利用激光多普勒效应测流体的流速 最终版
流体力学研究中的速度场分析
流体力学研究中的速度场分析1. 引言流体力学是研究流体运动规律的学科，广泛应用于工程、地质、气象等领域。
在流体力学研究中，速度场分析是重要的研究内容，通过对流体中速度场的分析，可以揭示流体的运动特性，为实际问题的解决提供依据。
本文将介绍流体力学研究中的速度场分析方法、相关理论基础以及应用案例，帮助读者了解流体力学研究中速度场分析的重要性和实用性。
2. 速度场分析方法在流体力学研究中，常用的速度场分析方法主要包括实验测量和数值模拟两种。
2.1 实验测量实验测量是通过实际测量数据获得流体速度场的方法。
常用的实验测量方法有激光多普勒测速法、电磁流体测速法等。
2.1.1 激光多普勒测速法激光多普勒测速法是利用激光的多普勒效应测量流体速度的方法。
通过将激光束照射到流体中，利用激光在流体中的散射得到的多普勒频移，可以计算出流体速度的大小和方向。
2.1.2 电磁流体测速法电磁流体测速法是利用电磁感应原理测量流体速度的方法。
通过在流体中加入磁场，测量流体中感应出的电磁信号，可以计算出流体速度的大小和方向。
2.2 数值模拟数值模拟是通过计算机模拟流体运动，获得流体速度场的方法。
常用的数值模拟方法有有限元法、有限体积法等。
2.2.1 有限元法有限元法是一种常用的数值模拟方法，通过将流体领域分割成有限个小单元，利用数学方程对这些小单元进行求解，最终得到流体速度场的数值结果。
2.2.2 有限体积法有限体积法是一种将流体领域划分为无数个小控制体的数值模拟方法。
通过在每个小控制体上建立质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，求解这些方程，可以得到流体速度场的数值结果。
3. 速度场分析相关理论基础在进行速度场分析时，需要掌握一些基础理论知识。
3.1 流体力学基本方程流体力学的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
3.1.1 连续性方程连续性方程描述了流体质点的质量守恒关系。
它可以用数学表达式表示为：$$\\frac{\\partial \\rho}{\\partial t} + \ abla \\cdot (\\rho \\mathbf{v}) = 0$$ 其中，$\\rho$表示流体密度，$\\mathbf{v}$表示流体速度。
激光多普勒流体速度测量
激光多普勒流体速度测量系别：11 学号：pb04210264 姓名：孙翀实验目的：1、应用光学元件组装电路；2、测量流体运动的速度。
实验原理：当两束相干光作用到一匀速运动的流体上，这时同样有多普勒效应产生，干涉与流体的速度有关，我们可以通过这种现象来测量流体速度。
1、多普勒效应Doppler effect光源固定，光频率为fs ，接受器运动，速度为U ，则⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅−=c l U 1f f s R r r 光源运动，接受器固定，则： ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅=c k U -1f f s R r r2、在LDA 中， 激光源固定，激光被流体中的微粒散射后进入光敏二极管D ，被固定接受器接收的激光频率为：⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⋅−=c k U -1/c l U 1f f s R r r r r3、为了避免直接测量造成的不精确，实验中采用如下方法：一束激光被分成强度相等的两束，在mcv 中聚焦，流体中的微粒同时散射两束光，其散射光的多普勒偏移（Doppler shift ）是不同的。
这个不同，Doppler frequency ，可以被精确测量：()λϕ2sin U c l l U f f 12s D ⋅=−⋅=⊥r r其中⎟⎠⎞⎜⎝⎛=2l D arctan ϕ 只需测量D 和l 即可，其意义如图所示：（图缺）代入公式即可求得流体的速度。
数据处理：1、求出角度ϕo 12.711.222.8arctan 2l D arctan =⎟⎠⎞⎜⎝⎛×=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ϕ2、从计算机软件记录的图像中读出f D （即信号的峰值处频率）HZ 1501f D =3、计算流体速度⊥U 由公式：λϕ2sin U f D ⋅=⊥s /m 94.212.sin72mm 108.6321150HZ 2sin f U 6D m =×××=⋅=−⊥o ϕλ实验总结本实验的关键在于光路的调整，必须要使两束干涉光聚焦在流体中心。
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)
