激光多普勒测速技术应用共30页
激光多普勒测速技术..
福建农林大学交通学院 2007级物流管理2班 徐建福
激光多普勒测速技术的原理
激光测速的原理大致是这样：激光束 射向流动着的粒子，粒子发出的散射光的
在测纯净的水或空气速度时，必须由人 工掺入适当的粒子作散射中心。 被测流体要有一定的透明度，管道要有透明 窗口。
激光多普勒测速技术的特点
尽管如此，这种测速方法所具有的优越性，使它在许多场合成为一种
必不可少的检测手段。多年的研究使多普勒测速仪技术得以迅速发展，从
不能辨别流向到可以辨别流向，从一维测量发展到多维测量，围绕这一技 术的基本原理、设计方法和应用技术，学者们曾在有关杂志及重大国际会 议上发表了许多论文。早在七十年代就有重要著作面世，而且它的应用面 也不断扩大，从流体测速到固体测速，从单相流到多相流，从流体力学实 验室速度场测量到实际上较远距离的大气风速测量，从一般气、液体速度 测量到人体血管中血流速度测量，其应用范围有了极大的扩展。反过来， 各类应用对这一测速技术及测速仪器也提出许多更新更高的要求。
频率改变了，通过光电装置测出频率的变
化，就测得了粒子的速度，也就是流动的
速度。
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激光多普勒测速技术的原理
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激光多普勒测速技术的原理
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激光多普勒测速技术的特点
优 点
速度方向的灵敏度好 测量精度高
空间分辨率极高，测量量程大 属于非接触测量，动态响应快
激光多普勒测速技术的特点
（1）属于非接触测量：激光束的交点就是测
激光多普勒测速技术
学院：机械工程学院
激光多普勒测速技术
激光多普勒测速技术激光多普勒测速，简称LDV or LDA ，通常是用来进行流体速度的测量，所以也简称LD 。
多普勒频移由于观察者和被观察者之间有相对运动，使观察者接收到的光波频率发生变化的现象，称Doppler 频移。
例如，一个光源相对于观察者以速度v 运动，速度v与光源到观察者联线（即光传播方向）之间的夹角是θ，而光源发出频率为0ν的光波，在观察者看来，由于存在着相对运动，观察者接收到的光频率为：21/2102(1)/(1cos )v v ccννθ=--0(1cos )v cνθ+其中，c 是光在介质中的传播速度，0/c c n =.在检测中，我们通常用一个位置固定的光源照射一个运动的粒子，用一个位置固定的探测器来接收运动粒子散射的光波来探测粒子的运动速度。
如图所示，粒子以速度v 运动，速度v与粒子和光源联线的夹角是1θ，光源频率为0ν，则在粒子看来所接收的频率是 21/21012(1)/(1cos )v vc cννθ=-- 探测器与粒子联线和粒子速度v21/22122(1)/(1cos )v v ccννθ=--考虑到粒子速度比光速小得多，则可以求得散射光的多普勒频移的表达式为：2012(1(cos cos ))v cννθθ++频率检测多普勒频移通常用来测量粒子的速度，只要测得频移量20D ννν=-，即可求得物体的运动速度。
但是，由于光的频率太高，迄今尚无直接测量光频率的可能，故而通常采用光混频技术，用混频后的差频信号来获取多普勒频移量。
设一束待测的散射光的频率为'ν，而另一束参考光的频率为ν，光探测器分别接收到它们的电场（振幅）强度为：QQS1011cos(2')E E t πνϕ=+ 2022cos(2)E E t πνϕ=+将两束光在探测器表面处混频后，得到的合成电场强度为：12011022cos(2')cos(2)E E E E t E t πνϕπνϕ=+=+++光强度为22122011022222201102201021222220110220102120102()(cos(2')cos(2))cos (2')cos (2))2cos(2')cos(2)cos (2')cos (2))cos(2('))co I E E E E t E t E t E t E E t t E t E t E E t E E πνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπνϕπννϕϕ==+=+++=++++++=++++++++12s(2('))t πννϕϕ-+-实际测得的是光强度的时间平均值222010*********cos(2('))22I E E E E E t πννϕϕ<>=<>=++-+-在光探测器上输出的电流值是22010********()()cos(2('))2i t k E E kE E t πννϕϕ=++-+-其中，k 是电流转换系数，是一个确定的比例常数。
激光多普勒效应在测速技术上的应用
激光多普勒效应在测速技术上的应用1842 年，奥地利科学家Doppler Christian Johann 首次发现，任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或散射体的运动，会使频率发生变化，即产生Doppler 频移。
1905 年，爱因斯坦证明了在光波中也存在多普勒效应。
