:scattered light intensityPolar plot of scattered light intensity versus scattering angle The intensity is shown on a logarithmic scale99Signal CharacteristicsLDA 信号中噪音来源l:光探测器噪音.二次电子噪音,前置电路放大器热噪音激光高阶噪音(光学噪音).控制体外的光散射，光污染，光栏误差，环境光和多粒子,etc.额外反射(windows,lenses,mirrors,etc).Goal:选择合适激光功率,示踪粒子,光学参数,etc.最大限度提高信噪比（SNR）.1005-11，激光多普勒测速系统信号处理系统，激光多普勒测速系统信号处理系统 信号的特点多普勒信号是一个不连续的信号。在激光多普勒测速中，多普勒信号是靠跟随流体一起运动的粒子散射得到的，而测量体中的散射粒子是不连续的，粒子在测量体中的位置、速度和数量是随机的。因此，由于这些粒子散射光在光检测器阴极形成的散射光电流的交流量即多普勒信号也是不连续的。粒子浓度越低，这种不连续性越严重；粒子浓度越高，连续性变好。多普勒信号是一个调频信号。多普勒信号与流动速度一一对应。流场速度的变化，流场的不同特性，引起多普勒信号的响应变化。101图5-9-32，流场中速度和多普勒频率随时间变化曲线图5-9-33，测量体横截面上光强分布多普勒信号还是一个变幅信号。由于激光光强的高斯分布，测量体的光强分布也是不均匀的，其横截面上光强分布也接近高斯分布。图5-9-33表示测量体横截面上光强分布情况。102频率跟踪器频率跟踪器图5-9-34，SXJP-10型频率跟踪器原理方块图1，前置放大器；2，混频器；3，中放A；4，限幅器I；5，中放B；6，限幅器II；7，相位比较器；8，门限；9，积分器；10，直流放大器；11，压控振荡器；12，脱落保护线路。1035-11-3计数器计数器 图5-9-35，固定周期数的计数原理图测量带痛滤波器后面的固定数量的多普勒信号周期所对应的时间，这个时间亦即粒子横穿测量体时，穿过同样数目的条纹所需要的时间。利用快速数字电子装置得到多普勒信号频率和对应的粒子瞬时速度。频率计数器有两种计数方法：固定周期数计数法和固定阀门时间计数法。104图5-9-36，固定周期数的计量误差1055-12-1粒子的散射和粒子的跟随性粒子的散射和粒子的跟随性 散射粒子的特性影响较大。粒子散射并不改变散射光的频率却改变了散射光的光强、相位和偏振方向。这就影响了光学系统的效率，如信噪比等，还要影响电信号的统计特性。研究粒子的光散射特性，选择合适的光源和粒子数，对提高激光多普勒测速系统的性能有重要意义。106光散射的理论 图5-9-37，粒子散射光强度分布的极坐标图107跟随性 粒子的跟随性是指粒子跟随流体运动的性质。用激光多普勒测速仪测速，测得的流体中粒子的运动速度。如果粒子跟随性好，可以把粒子速度近似地看成是流体的运动速度。在研究湍流时，把粒子跟随湍流脉动的能力叫振幅特性，把粒子跟随湍流脉动频率的能力叫频率特性。108影响粒子跟随性因素粒子的形状粒子尺寸粒子与流体的质量（密度）比粒子的添加浓度体积力 109激光测速对示踪粒子要求跟随流动的能力好的光散射体容易制造、便宜无毒、不腐蚀、不磨蚀不挥发或难以气化化学性质稳定清洁 在激光多普勒测速中，通常有一个合适的尺寸范围，如直径为1微米左右的粒子，在空气中响应频率超过1KHz，振幅响应达0.99。在水中，散射粒子合适的尺寸范围可达到10微米。110双液型雾化器 经过稀释的甘油为雾化介质，在一定压力范围内可得到粒径1微米左右的雾化液滴，作为人工添加到空气中去的散射微粒。图5-9-38，气悬体发生器结构1115-12-2 粒子大小及其浓度的影响粒子大小及其浓度的影响 在激光多普勒测速中，信号质量好坏还与粒子尺寸和测量体干涉条纹宽度之比有关 图5-9-39，条纹宽度与粒子尺寸对LDV的影响112图5-9-40，粒子浓度及位置对信号质量的影响第A种情况：一个粒子穿越条纹区，产生一个多普勒信号。第B种情况：两个大小相同的粒子同时位于条纹的亮条纹或暗条纹位置，他们产生的多普勒信号相位相同，互相加强（相长干涉），直流分量比A种情况多。第C种情况：两个粒子，分别位于亮条纹和暗条纹位置，两个粒子产生的多普勒信号相位相反，互相减弱（相消干涉），仅剩下直流分量，得不到速度信息。第D种情况：叁个粒子，两个在亮条纹，一个在暗条纹上。亮暗条纹上的两个粒子的散射光相位相反而产生相消干涉，仅剩下亮条纹上一个粒子产生的有用多普勒信号。和第A情况相比，直流分量大了，实际噪音高了，信号质量反而下降了。1135-12-3测量结果的整理与分析测量结果的整理与分析 114的确定常用三角形关系确定角的大小 图5-9-41，利用三角关系确定角图5-9-42，利用两束光投影到屏幕上测角上述角和波长的数值取自空气中的数值，没有考虑介质折射率的影响。115介质折射率的影响设空气中光线波长为 ，空气相对折射率为 ，水中光线波长为 ，水的