實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)6

1、第第6 6章章 激光測速技術(shù)激光測速技術(shù)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 6.1 6.1 激光測速原理激光測速原理 6.2 6.2 雙光束激光測速系統(tǒng)雙光束激光測速系統(tǒng) 6.3 6.3 多速度分量系統(tǒng)多速度分量系統(tǒng) 6.4 6.4 光檢測器光檢測器 6.5 6.5 散射粒子散射粒子 6.6 6.6 信號處理器信號處理器激光多普勒測速儀（激光多普勒測速儀（Laser Doppler VelocimetryLaser Doppler Velocimetry）fiberlightLaser beamPDMOPR or Encoder signal TempPressureEICFiber probeFSA激

2、光多普勒測速儀（激光多普勒測速儀（Laser Doppler Velocimetry） 激光測速儀通過檢測從一個(gè)移動物體散射的激光測速儀通過檢測從一個(gè)移動物體散射的光的多普勒頻移來測量物體的速度。光的多普勒頻移來測量物體的速度。 Laser Laser：譯成：譯成“激光激光”，字面原意，字面原意“受激輻射受激輻射光放大器光放大器”。移動物體移動物體 播撒于流動中的微粒播撒于流動中的微粒照射光照射光 發(fā)自激光器的激光束發(fā)自激光器的激光束參考: 郁道銀，談恒英，工程光學(xué)1999，北京：機(jī)械工業(yè)出版社。6.1 6.1 激光測速原理激光測速原理激光特性：激光特性：方向性好；方向性好；亮度高；亮度高；單

3、色性好；單色性好；相干性好。相干性好。一一. .激光與激光器：激光與激光器：（一）光子的發(fā)射和吸收（一）光子的發(fā)射和吸收： 原子的能量狀態(tài)是量子化的（量子態(tài)）。原子從原子的能量狀態(tài)是量子化的（量子態(tài)）。原子從高能級自發(fā)向低能級躍遷的高能級自發(fā)向低能級躍遷的發(fā)光過程稱為自發(fā)輻射。發(fā)光過程稱為自發(fā)輻射。mnhfEE兩能級之間的能量差兩能級之間的能量差 上式中上式中h h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，f f為輻射光頻率。為輻射光頻率。輻射光的能量為輻射光的能量為： 處于高能級處于高能級EmEm態(tài)的原子也會在光激發(fā)下躍遷到低態(tài)的原子也會在光激發(fā)下躍遷到低能級的能級的EnEn態(tài)，并輻射出與入射光波的相位、

4、偏振、頻態(tài)，并輻射出與入射光波的相位、偏振、頻率以及傳播方向相同的光波。稱為受激輻射。率以及傳播方向相同的光波。稱為受激輻射。基態(tài)：基態(tài)： 能量最低的量子態(tài)能量最低的量子態(tài)激發(fā)態(tài)：激發(fā)態(tài)： 能量高于基態(tài)的量子態(tài)能量高于基態(tài)的量子態(tài)躍遷：躍遷： 原子在不同量子態(tài)間變化的過程原子在不同量子態(tài)間變化的過程(1)(1)加熱：加熱：(2)(2)輻射：輻射： 金屬蒸氣加熱，高能級原子數(shù)迅速增加。它金屬蒸氣加熱，高能級原子數(shù)迅速增加。它們向低能級躍遷時(shí)發(fā)光（受激發(fā)射）。們向低能級躍遷時(shí)發(fā)光（受激發(fā)射）。1.1.激發(fā)方式：激發(fā)方式： 外來光子能量等于原子的激發(fā)能時(shí)，處在外來光子能量等于原子的激發(fā)能時(shí)，處在基態(tài)

5、的原子就能在外來光子的激勵下吸收外來光基態(tài)的原子就能在外來光子的激勵下吸收外來光子能量而被激發(fā)到高能態(tài)（受激吸收）。子能量而被激發(fā)到高能態(tài)（受激吸收）。(3)(3)碰撞：碰撞： 從陰極發(fā)射出來的電子，在電場作用下獲得從陰極發(fā)射出來的電子，在電場作用下獲得動能。具有很大動能的電子與處在基態(tài)的原子碰動能。具有很大動能的電子與處在基態(tài)的原子碰撞時(shí)把能量傳遞給原子，使原子激發(fā)到高能級。撞時(shí)把能量傳遞給原子，使原子激發(fā)到高能級。 （比如氫燈、汞燈、鈉光燈一類氣體放電光源）（比如氫燈、汞燈、鈉光燈一類氣體放電光源）2.2.共振和熒光：共振和熒光： 由于受激吸收而躍遷到高能態(tài)的原子返回由于受激吸收而躍遷到高