1960 年，第一台激光器的诞生为观察光波中的多普勒效应提供了单色性好、方向性好、功率强的光源。
Ye h 和Cummins 在1964 年利用激光多普勒测速测得层流管流分布，开创了一门崭新的测量速度的激光多普勒技术，发展了激光多普勒测速(LDV)。
多普勒效应是LDV 测速方法实现的理论基石。
任何形式的波传播，由于波源、接收器、传播介质或中间反射器或散射体的运动，会使波的频率发生变化。
奥地利科学家多普勒(Doppler)于1842 年首次研究了这个现象：当观察者向着声源运动时，他听到较高的声调；相反的，如果观察者背着声源运动，听到的音调就较低；假如声源运动而观察者不动，其效应也相同，这就是多普勒现象，这种频率变化称作为多普勒频移。
爱因斯坦1905 年在他的狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体会散射光线，就可以利用多普勒效应来测量其速度。
1964 年Ye h 和Cummins 首次观察到了水流中粒子的散射光频移，证实了可利用多普勒频移技术来确定流动速度。
激光多普勒测速(LDV, Laser Doppler Velocimeter) 技术是一种非接触式测量技术，它利用流体中或固体表面的散射粒子对入射激光的散射，并通过光电探测器探测此散射光的频移，根据其中所包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈简单线性关系)得到流体或者固体的运动速度。
它可通过控制光束精确地控制被测空间大小，使光束在被测点聚集成为很小的测量区域(仅为千分之几立方毫米)，获得分辨率为20～100 微米的极高的测量精度。
从原理上讲，LDV 响应没有滞后，能跟得上物体的快速脉动。
激光多普勒测速(LDV)与粒子成像测速(PIV)的应用
图像采集和 速度场计算
由一台基于微机的控制器完成
通过改变PI V 系统的延迟时间, 得到不同喷雾时刻的速度矢量图。
实例4：柴油机燃油喷射雾化的PIV 测量试验研究
PIV 通过CCD 和采集卡, 获得粒子图像.
在喷雾液滴的两相流场内, 由于粒 子像太多, 不能用跟踪单个粒子轨 道的方法( PTV) 来获得速度信息.
3.LDV与PIV测量原理
激光多普勒测速原理
微粒接受到的光波频率与光源频率会
有差异，差异大小同微粒运动速度的
单一频率的激光照射 大小和照射光与微粒速度方向之间的
运动微粒
夹角有关。
微粒以一定速度穿过时
接收散射光的多普 频移获得微粒速度
若微粒速度与流体团速度 一致，则可以获得该点的 流场速度。其关系如下：
Satoru Sasak i等运用自相关PIV 技术, 从曝光图像中得到了喷雾 周围的空气流动速度。研究结果显示, 喷射开始后喷油嘴周围的空 气被喷雾前端向外挤压, 随后流速向相反方向进行。 M iyazak i等将PIV 技术成功应用到水平管内螺旋气固两相流粒子 运动, 实验中包括用粒子群获得的高密度图象模型来得到速度, 对单 个粒子的追踪来得到低密度粒子数。
激光多普勒测速（LDV）与粒子 成像测速（PIV）在柴油机流场
特性方面的应用
报告主要内容
1. 意义与背景 2. 国内外研究现状 3. LDV与PIV测量原理 4. 实例应用介绍 5. LDV与PIV测试方法对比 6. 适用范围 7. 影响测试精度因素与测量误差分析 8. LDV与PIV局限性 9. LDV与PIV展望 10.参考文献
激光多普勒测速技术应用于浓缩燃烧器湍流流场的测量：在煤粉 浓缩燃烧器中加入示踪颗粒,利用激光多普勒测速技术对湍流流场 的速度场及湍流参数进行测量研究,通过自动数据采集及处理分析 系统,获得不同钝体结构的煤粉浓缩燃烧器的速度及湍流强度分布。
激光多普勒测速技术的应用
激光多普勒显微镜光路图
用于血液流速测量的光纤 激光多普勒测速仪原理图
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激光多普勒血流仪
激光多普勒可以监测整个微循环系统的血液灌注量，包括毛细血管（营养血流）、 微动脉、微静脉和吻合支。该技术基于发射激光通过光纤传输，激光束被所研究 组织散射后有部分光被吸收。击中血细胞的激光波长发生了改变（即多普勒频 移），而击中静止组织的激光波长没有改变。这些波长改变的强度和频率分布与 监测体积内的血细胞数量和移动速度直接相关。通过接收光纤，这些信息被记录 并且转换为电信号进行分析。
激光多普勒测速技术的应用
多普勒测速是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频移来测定速度的。 激光多普勒测速有其突出的优点： 1）属于非接触测量，激光会聚点作为测量探头不干扰流场，也可很方便地 在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量； 2）不需要流动校正； 3）不取决于温度、密度和流体成分等其他物理参数，仅对流速敏感； 4）取出量与速度成线性关系； 5）测量速度方向的灵敏性好； 6）动态响应快，测速范围广等。 但也有其局限性，例如： 1）需要示踪粒子，示踪粒子要与流体一起运动； 2）价格较贵； 3）被测流体要有一定的透明度，管道要有透明窗口。 激光多普勒测速应用很广：可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通 道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。
