光電測(cè)速技術(shù)市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

11.9光電測(cè)速技術(shù)

11.9.1激光多普勒(Doppler)測(cè)速技術(shù)

1842年奧地利科學(xué)家Doppler等人首次發(fā)覺(jué)，以任何形式傳輸波，因?yàn)椴ㄔ?、接收器、傳輸介質(zhì)或散射體運(yùn)動(dòng)會(huì)使波頻率發(fā)生改變，即所謂多普勒頻率移動(dòng)。1964年，Yeh和Cummins首次觀察到水流中粒子散射光有頻率移動(dòng)，證實(shí)能夠用激光多普勒頻移技術(shù)確定粒子流動(dòng)速度。隨即有些人又用該技術(shù)測(cè)量氣體流速。當(dāng)前，激光多普勒頻移技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用到流體力學(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)中速度測(cè)量。⒈多普勒測(cè)速原理激光多普勒測(cè)速技術(shù)(LDV)工作原理是基于運(yùn)動(dòng)物體散射光線多普勒效應(yīng)。光電測(cè)速技術(shù)第1頁(yè)⑴多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)能夠由波源和接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，也能夠由波傳輸通道中物體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，LDV通常利用后一個(gè)情況。多普勒效應(yīng)能夠經(jīng)過(guò)圖10-54所表示觀察者P相對(duì)波源S運(yùn)動(dòng)來(lái)解釋。假設(shè)波源S靜止，觀察者以速度v移動(dòng)，波速為c，波長(zhǎng)為λ。假如和λ相比，P離開(kāi)S足夠遠(yuǎn)，可把P處波看成是平面波。設(shè)單位時(shí)間P朝S方向移動(dòng)距離為vcosθ，θ是速度矢量和波運(yùn)動(dòng)方向夾角。比單位時(shí)間P點(diǎn)靜止時(shí)多接收vcosθ/λ個(gè)波，移動(dòng)觀察者所感受到頻率將增加光電測(cè)速技術(shù)第2頁(yè)⑵激光多普勒測(cè)速公式(10-47)因?yàn)閏=fλ，f是S波源發(fā)射頻率(即觀察者靜止時(shí)感受到頻率)，則頻率相對(duì)改變可寫(xiě)為

(10-48)式(10-48)為基本多普勒頻移方程。

分析式(10-48)可知，假如已知運(yùn)動(dòng)方向θ、波速c，和波長(zhǎng)λ，若測(cè)量出觀察者感受到頻率增加Δf，便可求出觀察者運(yùn)動(dòng)速度v。下面依據(jù)多普勒效應(yīng)來(lái)研究微粒運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量技術(shù)。其測(cè)速原理如圖10-55所表示，假定L為固定激光光源，其頻率為f，

光電測(cè)速技術(shù)第3頁(yè)波長(zhǎng)為λ，D為接收器。L發(fā)出光束照射在運(yùn)動(dòng)速度為v微粒P上，U和K分別代表接收方向和入射方向單位矢量。當(dāng)微粒P靜止時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)微粒波前數(shù)即為光波頻率f，f=c/λ。設(shè)微粒P以速度v運(yùn)動(dòng)，則單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過(guò)微粒波前數(shù)

(10-49)同理，固定觀察者沿接收方向U觀察時(shí)，每單位時(shí)間到達(dá)D波前數(shù)為

(10-50)展現(xiàn)在微粒P上波長(zhǎng)λP和頻率fP之間關(guān)系為由

(10-51)光電測(cè)速技術(shù)第4頁(yè)因?yàn)関<<c，式(10-51)中最終一項(xiàng)能夠略去，則式(10-51)變?yōu)?/p>

(10-52)則多普勒頻移

式(10-53)表明，多普勒頻移Δf在數(shù)值上等于散射微粒速度在(U—K)方向投影與入射光波長(zhǎng)又之比。假如接收散射光和光源入射光之間夾角為θ，則式(10-53)能夠?qū)憺?/p>

或

(10-53)(10-54)光電測(cè)速技術(shù)第5頁(yè)⒉激光多普勒測(cè)速儀組成式中，v是速度矢量V在y軸上分量。因?yàn)棣群挺硕际且阎?，故Δf和v呈嚴(yán)格線性關(guān)系，只要測(cè)出Δf，便可知道微粒P運(yùn)動(dòng)速度v。式(10-54)為多普勒測(cè)速公式。在實(shí)際測(cè)量中，多采取光外差多普勒測(cè)速技術(shù)，即將入射光和散射光同時(shí)送到光接收器上，由光電器件按平方律檢波，使輸出電流中只包含兩束光差頻部分，這么，可接收到因?yàn)榱Ｗ舆\(yùn)動(dòng)速度而引發(fā)光頻微小改變。