32
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。
25
• (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。
26
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。
9
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。
利用激光多普勒效应测流体的流速 最终版
利用激光多普勒效应测流体的流速指导老师：曾育峰参赛学生：刘倩蔡艺生王宇松陆泽璇林乐鑫利用激光多普勒效应测流体的流速[摘要] 在基于流体中的微粒对激光产生多普勒效应的基础上，自制激光多普勒流速仪，经过特定的处理电路，以达到测量流体流速的目的。
利用光外差探测法实现多普勒频移的测量，并利用光电探测器进行接收和转换，通过电路模块进行数据收集和处理后，利用频率计显示其频率差，最后用单片机自动化处理数据并显示水速。
作品还加入了电脑仿真技术模块，以便更直观的观测水管中水流流速的动态变化情况。
该作品原理突出、观测直观，实现对流体流速的测量。
[关键词]激光多普勒流速光外差法一、激光多普勒效应测速的原理分析1、多普勒效应当波源和观察者存在相对运动时，观察者接收到的波，其频率会偏离波动本来的频率。
相向运动，频率升高；相背运动，频率则降低，而且相对运动速度越大，这种频率偏移也越大，这种现象称为多普勒效应。
多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。
2、激光多普勒效应测速原理激光多普勒效应测速是利用流体在光场中的多普勒效应来测量流体的流速。
这是一种非接触测量方法，只需要把光波送至测量点处，对流体没有干扰。
激光多普勒效应测速还可以精确地控制被测空间大小，通过控制光束,光束在被测点处聚焦成为很小的测量体，可获得分辨率为20～100Lm 的极高测量精度。
除此之外，激光多普勒效应测速具有输出信号频率与速度成线性关系的优点，并能覆盖很宽的速度范围。
从原理上讲，其响应没有滞后，能跟得上湍流的快速脉动，能同时测定流体的大小和方向。
假设液体中微粒流动的速度为v，照射在微粒上的光为平面单色光波，波v,光速为c，一般v要比c小得多。
根据相对论理论，微粒相矢量为k，光频率对于光波运动，微粒散射光的频率因多普勒效应而发生频移。
微粒散射光的频率v 应为：θcos 10cvv v -='其中θ为光波波矢量与微粒速度矢量间的夹角。
光学测量在流体机械中的应用
光学测量在流体机械中的应用
光学测量在流体机械中广泛应用，可用于测量流体的流速、压力、温度等参数，也可用于流动的可视化、流场结构诊断等方面。
以下是一些光学测量的常见应用：
1. 激光多普勒测速（LDV）：LDV是一种测量流体速度的无接触式技术，利用激光束通过多普勒效应测量流体中的速度。
LDV可用于流体的局部速度测量，尤其适用于高速流和涡流的测量。
2. 激光干涉仪（LIF）：LIF是一种通过激光束激发流体中的化学物质反应而进行流场结构诊断的技术。
LIF在流体力学中的应用较为广泛，可以用于流动状态的可视化、流体界面的识别、涡结构的分析等方面。
3. 压力测量：光纤光栅传感器是一种基于光学原理的压力传感器。
通过反射光束的变化来实现对压力的测量。
光纤光栅传感器可用于流体压力的测量和监测，具有响应速度快、精度高等特点。
4. 热像仪：热像仪通过记录物体表面的红外辐射图像来得到物体表面的温度分布。
在流体力学中，热像仪可用于测量流体的温度、温度梯度等参数。
5. 数字全息术：数字全息术是一种利用激光束记录物体三维结构变化信息的技术。
在流体力学中，数字全息术可用于流场结构的可视化、流动路径的跟踪、涡结构的分析等方面。
综上所述，光学测量在流体机械中具有重要作用，为流体力学的研究提供了有力工具。
使用多普勒激光测速仪进行流体动力学实验的方法
使用多普勒激光测速仪进行流体动力学实验的方法流体动力学是研究流体在运动中的力学特性的学科，它在各种工程领域中起着重要的作用。
为了深入了解流体的流动特性，科学家们经常需要进行实验研究。
而多普勒激光测速仪是一种常用的实验仪器，可以帮助我们获取流体动力学实验中的数据，并从中分析流体的速度和流动模式。
多普勒激光测速仪是一种基于多普勒效应的测速仪器，使用激光束照射流体中的颗粒，并通过测量激光束的频率变化来计算流体的速度。
这种测速仪的原理较为复杂，但操作起来相对简单。
下面将介绍使用多普勒激光测速仪进行流体动力学实验的方法。
首先，需要准备一个实验装置。
这个装置通常包括一个容器，用于储存流体，以及一些流体注入和排出的设备，可以控制流体的流动。
此外，还需要安装一个多普勒激光测速仪，它通常由一个激光发射器、一个光学透镜和一个接收器组成。