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该仪器由AT3010和AT3100组成， AT3010是将激光束照在振动物体 上，然后将反射光会聚，进行O/E 转换的装置，AT3100是速度解调 装置。
超音速风洞中激光测速
激光风速计在风洞中的使用不如在测量液流中那样普遍，其一是风洞不易建造， 其二是空气中尘埃下沉，很少甚至不可能产生自然的散射中心，而在液体中由 于存在着细小的尘埃，总是很自然地形成散射中心。因此在风洞中必须掺入少 量烟尘等微粒，这就使得这种系统变得复杂。美国阿诺德工程发展中心应用激 光多普勒测速技术对一英尺超音速风洞中激波附面层，机翼外挂物等多种系统 进行了测量，获得了很好的结果。
激光多普勒测速
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如图5-3所示，两束平行的、相干细光 束在透镜后焦点形成相交区，该相交 区称为控制体。
在控制体中存在着明暗相间的干涉条 纹，由几何关系可得条纹间距df为:
d f
2 sin 2
(5-9)
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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
测器方向的单位向量。
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• (5-1)代入(5-2)，忽略高次项，得到
：
fS
f0
(1
e0
c
)
1
veS c
f0 1
v(eS e0 ) c
(5-3)
光检测器接收的光波频率与入射光波 频率之差叫多普勒频差或频移。
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f多D 普勒fS频移f用0 fD表f0示v(：eSc e0 )
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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。
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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。
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2. 全息干涉测速法
在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用 双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄 相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。 利用再现粒子场的实像图，求出粒子 对间的位移大小和方向，再由 v=s/t求出速度场。
（仅供参考）激光多普勒效应及其应用
（仅供参考）激光多普勒效应及其应⽤激光多普勒效应及其应⽤摘要:本⽂介绍了激光多普勒效应的基本原理和应⽤,主要内容包括多普勒频移,光学差拍原理,参考光技术及差动多普勒技术光学系统和有关多普勒信号处理,最后介绍了激光多普勒技术的⼀些空⽓动⼒学,⽣物学等⽅⾯的应⽤,主要有速度剖⾯和湍流强度剖⾯的测量,风速测量,⽣物学的显微测量等;另外还简单介绍了⼀些激光多普勒技术的发展前景.关键词:激光；多普勒效应；多普勒频移；光学差拍；应⽤多普勒效应是1842年澳⼤利亚物理学家观察⽊星卫星运动时发现光波频率偏移⽽确定的⼀种效应．由于以往光源为多频且相⼲性差，因此多普勒效应并没有得到实际应⽤．1960年世界上第⼀台激光器的问世，使⼈们得到理想单频光源。
20世纪70年代多普勒技术开始应⽤于医学等研究领域．1 多普勒效应1.1 声学多普勒效应当声源和接受器相对运动时，接受器所接受到的声信号频率与声源的频率有差别，这种效应称为声学多普勒效应．如图1所⽰，S 为声源，运动速度为v S ，运动⽅向与朝着接受器⽅向夹⾓为θS ，声波速度为v,R 为接受器,运动速度为v R ，运动⽅向与朝着声源的⽅向夹⾓为θR ，声源频率为f S ，接受信号频率为f R ，推算出：v v cos f f v v cos R R R S S Sθθ+=- (1-1) 多普勒频移：v cos v cos f f f f v v cos R R S S D R S S S Sθθθ+=-=- (1-2) 即声学多普勒频移公式．1.2 光学多普勒效应图1 声学多普勒效应原理图图3 移动源产⽣的多普勒频移当单频的激光光源与接受器相对运动时，接受器接受到的光频率与光源频率有差别，或者当光源固定，光波从运动的物体散射或反射并由固定的接受器接受时，也可以得到变化了的光频率信号，这就是光学多普勒效应.