多普勒测量技术

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1、多普勒测量技术传统流体速度测量是机械探针方式：利用毕托管测量流体的总压和静压，然后计算流体速度。由于测压探针体积较大而且频响极低，它只能用来测量流体的平均速度。后来发展起来了热线热膜速度测量仪，这是利用机械探针测量流体瞬时速度、湍流脉动速度的代表。但机械探针有一个很大的缺点：属于接触测量，会破坏流场结构，对有些情况下无法测量。利用光学方法测量速度时，有时将由光实现的非接触测量的光反射和接收部分统称为光学探针。它的优点主要是非接触，对流场没有影响，而且可以测量许多机械探针无法测量的地方，如旋转机械A部流场、燃烧流场等。但光学探针需要示踪粒子，介质需要透明，试验件上要预留光学通道等。激光多普勒测

2、速仪所有的英文名称及其所写：LaserDopplerVelocimetery:LDV;LaserDopplerAnemometer:LDA;LaserVelocimeter:LV.LDA技术是1964年由Yeh和Cummins发明的，多普勒测速技术的优点是：原理是绝对的，仪器使用中不需要标定；与环境温度无关，流体的密度、粘性、化学组成对它没有影响；测量区（探针体积）很小，具有极高的空间分辨率，仪器频响高，可以对高度湍动的流动进行测量。1.多普勒效应1.多普勒效应存在一频率为v的波源，波的传播速度为c,对于观察者而言如果波源没有运动，则单位时间内接收到的波数为为波长。当波源存在一运动速c/?,

3、?V，与波传播的力*向间夹角为，那么单位时间内接收到的波数为c/?',其中？'为波源处于运动状态时对应的波长。对于静止情况，相当于考察的波阵面移动了Vcos?的距离，即：c?Vcos?进一步化简可得：?'Vf'?f(l?cos?)?c0其屮CO表示波源发射波传播方向的单位矢量。多普勒原理图对于光波而言，上述的推导方法的正确性值得重新考虑，但根据Einstein相对论，可以得到类似的结论：对于运动的光源，设其照射光的频率为fO,其照射到颗粒上的散射光频率将发生变化,其大小由下式决定：1?f'?f0?e0其中eO为入射光方向上的单位矢量，c为光速。在工程研

4、究范围内有V<<c，上式近似可以写为：?e0f'?f0(l?)c可见两者最终的结论是一致的。2.LDA系统的多普勒效应对于频率为f0的单色光源照射到以速度V运动的颗粒上，那么光源可以认为是静止的，颗粒上观察者接收到的波长频率f’为：V?e0f'?f0(l?)c散射体(示踪粒子)LDA原理图同时，照射到颗粒上的光将有部分从颗粒表诎散射到空间，从颗粒上散射的光波又如一个运动的光源，对于观察者(探测器)所看到的散射光的频率fs将发生变化，如上有：。V?esfs?f'(l?)c其中es为散射光的方向单位矢量。同理有V?esV?eOV?esfs?f'(l?)

5、?fO(l?)(l?)ccc忽略高阶小量：fs?fO(l?V?(es?eO))c(a)?(es?eO)?f?c(b)如果用两个完全相干的光源同两个方向入射到运动物体上，且关于直线L对称(参见图2)，可以得到?f?V?2sin?上式中的?f为两入射光束在物体上散射光的频移的代数和。值得注意的是：式(a)中的频移是需要先测量得到散射光的频率后冰能求得的，光波频率通常在10Hz左右，流体测量屮多普勒频移最高也不超过10-lOHz,这在现在的技术条件利用光电器件1489双光束系统下对其进行测量尚是非常困难的事情。在现有光电探测器中，没有能力对此进行直接测量。而式(b＞中频移差是两散射光的频移差，对宏

6、观速度下物体产生的频移，该物理量是可以测量的。1.激光多普勒测速的光学装置1.参考光束型也称为基准光束系统，多普勒信号的频移是其中某入射光的散射光同另一朿入射光间的频率差。典型的参考光朿型多普勒2.双光束型也称为双光束一一双散射型光路，是利用两束入射光穿越测量区，接收颗粒对每个光束的散射光信号并测量其间的频移，最后得到颗粒的运动速度。根据式(a)有?(esl?e01)V?(e02?es2)fsl?f0(l?)和fs2?fO(l?)ccf01?f??(e01?e02)??(e01?e02)可得:c?这种光路形式可以用干涉条纹模型做出很好的解释。双光束型可以从前向和后向两个方向对散射光进行接收，

7、其屮前向接收方式如下图所示。3.单光束双散射型从颗粒表面散射出的光在不同方向上有不同程度的多普勒效应，因此单光朿在颗粒的散射光从不同方向接收时，也可能得到多普勒效应的频差，进而计算出颗粒速度。如下图所示，不同方向上颗粒散射光的频移可以写为：?(eO?es2)V?(esl?eO))fsl?fO(l?)和fs2?f0(l?cc由此得到频差：f01?f??(esl?es2)??(esl?es2)c?该形式的光路布置