建筑环境测量第9章

3
8.1激光多普勒测速技术
LDV已经应用或正在应用于某些流体力学的研 究中，如火焰、燃烧混合物中流速的测量、旋 转机械中的流速测量等。
LDV还具有动态响应快、测量精度高、仅对速 度敏感而与流体种类及其它性质（如温度、压 力、密度、黏度等）无关等特点 。
激光多普勒测速技术也有其局限性。
它对流动介质有一定的光学要求，要求激光能照 进、穿透流体；
常采用的频移装置是声光器件（braggcell）， 它的频移量一般在40MHz以上。在预置了固定 的频移量后，即使微粒速度为零，光检测器仍 有频率为固定频移量的交流信号输出。
当微粒正向穿过测量体时，光检测器输出频率 低于固定频移量；
当微粒反向穿过测量体时，光检测器输出频率 高于固定频移量。适当选择固定频移量，就不 会有速度波形失真的问题。
第9章
建筑环境测量新技术与 新设备
1
主要内容
激光多普勒测速技术 粒子图像速度场仪（PIV）测试技术 粒子动态分析仪(PDA)简介 流动显示技术简介 红外热像仪测温技术 全息摄影术的基本原理 脉冲中子活化技术PNA 建筑热工温度与热流巡回检测仪检测技术
2
9.1激光多普勒测速技术
5
激光多普勒测速技术依靠运动微粒散射光和入 射光的频移来获得速度信息，因此，存在着静 止激光光源和运动离子的传播关系。
如果某一运动粒子P穿过一束入射激光，当其速
度垂直于光的传播方向时，运动粒子所接受的
激光频率与入射激光本身的频率相等。若速度
在光的传播方向的投影与光速同向时，粒子所
接受的频率就偏低，反之则偏高。根据相对论，
13
入射光系统
入射光系统包括光束分离器和发射透镜。双光束 系统要求把同一束激光按等强度分成两束，这项 工作由光束分离器来完成。
为了进行多维速度测量，要求光束分离器将激光 束按一定要求分成多束相互平行的光束。
发射透镜将来自光束分离器的平行光通过聚焦透 镜会聚到测量点。在双光束双散射工作模式下， 两束光的相交区域近似一个椭球体，其体积决定 了测速仪的灵敏度和空间分辨率。
信号质量受散射离子影响,要求离子能完全跟随流 体介质流动,这使得它的使用范围受到一定限制。
4
一、激光多普勒测速基本原理
光学多普勒效应：当光源与接收器之间存在 相对运动时，发射光波与接收光波之间会产 生频率偏移，其大小与光源和光接收器之间 的相对速度有关。
当激光照射到跟随流体一起运动的微粒上时， 激光被运动着的微粒散射。散射光的频率和 入射光的频率相比较，有正比于流体速度的 频率偏移。测量这个频率偏移，就可以测得 流体速度。
激光器按发光方式可分为连续激光器和脉 冲激光器。激光多普勒测速仪常采用连续 气体激光器，如氮—氖激光器和氩离子激 光器。
12
激光光源
氮—氖激光器发出的是红光 （λ=632.8nm），其发出的激光功率是几 毫瓦到几十毫瓦；氩离子激光器发出的是 混合光激光束，使用时须分光，分光后能 分别得到绿光（λ=514.5nm）、蓝光 （λ=488.0nm）和紫光（λ=476.5nm）三 种光束。其发出的激光功率是瓦数量级。 由微粒发出的散射光，其强度随入射光波 长而增强。所以，使用波长较短的激光器 有利于得到较强的散射光，便于检测。
激光技术是20世纪60年代初发展起来的一门 新技术。
1964年诞生了激光多普勒测速仪（Laster Doppler Velocimeter，简称LDV）。
50余年来，激光多普勒测速技术得到了迅速 发展，被广泛应用于生产、科研各领域，已成 为一种很重要的测速手段。
激光多普勒测速是一种非接触测量技术，不干 扰流场，具有一切非接触测量所具有的优点。 尤其是对小尺寸流道流量测量、困难环境条件 下（如低温、低速、高温、高速等）的流速测 量，更加显示出它的重要价值。
10
二、激光多普勒测速系统
激光多普勒测速系统组成
激光光源 入射光系统 接收光系统 信号处理器
激光多普勒测速仪典型光路
11
激光光源
根据多普勒效应测速，要求入射光的波长 稳定且已知。激光具有很好的单色性，波 长精确、稳定；而且还具有很好的方向性， 可以集中在很窄范围内向特定方向传播， 容易在微小的区域上聚焦而产生较强的光， 便于检测。因此，采用激光器作为光源是 很理想的。
运动微粒P接受的光波频率fp与光源频率f0之间
的关系为：
fp



f
0
1

vsin 2来自 c


6
入射光源频率f0与微粒接受的光波频率fp之差为
vsin
f f0 f p f0
2 c
对于一对交角为θ的相交激光，运动微粒对两
束光的接受频率分别为f1 = fp -△f ， f2 = fp -△f 。微粒散射光中包含这两种频率，两者之
14
接收光系统
接收光系统包括接收透镜和光检测器。 接收透镜的作用是收集流体中示踪微粒通
过测量体时发出的散射光，即由透镜将收 集的散射光会聚到光检测器。 光检测器的作用是将接收到的光信号转换 成电信号，即得到多普勒频移的光电信号。 光检测器的种类很多，有光电倍增管、光 电管和光电二极管等。由于光电倍增管在 低功率光的照射下有较好的信噪比，所以， 光电倍增管是激光测速仪中常用的光电检 测器。
根据激光多普勒测速原理式，垂直于光束夹 角平分线方向的速度分量ux与多普勒频移成正 比；因为频率是没有方向的量，如果ux大小相 等，方向相反，则测得的多普勒频移是相等 的。
仅根据频移只能求出速度分量数值的大小， 而无法判别速度的方向，即用多普勒频移测 速存在一个方向模糊问题。
9
要判别流速的方向，通常是在激光束的入射光 学单元中加装频移装置。即使入射到散射体的 两束光之间的一束光的频率增加，这样散射体 中的干涉条纹就不再是静止不动的了，而是一 组运动的条纹系统。
差所产生的多普勒频移为：
vsin vsin
fD f2 f1 2 f0
2 2 2
c
0
激光多普勒测速原理式
7
激光多普勒测速的双散射系统
8
用散射光接收系统接收粒子的散射光，测出 此频移就可算出微粒的速度v。若粒子的速度 等于流体的运动速度，则就是速度。