6、能態(tài)的原子返回基態(tài)時(shí)發(fā)光?；鶓B(tài)時(shí)發(fā)光。（1 1）共振輻射：）共振輻射： 直接回到基態(tài)直接回到基態(tài) 這時(shí)，輻射光子的頻率與吸收的光子頻率相同。這時(shí)，輻射光子的頻率與吸收的光子頻率相同。（2 2）熒光：）熒光： 通過中間能級回到基態(tài)通過中間能級回到基態(tài)這時(shí)如果發(fā)射光子，頻率必定比吸收的光子頻率低。這時(shí)如果發(fā)射光子，頻率必定比吸收的光子頻率低。 共振輻射發(fā)生時(shí)，基態(tài)原子通過跟另一個(gè)激發(fā)態(tài)共振輻射發(fā)生時(shí)，基態(tài)原子通過跟另一個(gè)激發(fā)態(tài)原子碰撞躍遷到激發(fā)態(tài)，而另一個(gè)原子則同時(shí)回到基原子碰撞躍遷到激發(fā)態(tài)，而另一個(gè)原子則同時(shí)回到基態(tài)。態(tài)。例：例：253.6nm253.6nm紫外光照射水銀蒸氣觀察到共振輻射紫外光

7、照射水銀蒸氣觀察到共振輻射光譜。若在水銀蒸氣里摻入鉈蒸氣，則共振輻射減光譜。若在水銀蒸氣里摻入鉈蒸氣，則共振輻射減弱，出現(xiàn)鉈蒸氣特有的綠光。弱，出現(xiàn)鉈蒸氣特有的綠光。 這是由于水銀原子吸收了這是由于水銀原子吸收了253.6nm253.6nm的紫外光子躍的紫外光子躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們跟基態(tài)鉈原子碰撞時(shí)，就把激遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)它們跟基態(tài)鉈原子碰撞時(shí)，就把激發(fā)能傳遞給鉈原子，使鉈原子激發(fā)，而水銀原子則發(fā)能傳遞給鉈原子，使鉈原子激發(fā)，而水銀原子則回到基態(tài)。因此水銀的共振輻射減弱，而獲得激發(fā)回到基態(tài)。因此水銀的共振輻射減弱，而獲得激發(fā)能的鉈原子回到基態(tài)時(shí)就發(fā)出綠光來。能的鉈原子回到基態(tài)時(shí)就發(fā)出綠光來。3.

8、3.光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射：光的自發(fā)發(fā)射、受激吸收和受激發(fā)射： 自發(fā)發(fā)射：高能級原子回到低能態(tài)發(fā)光釋放能量。自發(fā)發(fā)射：高能級原子回到低能態(tài)發(fā)光釋放能量。為非相干自然光，其輻射方向和相位可能都不一致。為非相干自然光，其輻射方向和相位可能都不一致。兩種原子互相轉(zhuǎn)移激發(fā)能的過程叫做共振轉(zhuǎn)移。兩種原子互相轉(zhuǎn)移激發(fā)能的過程叫做共振轉(zhuǎn)移。激發(fā)能值越接近，共振轉(zhuǎn)移的效率越高。激發(fā)能值越接近，共振轉(zhuǎn)移的效率越高。比如，氦氖激光器利用共振轉(zhuǎn)移使比如，氦氖激光器利用共振轉(zhuǎn)移使NeNe原子激發(fā)。原子激發(fā)。 (2)(2)受激受激吸收吸收： 低能級原子吸收光子進(jìn)到高能態(tài)。低能級原子吸收光子進(jìn)到高能態(tài)。1212

9、EhfE+=(3)(3)受激發(fā)射：光子作用于高能級原子產(chǎn)生受激發(fā)射。受激發(fā)射：光子作用于高能級原子產(chǎn)生受激發(fā)射。 受激發(fā)射光子與入射光子頻率、相位、偏振方向受激發(fā)射光子與入射光子頻率、相位、偏振方向和傳播方向相同，完全相干。和傳播方向相同，完全相干。受激發(fā)射是光放大的過程。受激發(fā)射是光放大的過程。2211212EhfEhf+=+（二）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（二）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：熱平衡條件下：熱平衡條件下：（1 1）自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位。）自發(fā)發(fā)射占主導(dǎo)地位。（2 2）受激吸收能量大于受激發(fā)射能量。）受激吸收能量大于受激發(fā)射能量。 兩個(gè)過程幾率相等，但低能級原子數(shù)目多而高兩個(gè)過程幾率相等，但低能級原子數(shù)目多而高能

10、級原子數(shù)目少。能級原子數(shù)目少。)/(exp0kTENgNiii 在熱平衡條件下，不同能級原子數(shù)遵循玻耳茲在熱平衡條件下，不同能級原子數(shù)遵循玻耳茲曼分布律：曼分布律： 上式表明，熱平衡時(shí)處于高能級上的原子數(shù)目上式表明，熱平衡時(shí)處于高能級上的原子數(shù)目遠(yuǎn)少于低能級上的原子數(shù)目。遠(yuǎn)少于低能級上的原子數(shù)目。 為了使受激發(fā)射占優(yōu)勢，必須使高能級上的原為了使受激發(fā)射占優(yōu)勢，必須使高能級上的原子數(shù)目多于低能級上的原子數(shù)目。子數(shù)目多于低能級上的原子數(shù)目。 為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須：為實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須：1.1.由外界向物質(zhì)供給能量，使物質(zhì)處于非平衡態(tài)。由外界向物質(zhì)供給能量，使物質(zhì)處于非平衡態(tài)。2.2.同時(shí)有三個(gè)