接下来，将实验装置放置在一个稳定的平台上，并准备好要进行实验的流体。
可以选择不同种类的液体或气体作为实验对象，根据不同的需要选取合适的流体。
然后，将多普勒激光测速仪安装在合适的位置上。
通常，激光发射器和接收器的位置需要精确调整，以确保激光束可以准确地照射到流体中的颗粒，并能够接收到反射回来的光信号。
在进行实验之前，还需进行一些校准工作，以确保多普勒激光测速仪的精确度和准确性。
这个过程通常需要使用一些已知速度的标准物体进行校准，比如旋转的圆盘或移动的纸片。
通过与标准物体的比较，可以检验多普勒激光测速仪的测速精度。
校准完成后，就可以开始进行实验了。
首先，打开多普勒激光测速仪的电源，并调整一些设置参数，比如激光的功率和扫描速度。
然后，将流体注入实验容器中，并启动流体的流动。
注意，流体的流速和流量需要根据实验的需求进行调整。
同时，使用多普勒激光测速仪照射流体中的颗粒，并记录下反射回来的光信号。
根据光信号的频率变化，可以计算出颗粒的速度和流体的速度。
这些数据可以用来研究流体的流动模式和速度分布。
基于激光多普勒测速的流场测试技术
基于激光多普勒测速的流场测试技术刘友;杨晓涛;马修真【摘要】激光多普勒测速技术,作为一种非接触式测速技术,具有测速精度高,测速范围广,空间分辨率高,不影响流场分布、可测远距离速度场等优点.因此多普勒测速技术已经在众多领域中得到广泛的应用.本文主要从理论上对激光多普勒测速技术进行分析,从实验角度阐述了激光多普勒测速技术的工作机理.并对激光多普勒测速技术在内燃机中流场测试应用的可行性进行分析,最后介绍了多普勒测速技术在内燃机流场测试中的应用和国内外发展情况.%The laser Doppler technique is a kind of non-contact velocimetry, which has many advantages,such as high precision, wide speed range, high spatial resolution. It does not affect the flow field and can be used in measuring long-range velocity field. Therefore, Doppler velocimetry has been used widely in many fields. This article gives a theoretical analysis of laser Doppler velocimetry, and introduces the working mechanism. We also give an analysis of the feasibility of applying the laser Doppler velocimetry to flow field in internal combustion engine. Finally we introduce the domestic and international developments of Doppler velocimetry of flow field in internal combustion engine.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2012(042)001【总页数】4页(P18-21)【关键词】激光多普勒效应;内燃机;流场;多普勒测速【作者】刘友;杨晓涛;马修真【作者单位】哈尔滨工程大学动力装置电控技术研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力装置电控技术研究所,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工程大学动力装置电控技术研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言随着1960年世界上第一台激光器的诞生，激光技术在各个领域已经得到了广泛的应用，现已与多个学科相结合，形成了多了应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，以及激光测试技术等领域［1－5］。
激光多普勒流体速度测量
激光多普勒流体速度测量06级11系姓名:赵海波学号：PB06210381实验目的: 1.应用光学元件组装干涉光路2.测量流体运动的速度实验原理：由激光器发生的激光由半透半反镜分成两束，由透镜聚焦于石英管的中间，被水银中的镀银玻璃珠散射。
由于水流具有一定的速度，因此散射后的光线频率会发生改变。
根据多普勒效应可以得出改变值，为=式中为干涉半角值，=D×l/2.λ为激光波长。
