多普勒測量技術(shù)

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1、多普勒測量技術(shù)傳統(tǒng)流體速度測量是機(jī)械探針方式：利用畢托管測量流體的總壓和靜壓，然后計(jì)算流體速度。由于測壓探針體積較大而且頻響極低，它只能用來測量流體的平均速度。后來發(fā)展起來了熱線熱膜速度測量儀，這是利用機(jī)械探針測量流體瞬時(shí)速度、湍流脈動(dòng)速度的代表。但機(jī)械探針有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：屬于接觸測量，會(huì)破壞流場結(jié)構(gòu)，對有些情況下無法測量。利用光學(xué)方法測量速度時(shí)，有時(shí)將由光實(shí)現(xiàn)的非接觸測量的光反射和接收部分統(tǒng)稱為光學(xué)探針。它的優(yōu)點(diǎn)主要是非接觸，對流場沒有影響，而且可以測量許多機(jī)械探針無法測量的地方，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械A(chǔ)部流場、燃燒流場等。但光學(xué)探針需要示蹤粒子，介質(zhì)需要透明，試驗(yàn)件上要預(yù)留光學(xué)通道等。激光多普勒測

2、速儀所有的英文名稱及其所寫：LaserDopplerVelocimetery:LDV;LaserDopplerAnemometer:LDA;LaserVelocimeter:LV.LDA技術(shù)是1964年由Yeh和Cummins發(fā)明的，多普勒測速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：原理是絕對的，儀器使用中不需要標(biāo)定；與環(huán)境溫度無關(guān)，流體的密度、粘性、化學(xué)組成對它沒有影響；測量區(qū)（探針體積）很小，具有極高的空間分辨率，儀器頻響高，可以對高度湍動(dòng)的流動(dòng)進(jìn)行測量。1.多普勒效應(yīng)1.多普勒效應(yīng)存在一頻率為v的波源，波的傳播速度為c,對于觀察者而言如果波源沒有運(yùn)動(dòng)，則單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)為為波長。當(dāng)波源存在一運(yùn)動(dòng)速c/?,

3、?V，與波傳播的力*向間夾角為，那么單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)為c/?',其中？'為波源處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)對應(yīng)的波長。對于靜止情況，相當(dāng)于考察的波陣面移動(dòng)了Vcos?的距離，即：c?Vcos?進(jìn)一步化簡可得：?'Vf'?f(l?cos?)?c0其屮CO表示波源發(fā)射波傳播方向的單位矢量。多普勒原理圖對于光波而言，上述的推導(dǎo)方法的正確性值得重新考慮，但根據(jù)Einstein相對論，可以得到類似的結(jié)論：對于運(yùn)動(dòng)的光源，設(shè)其照射光的頻率為fO,其照射到顆粒上的散射光頻率將發(fā)生變化,其大小由下式?jīng)Q定：1?f'?f0?e0其中eO為入射光方向上的單位矢量，c為光速。在工程研

4、究范圍內(nèi)有V<<c，上式近似可以寫為：?e0f'?f0(l?)c可見兩者最終的結(jié)論是一致的。2.LDA系統(tǒng)的多普勒效應(yīng)對于頻率為f0的單色光源照射到以速度V運(yùn)動(dòng)的顆粒上，那么光源可以認(rèn)為是靜止的，顆粒上觀察者接收到的波長頻率f’為：V?e0f'?f0(l?)c散射體(示蹤粒子)LDA原理圖同時(shí)，照射到顆粒上的光將有部分從顆粒表詘散射到空間，從顆粒上散射的光波又如一個(gè)運(yùn)動(dòng)的光源，對于觀察者(探測器)所看到的散射光的頻率fs將發(fā)生變化，如上有：。V?esfs?f'(l?)c其中es為散射光的方向單位矢量。同理有V?esV?eOV?esfs?f'(l?)

5、?fO(l?)(l?)ccc忽略高階小量：fs?fO(l?V?(es?eO))c(a)?(es?eO)?f?c(b)如果用兩個(gè)完全相干的光源同兩個(gè)方向入射到運(yùn)動(dòng)物體上，且關(guān)于直線L對稱(參見圖2)，可以得到?f?V?2sin?上式中的?f為兩入射光束在物體上散射光的頻移的代數(shù)和。值得注意的是：式(a)中的頻移是需要先測量得到散射光的頻率后冰能求得的，光波頻率通常在10Hz左右，流體測量屮多普勒頻移最高也不超過10-lOHz,這在現(xiàn)在的技術(shù)條件利用光電器件1489雙光束系統(tǒng)下對其進(jìn)行測量尚是非常困難的事情。在現(xiàn)有光電探測器中，沒有能力對此進(jìn)行直接測量。而式(b＞中頻移差是兩散射光的頻移差，對宏

6、觀速度下物體產(chǎn)生的頻移，該物理量是可以測量的。1.激光多普勒測速的光學(xué)裝置1.參考光束型也稱為基準(zhǔn)光束系統(tǒng)，多普勒信號的頻移是其中某入射光的散射光同另一朿入射光間的頻率差。典型的參考光朿型多普勒2.雙光束型也稱為雙光束一一雙散射型光路，是利用兩束入射光穿越測量區(qū)，接收顆粒對每個(gè)光束的散射光信號并測量其間的頻移，最后得到顆粒的運(yùn)動(dòng)速度。根據(jù)式(a)有?(esl?e01)V?(e02?es2)fsl?f0(l?)和fs2?fO(l?)ccf01?f??(e01?e02)??(e01?e02)可得:c?這種光路形式可以用干涉條紋模型做出很好的解釋。雙光束型可以從前向和后向兩個(gè)方向?qū)ι⑸涔膺M(jìn)行接收，

7、其屮前向接收方式如下圖所示。3.單光束雙散射型從顆粒表面散射出的光在不同方向上有不同程度的多普勒效應(yīng)，因此單光朿在顆粒的散射光從不同方向接收時(shí)，也可能得到多普勒效應(yīng)的頻差，進(jìn)而計(jì)算出顆粒速度。如下圖所示，不同方向上顆粒散射光的頻移可以寫為：?(eO?es2)V?(esl?eO))fsl?fO(l?)和fs2?f0(l?cc由此得到頻差：f01?f??(esl?es2)??(esl?es2)c?該形式的光路布置