11、能級存在。同時(shí)有三個(gè)能級存在。1.1.把低能級的原子激發(fā)到高能級（泵浦）。把低能級的原子激發(fā)到高能級（泵浦）。（三）激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過程（三）激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過程： 對于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)由于受激發(fā)射大于受激對于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)由于受激發(fā)射大于受激吸收，光場被加強(qiáng)。即一定頻率的單色光通過粒子吸收，光場被加強(qiáng)。即一定頻率的單色光通過粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)后，光比入射時(shí)更強(qiáng)了，也數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)后，光比入射時(shí)更強(qiáng)了，也可以說光被放大了。可以說光被放大了。 可見實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）可可見實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的工作物質(zhì)（激活介質(zhì)）可以作為激光放大器。以作為激光放大器。 要產(chǎn)生激光還必須要

12、有激光振蕩器即光學(xué)諧振腔。要產(chǎn)生激光還必須要有激光振蕩器即光學(xué)諧振腔。激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過程如下：激光器運(yùn)轉(zhuǎn)的物理過程如下：2.2.不穩(wěn)定的高能級原子下降到亞穩(wěn)態(tài)能級，造成亞不穩(wěn)定的高能級原子下降到亞穩(wěn)態(tài)能級，造成亞穩(wěn)態(tài)能級與基態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（發(fā)光或放熱）。穩(wěn)態(tài)能級與基態(tài)間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（發(fā)光或放熱）。3.3.亞穩(wěn)態(tài)能級上的原子躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射出亞穩(wěn)態(tài)能級上的原子躍遷到基態(tài)，自發(fā)輻射出各個(gè)方向的光子。各個(gè)方向的光子。4.4.諧振腔選擇出沿腔軸線方向傳播的光子，反饋刺諧振腔選擇出沿腔軸線方向傳播的光子，反饋刺激亞穩(wěn)態(tài)原子，受激發(fā)射成倍增加的光子。產(chǎn)生激亞穩(wěn)態(tài)原子，受激發(fā)射成倍增加的光子。產(chǎn)生“

13、雪雪崩崩”放大效果。放大效果。（諧振腔：（諧振腔： 一對光學(xué)反射鏡作端面的腔體）一對光學(xué)反射鏡作端面的腔體）5.5.激光束從腔的端面射出。激光束從腔的端面射出。激光器由三部分組成：激光器由三部分組成：1.1.泵浦源泵浦源 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2.2.工作物質(zhì)工作物質(zhì) 能級結(jié)構(gòu)決定激光頻率。能級結(jié)構(gòu)決定激光頻率。 （固體、氣體、半導(dǎo)體等激光器）（固體、氣體、半導(dǎo)體等激光器）3.3.諧振腔（光學(xué)反饋器）諧振腔（光學(xué)反饋器） 光放大產(chǎn)生激光。光放大產(chǎn)生激光。實(shí)現(xiàn)這種過程的光學(xué)裝置就是激光器。實(shí)現(xiàn)這種過程的光學(xué)裝置就是激光器。（MaimanMaiman，19601960）第一臺紅寶石激光器

14、）第一臺紅寶石激光器按激光器的工作介質(zhì)分：按激光器的工作介質(zhì)分：按激光器的工作方式分：按激光器的工作方式分：氣體激光器；氣體激光器；固體激光器；固體激光器；半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體激光器；液體激光器。液體激光器。連續(xù)激光器；連續(xù)激光器；脈沖激光器。脈沖激光器。（四）激光器的類型（四）激光器的類型：固體激光器的特點(diǎn)：固體激光器的特點(diǎn)： 氣體激光器的特點(diǎn)：氣體激光器的特點(diǎn)：光激勵，能量效率低；光激勵，能量效率低；常用脈沖方式及冷卻，功率大；常用脈沖方式及冷卻，功率大；激光的相干性較差。激光的相干性較差。 電激發(fā)，效率高；電激發(fā)，效率高； 常用連續(xù)方式，頻率穩(wěn)定；常用連續(xù)方式，頻率穩(wěn)定； 激光相干性好（

15、常用于精密測量，全息照激光相干性好（常用于精密測量，全息照相等）。相等）。氣體激光器的典型結(jié)構(gòu)氣體激光器的典型結(jié)構(gòu)M1、M2 -反射鏡；A-陽極；K一陰極；D-放電管；T-套管；G-毛細(xì)管；B-布儒斯特窗。 He-Ne激光器 氣體激光器的一般結(jié)構(gòu)氣體激光器的一般結(jié)構(gòu)：固體激光器的兩種典型結(jié)構(gòu)固體激光器的兩種典型結(jié)構(gòu)紅寶石激光器紅寶石激光器諧振腔：棒狀基質(zhì)晶體端面拋光鍍反射膜光源：氙燈或高壓水銀燈，發(fā)光連續(xù)或脈沖式固體激光器的一般結(jié)構(gòu)固體激光器的一般結(jié)構(gòu)：聲學(xué)多普勒效應(yīng)聲學(xué)多普勒效應(yīng)1919世紀(jì)德國物理學(xué)家多普勒世紀(jì)德國物理學(xué)家多普勒 平面波矢 sl波數(shù) k=2/頻率 0波長 激光測速原理：利用

