激光多普勒测速实验系统

　　1　引　言

　　多普勒效应是19世纪德国物理学家多普勒(Doppler)发现的声学效应。在声源和接收器之间存在相对运动时,接收器收到的声音频率不等于声源发出的声音频率,称这一频率差为多普勒频差或频移[1]。1905年,爱因斯坦在狭义相对论中指出,光波也具有类似的多普勒效应。只要物体产生散射光,就可利用多普勒效应测量其运动速度。所谓光学多普勒效应就是:当光源与光接收器之间存在相对运动时,发射光波与接收光波之间会产生频率偏移,其大小与光源和光接收器之间的相对速度有关。本文介绍的激光多普勒技术即利用光学多普勒效应对流体速度进行测量的测速技术,由于是对光信号进行测量,是一种无接触测量,所以对待测系统无干扰而且可用于高温、强腐蚀流体、有毒气体等的流速测量,同时具有动态响应快、空间分辨率高、测量范围大等优点[2]。

　　2　测量原理

　　利用多普勒效应测量流速,在流体中加入随流体一起运动的微粒(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入射光的接收器,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,因此激光束被分为强度相同的两束光。系统原理框图如图1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激光多普勒流速仪( laser Doppler anemometry,LDA)的原理,并计算出流体流速[3]。

　　(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:

　　在LDA中,激光器是静止光源,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。

　　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,如图1所示)在这样的布局下,一束激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 controlvolume)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l→向量,相同的k→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,并且和激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[4]。