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1、5-9激光多普勒流速儀測速1．概述-激光特性與應(yīng)用激光是完全新穎的光源，它以高亮度（比太陽光亮1010倍）、高純度（單色性，比氪燈純上萬倍）、高方向性（既相干性）而著稱。因為普通光源向4?立體角發(fā)散，而激光的發(fā)散角只有10-6rad，因而單位立體角單位面積的輸出功率就特別大。激光在工程中的應(yīng)用激光得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如，在工藝制造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密測長、定位等等。在計量科學(xué)方面，激光用于測長基準(zhǔn)、激光測速、測距、測扭、測壓、測角、測溫等。在國防科學(xué)方面，激光雷達(dá)、激光制導(dǎo)、激光通訊、引爆、致盲、激光炮、激光槍等。在全息攝影、光學(xué)信號處理、流場顯示、醫(yī)療、受控?zé)岷朔磻?yīng)等方
2、面。激光在熱物理測量方面應(yīng)用如激光測燃燒霧化顆粒大小和分布（PDA），用于傳熱傳質(zhì)研究，測量燃燒動力及流場溫度，對高能點火中能量釋放，研究點火機理，加力燃燒室流場和溫度場，等離子射流的濃度場、溫度場和速度場等等（LIF）。激光測速儀（LDV）常見的測量速度方法與技術(shù)總壓探針與靜壓探針相結(jié)合的皮托管一直是平均速度的主要測量方法。熱線和熱薄膜風(fēng)速儀是測量流體瞬時速度、平均速度、均方根速度和速度相關(guān)量的主要方法。無疑，機械探頭將繼續(xù)是實驗流體力學(xué)的重要方法。但接觸測量法干擾流場，不可避免地帶有方法本身的誤差，具有局限性。如對回流區(qū)的測量，機械探頭會擾動回流圖形；對于小尺寸管道中的流動，機械探頭會造成
3、堵塞。不適合特殊情況下測試（火焰）對于惡劣的環(huán)境(像燃燒火焰)，常常不能使用小尺寸探頭。熱線和熱薄膜風(fēng)速儀雖然是定量研究紊流結(jié)構(gòu)的主要實驗工具，但它僅限于低溫、低速、低紊流度、常特性的檢測，而且必須在回流區(qū)以外。光學(xué)速度測試技術(shù)具有測量靈敏度高，不干擾流場等優(yōu)點，有著很強的應(yīng)用前景。光學(xué)測速技術(shù)主要有全息干涉法、散斑照相法、激光多普勒測速法和激光雙焦點測速法等。2.全息干涉測速法在被測流體中摻粒子示蹤劑，通常用雙脈沖激光作光源，通過雙曝光拍攝相隔?t的兩幅粒子圖于同一塊干版上。利用再現(xiàn)粒子場的實像圖，求出粒子對間的位移大小和方向，再由?v=?s/?t求出速度場。若流速不快，也可使用功率較大的連
4、續(xù)激光，通過雙曝光記錄粒子圖。粒子稀少，可用顯微鏡搜索粒子對，并確定粒子對間的位移；粒子很多，可用干版插入再現(xiàn)粒子實像場中欲測剖面，記錄粒子對，通過逐點掃描或全場分析求出位移場。3.散斑測速法對于具有較多粒子的流場，可用頻閃片光照明粒子場的某一剖面，通過雙曝光將兩幅粒子場記錄在同一塊膠片或干版上，再利用逐點分析或全場分析求出粒子對的位移場，最后轉(zhuǎn)換成速度場。當(dāng)流速很快時，可用連續(xù)片光照明，用高速攝影機拍攝一系列粒子圖。再通過相關(guān)運算求出位移場，進(jìn)而求出各粒子場的速度。散斑法只能記錄一個平面內(nèi)的粒子場速度信息?！?.2激光多普勒測速法(LDV)60年第一臺氦-氖激光器誕生，64年世界上就出現(xiàn)了激
5、光多普勒測速儀。20多年來，激光多普勒測速技術(shù)有了很大的發(fā)展，這是測量技術(shù)上的一個重大突破。多普勒測速是通過檢測流體中運動微粒散射光的多普勒頻移來測定速度的。激光多普勒測速屬于非接觸測量，激光作為測量探頭不干擾流場。激光多普勒測速應(yīng)用很廣:可用于燃燒混合物、火焰、旋轉(zhuǎn)機械、窄通道、化學(xué)反應(yīng)流動、風(fēng)洞或循環(huán)水洞中流動速度的測量等。激光多普勒測速有其突出的優(yōu)點：1>如不需要流動校正；2>不取決于溫度、密度和流體成份，僅對速度敏感;3>取出量與速度成線性關(guān)系；4>動態(tài)響應(yīng)快，等等。但激光多普勒測速也有其局限性，例如:1>需要示蹤粒子;2>示蹤粒子要與流體一起運動;3>對介質(zhì)和實驗通道有光學(xué)要求，要求
6、光能透過流動等。5-9-1激光多普勒測速的原理1.激光多普勒效應(yīng)激光多普勒測速的基本原理：是依據(jù)激光多普勒效應(yīng)，利用運動粒子散射光的頻移來測量速度.因為散射光的頻移中包含有粒子速度的信息。聲學(xué)中的多普勒現(xiàn)象當(dāng)你站在火車站臺上鳴笛的火車進(jìn)站時，你感到笛聲變得尖了，即笛聲頻率變高；相反，火車鳴笛離開站臺，你會感到笛聲變得低沉，即笛聲頻率變低。這種因波源和觀察者相對于傳播介質(zhì)的運動而使觀察者接收到的波源頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)。如果運動發(fā)生在波源和觀察者的連線上，假設(shè)波源相對于介質(zhì)的運動速度為u，波源的波長為?，觀察者相對介質(zhì)的運動速度為v，波源原來的頻率為f0，波源在介質(zhì)中的傳播速度V，對下
7、述四種情況可分別求得觀察者接收到的頻率f。（1）波源和觀察者相對于介質(zhì)是靜止的（u=0，v=0），觀察者接收到的頻率即為波源原有的頻率，即f=f0（2）波源不動，觀察者以速度v相對于介質(zhì)運動(u=0，)，觀察者接收到的頻率為觀察者背離波源取負(fù)號。（3）觀察者不動，波源以速度u相對于介質(zhì)運動（，v=0），觀察者接收到的頻率f為：波源背著觀察者運動時取負(fù)號。（4）波源和觀察者同時相對于介質(zhì)運動（，），