16、小粒子散射光的多普勒頻移反激光測速原理：利用小粒子散射光的多普勒頻移反映粒子的移動速度。映粒子的移動速度。二二. .小粒子散射的多普勒頻移：小粒子散射的多普勒頻移：多普勒現(xiàn)象：多普勒現(xiàn)象：21/ 1 ()liolffCCililV sV s按相對論原理，有：按相對論原理，有：粒子接收的光波頻率（粒子遠(yuǎn)離光源時(shí)）：粒子接收的光波頻率（粒子遠(yuǎn)離光源時(shí)）：11olffCilV s 接收器接收的散射光頻率（粒子接近接收器時(shí)）：接收器接收的散射光頻率（粒子接近接收器時(shí)）：11liffCiV r ClisVC C為光速。為光速。多普勒全頻移與粒子速度在兩個(gè)方向的投影有關(guān)：多普勒全頻移與粒子速度在兩個(gè)方向的

17、投影有關(guān)： 1.1.粒子在入射波粒子在入射波 s sl l方向遠(yuǎn)離光源的速度分量；方向遠(yuǎn)離光源的速度分量； 2.2.粒子朝著粒子朝著r r處觀察者的速度分量。處觀察者的速度分量。 s , r, lx 由光源、粒子和檢測器三者相對位置可確定由光源、粒子和檢測器三者相對位置可確定速度在波矢方向的投影。速度在波矢方向的投影。( ( 為單位方向矢）為單位方向矢）()1liolffCilVrs 直接光檢測只能用于高速流動（否則會因頻移直接光檢測只能用于高速流動（否則會因頻移太小而無法檢測）。太小而無法檢測）。 一般激光多普勒測速從全頻率中減去入射光一般激光多普勒測速從全頻率中減去入射光頻率，留下在多普勒

18、頻率上振蕩的信號，這種技頻率，留下在多普勒頻率上振蕩的信號，這種技術(shù)稱為光外差檢測或光混頻。術(shù)稱為光外差檢測或光混頻。三三. .光外差檢測：光外差檢測： 激光測速儀通過檢測運(yùn)動粒子的散射頻移來激光測速儀通過檢測運(yùn)動粒子的散射頻移來測量粒子的速度。測量粒子的速度。激光測速系統(tǒng)：激光測速系統(tǒng)：多普勒效應(yīng)加多普勒效應(yīng)加光外差檢測技術(shù)光外差檢測技術(shù)四四. .激光測速光學(xué)布置的基本模式：激光測速光學(xué)布置的基本模式：激光多普勒測速儀（又稱激光多普勒測速儀（又稱LDVLDV）的基本組成：）的基本組成： 空氣或水冷激光器空氣或水冷激光器 集成發(fā)射光學(xué)組集成發(fā)射光學(xué)組 光纖光學(xué)探頭光纖光學(xué)探頭 集成接收送光學(xué)組

19、集成接收送光學(xué)組/ /電子器件組電子器件組 信號處理器信號處理器 采集采集/ /分析窗口分析窗口（一）（一）. .現(xiàn)代光纖光路現(xiàn)代光纖光路 LDVLDV系統(tǒng)組件：系統(tǒng)組件：氦氖激光器：氦氖激光器： 波長波長633nm紅色激光；紅色激光； 輸出功率輸出功率15mw-40mw； 價(jià)廉，使用方便。價(jià)廉，使用方便。氬離子激光器：氬離子激光器： 波長波長514.5nm綠光、綠光、488nm藍(lán)光和藍(lán)光和 476.5nm紫光；紫光； 風(fēng)冷風(fēng)冷300mw，水冷，水冷2w-6w； 波長穩(wěn)定，價(jià)高，功耗大。波長穩(wěn)定，價(jià)高，功耗大。1.1.激光器：激光器：氬離子（氬離子（Ar+Ar+）激光器的結(jié)構(gòu)示意圖：）激光器的

20、結(jié)構(gòu)示意圖：多線模式多線模式單線模式單線模式70系列氬離子（Ar+）激光器 分色分束系統(tǒng)：分色分束系統(tǒng)：將激光器發(fā)射出來的一束光分將激光器發(fā)射出來的一束光分離成一對、二對或三對單色光束。離成一對、二對或三對單色光束。 光學(xué)部件：光學(xué)部件：各對光束焦點(diǎn)相交在同一測量各對光束焦點(diǎn)相交在同一測量“點(diǎn)點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)一維、二維或三維速度的測量。，實(shí)現(xiàn)一維、二維或三維速度的測量。光纖傳輸器件：使光纖傳輸器件：使發(fā)射光路緊湊而又靈活。發(fā)射光路緊湊而又靈活。2.2.發(fā)射光路系統(tǒng)：發(fā)射光路系統(tǒng)：3.3.接收光路系統(tǒng)：接收光路系統(tǒng)： 其作用是跟隨粒子散射光的接收、分色和光電其作用是跟隨粒子散射光的接收、分色和光電轉(zhuǎn)換