圖10-56所表示為經(jīng)典激光多普勒測(cè)速儀原理圖。⑴激光器多普勒頻移相對(duì)光源波動(dòng)頻率來(lái)說(shuō)改變很小，所以，必須用頻帶窄及能量集中激光作光源。為便于連續(xù)工作，通常使用氣體激光器，如He-Ne激光器或氬離子激光器。光電測(cè)速技術(shù)第6頁(yè)⑵光學(xué)系統(tǒng)

He-Ne激光器功率較小，適合用于流速較低或者被測(cè)粒子較大情況；氬離子激光器功率較大，信號(hào)較強(qiáng)，用得最廣。

如圖10-56所表示，光學(xué)系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成，發(fā)射部分由分束器F及反射器S把光線分成強(qiáng)度相等兩束平行光，然后經(jīng)過(guò)會(huì)聚透鏡L1聚焦到待測(cè)粒子P上，接收部分由接收透鏡L2將散射光束搜集到光電接收器PM上。為防止直接入射光及外界雜散光也進(jìn)入接收器，在對(duì)應(yīng)位置上設(shè)置擋光器R及小孔光闌D。光電測(cè)速技術(shù)第7頁(yè)雙散射型光路多普勒頻移表示式為式(10-53)，該式中不出現(xiàn)散射光方向角，表明散射光頻差與光電探測(cè)器方向無(wú)關(guān)。所以，使用時(shí)不受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，可在任意方向測(cè)量，且能夠使用大口徑接收透鏡，粒子散射光能量極大地得到利用，信噪比高。進(jìn)入光電探測(cè)器散射光來(lái)自兩束含有一樣強(qiáng)度光線交點(diǎn)，它對(duì)全部尺寸散射微粒都發(fā)生高效率拍頻作用，防止了信號(hào)“脫落”現(xiàn)象。調(diào)整時(shí)也只需依據(jù)兩束光交點(diǎn)處干涉條紋清楚度進(jìn)行調(diào)整，使用很方便。如圖10-57所表示，在儀器設(shè)計(jì)時(shí)，為使結(jié)構(gòu)緊湊常使光源和接收器放置在同一側(cè)，并將這種光路稱為后向散射光路。

光電測(cè)速技術(shù)第8頁(yè)⑶

信號(hào)處理系統(tǒng)

激光多普勒信號(hào)是非常復(fù)雜。因?yàn)榱魉倨鸱?，引發(fā)頻率起伏改變，是個(gè)變頻信號(hào)。又因?yàn)榱Ｗ映叽缂皾舛炔灰粯?，使散射光?qiáng)發(fā)生改變，頻移幅值也按一定規(guī)律改變。粒子離散，每個(gè)粒子經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)又是隨機(jī)。故波形斷續(xù)，且隨機(jī)改變。

信號(hào)處理系統(tǒng)任務(wù)是從這些復(fù)雜信號(hào)中提取反應(yīng)流速真實(shí)信息，傳統(tǒng)測(cè)頻儀極難滿足要求?，F(xiàn)在已經(jīng)有各種多普勒信號(hào)處理方法，如頻譜分析法、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)法及掃描干涉法等。下面介紹最廣泛使用頻率跟蹤法及近幾年發(fā)展較快頻率計(jì)數(shù)方法。

①

頻率跟蹤法

光電測(cè)速技術(shù)第9頁(yè)頻率跟蹤法能使信號(hào)在很寬頻帶范圍內(nèi)(2.25kHz~15MHz)得到均勻放大，并能實(shí)現(xiàn)窄帶濾波，從而提升了信噪比。它輸出頻率量可直接用頻率計(jì)顯示平均流速。輸出模擬電壓與流速速度成正比，能夠給出瞬時(shí)流速以及流速隨時(shí)間改變，配合均方根電壓表可測(cè)量湍流速度。

如圖10-58所表示為頻率跟蹤器電路方框圖。光電測(cè)速技術(shù)第10頁(yè)②

頻率計(jì)數(shù)法

頻率計(jì)數(shù)法信號(hào)處理原理如圖10-59所表示。

頻率計(jì)數(shù)測(cè)頻儀是計(jì)時(shí)裝置，用測(cè)量已知條紋數(shù)所對(duì)應(yīng)時(shí)間來(lái)測(cè)量頻率裝置。流體速度v由下式計(jì)算：

式中，d為條紋間隔，n為人為設(shè)定穿越條紋數(shù)，Δt為穿越n條條紋所用時(shí)間。

光電測(cè)速技術(shù)第11頁(yè)⒊

激光多普勒測(cè)速技術(shù)應(yīng)用

激光多普勒測(cè)速儀(LDV)含有非接觸測(cè)量、不干擾測(cè)量對(duì)象、測(cè)量裝置可遠(yuǎn)離被測(cè)物體等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、燃燒學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