为水流速度，沿方向的分量，由于光线垂直与水流，因此也就是实际的水流速度方向根据测量值，由最小二乘法求出水流的速度数据处理：设=由=D×l/2=29.0/105.0=0.28 可计算的=0.27He-Ne 激光器产生的激光波长为6328 故可算得=令 得02+0.3+98-3*()=0 又由=知 b=0 解得 a=m/s 所以=a=m/s注意事项1流速较高时，在短管中会有紊流。
由于微粒的速度相差很多，造成虚假的结果。
2因为流速会变慢（由于液面差的不可避免的减小），信号峰会336D i D i 114sin [()][-1.7110()]D D i i f f f f f a δθδλ===--=⨯-∑∑测测0f f a b δδδδ==3D i 1[2()]D i f f f b δδ==--∑测从低频向高频漂移，情况将有所改变，此时可以选择高些的采用频率。
3由两个不同的流速定出速度。
改变软管夹的松紧程度，要保证改变的程度非常的小。
且软管夹改变后，要等候大约2min，流体的扰动减小了，新的图象才能建立好。
实验总结：1.本实验中利用了多普勒效应原理，测量液体流速速度能达到0.1mm数量级，精度比较高，将难于直接测量的流速转化为测量散射光波的变化频率。
2.实验中误差来源除了仪器精度和读数误差外，主要是由于水流中可能存在的紊流是微粒的速度并不一致，而且随着实验的进行。
软管中的压强差发生了变化，液体的流速也会发生变化，因此实验得到的结果应该认为是一个平均值、3.在处理数据时，由于流速与变化频率是成正比的，因此用最小二乘法计算出来的结果与直接求出变化频率的平均值再代入公式=得到的结果一样。
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利用激光多普勒效应测流体的流速
指导老师：曾育峰
参赛学生：刘倩蔡艺生王宇松陆泽璇林乐鑫
利用激光多普勒效应测流体的流速
[摘要] 在基于流体中的微粒对激光产生多普勒效应的基础上，自制激光多普勒流速仪，经过特定的处理电路，以达到测量流体流速的目的。
利用光外差探测法实现多普勒频移的测量，并利用光电探测器进行接收和转换，通过电路模块进行数据收集和处理后，利用频率计显示其频率差，最后用单片机自动化处理数据并显示水速。
作品还加入了电脑仿真技术模块，以便更直观的观测水管中水流流速的动态变化情况。
该作品原理突出、观测直观，实现对流体流速的测量。
[关键词]激光多普勒流速光外差法
一、激光多普勒效应测速的原理分析
1、多普勒效应
当波源和观察者存在相对运动时，观察者接收到的波，其频率会偏离波动本来的频率。
相向运动，频率升高；相背运动，频率则降低，而且相对运动速度越大，这种频率偏移也越大，这种现象称为多普勒效应。
多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。
2、激光多普勒效应测速原理
激光多普勒效应测速是利用流体在光场中的多普勒效应来测量流体的流速。
这是一种非接触测量方法，只需要把光波送至测量点处，对流体没有干扰。
激光多普勒效应测速还可以精确地控制被测空间大小，通过控制光束,光束在被测点处聚焦成为很小的测量体，可获得分辨率为20～100Lm 的极高测量精度。
除此之外，激光多普勒效应测速具有输出信号频率与速度成线性关系的优点，并能覆盖很宽的速度范围。
从原理上讲，其响应没有滞后，能跟得上湍流的快速脉动，能同时测定流体的大小和方向。
假设液体中微粒流动的速度为v，照射在微粒上的光为平面单色光波，波v,光速为c，一般v要比c小得多。
根据相对论理论，微粒相矢量为k，光频率
对于光波运动，微粒散射光的频率因多普勒效应而发生频移。
微粒散射光的频率v 应为：
θcos 10
c
v
v v -=
'
其中θ为光波波矢量与微粒速度矢量间的夹角。
因此，散射光相对于入射光产生的多普勒频移量v ∆为：
θλ
θc o s c o s 0
0v c v v v v v ≈≈-'=∆ 其中λ为散射光波长。
二、激光多普勒效应测速的实验装置
1 实验设计流程图
2 实验装置及其光路图
（1）、光路图：
由于光频率很高，散射光微小的多普勒频移不能直接被光电探测器测得，所以我们采用光外差探测法。
如上图所以，由氦氖激光器发射出单色连续激光，先经过半反射半透射镜1M 后分成两束光。
其中透射光照射在流体中的微粒上。
1M 的反射光再经过反射镜2M 和半反射半透射镜3M 反射后，投射到光电探测器上作为外差探测的参考光束。
微粒散射光是沿各个方向传播的，其中只有极小部分的方向与参考方向一致，能再光电探测器上形成差拍信号。
经光电探测器检波输出就得到了微粒散射光多普勒频移的电信号。
（2）、实验装置：
1、氦氖激光器：用半内腔单模稳频氦氖激光器，不扩光束，功率只要0.3mW 就够了。
2、半反射半透射平面镜、反射镜
3、水泵：采用平时养鱼时的小型水泵，可以调节水速的最好。
4、光电探测器：采用硅光电管，起到把光信号转化成电信号的作用。