21、。轉(zhuǎn)換。 特點(diǎn)：前向接收方式則特點(diǎn)：前向接收方式則光散射信號強(qiáng)；光散射信號強(qiáng)；而后向接收方式則較為而后向接收方式則較為方便。方便。接收方式：接收方式： 前向接收；前向接收； 后向接收；后向接收； 側(cè)向接收。側(cè)向接收。4.4.信號處理器：信號處理器：要求從噪聲中分離并精確測量多普勒頻率。要求從噪聲中分離并精確測量多普勒頻率。 （具有準(zhǔn)確性、近壁測量的能力和一定的測量（具有準(zhǔn)確性、近壁測量的能力和一定的測量動態(tài)范圍）動態(tài)范圍） 信號處理器信號處理器分為：頻率跟蹤型信號處理器分為：頻率跟蹤型信號處理器和和計(jì)數(shù)型信號處理器等。計(jì)數(shù)型信號處理器等。LDVLDV系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。

22、5.5.數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理：（二）（二）. .激光多普勒測速儀光學(xué)系統(tǒng)模式：激光多普勒測速儀光學(xué)系統(tǒng)模式：1.1.雙光束模式：雙光束模式：0102ui 雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)用大口徑收集光用大口徑收集光欄產(chǎn)生強(qiáng)信號。欄產(chǎn)生強(qiáng)信號。111V (rs )iioff222V (rs )iioff0102ui在散射方向，光波的頻率為：在散射方向，光波的頻率為：2siniDiuf211212V (ss )()iiioosDiffffff0102ui反映出速度分量反映出速度分量u ui i的方位以及大小。的方位以及大小。 速度分量速度分量u ui i位于入射光束平面，并且垂位于入射光束平面，并且垂直于入射光

23、束夾角直于入射光束夾角2 2 的角平分線。的角平分線。 V (rs )illiolff2.2.參考光模式：參考光模式：2siniDiuf若將若將r r選為與選為與s s2 2相同方向，則：相同方向，則：同樣可測出速度分量同樣可測出速度分量u ui i的方位以及大小。的方位以及大小。V (rs )illiolff3.3.雙散射模式：雙散射模式：2siniDiuf混頻頻率為：混頻頻率為：DiiiifrrVff) (1212同樣可測出速度分量同樣可測出速度分量u ui i的方位以及大小。的方位以及大小。 單色光，同方向線偏振在相交處的位相差不單色光，同方向線偏振在相交處的位相差不變，在相交處振幅接近

24、時(shí)干涉現(xiàn)象較明顯。變，在相交處振幅接近時(shí)干涉現(xiàn)象較明顯。如圖為兩束光波的干涉條紋。如圖為兩束光波的干涉條紋。（三）（三）. .兩束光波干涉的條件：兩束光波干涉的條件：從分束到相交點(diǎn)的光程差影響干涉效果。從分束到相交點(diǎn)的光程差影響干涉效果。6.2 6.2 雙光束激光測速系統(tǒng)雙光束激光測速系統(tǒng)一一. .實(shí)用的雙光束光學(xué)系統(tǒng)：實(shí)用的雙光束光學(xué)系統(tǒng)： 高度平行光的氣體激光器光束經(jīng)過分光器后成高度平行光的氣體激光器光束經(jīng)過分光器后成為兩束強(qiáng)度相等的平行光。為兩束強(qiáng)度相等的平行光。二二. .雙光束光學(xué)系統(tǒng)工作方式：雙光束光學(xué)系統(tǒng)工作方式： 將兩束平行光通過高質(zhì)量聚焦透鏡匯聚于聚焦將兩束平行光通過高質(zhì)量聚焦

25、透鏡匯聚于聚焦平面，形成相交的小光斑。平面，形成相交的小光斑。測量體：測量體：兩平行光束通過聚焦透鏡相交于焦平面兩平行光束通過聚焦透鏡相交于焦平面 進(jìn)行測量的空間區(qū)域就是光束交匯處，稱為測進(jìn)行測量的空間區(qū)域就是光束交匯處，稱為測量體。量體。激光束光強(qiáng)為高斯分布，相交區(qū)的光強(qiáng)呈橢球體。激光束光強(qiáng)為高斯分布，相交區(qū)的光強(qiáng)呈橢球體。激光束光強(qiáng)為高斯分布，相交區(qū)的光強(qiáng)呈橢球體激光束光強(qiáng)為高斯分布，相交區(qū)的光強(qiáng)呈橢球體LDV測量體測量體兩束入射光的散射光產(chǎn)生外差信號。兩束入射光的散射光產(chǎn)生外差信號。 粒子以速度粒子以速度u u垂直于條紋穿過測量體時(shí)，向任垂直于條紋穿過測量體時(shí)，向任意方向產(chǎn)生散射光信號。