下⾯详细说明.2 激光多普勒效应由于⼀般运动体的运动速度远⼩于光速，由此⽽造成的多普勒频移相对于光频（3*1014Hz ）变化很⼩，⽽普通光源常有⽐f D ⼤的多的频带带宽，因此，⽆法根据频带的移动来测定f D ，⽽激光却是频带极窄的相⼲辐射源，以中等速度运动的物体所引起的激光多普勒与光频相⽐虽然仍很⼩,但与光源带宽相⽐则⼤的多,能够运⽤光外差技术检测出f D 的值，从⽽获得物体的运动信息，所以我们通常⽤激光作为光学多普勒效应的光源.2.1 多普勒频移2.1.1 多普勒频移的由来如图2所⽰P 点处观察者接受到的波运动．假设波源S 是静⽌的,观察者以速度v 在移动，波的速度为c ，波长为λ，如果P 离开S ⾜够远(和λ相⽐)，可把靠近P 点的波看作平⾯波．单位时间内P 朝着S ⽅向运动的距离为vcos θ，θ是速度向量和波运动⽅向之间的夹⾓．因此单位时间内⽐起P 点为静⽌时多拦截了v cos θλ个波.对于移动观察者感受的频率增加为：vcos v θλ?= (2-1)因c v λ=, v 是S 发射的频率或由静⽌观察者测量的频率,频率的相对变化为：vcos cv v θ?= (2-2) 这是基本的多普勒频移⽅程.2.1.2 移动源的多普勒频移在2.1.1中曾假设波运动的源是静⽌的,更普遍的情况是波源移动,⽽观察者向对于传播波运动的介质是静⽌的,这种情况下最简单的多普勒频移推导可由图3得到.现在来研究时刻t 相继两个波前上的⼀部分AB 和CD,它们分别是由波源S 1和S 2在时刻 t 1和t 2发射出来的,由此：S 1A=c(t-t 1)及S 2D=c(t-t 2) (2-3)其中c 是波运动的速度,相继两个波前之间在波源处的时间间隔当图2 移动观察者感受到的多普勒频移的说明图4 (a)相对运动中参考系之间的坐标变换(b)波源静⽌时坐标系中的平⾯波然是发送波运动时的周期，因⽽：211t t vτ-== (2-4) v 是波源处的频率,在此时间间隔内波源从S 1移动到S 2，因此：12s s v τ= (2-5)则观察到的波长，AB 和CD 的间隔为：1212'=AC =S A-S D-S S cos λθ (2-6)θ是S 1A 和波速⽮量v 之间的⾓度象.前述那样，离波源⾜够远处可把波前作为平⾯波来处理．利⽤⽅程(2-3)(2-4)(2-5)(2-6)可得出．'=c -v cos λττθ (2-7)由于''c v λ=，v ’是接受到的频率,相对多普勒频移为：v cos 'c v 1cos cv v v v v θθ?-==- (2-8) 这个公式和(2-2)不同，虽然这两种情况中波源和观察者的相对运动是⼀样的.特别要注意的是，假如v>c ，移动波源的Δv 可变为⽆限⼤.对于移动观察者,这⼀点是不可能发⽣的，然⽽，当速度很⼩时，可把(2-8)式展成v/c 的幂级数：222v v cos cos c c v θθγ?=++ (2-9)该公式中的v/c 的⼀次项和式(2-2)⼀样,在这种近似中,频移只依赖于波源和观察者的相对速度,⽽与介质⽆关．2.1.3 相对论多普勒频移虽然我们承认声学中波动传播的介质，⽽这个概念对于光波来说是没有意义的，应该⽤相对论原理来处理这个问题。
激光多普勒测速技术原理及其应用
激光多普勒测速技术原理及其应用作者：陈益萍来源：《电子世界》2013年第07期【摘要】激光多普勒测速仪（简称LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点正快速地发展成为众多领域中一种最常见的测定工具。
本文首先详细介绍了激光多普勒测速技术的基本原理，然后总结了激光多普勒测速技术在各个领域的应用，最后探讨了未来激光多普勒测速技术的发展方向。
【关键词】激光多普勒测速；频移；外差检测1.引言多普勒效应是19世纪奥地利物理科学家多普勒.克里斯琴.约翰（Doppler，Christian Johann）发现的声学效应。
在声源和接收器之间发生相对运动时，接收器收到的声音频率不会等于声源发出的原频率，于是称这一频率差为多普勒频差或频移。
1905年，爱因斯坦在狭义相对论中指出，光波也具有类似的多普勒效应。
只要物体产生散射光，就可利用多普勒效应测量其运动速度。
所谓光学多普勒效应就是：当光源与光接收器之间发生相对运动时，发射光波与接收光波之间会产生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。
二十世纪六十年代，激光器得以发明。
激光的出现大力地促进了各个学科的发展。
由于激光具有优异的相干性、良好的方向性等特点，因此在精密计量，远距离测量等方面获得了广泛的应用。
伴随着激光在光学领域的应用，一门崭新的技术诞生了，这就是多普勒频移测量技术。
1964年，杨（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次证实了可利用激光多普勒频移技术来测量确定流体的速度，激光多普勒测速仪（LDV）以其测速精度高、测速范围广、空间分辨率高、动态响应快、非接触测量等优点在航空、航天、机械、生物学、医学、燃烧学以及工业生产等领域得到了广泛应用和快速发展[2-3]。
激光多普勒测速仪是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。
2.激光多普勒效应3.光外差在激光测速仪中有三种常见的外差检测光路基本模式，它们是参考光模式、单光束-双散射模式和双光束-双散射模式。