《激光其它測(cè)量技術(shù)》PPT課件

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1、激光測(cè)量技術(shù)LaserMeasurementTechnology第六章激光的其他測(cè)量技術(shù)本章主要內(nèi)容:第一節(jié)激光多普勒(Doppler)測(cè)速技術(shù)一、多普勒測(cè)速原理二、激光多普勒測(cè)速儀的組成二、激光多普勒測(cè)速技術(shù)的應(yīng)用四、多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)第二節(jié)激光掃描測(cè)徑技術(shù)一、轉(zhuǎn)鏡掃描測(cè)徑二、音又?jǐn)Q描測(cè)徑三、掃描鏡電流計(jì)測(cè)徑四、位相調(diào)制掃描測(cè)量技術(shù)第三節(jié)激光測(cè)距技術(shù)一、激光相位測(cè)距二、脈沖激光測(cè)距§6.1激光多普勒(Doppler)測(cè)速技術(shù)1842年Doppler發(fā)現(xiàn):任何形式的波傳播，由于波源、接收器、傳播介質(zhì)或散射體的運(yùn)動(dòng)，會(huì)使頻率發(fā)生變化，即所謂的多普勒頻移。1

2、964年，Yeh和Cummins首次觀察到水流中粒子的散射光有頻移，證實(shí)了可用激光多普勒頻移技術(shù)來(lái)確定粒子流動(dòng)速度。激光多普勒頻移技術(shù)應(yīng)用:流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)、生物醫(yī)學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)中的速度測(cè)量。=一、多普勒測(cè)速原理激光多普勒側(cè)速術(shù)(LDV)的工作原理:基于運(yùn)動(dòng)物體散射光線(xiàn)的多普勒效應(yīng)1.多普勒效應(yīng)引起多普勒頻移的原因:a波源或者接收器的移動(dòng)b波傳輸通道中的物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生Δf=ΔffVcosθλVcosθf(wàn)λ=Vcosθc對(duì)于a種情況:b波傳輸通道中的物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生這種情況是LDV的基本測(cè)速原理從p點(diǎn)看:從U處看:因?yàn)?fpfDfp===c-V?Kλ

3、c+V?Uλcλp如果接收散射光和光源人射光之間的夾角為θ，則式(6-7)可以寫(xiě)為或從6-8式知,測(cè)出頻移即可以計(jì)算出移動(dòng)速度來(lái)由于光頻率極高,一般采用在實(shí)際測(cè)量中，多采用光外差多普勒測(cè)速技術(shù)，即把人射光和散射光同時(shí)送到光接收器上，由光電器件的平方律檢波特性，在它們的輸出電流中只包含兩束光的差頻部分，這樣能接收到由于粒子的運(yùn)動(dòng)速度所引起的光頻微小變化。二、激光多普勒測(cè)速儀的組成激光多普勒測(cè)速儀(LaserDopplerVelocimeterLDV)組成:激光器、光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)1.激光器多普勒頻移相對(duì)光源波動(dòng)頻率來(lái)說(shuō)變化很小，因此，必須用頻帶窄及能

4、量集中的激光作光源。為便于連續(xù)工作，通常使用氣體激光器.如He-Ne激光器:功率較小，適用于流速較低或者被測(cè)粒子較大的情況氬離子激光器:功率較大，信號(hào)較強(qiáng)，用得最廣。2.光學(xué)系統(tǒng)LDV按光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，可分為:雙散射型、參考光束型和單光束型三種光路。參考光束型和單光束型LDV在使用和調(diào)整方面條件要求苛刻，一般不采用。常用雙散射型A單光束型特點(diǎn):測(cè)量速度高,適合超音速測(cè)量,調(diào)整麻煩,測(cè)量結(jié)果與角度有關(guān)B、參考光束型C、雙散射型特點(diǎn)：散射光的頻差與光電探測(cè)器的方向無(wú)關(guān)。使用時(shí)不受現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，可在任意方向測(cè)量，且可使用大口徑的接收透鏡，粒子散射的光能量

5、極大地得到利用，信噪比高。進(jìn)人光電探測(cè)器的散射光來(lái)自?xún)墒哂型瑯訌?qiáng)度的光線(xiàn)的交點(diǎn)，它對(duì)所有尺寸的散射微粒都發(fā)生高效率的拍頻作用。避免了信號(hào)的“脫落”現(xiàn)象。調(diào)整時(shí)只需根據(jù)兩束光交點(diǎn)處干涉條紋的清晰度進(jìn)行調(diào)整，使用很方便。3.信號(hào)處理系統(tǒng)激光多普勒信號(hào)非常復(fù)雜：①由于流速起伏，所以頻率在一定范圍內(nèi)起伏變化，是一個(gè)變頻信號(hào)。②因粒子的尺寸及濃度不同，散射光強(qiáng)發(fā)生變化，則頻移的幅值也按一定的規(guī)律變化。③粒子是離散的，每個(gè)粒子通過(guò)測(cè)量區(qū)又是隨機(jī)的，故波形有斷續(xù)且隨機(jī)變化。④光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器及電子線(xiàn)路存在噪聲，加上外界環(huán)境因素的千擾，使信號(hào)中伴隨許多噪聲。信號(hào)處

6、理系統(tǒng)的任務(wù)是從這些復(fù)雜的信號(hào)中提取那些反映流速的真實(shí)信息，傳統(tǒng)的測(cè)頻儀很難滿(mǎn)足要求。多普勒信號(hào)處理方法主要有:頻譜分析法、頻率跟蹤法、頻率計(jì)數(shù)法、濾波器組分析法、光子計(jì)數(shù)相關(guān)法掃描干涉法等。1）頻率跟蹤法2）頻率計(jì)數(shù)法原理:計(jì)算n個(gè)脈沖的時(shí)間,計(jì)算出多普勒頻移的平均周期,從而計(jì)算出頻移,n為設(shè)定的脈沖數(shù)目,N為時(shí)鐘數(shù)目,T為時(shí)鐘周期Δf=1TN=nNfn三、激光多普勒測(cè)速技術(shù)的應(yīng)用激光多普勒測(cè)速儀(LDV)特點(diǎn):?具有非接觸測(cè)量?不干擾測(cè)量對(duì)象?測(cè)量裝置可遠(yuǎn)離被測(cè)物體應(yīng)用:生物醫(yī)學(xué)流體力學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)燃燒學(xué)等領(lǐng)域1.血液流動(dòng)/定位2.管道內(nèi)流體的測(cè)量四、

7、多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)LDV是對(duì)流場(chǎng)中的某一固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，如要做全場(chǎng)測(cè)量，則需逐點(diǎn)掃描，故只限于變化較小的流動(dòng)，不能用于非定量流多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)(DopplerGlobalVelometerDGV)，可對(duì)流體做全場(chǎng)測(cè)量，對(duì)粒子的選擇、播發(fā)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，特別適合于氣流測(cè)量。1.DGV原理利用了某些物質(zhì)的選擇吸收特性，把多普勒頻移轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度，通過(guò)視頻相機(jī)拍攝后進(jìn)行處理，獲得全場(chǎng)的速度信息，從而實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)、實(shí)時(shí)及三維測(cè)量。一般工作在f1-f2段，中心頻率fi處于激光器的中心頻率附近，f1-f2的帶寬約為600MHz。由于不同頻率對(duì)應(yīng)不同的透過(guò)率，這樣把頻率

8、變化轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)的大小分子碘、溴蒸氣或堿蒸氣是最合適的吸收物質(zhì)，它們的原子和分子有