《激光其它测量技术》PPT课件

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1、激光测量技术LaserMeasurementTechnology第六章激光的其他测量技术本章主要内容:第一节激光多普勒(Doppler)测速技术一、多普勒测速原理二、激光多普勒测速仪的组成二、激光多普勒测速技术的应用四、多普勒全场测速技术第二节激光扫描测径技术一、转镜扫描测径二、音又拧描测径三、扫描镜电流计测径四、位相调制扫描测量技术第三节激光测距技术一、激光相位测距二、脉冲激光测距§6.1激光多普勒(Doppler)测速技术1842年Doppler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，即所谓的多普勒频移。1

2、964年，Yeh和Cummins首次观察到水流中粒子的散射光有频移，证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。激光多普勒频移技术应用:流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。=一、多普勒测速原理激光多普勒侧速术(LDV)的工作原理:基于运动物体散射光线的多普勒效应1.多普勒效应引起多普勒频移的原因:a波源或者接收器的移动b波传输通道中的物体运动产生Δf=ΔffVcosθλVcosθfλ=Vcosθc对于a种情况:b波传输通道中的物体运动产生这种情况是LDV的基本测速原理从p点看:从U处看:因为:fpfDfp===c-V⋅Kλ

3、c+V⋅Uλcλp如果接收散射光和光源人射光之间的夹角为θ，则式(6-7)可以写为或从6-8式知,测出频移即可以计算出移动速度来由于光频率极高,一般采用在实际测量中，多采用光外差多普勒测速技术，即把人射光和散射光同时送到光接收器上，由光电器件的平方律检波特性，在它们的输出电流中只包含两束光的差频部分，这样能接收到由于粒子的运动速度所引起的光频微小变化。二、激光多普勒测速仪的组成激光多普勒测速仪(LaserDopplerVelocimeterLDV)组成:激光器、光学系统、信号处理系统1.激光器多普勒频移相对光源波动频率来说变化很小，因此，必须用频带窄及能

4、量集中的激光作光源。为便于连续工作，通常使用气体激光器.如He-Ne激光器:功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较大的情况氩离子激光器:功率较大，信号较强，用得最广。2.光学系统LDV按光学系统的结构不同，可分为:双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。参考光束型和单光束型LDV在使用和调整方面条件要求苛刻，一般不采用。常用双散射型A单光束型特点:测量速度高,适合超音速测量,调整麻烦,测量结果与角度有关B、参考光束型C、双散射型特点：散射光的频差与光电探测器的方向无关。使用时不受现场条件的限制，可在任意方向测量，且可使用大口径的接收透镜，粒子散射的光能量

5、极大地得到利用，信噪比高。进人光电探测器的散射光来自两束具有同样强度的光线的交点，它对所有尺寸的散射微粒都发生高效率的拍频作用。避免了信号的“脱落”现象。调整时只需根据两束光交点处干涉条纹的清晰度进行调整，使用很方便。3.信号处理系统激光多普勒信号非常复杂：①由于流速起伏，所以频率在一定范围内起伏变化，是一个变频信号。②因粒子的尺寸及浓度不同，散射光强发生变化，则频移的幅值也按一定的规律变化。③粒子是离散的，每个粒子通过测量区又是随机的，故波形有断续且随机变化。④光学系统、光电探测器及电子线路存在噪声，加上外界环境因素的千扰，使信号中伴随许多噪声。信号处

6、理系统的任务是从这些复杂的信号中提取那些反映流速的真实信息，传统的测频仪很难满足要求。多普勒信号处理方法主要有:频谱分析法、频率跟踪法、频率计数法、滤波器组分析法、光子计数相关法扫描干涉法等。1）频率跟踪法2）频率计数法原理:计算n个脉冲的时间,计算出多普勒频移的平均周期,从而计算出频移,n为设定的脉冲数目,N为时钟数目,T为时钟周期Δf=1TN=nNfn三、激光多普勒测速技术的应用激光多普勒测速仪(LDV)特点:•具有非接触测量•不干扰测量对象•测量装置可远离被测物体应用:生物医学流体力学空气动力学燃烧学等领域1.血液流动/定位2.管道内流体的测量四、

7、多普勒全场测速技术LDV是对流场中的某一固定点进行测量，如要做全场测量，则需逐点扫描，故只限于变化较小的流动，不能用于非定量流多普勒全场测速技术(DopplerGlobalVelometerDGV)，可对流体做全场测量，对粒子的选择、播发没有严格的要求，特别适合于气流测量。1.DGV原理利用了某些物质的选择吸收特性，把多普勒频移转换成光的强度，通过视频相机拍摄后进行处理，获得全场的速度信息，从而实现全场、实时及三维测量。一般工作在f1-f2段，中心频率fi处于激光器的中心频率附近，f1-f2的带宽约为600MHz。由于不同频率对应不同的透过率，这样把频率

8、变化转化为光强的大小分子碘、溴蒸气或碱蒸气是最合适的吸收物质，它们的原子和分子有