LDV标定装置校准盘动态半径不确定度测量方法

    1　引　言

    激光多普勒测速仪(LDV———Laser DopplerVelocimeter)对流速的测量通过多普勒频率测得[1,2],即:

式中u_o为被测速度,f_D为多普勒频率,S为LDV在测量体积中的干涉条纹间隔,λ为激光波长,φ为激光束的夹角。显然,当LDV的光学系统结构和激光器的波长决定后,被测速度uo与多普勒频率f_D成正比。在LDV的研制和生产中,需要进行仪器常数———干涉条纹间隔S的标定,其标定直接关系LDV的仪器精度。虽然S由激光波长λ和夹角φ确定,但在实际应用中由于精确测量小夹角的装置复杂性,一般是由已知流速uo时测量LDV的fD,再求得仪器常数S。LDV的标定装置应能产生稳定的流速。

    2　LDV标定装置

    校准盘式标定装置的工作原理由于LDV是基于运动粒子散射光的多普勒频移进行测量的,所以标定装置要提供具有确定速度的运动粒子,满足LDV的测量条件。为克服流体中粒子的跟随性和随机波动性因素,通常以固体校准盘作LDV标定。校准盘为一转速可控的旋转盘,附着在旋转盘表面的粒子能符合LDV的测量要求。选取校准盘上的散射粒子可有不同方式,德国联邦物理技术研究院(PTB)设计的LDV标定装置是取校准盘周边柱面上的散射粒子进行测量的,其散射粒子与LDV测量体积的位置关系如图1所示。

    为取得良好的粒子光散射性,校准盘用透明玻璃制作。校准盘通过步进电机驱动。若校准盘的旋转角频率为ω,校准盘半径为r,则附着在校准盘柱面上的粒子以线速度ut=r·ω作切线运动。通过调节LDV与校准盘的相对位置,让LDV的两束相干激光束交叉聚焦在校准盘的柱面上,并在此柱面上形成椭圆形的测量体积,测量体积中的明暗干涉条纹与光轴平行。当校准盘柱面上的粒子作切线运动时,运动粒子的光散射信号可由LDV的光电检测器测得,它反映了散射粒子的运动速度。由于校准盘的转速可控,所以速度值ut已知,再根据测得的多普勒频率fD,即可确定LDV的干涉条纹间隔S。

    2.2　校准盘式标定装置的系统组成

    根据LDV测量理论,当LDV测量体积中存在多个散射粒子将产生多普勒频率模糊。由于校准盘柱面上的散射粒子是随机分布的,因而,LDV标定装置要能够选取校准盘柱面上的不同散射粒子,在测量体积中为单一散射粒子时进行标定。单一粒子的选取可通过门控信号与LDV信号采集时的触发方式相互配合来实现,所选中的被测粒子在校准盘上的相对位置由门控信号脉冲与校准盘转角检测器的光栅脉冲的相位差确定。因此,LDV标定装置的系统构成大体有3部分,即:校准盘的驱动与控制;单一散射粒子的选取电路;LDV的位移与信号采集处理等。图2为LDV标定装置的系统框图。