26、意方向產(chǎn)生散射光信號。 光電接收器接收散射光信號并轉(zhuǎn)換成多普勒光電接收器接收散射光信號并轉(zhuǎn)換成多普勒波群信號。波群信號。 如圖，接收透鏡中心對準(zhǔn)系統(tǒng)光軸，稱為共軸如圖，接收透鏡中心對準(zhǔn)系統(tǒng)光軸，稱為共軸。 如圖，收光光欄接收的散射光是入射光向前散射如圖，收光光欄接收的散射光是入射光向前散射的，稱為前向散射。的，稱為前向散射。 若收光光欄接收的散射光是入射光向后散射的，若收光光欄接收的散射光是入射光向后散射的，則稱為后向散射。則稱為后向散射。共軸前向散射系統(tǒng)：共軸前向散射系統(tǒng)：6.3 6.3 多速度分量系統(tǒng)多速度分量系統(tǒng) 將兩個(gè)或三個(gè)單分量測速系統(tǒng)組合可以同時(shí)測量將兩個(gè)或三個(gè)單分量測速系統(tǒng)組合可

27、以同時(shí)測量速度矢量的兩個(gè)或三個(gè)分量。速度矢量的兩個(gè)或三個(gè)分量。一一. .二分量激光測速系統(tǒng)：二分量激光測速系統(tǒng)：1.1.雙色系統(tǒng)：雙色系統(tǒng)： 將激光器發(fā)出的兩種不同顏色的激光經(jīng)過分光、將激光器發(fā)出的兩種不同顏色的激光經(jīng)過分光、聚焦形成兩個(gè)互相垂直的雙光束系統(tǒng)，可用于測量速聚焦形成兩個(gè)互相垂直的雙光束系統(tǒng)，可用于測量速度矢量的兩個(gè)分量。度矢量的兩個(gè)分量。2.2.雙偏振系統(tǒng)：雙偏振系統(tǒng)：3.3.雙頻率系統(tǒng)：雙頻率系統(tǒng)： 一種偏振系統(tǒng)是用兩對照射光束交叉偏振，將散一種偏振系統(tǒng)是用兩對照射光束交叉偏振，將散射光通過一個(gè)偏振立方柱或類似裝置使信號分離；另射光通過一個(gè)偏振立方柱或類似裝置使信號分離；另一種

28、偏振系統(tǒng)則是布置一束光的偏振方向具有其它兩一種偏振系統(tǒng)則是布置一束光的偏振方向具有其它兩束光偏振方向的矢量分量，形成三束光偏振系統(tǒng)。束光偏振方向的矢量分量，形成三束光偏振系統(tǒng)。雙偏振系統(tǒng)可用于測量兩個(gè)速度分量。雙偏振系統(tǒng)可用于測量兩個(gè)速度分量。二分量激光測速系統(tǒng)：二分量激光測速系統(tǒng)：3D LDV System三分量同軸檢測三分量同軸檢測三色布置：三色布置：GBBVG/VBGG/VVBTransmittinglens 用幾個(gè)單分量系統(tǒng)測量速度矢量的兩個(gè)或三個(gè)用幾個(gè)單分量系統(tǒng)測量速度矢量的兩個(gè)或三個(gè)分量時(shí)，若每個(gè)單分量系統(tǒng)都采用用雙光束方法測分量時(shí)，若每個(gè)單分量系統(tǒng)都采用用雙光束方法測流速。則，除

29、了二個(gè)基本的入射光束外還要為每一流速。則，除了二個(gè)基本的入射光束外還要為每一個(gè)增加的速度分量提供至少一束增加的入射光。個(gè)增加的速度分量提供至少一束增加的入射光。 這樣就帶來了一個(gè)問題，就是需要鑒別來自每這樣就帶來了一個(gè)問題，就是需要鑒別來自每一對光束的信號。對這些信號分別加以處理，并輸一對光束的信號。對這些信號分別加以處理，并輸出。這當(dāng)然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。出。這當(dāng)然會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 6.4 6.4 光檢測器光檢測器一一. .光檢測器的作用：光檢測器的作用： 光檢測器檢測投射到檢測器上的光能總通量，并光檢測器檢測投射到檢測器上的光能總通量，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枺斎?/p>

30、到處理器輸入到處理器。 光檢測器信號是一系列多普勒頻率正弦波的光檢測器信號是一系列多普勒頻率正弦波的隨機(jī)短脈沖群，它們是由粒子通過測量體時(shí)引起隨機(jī)短脈沖群，它們是由粒子通過測量體時(shí)引起的。的。 光檢測器主要有光電倍增管（光檢測器主要有光電倍增管（PMTPMT）和光電二）和光電二極管。極管。光電倍增管（光電倍增管（PMTPMT）和光電二極管的特性：）和光電二極管的特性： 1. 1.光電二極管可在相當(dāng)高的水平上工作，而光電二極管可在相當(dāng)高的水平上工作，而PMTPMT則在光通量太大時(shí)會燒毀。則在光通量太大時(shí)會燒毀。 2.PMT 2.PMT在低光通量水平上仍工作良好（因?yàn)樗性诘凸馔克缴先怨ぷ髁己?/p>