常用的是光电倍增管、光电雪崩管和光电二极管等。
5、放大器：由于硅光电管转化的电信号比较微弱，不便于测量，所以需要
用放大器将输入的电信号放大后再输出到频率计上。
6、频率计：输出信号频率
7、速度显示系统：采用单片机控制，液晶屏显示水速
三、激光多普勒效应测速的电路设计
1、电路部分流程图：
2．放大电路
放大电路：用于放大接受的小信号，把光电参测器转换成的电信号放大。
由于通过光外差法得到的信号非常的微弱，所以，为了便于后面电路的应用，需要把信号放到到一定的大小。
电路如图五所示：
图五：模拟放大电路电路图
3、频率计
本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。
可分为以下几个模块：放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD显示模块。
各模块关系图如图四所示：
图六数字频率计功能模块
3.1 系统工作原理图
该系统工作的总原理图如图七所示：
图七：频率计工作原理图
3.2 信号调理及放大整形模块
放大整形系统包括衰减器、跟随器、放大器、施密特触发器。
由运算放大器构成的射级跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高，放大信号。
系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计数。
电路如图八所示：
图八：信号调理及放大整形电路图
3.3 时基信号产生电路：
本电路采用32768HZ 晶体震荡器，利用CD4060芯片经过14级分频得到2HZ 的信号（32768/214），在经过CD4013双D 触发器经过二分频得到0.5HZ 的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。
电路如图九所示：
图九 秒脉冲产生电路原理图
4、A/D 转换模块
A/D 转换的作用是把探测到的模拟信号转换为数字信号送给单片机处理。
为了减少信号的量化失真，需要采用高精度的A/D 转换芯片
本方案使用的是AD7810 、
图十：AD7810的引脚排列：
5、显示模块 5.1、硬件部分
经过A/D 转换后的数据，送进单片机AT89S51进行处理。
通过软件编程把得到的电信号数值运算转换为对应的水速表示。
采用1602液晶显示。
图十二：显示部分电路图
图十一：A/D 转换芯片与单片机连接电路图：
5.2、单片机程序软件设计
主要能过编写软件来控制硬件完成以下各模块的功能：
5.2.1定时读数
5.2.2量程转换
5.2.3 BCD转换
5.2.4 LCD显示的功能
单片机当C/T=1时为计数方式，多路开关与定时器的外部引脚连通，外部计数脉冲由引脚输入。
当外部信号由1至0跳变时，计数器加1，此时T0成为外部事件的计数器。
由于确认一次由1至0的跳变要用24个振荡器周期，所以计数器的计数频率为单片机内部计数器频率的1/24。
当C／T=0时为定时方式，对单片机内部计数器进行m2分频后，计数器的实际计数频率为单片机内部频率凡的1/m2，
当GATE=0时，反相器输出为1，或门输出为1，打开与门，使定时器的启动仅受TRO端信号电平的控制。
在此种情况下，INT0引脚的电平变化对或门不起作用。
TRO=1时接通控制开关，计数脉冲加到计数器上，每来一个计数脉冲，计数器加1，只有当TRO=0时，控制开关断开，计数器停止计数。
当GATA=0时，若TRO=1，或门、与门全部打开，外部信号电平通过INTO引脚直接控制定时器的启动和关闭。
输人高电平时允许计数，否则停止计数。
根据定时器的结构原理，若我们将GATE位、TR0均设为‘1’，INT0端输人被测频率信号，当被测信号的高电平到来时，开始计数；当被测信号的低电平到来时，计数器停止计数，此时TL0、TH0的数据就是相应的N值。
6、计算机处理
通过一个串口发送程序，使单片机中的数据传送到电脑，用串口调试助手接收。
然后进行绘图等处理。
可以清晰直观的看到通过改变水泵速转速，不同时刻的不同速度。
四、可行性分析
1、原理简明，可行性高。
本作品以多普勒效应为依托，利用频移来测流体的速
度，原理简单易明，且实验装置简单，便于操作。
2、性价比高，适用于物理教学。
本作品实验装置所用到的材料均为常见材料，
购买便利，且做出来的成品又适用于多普勒效应的实验教学，能够很好的体现出多普勒效应原理，因此性价比极高。
3、技术支持。
我们队员当中有理论扎实的，也有在电子技术知识和操作能力方
面比较强的。
在能力方面各有所长，可谓相得益彰，可以扬长避短，因此队伍的核心竞争力比较强，这样也使得我们的优势达到了最大化，所以我们相信该作品在制作方面不会有太大的问题。
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