⑴血液流速測(cè)量LDV具有極高空間分辨力，再配置一臺(tái)顯微鏡可用以觀察毛細(xì)血管內(nèi)血液流動(dòng)。圖10-60所示為激光多普勒顯微鏡光路圖，將多普勒測(cè)速儀與顯微鏡組合起來(lái)，顯微鏡用視場(chǎng)照明光源照明觀察對(duì)象，用以捕捉目標(biāo)。測(cè)速儀經(jīng)分光棱鏡將雙散射信號(hào)投向光電接收器，被測(cè)點(diǎn)可認(rèn)為60μm粒子。光電測(cè)速技術(shù)第12頁(yè)因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象為生物體，光束不易直接進(jìn)入生物體內(nèi)部，且要求測(cè)量探頭尺寸小。光纖測(cè)量?jī)x探頭體積小，便于調(diào)整測(cè)量位置，能夠深入到難以測(cè)量角落；而且抗干擾能力強(qiáng)，密封型光纖探頭可直接放入液體中使用。

圖10-61所表示為光纖多普勒測(cè)速儀原理圖，采取后向散射參考光束型光路，參考光路由光纖端面反射產(chǎn)生。為消除透鏡反光影響，利用安置在與入射激光偏振方向正交檢偏器接收血液質(zhì)點(diǎn)P射散光和參考光。

光電測(cè)速技術(shù)第13頁(yè)⑵

管道內(nèi)水流測(cè)量

圖10-62所示為測(cè)量圓管或矩形管內(nèi)水流速度分布多普勒測(cè)量系統(tǒng)原理圖，采取最經(jīng)典雙散射型測(cè)量光路。光電測(cè)速技術(shù)第14頁(yè)⒋

多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)

LDV為對(duì)流場(chǎng)中某一固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量方法。如要做全場(chǎng)測(cè)量，還需逐點(diǎn)掃描，故只限于改變較小流動(dòng)，不能用于非定量流。近年來(lái)在此基礎(chǔ)上新發(fā)展了一個(gè)多普勒全場(chǎng)測(cè)速技術(shù)(DGV)，可對(duì)流體做全場(chǎng)測(cè)量，對(duì)粒子選擇、播發(fā)沒(méi)有嚴(yán)格要求，尤其適合于氣流測(cè)量。

⑴測(cè)量原理DGV基本原理是利用了一些物質(zhì)選擇吸收特征，把多普勒頻移轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)視頻相機(jī)拍攝后進(jìn)行處理，取得全場(chǎng)速度信息，從而實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)、實(shí)時(shí)及三維測(cè)量。

圖10-63所表示為一些原子或分子蒸氣吸收曲線圖，fa為吸收頻率，在該處吸收最大，兩邊吸收逐步降低，即吸收大小隨入射光頻率改變而改變。

光電測(cè)速技術(shù)第15頁(yè)(10-56)DGV可用于三維速度測(cè)量，使用三個(gè)放于不一樣位置統(tǒng)計(jì)裝置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)于光屏面上任意一點(diǎn)P，處于不一樣方向統(tǒng)計(jì)裝置各自接收到與該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)多普勒頻移fD1、fD2和fD3，由式(11-54)可知

式中，U1、U2、U3分別表示三個(gè)不一樣接收方向矢量。

光電測(cè)速技術(shù)第16頁(yè)激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)形成光屏，照明流場(chǎng)中一個(gè)待測(cè)截面。流場(chǎng)按通常激光多普勒技術(shù)那樣施以微小示蹤粒子，散射多普勒頻移光線被置于前方統(tǒng)計(jì)裝置方便接收和轉(zhuǎn)換。統(tǒng)計(jì)裝置如圖10-64所表示，它主要包含變焦鏡頭、CCD攝像機(jī)及位于攝像機(jī)前端一個(gè)充以碘蒸氣鑒頻器。

⑵

測(cè)量裝置

光電測(cè)速技術(shù)第17頁(yè)(10-58)設(shè)變焦鏡頭像平面上某點(diǎn)P′光強(qiáng)為I′，光線頻率為f，經(jīng)分光鏡分為兩路，光強(qiáng)分別為Is′及IR′。其中Is′經(jīng)鑒頻器后光強(qiáng)變?yōu)?，為信?hào)光強(qiáng)。IR′經(jīng)一塊中性濾光片濾波后光強(qiáng)變?yōu)?，作為參考光?qiáng)。T(f)及TF分別為鑒頻器及濾光片透過(guò)率。中性濾光片用來(lái)平衡兩路光光強(qiáng)。CCD攝像機(jī)輸出信號(hào)電壓為

(10-57)

式中，α是CCD攝像機(jī)光強(qiáng)-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。則可知，參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)相除比較后信號(hào)與散射光強(qiáng)弱無(wú)關(guān)，僅與其頻率相關(guān)。

光電測(cè)速技術(shù)第18頁(yè)若鑒頻器吸收特征曲線線性區(qū)斜率為K，激光輸出頻率為fs，fD為多普勒頻移，則鑒頻器透過(guò)率可表示為

于是有