31、（因?yàn)樗懈咴鲆妫蛇_(dá)高增益，可達(dá)10103 3 10107 7），而光電二極管的增益則），而光電二極管的增益則很小（很?。?0102 2量級）。量級）。 3. 3.好的光電二極管的量子效率在可見光段有好的光電二極管的量子效率在可見光段有80%80%，而好的而好的PMTPMT僅僅20%20%左右。左右。 4. 4.光電二極管的尺寸小，能耗低。光電二極管的尺寸小，能耗低。 5.PMT 5.PMT具有較高的靈敏度，因而在具有較高的靈敏度，因而在LDVLDV中采用較多。中采用較多。二二. .針孔光欄：針孔光欄：光源與收光孔徑光源與收光孔徑 粒子的散射光經(jīng)由針孔光欄聚于光檢測器（光粒子的散射光經(jīng)由針孔

32、光欄聚于光檢測器（光電倍增器或光電二極管）。電倍增器或光電二極管）。通過透鏡通過透鏡-針孔聯(lián)合作用可阻攔雜散光。針孔聯(lián)合作用可阻攔雜散光。三三. .減少背景光的方法：減少背景光的方法：1.1.轉(zhuǎn)動光學(xué)器件使反射光錯(cuò)開轉(zhuǎn)動光學(xué)器件使反射光錯(cuò)開PMTPMT針孔。針孔。2.2.用清潔的光學(xué)表面，或用抗反射涂層表面。用清潔的光學(xué)表面，或用抗反射涂層表面。3.3.遮擋雜散光。遮擋雜散光。4.4.針孔遠(yuǎn)離接收透鏡，以小立體角收光。針孔遠(yuǎn)離接收透鏡，以小立體角收光。 在接近壁面處測量時(shí)難以消除壁面閃爍的干擾，在接近壁面處測量時(shí)難以消除壁面閃爍的干擾，這時(shí)可采用熒光粒子。當(dāng)粒子穿越近條紋區(qū)時(shí)發(fā)出熒這時(shí)可采用熒

33、光粒子。當(dāng)粒子穿越近條紋區(qū)時(shí)發(fā)出熒光，其波長不同于激光波長，可用窄波段光學(xué)濾波器光，其波長不同于激光波長，可用窄波段光學(xué)濾波器區(qū)分熒光波與壁面閃爍。區(qū)分熒光波與壁面閃爍。 采用熒光粒子時(shí)要注意：采用熒光粒子時(shí)要注意：避免粒子沉淀在壁面避免粒子沉淀在壁面形成熒光染料層。形成熒光染料層。三三. .熒光粒子：熒光粒子： 可在壁面上涂上一層熒光漆提高光的吸收率可在壁面上涂上一層熒光漆提高光的吸收率以降低閃爍。以降低閃爍?？諝庵猩⑸淞Ｗ有再|(zhì)：6.5 6.5 散射粒子散射粒子 散射粒子是多普勒信號的基本源，它們對信號質(zhì)散射粒子是多普勒信號的基本源，它們對信號質(zhì)量的影響高于其它的任何系統(tǒng)因素。量的影響高于其

34、它的任何系統(tǒng)因素。 單個(gè)散射粒子最主要的性質(zhì)是它產(chǎn)生的信噪比，單個(gè)散射粒子最主要的性質(zhì)是它產(chǎn)生的信噪比，以及其跟隨流體能力的氣動尺寸。以及其跟隨流體能力的氣動尺寸。 散射粒子在滿足保證足夠的散射光強(qiáng)的前提下，尺散射粒子在滿足保證足夠的散射光強(qiáng)的前提下，尺寸要盡量小。這樣它才具有良好的對流體的跟隨性。寸要盡量小。這樣它才具有良好的對流體的跟隨性。水中散射粒子性質(zhì)： 散射粒子也不能太小，否則它的散射光強(qiáng)不夠，信散射粒子也不能太小，否則它的散射光強(qiáng)不夠，信號將無法被檢測到。號將無法被檢測到。 微粒與波長尺度鄰近時(shí)，產(chǎn)生散射光。微粒與波長尺度鄰近時(shí)，產(chǎn)生散射光。Ka=2 a/ ，a為球粒半徑為球粒半徑

35、散射微粒尺度比光的波長小，遵循瑞利定律；散射微粒尺度比光的波長小，遵循瑞利定律；散射微粒尺度比光波大，遵循米氏散射理論。散射微粒尺度比光波大，遵循米氏散射理論。 （G.MieG.Mie和和P.DebgeP.Debge，19081908）散射粒子是多普勒信號的基本源。散射粒子是多普勒信號的基本源。單個(gè)散射粒子主要性質(zhì)：信噪比、跟隨性。單個(gè)散射粒子主要性質(zhì)：信噪比、跟隨性。 3. 3.粒子折射率對流體折射率的比值越高，散粒子折射率對流體折射率的比值越高，散射光越強(qiáng)。射光越強(qiáng)。（若要增加激光功率或改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)則代價(jià)較大）（若要增加激光功率或改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)則代價(jià)較大） 1. 1.增加粒子直徑從零點(diǎn)幾增加

