利用激光多普勒效应测量流体速度 measurement liquid speed with laser doppler effect.pdfVIP

剩厕凝巍参鬻勒豢庭猁量瀛镶遣魔 ■蔡红星1，肖亚飞2一，田琳琳1，谭勇1，李昌立1 要：本文利用激光多普勒效应，设计了基于光纤结构流体速度测量装置， 文中利用光纤激光器作为光源，采用光纤代替传统的光路，采用光纤 分束器实现分光，采用制冷的雪崩光电二极管(APD)为探测器，来建 成一个基本全光纤化的多普勒测速系统。 关键词：流速测量；多普勒效应；光纤激光器 段．它的主要优点是空间分辨率高和光束不扰动流 1 孳I寓 动．属于一种无干扰流场测量技术。这种流场测试 技术综合了光学、激光、光电检测和信号处理以及 从60年代激光出现以后，人们就开始考虑如 试验流体力学等学科的综合知识[3】。目前，LDA技术 何利用激光的单色性好和定向性好的特点来完成 已广泛地应用于测量以前用传统测试方法不能得 到流场速度分布，主要应用有以下几方面：(1)在空 非接触的速度测量问题。1964年杨(YEN)和古明斯 (Cumnis)首先利用激光的多普勒频移测定了水管气动力学方面，LDA已经成功地用于研究风洞里 中层流的分布，从而为激光多普勒技术的发展揭开 的速度分布；(2)湍流的研究，激光多普勒技术的空 了序幕[川。它的主要优点是空间分辨率高和光束不 间分辨率高，并且具有跟踪快速变化速度的能力， 扰动流体，属于一种无干扰流场测量技术。 使它成为研究湍流的重要手段；(3)燃烧的研究，在 多普勒效应是指产生波的振源和接收波的探 恶劣的环境中，不需要插入探头，就可用激光多普 测器处于相对运动状态下出现的探测器接收到的 勒技术进行测量，这是它独自具有的能力，因此它 信号频率与振源的频率存在差值的现象。激光多普 是研究燃烧过程中火焰速度分布的唯一实用技术； 勒法测速是利用光学多普勒效应通过检测流体中 (4)生物学显微测量，LDA技术可用于研究生物系 跟随流体一起运动的微小颗粒的散射光对流体速 统狭窄流道内的流动分布，把LDA和显微镜结合， 度进行测量的测速技术[2]。 对于生物学显微测量来说是一项很方便实用的测 传统的测量方法，如热线热膜流速计、毕托管、 试技术。 压电探头、机械流速仪、电磁流速计等自发明以来 LDA技术发展趋势为Ⅲ：(1)集成化，即集成光 为流动领域的研究和发展起了极大的促进作用，但 学组合件代替离散的光学元件；(2)光纤化，即用大 是这些测量方法是接触式的，必须把探头插入流 功率光学纤维代替部分光学传送部件，使体积大幅 场。对流场有较大干扰．影响测量的真实性和可靠 度缩小，重量减轻，机动性、灵活性、可靠性提高。 性．并且对于一些特殊的流场如高温烟气、喷燃火 (3)智能化，即排除了人为因素的限制，确保了测量 焰、腐蚀性流体等也不便于进行接触式测量。 的有效性和正确性。同时提高了自动化程度。(4)精 激光多普勒测速技术(LDA)，是用于流体科学确化，即利用现代的数字信号处理技术，改善了系 实验的主要方法之一，对于研究流体力学中基础理 统的信号处理能力，并且在设计思想上有了一系列 论所涉及的重大问题．提供了一个有效的实验手 根本性突破。(5)利用全部光散射模式，即利用了几 屯蚤、巡i基 E哐潲OⅫeTES下 万方数据 何散射理论，又利用了米氏散射理论。(6)测量范围 小，所以光能的收集采用大口径的透镜，将散射光 扩大到亚微米