多普勒流速测定(中国科学技术大学大物实验)

of the receiver is given by the vector U . The light frequency at the receiver fR is given in the
following manner as a function of the transmission frequency fs at the light source :
理论计算 Doppler effect TWo cases of the Doppler effect are used to discuss the LDA principle ( see Fig . 9 ) . a ) In the first case , a stationary light source and a moving receiver are present , where the velocity
Where c is the speed of light in air b ) In the second case a moving Iight source is used and the receiver is stationary . Thus , the received light frequency is given as follows :
In LDA a laser is used as a stationary Iight source and small , flowing particles scatter the Iight , which is then received by a photodiode D . The application of the two upper equations (1- 2) provide the frequency of the light at the photocell after the laser light has been scattered by the moving particles and received by the stationery receiver ( see Fig10 ) :
实验室已准备好，但放置一段时间后液体中掺入的镀银的玻璃珠会产生沉淀，故实验前 需要搅动液体使得其悬浮均匀，操作时要防止容器底部的橡胶塞从瓶上脱离。改变两个容器 的相对高度即可产生流动，硅管上备有软管夹，可用于调节液体流速。 ――光学元器件的摆放 1、首先调整镜 M1(1,8)和 M2(1,1.5)，使光线沿着平行 y=2 的方向前进。 2、分束器 BS(1,2.5)放在靠近 M2 处，要确保光线反射回来的部分仍然平行于 Y=2。分束 器的镀膜面朝向 M1，两束分别从分束器和 M2 发出的光传播时需保持相同的间隔，可以用尺 沿光路在不同距离处测量，光点的间隔不能超过 3cm。 3、现在可以放置透镜 L1(f=+100mm)在（2,2）处，两束平行光照射到透镜（关于透镜中 心对称） 。 4、调整交叉点。 透镜 L1 应使两个光束在镜后 10cm 处（4,2）发生交叉。在距离交汇点 2cm 处，将透镜 L2 （+50mm）放在（4.5,2）的位置，如果两个光 束没有汇聚良好，调整 L2 的位置时，在墙面上看 到的是两个不能重合的亮点。 调整镜 M2 使它们重 合。 5、确定干涉半角值 。 测量出 L1 和观测平面间的距离 l’以及两个光点的间隔（参看图 4） 。干涉点到观测面的距 离 l 为两者之差： l f l ――测量单元的准备 用固定球将短管夹在小平台上（注意：短管由石英制成，非常易碎。因此操作时一定要 小心） ，尽量不要在短管上留下指纹印。固定时保证光线垂直短管平行面。现在可以将平台连 同短管一起放置在光束中（4,2） ，光线应穿过短管的侧面，汇聚在管的中间（当管中充满液 体时可以非常清楚的观察到） 。 接下来将软管夹稍微放开，液体将流过短管，此时满的玻瓶应放在杆的高处，空瓶固定 在低些的位置。 ――放置光电探测器 D： 放置可变光圈 B 在短管后（5,2）处，其光圈能减小到使两个光束不能通过。F=+50mm 的 透镜 L2 在（7,2）处，将从短管散射出的光汇聚到光电探测器 D(8,2)处。D 的信号传到控制 盒后，在进行放大和滤波处理后从控制单元输出的信号传输到 Cobra3 的 IN2 输入口（＋和
Thus , the beat frequency of the two signals can be detected . For example , in the self-beating method , the frequency-shifted signal is mixed with itself ( as measuring frequency , one obtains twice the difference frequency ) . Additional methods are the homodyne ( one light source ) and the heterodyne ( two light sources ) mixing . In the arrangement presented here , the twin- beam configuration ( two crossed beams from the same light source ) is used ( see Fig . 4 ) . In this arrangement , a laser beam is split into two partial beams having equal intensities , which are then focused in the measuring control volume ( mcv ) and made to intersect within this volume . Particles in the flow which passes through this overlap volume scatter the light of both partial beams . The Doppler shift of the scattered light is different for the two partial beams ( different l vectors , but the same k vectors ) . This difference , generally known as the beat frequency is measured in the scattered light . This frequency difference is designated as the Doppler frequency and is substantially lower-frequency and has a more narrow band width as the source frequency of the light . Thus , an exact detection and measurement of this frequency with electronic means is possible . Now it will be shown that the Doppler frequency is proportional to the particle velocity . The frequency of the scattered light for each of the two partial beams is given by the following :
Twin beam anemometer In the practical application , only a small Doppler shift of the 1ight frequency due to the movement of the particles results , as follows from Equation ( 3 ) , compared to the light ’s frequency . Thus , a direct measurement of the frequency ( e . g with the aid of a Fabry- Perot interometer ) can only be performed with insufficient accuracy . There are different methods of avoiding a direct optical frequency measurement : Due to the quadratic characteristic line of the photo-detector , it is possible to mix two light frequencies .
注： 流速较高时，在短管中会有紊流。由于微粒的速度相差很多，造成虚假的结果。 因为流速会变慢（由于液面差的不可避免的减小） ，信号峰会从低频向高频漂移，情况将有所 改变，此时可以选择高些的采用频率。 由两个不同的流速定出速度。改变软管夹的松紧程度，要保证改变的程度非常的小。且 软管夹改变后，要等候大约 2min，流体的扰动减小了，新的图象才能建立好。 相关知识 ――散射体（镀银玻璃小球）几个小时后就会沉积。因此要摇晃液体使其回到溶解状态。 ――背景的亮度应尽可能的降低，频谱中的信号峰才更容易看到。
Hale Waihona Puke GND） 。 ――实验调试 按下红色的<New measuring>， 进入参数的设置， 对扫描频率、 触发条件和电平设置如下： 电压范围 U/V
10V ；频率范围 f/kHz
22.05。
当按照图右设置参数后，信号和频谱都可以显示出来。在校正阶段， 建议选择“Measurement continuous”模式，在该过程中不要按<save> 或<close>键。 进行光电探测器 D 的细调。 调整 D 的位于透镜 L2 焦点处的输入窗口，使展现出的时间 信号 F(t)的电压变化幅值达到最大（上部的图象） 。可以看到脉冲，即一个高频波动的出现。 将装满的玻瓶移高，空瓶放低。开始时，其中一个 软管夹仍保持夹紧，这样稍微松开时，才能以较低的速 度流过短管， 流得慢时， 流速会较稳定， 图象容易捕捉， 建议流完一瓶的时间超过 20 分钟。短管中存在的对光 线的散射（流动的散射微粒通过容器时有闪烁现象） ， 使得流动可以观察到。在这个过程中，液体的下降是非 常缓慢的，因此测量时间可以有几分钟。此时观察频谱 G(f) （图的下半部） ，在背景噪声中会出现一个待测的信号峰（参看图 7 ） 。现在建议关闭 “measurement continuously”模式。敲击 measure 键启动一个新的测量，直到得到一个如图 7 所使得“好的”测量信 一旦得到一个好的信号，立即按<save>键。使用测量（survey）功能，可直接得到信号峰 的平均（or 中间）频率（显示在信号的下方） 。计算流体速度。