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1、流体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
2、光多普勒测速仪所有的英文名称及其所写：Laser Doppler Velocimetery: LDV; Laser Doppler Anemometer: LDA; Laser Velocimeter: 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，则单位时间接收到的波数为
3、C ，为波长。当波源存在一运动速度，与波传播的方向间夹角为，那么单位时间接收到的波数为C/* ，其中 为波源V cos 中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的距离，即：c - V cos _ c* =卞进一步化简可得： Vf = f （1 -cos（P ）cV c f = f （1 - 0） 或c其中c0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f0,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：V e1 - ( )
4、2其中e0为入射光方向上的单位矢量，c为光速。在工程研究围有VC，上式近似可以写为：广2。（1-o)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：广2。(1 -V - e、0)探测器光源散射体（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面散射到空间，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f将发生变化，如上有：。V .厂fs =广（1 + ）c其中es为散射光的方向单位矢量。同理有fs =广(1+工)=f (1 -
5、M)(1+上)c 0 cc忽略高阶小量：(a)f = f(1+V D)(b)S c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fV = 2 Jsin中上式中的W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才能求得的，光波频率通常双光束系统在1014Hz左右，流体测量中多普勒频移最高也不超过108-109Hz，这在现在的技术条件利用光电器件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， 对宏观速度下物体产生的频移，该物理量
6、是可以测量的。2. 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束入射光间的频率差。典型的参考光束型多普勒测 量系统如图所示：参考光束型光路系统参考光束型系统的参考光和信号光之比一般定为1：9-1：99。因为透镜光学特性的影响，这种光路中的散射光接收透镜的 孔径不宜太大，并用光阑在光电检测器之前加以控制。这种光路以参考光束透射流动区域，所以适用于浓度高的应用场合。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f = f (1
7、+V (弓-弓) si 0cf = f (1 - 7 (02 - s2) )s 20c可得：f 一一 颂=fo 7 . (ec1 一一_ V (e - e )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，其中前向 接收方式如下图所示。双光束型前向接收光路系统双光束型测量结果同接收透镜的方向无关，所以在测量时设备的布置非常灵活，应用也较为广泛。但由于入射光要分为两束 对等能量的光束，光能的总利用效率低，适用于测量粒子浓度较低的场合。由于不同粒径颗粒光散射能量在不同方向上分布的不同，如果测量信号较弱的情况，适宜用前向接收方式。3. 单光束双散射型从
8、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，因此单光束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：*lrk= fo(1 += fo(1 -V (e - e )c由此得到频差：Af =/-k (e 一 e )s1es 2)该形式的光路布置是利用散射光相干后求取多普勒信号的频移见图，但由于颗粒散射光仅能占总入射能量的很小一部分，这 种光路对激光器光能的利用率非常低，对环境杂散光控制要求高，很少得到应用。单光束双散射型光路这种光路布置的LAV有一个优点，经过简单改造，可以测量二维速度。3. 双光束多普勒效
