激光多普勒测速(课堂PPT)

热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬 时速度、平均速度、均方根速度和 速度相关量的主要方法。
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无疑，机械探头将继续是实验流体力 学的重要方法。 但接触测量法干扰流场，不可避免地 带有方法本身的误差，具有局限性。 如对回流区的测量，机械探头会扰动 回流图形；对于小尺寸管道中的流动， 机械探头会造成堵塞。 不适合特殊情况下测试（火焰）
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5-9 激光多普勒流速仪测速
1．概述-激光特性与应用
激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比 太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比 氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性） 而著称。因为普通光源向4立体角发散， 而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立 体角单位面积的输出功率就特别大。
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激光在工程中的应用
激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制 造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密 测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于 测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测 角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激 光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激 光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显 示、医疗、受控热核反应等方面。
观察者接收到的频率f为：
f
V V u
f0
波源背着观察者运动时取负号。
，u v=00），
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（4）波源和观察者同时相对于介质运动（ 观察u 者 0接收v 到0 的频率f为：
f
V V
v u
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
f0
电磁波也存在多普勒效应，
， ），
对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为
1 v
f
c 1 v2
f0
c2
观察者背离波源取负号。
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2. 全息干涉测速法
在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用 双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄 相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。 利用再现粒子场的实像图，求出粒子 对间的位移大小和方向，再由 v=s/t求出速度场。
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若流速不快，也可使用功率较大的连 续激光，通过双曝光记录粒子图。 粒子稀少，可用显微镜搜索粒子对， 并确定粒子对间的位移； 粒子很多，可用干版插入再现粒子实 像场中欲测剖面，记录粒子对，通过 逐点扫描或全场分析求出位移场。
激光多普勒测速应用很广: 可用于燃烧 混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化 学反应流动、风洞或循环水洞中流动速 度的测量等。
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激光多普勒测速有其突出的优点： 1>如不需要流动校正； 2>不取决于温度、密度和流体成份，仅
对速度敏感; 3>取出量与速度成线性关系； 4>动态响应快，等等。
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但激光多普勒测速也有其局限性， 例如:
1> 需要示踪粒子; 2> 示踪粒子要与流体一起运动; 3> 对介质和实验通道有光学要求，
要求光能透过流动等。
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5-9-1 激光多普勒测速的原理 1.激光多普勒效应
激光多普勒测速的基本原理： 是依据激光多普勒效应，利用运动粒 子散射光的频移来测量速度. 因为散射光的频移中包含有粒子速度 的信息。
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3. 散斑测速法
对于具有较多粒子的流场，可用频闪 片光照明粒子场的某一剖面， 通过双曝光将两幅粒子场记录在同一 块胶片或干版上， 再利用逐点分析或全场分析求出粒子 对的位移场，最后转换成速度场。
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当流速很快时，可用连续片光照 明，用高速摄影机拍摄一系列粒 子图。 再通过相关运算求出位移场，进 而求出各粒子场的速度。 散斑法只能记录一个平面内的粒 子场速度信息。
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激光在热物理测量方面应用
如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布 （PDA）， 用于传热传质研究，测量燃烧动力及流 场温度，对高能点火中能量释放，研究 点火机理，加力燃烧室流场和温度场， 等离子射流的浓度场、温度场和速度场 等等（LIF）。 激光测速仪（LDV）
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常见的测量速度方法与技术
总压探针与静压探针相结合的皮托 管一直是平均速度的主要测量方法。
（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0）， 观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f= f0
（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动
(u=0，v 0)，观察者接收到的频率为 V v v
观察者背离波源取负号。
f (1 V ) f0
（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（
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当一单色频率为f0的激光, 照射到运 动速度为v的微粒上时，运动微粒接 收到的频率不等于f0，发生了一次多 普勒效应。
若用一个静止的光检测器，接收运动 微粒的散射光，则接收到的频率又经 过了一次多普勒效应。
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• 下图为静止光源O、运动微粒P
和静止光检测器S三者之间相对
关系。
fs
f
p
(1
U
es c
)
fP f0
c
c
2
U (U
e0 e0
)
2
f0
1 U e0/ c
1
U (
e0
)2
c
图8-1 静止光源、运动微粒、 和静止光检测器
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声学中的多普勒现象
当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时， 你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高； 相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛 声变得低沉，即笛声频率变低。 这种因波源和观察者相对于传播介质的 运动而使观察者接收到的波源频率发生 变化的现象叫多普勒效应。
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如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设 波源相对于 介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运 动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速 度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。
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§8.2 激光多普勒测速法(LDV)
60年第一台氦-氖激光器诞生，64年 世界上就出现了激光多普勒测速仪。 20多年来，激光多普勒测速技术有了 很大的发展，这是测量技术上的一个 重大突破。
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多普勒测速是通过检测流体中运动微粒 散射光的多普勒频移来测定速度的。 激光多普勒测速属于非接触测量，激光 作为测量探头不干扰流场。
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对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能 使用小尺寸探头 。
热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流 结构的主要实验工具，但它仅限于低温、 低速、低紊流度、常特性的检测，而且必 须在回流区以外。
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光学速度测试技术具有测量灵敏 度高，不干扰流场等优点，有着 很强的应用前景。
光学测速技术主要有全息干涉法、 散斑照相法、激光多普勒测速法 和激光双焦点测速法等。