基于激光多普勒的水流速测量

1前言

    随着科技的发展，需要对一些物理量的测量越来越精确，因此出现了很多新的测量方法，激光多普勒测速仪就是其中-种。激光多普勒测速是利用多普勒效应，将速度的变化转换为频率的变化。当光照射到运动的物体上时，散射光和原光源之间产生频率差，其差值大小与反光物体的速度成正比。随着研究的深入，这种方法也越来来越完善，得到了广泛的应用。现在己广泛应用于航空航天、机械、能源、石油、动力、水利等众多领域。它的延伸测试技术，激光粒度仪也己得到了广泛的应用。随着激光、光学、电子等技术的发展，激光测试技术必将更加普及。

2测量原理

双光路-双散射模式测速仪是利用同一激光作为光源，发出的光束经过分光镜分为两束，其中一束经平面镜反射，使两束光平行且间距在2cm 左右，然后经凸透镜汇聚相交一点，被测量水流通过玻璃管流过交点，光束后经过一凸透镜汇聚，光电接收器接收水中示踪粒子散射的光，经过后续电路处理，测出频移即可根据公式算出水流速。为得到更准确的测量结果，一般在水中添加一些示踪粒子。其粒子直径不宜太大，大了和水流的跟随性不理想，也不易太小，小了对光的散射不强，信号就很弱。根据理论计算可选用直径10μm 粒子。

2.1光路设计

其光路图如图 1。

利用这种模式用两束不同方向的入射光在同一方向上的三散光汇聚到光检测器中进行外差而获得多普勒频移。在这种模式中多普勒频移只决定于两束光的入射方向，而与散射方向无关。这是双光束-双散射模式的重要特点，因此光接收器可以放在任意位置，而且可以采用大的手机立体角以提高散射功率。入射光系统可以制成集成化光学单元，大大提高光学系统的稳定性和以调节性。目前双光束-双散射模式在已经实用的测量仪中被广泛应用。

2.2条文模型分析

在双光束-双散射光路中，相交区域中由于干涉存在着一组明暗相交的条纹，因此可以利用“条文模型”来进行理论分析。虽然对于多普勒的某些特性（如信噪比、可见度等）的分析并不完全符合实际，但是该方法简明，易于理解，能够推导出频移公式。

设两束光的夹角为2α，激光的波长为λ，则条纹间距为 ：

当示踪粒子以速度U 穿过交点的干涉条纹区时，就会向四周散射出光信号，它的光强变化频率 为：

Uy为光束平面内垂直于交角平分线方向的速度。这个公式与用多普勒原理推得的公式相同。