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课程设计说明书 多普勒红外测速仪的设计 班级： 设计者姓名： 学号： 同组者姓名： 联系电话： 申请成绩： 指导老师： 目录 引言………………………………………………………………………………2 测量原理…………………………………………………………………………2 方案论证…………………………………………………………………………5 结论………………………………………………………………………………6 心得体会…………………………………………………………………………6 参考文献…………………………………………………………………………6 附录………………………………………………………………………………7 引言 多普勒效应 多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为：物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化。具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐索（1819~1896年）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。 　　光（电磁波）的多普勒效应分为以下三种： 　　（1）纵向多普勒效应（即波源的速度与波源与接收器的连线共线） （2）横向多普勒效应（即波源的速度与波源与接收器的连线垂直）（3）普遍多普勒效应（多普勒效应的一般情况）(示踪粒子)。由于微粒对于入射光的散射作用，当它接受到频率为f的入射光照射之后，也会以同样的频率向四周散射。这样，随流体一起运动着的微粒既作为人射光的接收器，接受入射光的照射，又作为散射光的光源，向固定的光接收器发射出散射光波。由于固定的接收器所接收到的微粒散射光频率，将不同于光源发射出的光频率，二者之间同样会产生多普勒频移，并且频移不是矢量，大小相同方向相反的速度所得的频移是一样的，因此红外光束被分为强度相同的两束光。系统原理框图如图l所示。 从图1可以看出，运动粒子P以速度U通过测量区域时，粒子相对于入射光来说是运动的，即光源静止，接收器运动；而相对于光电探测器来说，运动粒子的散射光相对于探测器是运动的，即光源运动，接收器静止。本文就这两种情况的多普勒效应来讨论红外多普勒流速仪的原理，并计算出流体流速。 (a)第一种情况：光源静止，接收器运动。这里接收器的速度用向量U来表示。在接收器处的光频率fR是光源处发射的光频率fS的函数，函数关系由下式给出： (1) 式中，c为空气里的光速。 (b)第二种情况：光源移动，接收器静止。这样，接受到的光频率由下式给出： (2) 在红外多普勒流速仪中，红外发射器是静止光源，在微小的流动的粒子上散射，然后由光电探测器接收。 应用上面的式(1)和式(2)，就可以得出激光束经过运动的粒子散射后由静止的接收器光电池处的光频，如图2所示。 (3) 图2 一个运动粒子的散射光 本测量系统中，采用了双光束的配置(从一个光源来的两个相交光束，通过入射狭缝和凸透镜实现，如图1所示)在这样的布局下，一束红外光束被分成具有相同亮度的两束光束，然后被聚焦在测量控制体积MCV(measuring control volume)内，在MCV内相交。流经这个体积内的粒子会对这两束光都发生散射。这两束光的多普勒频移是不同的(不同的向量，相同的向量)。这个频差，就是通常所说的拍频，在散射光中就测得了。这个拍频在这里称作多普勒频率，已经很低了，并且和红外光源具有一样窄的带宽。这样，用电子的方法来精确地探测和测量这个频率就是可能的了。下面证明多普勒频率和粒子的速度成正比。 两束散射光的频率由下式给出： （4） （5） 两者的差： （6） 用图3所示的关系，以及关系式 (为红外光的波长)，多普勒频率可以用下面的式子表示： （7） 这里，是粒子运动速度在垂直于两束光线交叠区域的角平分线方向上的分量。式(7)表明，粒子的速度可以通过测量流过测量体积MCV的粒子的多普勒频率来测得。 图3 单位向量的差 通过上面的分析，若要得到流体流速，必须确定光束交叠半角，如图4所示，在距离透镜L1 2 m左右的距离放置一个观察屏，测量屏上两个光点之间的距离D，这样，交叠半角由下式得到： （8） 这里，（为透镜L1的焦距）。 这样在实际测量中，便可以通过式(8)确定出交叠半角的值，从而根据式(7)及测得的频移得到所需测量流体的流速。 图4 交