流體多普勒測速實驗

1、4)激光多普勒測量流體速度一、光學多普勒效應當觀察者與被觀察對象有相對移動時，觀察者接收到的光會發(fā)生頻移，稱為Doppler頻移。在圖1中，當光源S和接收器R都靜止，物體運動時。R接收來自運動物體表面漫反射光源的光，經(jīng)歷了兩次Doppler變換，即靜止的光源到運動的觀察者，運動的光源到靜止的觀察者。R圖1物體運動時的Doppler效應光從S到物體經(jīng)歷第一次Doppler頻移為:1)從物體表面漫反射光到達接收者R的頻移為:2)vf一k)71-二！Jc丿3)總頻移為:f1-Jc丿甘=f一f=J;丿-fi-v!c當物體的運動速度VVVC時，上式可簡化為:紂=也二、Doppler頻移的測量方法可見光波

2、段，如果物體運動速度10m/s時，這時的Doppler頻移為107Hz，而可見光頻率為1015Hz量級，無法直接測量Doppler頻移。所以采用光學差頻（降頻）技術來間接測量Doppler頻移。在圖2中，兩束激光夾角為a同時照射被測對象，在另一個方向上觀探測射光。兩散射光在探測器所產(chǎn)生拍頻信號的頻率等于激光Doppler頻移之差。9激光束a0v去檢測器圖2雙光束照射假設圖2中的兩光交匯處有顆粒，顆粒的速度V，9和9顆粒分別與兩束入射光之間的夾角，92是顆粒速度與觀測方向的夾角，探測器探測兩束入射光的散射光的Doppler頻移的差值，即探測器所探測到的頻率為：Af=AvZ=(cos9-cos9，

3、)c115）2vasincos九2式中，Av，Av分別對應兩束入射光的散射光的Doppler頻移；a=9-耳，是兩束照射光之間的夾角；吐2（91+91-兀），是運動方向和光束夾角平分線的法線之間的夾角。三、激光Doppler測速實驗裝置及操作圖3激光Doppler測速實驗系統(tǒng)二”光電二極管PC信號顯示放大和濾波圖4激光Doppler測速實驗裝置光路圖本實驗利用液體中的雜質(zhì)顆粒，采用多普勒測量雜質(zhì)顆粒速度確定液體的流速。實驗用的激光器為波長632.8nm的He-Ne,激光器功率為5mW,1:1分束鏡，匯聚透鏡焦距100mm，收集光透鏡焦距50mm，硅光電極管探測器。光學部件按如下方式安裝：(1)

4、兩導軌成L形式擺放，短導軌上放激光器和分束器。其它器件在長導軌上。(2)調(diào)整光具座使是各個元件互相平行。打開He-Ne激光器，調(diào)整激光束與導軌平行。調(diào)節(jié)分光器，形成平行于長導軌的兩束光，且兩束光間距約1.6厘米。激光通過小孔光闌濾掉雜光，兩小孔相隔1cm。調(diào)整匯聚透鏡的高低，使光恰好通過匯聚透鏡中心。應將兩路光在待測量處聚焦，使激光在該處產(chǎn)生干涉條紋，利用透鏡將像呈在遠處。調(diào)整分光器半反鏡的角度，使兩個光斑在遠處重合到一起，在遠處可以觀察到干涉條紋。圖5兩束光交匯處的光分布圖6干涉條紋截面將可變光闌放置在距待測量處約5厘米左右并充分打開，讓這兩個光束通過待測量區(qū)域后恰好被光闌遮住，將收集光路靠

5、近光闌，散射光聚焦到硅光電二極管。前后移動硅光電二極管，并使散射光點位于其接收鏡頭的焦點上。使光電二極管能接收到最多的Doppler信號。此時光路調(diào)整完畢。將硅光電二極管接到放大器，用示波器觀察并記錄信號。四、激光Doppler測速實驗結果被測液體采用蒸餾水摻入微量散射粒子（本實驗要求粒子數(shù)體密度不能過高）。將約12微克散射粒子放入500ml的蒸餾水中，并混合，倒入到分液漏斗中，打開分液漏斗閥門并打開軟管的夾子，使管中完全充滿水。此時需確認，兩束激光交叉點恰好在充滿水的管中心。在實驗中He-Ne激光器發(fā)出的光由分光系統(tǒng)分成兩束相互平行的光，由透鏡聚焦在透明玻璃管中，控制漏斗流量使水緩慢在玻璃管中流動，水中微粒會產(chǎn)生散射，散射光頻率發(fā)生了Doppler頻移，光電探測器放在收集光路的焦點處，接收散射光，并通過光電探測器的光平方律效應，獲取Doppler頻率，再送入放大電路和濾波電路等進行處理。圖7雙光束的多普勒頻移光拍頻信號波形從波形中可以清楚的得到有一個f=2kHz的頻移，即為兩光的Doppler頻移差。由水的折射率與真空折射率差別，激光的速度、角度和波長都發(fā)生明顯變化，在本實驗中部分因素相互抵消，最終的總影響不顯著。本次實驗兩條光相距10mm，匯聚透鏡f=100mm，得出=2arctan0.05，流