36、粒子直徑從零點(diǎn)幾 m m到幾到幾 m m，信號的，信號的強(qiáng)度增加強(qiáng)度增加10102 2 10104 4倍。倍。 2. 2.采用前向散射時(shí)，在粒徑采用前向散射時(shí)，在粒徑 0.5 0.5 2020 m m范圍范圍內(nèi)，即使用低功率激光，粒子的散射光強(qiáng)也足夠。內(nèi)，即使用低功率激光，粒子的散射光強(qiáng)也足夠。1.1.天然氣溶膠、水溶膠：天然氣溶膠、水溶膠： 2. 2.后向散射要求高激光功率，播撒粒子的粒徑在后向散射要求高激光功率，播撒粒子的粒徑在5m5m以上。以上。 水流中可采用后向散射方式（除非速度太高或水流中可采用后向散射方式（除非速度太高或發(fā)散透鏡焦距大于發(fā)散透鏡焦距大于0.50.5 1m)1m)。可

37、采用粒徑均勻的塑料?？刹捎昧骄鶆虻乃芰锨颍渲囟冉咏?，其重度接近1 1，不存在沉降問題。，不存在沉降問題。用于用于LDVLDV的粒子種類：的粒子種類： 水流中前向散射用天然懸浮粒子就可以達(dá)到水流中前向散射用天然懸浮粒子就可以達(dá)到要求。要求。 亦可用牛奶、乳膠顏料漆和各種細(xì)粉（采用亦可用牛奶、乳膠顏料漆和各種細(xì)粉（采用5 5 25mW25mW激光）激光） 4.0.1 4.0.1 1 1 m m天然氣溶膠顆粒最適合用作氣流天然氣溶膠顆粒最適合用作氣流的的LDVLDV散射粒子。散射粒子。 5. 5.對于低到中速氣流的其散射粒子的粒徑最好對于低到中速氣流的其散射粒子的粒徑最好為為1 12 2 m

38、m。 3. 3.碳化硅粒子折射率高，可用于水流中的后向碳化硅粒子折射率高，可用于水流中的后向散射方式，但是在其缺點(diǎn)是在散射方式，但是在其缺點(diǎn)是在1m/s1m/s以下的流動中沉以下的流動中沉降太快。降太快。 可采用液滴（水，各種植物油、礦物油，研磨可采用液滴（水，各種植物油、礦物油，研磨粉）作為散射粒子。粉）作為散射粒子。 由于粒子隨機(jī)進(jìn)入測量體，需要專門的數(shù)字處理由于粒子隨機(jī)進(jìn)入測量體，需要專門的數(shù)字處理方法。方法。LDVLDV信號處理器是設(shè)計(jì)用于測量多普勒脈沖群信號處理器是設(shè)計(jì)用于測量多普勒脈沖群的頻率的專門儀器。的頻率的專門儀器。相關(guān)器相關(guān)器譜分析儀譜分析儀計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器 * *頻率跟蹤器頻

39、率跟蹤器 * *6.6 6.6 信號處理器信號處理器LDVLDV信號處理器的類型主要有：信號處理器的類型主要有： 信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的關(guān)鍵在于信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的關(guān)鍵在于LDVLDV信號信號的類型。應(yīng)根據(jù)脈沖群密度和光密度結(jié)合決定采用的類型。應(yīng)根據(jù)脈沖群密度和光密度結(jié)合決定采用何種處理技術(shù)。何種處理技術(shù)。 這些類型的信號處理器沒有誰是最佳的。要取這些類型的信號處理器沒有誰是最佳的。要取得良好的測量效果，實(shí)驗(yàn)工作者必須根據(jù)特殊的場得良好的測量效果，實(shí)驗(yàn)工作者必須根據(jù)特殊的場合選用相應(yīng)的儀器。合選用相應(yīng)的儀器。 將不同的多普勒信號分解為：將不同的多普勒信號分解為：基底信號和基底信號和多普勒

40、脈沖群信號。多普勒脈沖群信號。應(yīng)根據(jù)特殊場合選擇相應(yīng)的儀器：應(yīng)根據(jù)特殊場合選擇相應(yīng)的儀器： 相關(guān)器分析和譜分析是長時(shí)間平均的技相關(guān)器分析和譜分析是長時(shí)間平均的技術(shù)，得到的速度是時(shí)間平均值。術(shù)，得到的速度是時(shí)間平均值。 計(jì)數(shù)器和頻率跟蹤器采用的是時(shí)間分辨技計(jì)數(shù)器和頻率跟蹤器采用的是時(shí)間分辨技術(shù)。術(shù)。測量時(shí)間為單個(gè)多普勒脈沖群的時(shí)間量級測量時(shí)間為單個(gè)多普勒脈沖群的時(shí)間量級（小于流動時(shí)間尺度），得到的速度是時(shí)間的（小于流動時(shí)間尺度），得到的速度是時(shí)間的函數(shù)。函數(shù)。 頻率計(jì)數(shù)器測量信號頻率。精確計(jì)算累計(jì)頻率計(jì)數(shù)器測量信號頻率。精確計(jì)算累計(jì)N N個(gè)周期的信號時(shí)間長度。多普勒信號過零，個(gè)周期的信號時(shí)間長度。多普勒信號過零，則移去基底信號，將信號通過固定高通濾波器。則移去基底信號，將信號通過固定高通濾波器。 當(dāng)最高多普勒脈沖群頻率的基底信號頻率超當(dāng)最高多普勒脈沖群頻率的基底信號頻率超過了可能的