9、应的干涉条纹解释双光束型LDA是目前激光测速中应用最为广泛的光路形式，这种光路布置在光束相交区域会产生一组明暗相间的干涉条纹， 因此双光束测量方法也可以用干涉条纹模型来解释。相关光源的干涉：当两束相干光束相干时，在相交区域发生干涉现象，出现明暗相间的干涉条级（如图3）。当有颗粒从以 速度v垂直通过干涉条纹时，散射光强将表现出明暗相间的变化，如图4所示。当两光束相交反射干涉时，干涉条纹的宽度为：干涉条纹区间是，将向空间散射出明暗相间的光信号，信号的变化频率为：f=H=竺m |研 d t显然这同根据相对论得到的结论是一样的。激光光束以高斯光束在空间传播，在利用双光束模型进行测量时，两光束相交产生一
10、个光亮的椭球区域，它决定了测速仪的 灵敏度和空间分辨率。两光束相交区域称为控制体积，把接收到散射光的区域大小称为测量体积。它的光束直径为0，d为聚焦前光束间的间距，f为透镜焦距，控制体的空间尺寸为：高度：也，宽度：，长度：-，体积：2二0、。回K兀宽氏cos甲sin甲 体3sm（2。）0从相干条纹理论出发，可以对实际测量工作中非常有用的结论，如：1. 用多普勒原理解释颗粒散射信号相对强度（信号的信噪比）时，应该是颗粒越大，则多普勒信号的强度应越大；但实验表明， 颗粒尺寸的增加，并不一定会提高信号的信噪比，这显然同颗粒的散射理论相悖。如果按照干涉条纹理论，这一现象就可以 得到很好的解释：当颗粒直
11、径小于条纹间距的一半时，随着颗粒的增大，信噪比是增大的；但当颗粒的粒径大于条级间距一 半时，总会有部分颗粒被照亮而发生散射作用，此时散射光的总强度虽然在增加，但信噪比并不会因此上升。2. 对多普勒信号的定性和定量解释：当用多个颗粒同时通过光束的相干条纹区时，它们共同作用的多普勒信号情况很复杂，一 般是信噪比降低乃至消失、并可能导致多普勒信号包络线多峰以及出现单个多普勒信号的相位不均匀的现象，参考图5。多普勒信号特性与颗粒在条纹区情况4. 天线条件利用合适的光路可以得到运动颗粒散射光的频移，下面的任务是通过光电检测设备将其频移量检测出来，此时用到的光电探 测器是所谓的平方接收器件，通常频移的检测
12、也称为外差检测。外差检测要求两束外差光的波前（波阵面）在光探测器表面的作用 区域共轴对准到波长的几分之一以，这一条件被称为天线条件。天线条件参看上图：取圆心在遮光板孔径中心处，设有两个波前（波阵面）为平面的光波射到一个直径为2R的圆形光电探测器上， 其中一个是角频率为 0、振幅为E 1的参考光，入射方向垂直于探测器表面，在时刻 t表面位置（匚中）处的电场强度为sin =E1（r，们t）=Ee-，另一是角频率为 0 +D的散射光，在图示平面与参考光波前成角，应为通常1，所以有假设r = 0, t = 0时光波的初始相位为零，则在探测器表面上该平面波的相位为卜一云皈cos里-（。+）。上述两个波前
13、在探测器表面叠加并产生相应的光电流，在（匚中）处叠加后的光电流为：,r 2兀八z、di(r,Qt) = c I 牛叫 + E2ei-Trcoap-(%质。) |2 rdrdp2兀=cE2 + cE2 + 2cE E cos( t + r cos中)rdrdq121 2D X其中c为探测器常数。光电探测器总电流为i(t) = ff cE2 + cE2 + 2cE E cos( t + 当 r cos中)rdrd121 2D X2兀* 一=cE2 A + cE2 A + 2cE E 2兀 cos( t)JR J (r )rdr1212D r=00 X=i + i+ 2Jii cos(t)X12 V
14、 1 2 V D2兀RX式中i1 = cE2a2 = cE2A，它们分别表示只有一束入射光时光电探测器分别产生的光电流大小，第三项是由于多普勒频移产生的震荡光电流（交流项），由它可以测量得到频移。由上式可见，很小时光电流同探测器面积成正比，但当2兀人增加到接近x的大小时，交流项由于第一阶贝塞尔函数的影2 *）响而减小，导致有用信号的降低。因此第三项中的一2R0 函数又被祢为外差效率函数e。为了得到高的信号强度，应尽量 x保持 =1。上述的数学关系可以进一步用光学关系推广，根据几何光学和物理光学关系得到：其中A为探测器对应的透镜光阑的面积，它对应的测量立体角为Q D，Af为相关长度为半径对应的面
15、积，Q为与其对应的立体角。上式的物理意义：若要得到高的外差效率，则从探测器光阑处看过去，测量体积对应的立体角于探测器光阑面积的乘积应小 于波长的平方。这就是外差条件。5. 激光扩束的作用1. 减小体积，提高空间分辨率；2. 提高光信号的利用率，提高信噪比；6. 多普勒信号噪声源光电探测器的发射噪声；二次电子噪声、电路热噪声；激光中的高阶模式；各类反射光、环境光；7. 关于多维多普勒速度测量仪能够测量多维速度的光路布置有：参考光路型光路、单光束双散射型、以及多色激光器所构成的测量系统。8. 示踪粒子的选择：1,气动特性：粒子要大小适度，比重与介质相近，可以跟随流体流动，并能产生必要的Mie散射光；粒子大小应该尽可能word版本.均匀一
