第06章 流速测量2-(LDV)

由于c= , 相对多普勒频移为
v v v'v v V c cos V c
2
2
cos
2
3. 散射物的多普勒频移

从光源S发出的频率为v的 光，被物体P散射，在Q处 来观察散射光相对多普勒 频移为
v v 2V c cos sin a 2
Q

多普勒频移为
v 2V


9. 激光多普勒风速计 (Laser Doppler Velocimeter)
（一）激光风速计（LDV）的组成
1. 2.
激光器：氦氖激光器（mW）、氩离子激光器（W）
入射光学单元：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。
3.
接收光学单元：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。
4.
多普勒信号处理器：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
5.
数据处理系统：得到各种流动参数
激光风速计（LDV）的发展
1、第一代LDV （1970~1980）
光路系统为离散的光学元件，处理器为跟踪型 信号处理器，模拟输出。
2、第二代LDV （1980~2000）

LDV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。
特点：


动态响应快、测量准确、仅对速度敏感而与流体其他 参数(如温度、压力、密度、成分等)无关。
本节内容

6.3.0 光学和激光的基础知识 6.3.1 多普勒频移 6.3.2 激光多普勒测速原理－差动多普勒技术 6.3.3 多普勒测速的光学系统

6.3.5 散射粒子
Laser Doppler Velocimetry
提高交点处光束功率密度 减小焦点处测点体积 提高测点的空间分辨率
接收透镜

接收透镜的主要作用：

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。
前向散射方式工作的光路系统，需要加装单独的接收透 镜； 后向散射方式工作的系统，发射透镜可兼作接收透镜， 使整个光路结构紧凑。


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 光束增加频率的多普勒频率，粒子运动的速度方向为负。
激光多普勒测速仪，光束增加频率多采用40MHz。

4、主要光学部件

光源


分光器
发射透镜


接收透镜
光检测器
激光光源
分光器
发射透镜

发射透镜的作用：

聚焦两束入射光，以便更好地相交
V cos


因c= , 则频率 的相对变化为:



V cos c
2. 移动源的多普勒频移(P179)
S1A = c(t-t1) t2-t1= =1/
则观察到的波长：
S2D = c(t-t2) S1S2=v
=AC=S1A-S2D-S1S2cos =c-v cos
各种介质的折射率n总大于1，所以v总是小于c。 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。 光在折射率为n的介质中的波长是真空中波长o的1/n 光的量子描述：
1.
2.

光场是由一个个光子组成，光子是光的最小单位。
物质发光是发射一系列光子，吸收光也就是吸收光子。
又作为向固定的光接收器发射散射光波。

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，二者之间会产生多普勒频移。
差动多普勒技术

差动多普勒频移方法

用两束不同频率的源S1 (1),S2(2)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 频移光强的差值。

频差
v
D 2 sin cos 2


6.3.4 信号处理系统
6.3.5 散射粒子
6.3.6 实例
6.3.0 光学和激光的基础知识
1960年，美国休斯实验室的H.Maiman成功地制成 了第一台激光器。 Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
D 2

sin(

2
)
(2) 单光束系统

方法：P182 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，降低测量精度。对光能利用 率低，目前已较少使用。
D 2
vn

sin(

2
)
双光束系统

方法：P183 特点：
多普勒频移与
D 2
vn

sin(

2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
)
接收方向无关;
确保了测量的有效性和正确性。
4.
精确化。利用了现代的数字信号处理技术改善了LDV的
信号处理能力。
6.3.1 多普勒频移
1. 基本多普勒频移
(奥地利科学家多普勒于1842年首次进行研究) ----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） 的频率变化即多普勒频移。

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，移动观察者感受的频率增加为：

光的频率：光矢量每秒钟振动的次数。

1 T

光的波长：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c。
c 0
式中 0--- 真空中的波长 c --- 真空中的光速

光在各种介质中传播时，保持其原有频率不变，速度v各 不相同。
v

c n
2. 光的反射和折射

反射定律
反射角等于入射角。

折射定律：
n1 sin 1 n2 sin 2
3. 光的干涉和衍射
(1). 光的干涉

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 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 称为干涉。 光的干涉现象是几束光相互叠加的结果。

3. 方向模糊性及解决办法

基本多普勒频移方程式(6-40) →速度信号 与多普勒频移成正比关系； 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 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方向的鉴别。

解决办法：光束的频移

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，而是一组运动的条纹系统， 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 号频率等于光束增加的频率。 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 光束增加频率的多普勒频率，粒子运动的速度方向为正；


频率计数器

计数式处理器基本上是一种计时装置，它的主要工作过程 是对带通滤波后的多普勒信号，测量规定数目的多普勒信 号周期所对应的时间。这个时间就是粒子穿越测量体中同 样条目的条纹所需的时间。

多普勒频率
D NF
f
n 主要用于气流中微粒较 少时的流速测量
频率跟踪器

频率跟踪器的功能是将多普勒频移信号转 换成电压模拟量，输出与瞬时流速成正比 的瞬时电压； 可以实时地测量变化频率较快的瞬时流速。



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。
光检测器
6.3.4 信号处理系统

频谱分析仪


频率计数器
频率跟踪器
频谱分析仪

用频谱分析仪对输入的多普勒信号进行频谱分析， 可以在所需要的扫描时间内给出多普勒频率的概 率密度分布曲线。 将频域中振幅最大的频率作为多普勒频移，从而 求得测点处的平均流速．而根据频谱的分散范围， 可以粗略求得流速脉动分量的变化范围。 由于频谱仪工作需要一定的扫描时间，它不适于 实时地测量变化频率较快的瞬时流速。只用来测 量定常流动下流场中某点的平均流速。
1.
激光的方向性——将能量集中在很小的立体角中；
2.
3. 4.
激光的单色性——谱线宽度越小，单色性越好；
激光的亮度；
激光的相干性。
7. 激光的纵模和横模

在平行平面镜腔内，只有当光在介质中的波长q满足
q×q = 2L (q为正整数，L为腔长）时，在腔内才能形
成稳定的驻波。

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纵模。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。 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横模。 激光的模式一般用TEMmnq来表示，其中q为纵模序数，m、 n为横模序数.

激光的优点：

高度方向性；单色性；相干性；高亮度；超短 脉冲；可调谐性；
1. 光的基本性质

光具有波粒二象性

光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长。 光波是交变电磁场在空间的传播，既是电矢量E的振动和 传播，同时也是磁矢量B的振动和传播。 光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。

(2). 光的衍射

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。 衍射现象的出现与否，主要决定于障碍物线度与波