激光多普勒测速.ppt

,5-9 激光多普勒流速仪测速 1概述-激光特性与应用激光是完全新颖的光源，它以高亮度（比太阳光亮1010倍）、高纯度（单色性，比氪灯纯上万倍）、高方向性（既相干性）而著称。因为普通光源向4立体角发散，而激光的发散角只有10-6rad，因而单位立体角单位面积的输出功率就特别大。,激光在工程中的应用,激光得到越来越广泛的应用。例如，在工艺制造方面，微孔的加工，激光切割，焊接，精密测长、定位等等。在计量科学方面，激光用于测长基准、激光测速、测距、测扭、测压、测角、测温等。在国防科学方面，激光雷达、激光制导、激光通讯、引爆、致盲、激光炮、激光枪等。在全息摄影、光学信号处理、流场显示、医疗、受控热核反应等方面。,激光在热物理测量方面应用,如激光测燃烧雾化颗粒大小和分布（PDA），用于传热传质研究，测量燃烧动力及流场温度，对高能点火中能量释放，研究点火机理，加力燃烧室流场和温度场，等离子射流的浓度场、温度场和速度场等等（LIF）。激光测速仪（LDV）,常见的测量速度方法与技术,总压探针与静压探针相结合的皮托管一直是平均速度的主要测量方法。热线和热薄膜风速仪是测量流体瞬时速度、平均速度、均方根速度和速度相关量的主要方法。,无疑，机械探头将继续是实验流体力学的重要方法。但接触测量法干扰流场，不可避免地带有方法本身的误差，具有局限性。如对回流区的测量，机械探头会扰动回流图形；对于小尺寸管道中的流动，机械探头会造成堵塞。不适合特殊情况下测试（火焰）,对于恶劣的环境(像燃烧火焰)，常常不能使用小尺寸探头。热线和热薄膜风速仪虽然是定量研究紊流结构的主要实验工具，但它仅限于低温、低速、低紊流度、常特性的检测，而且必须在回流区以外。,光学速度测试技术具有测量灵敏度高，不干扰流场等优点，有着很强的应用前景。光学测速技术主要有全息干涉法、散斑照相法、激光多普勒测速法和激光双焦点测速法等。,2.全息干涉测速法在被测流体中掺粒子示踪剂，通常用双脉冲激光作光源，通过双曝光拍摄相隔t的两幅粒子图于同一块干版上。利用再现粒子场的实像图，求出粒子对间的位移大小和方向，再由v=s/t求出速度场。,若流速不快，也可使用功率较大的连续激光，通过双曝光记录粒子图。粒子稀少，可用显微镜搜索粒子对，并确定粒子对间的位移；粒子很多，可用干版插入再现粒子实像场中欲测剖面，记录粒子对，通过逐点扫描或全场分析求出位移场。,3.散斑测速法对于具有较多粒子的流场，可用频闪片光照明粒子场的某一剖面，通过双曝光将两幅粒子场记录在同一块胶片或干版上，再利用逐点分析或全场分析求出粒子对的位移场，最后转换成速度场。,当流速很快时，可用连续片光照明，用高速摄影机拍摄一系列粒子图。再通过相关运算求出位移场，进而求出各粒子场的速度。散斑法只能记录一个平面内的粒子场速度信息。,8.2 激光多普勒测速法(LDV)60年第一台氦-氖激光器诞生，64年世界上就出现了激光多普勒测速仪。20多年来，激光多普勒测速技术有了很大的发展，这是测量技术上的一个重大突破。,多普勒测速是通过检测流体中运动微粒散射光的多普勒频移来测定速度的。激光多普勒测速属于非接触测量，激光作为测量探头不干扰流场。激光多普勒测速应用很广:可用于燃烧混合物、火焰、旋转机械、窄通道、化学反应流动、风洞或循环水洞中流动速度的测量等。,激光多普勒测速有其突出的优点：1如不需要流动校正；2不取决于温度、密度和流体成份，仅 对速度敏感;3取出量与速度成线性关系；4动态响应快，等等。,但激光多普勒测速也有其局限性，例如:1 需要示踪粒子;2 示踪粒子要与流体一起运动;3 对介质和实验通道有光学要求，要求光能透过流动等。,5-9-1 激光多普勒测速的原理 1.激光多普勒效应激光多普勒测速的基本原理：是依据激光多普勒效应，利用运动粒子散射光的频移来测量速度.因为散射光的频移中包含有粒子速度的信息。,声学中的多普勒现象,当你站在火车站台上鸣笛的火车进站时，你感到笛声变得尖了，即笛声频率变高；相反，火车鸣笛离开站台，你会感到笛声变得低沉，即笛声频率变低。这种因波源和观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波源频率发生变化的现象叫多普勒效应。,如果运动发生在波源和观察者的连线上，假设 波源相对于介质的运动速度为u，波源的波长为，观察者相对介质的运动速度为v，波源原来的频率为f0，波源在介质中的传播速度V，对下述四种情况可分别求得观察者接收到的频率f。,（1）波源和观察者相对于介质是静止的（u=0，v=0），观察者接收到的频率即为波源原有的频率，即f=f0,（2）波源不动，观察者以速度v相对于介质运动(u=0，)，观察者接收到的频率为观察者背离波源取负号。,（3）观察者不动，波源以速度u相对于介质运动（，v=0），观察者接收到的频率f为：波源背着观察者运动时取负号。,（4）波源和观察者同时相对于介质运动（，），观察者接收到的频率f为：,电磁波也存在多普勒效应，,对静止光源来说，运动着的观察者接收到的光波频率为,观察者背离波源取负号。,当一单色频率为f0的激光,照射到运动速度为v的微粒上时，运动微粒接收到的频率不等于f0，发生了一次多普勒效应。若用一个静止的光检测器，接收运动微粒的散射光，则接收到的频率又经过了一次多普勒效应。,下图为静止光源O、运动微粒P和静止光检测器S三者之间相对关系。,图8-1 静止光源、运动微粒、和静止光检测器,根据相对论变换，运动微粒P接收到的光波频率fp近似为:(5-1)式中，为入射光方向的单位向量，c为介质中的光速。,光检测器接收的粒子散射光频率：(5-2)式中，为粒子散射光指向光检测器方向的单位向量。,(5-1)代入(5-2)，忽略高次项，得到：(5-3)光检测器接收的光波频率与入射光波频率之差叫多普勒频差或频移。,多普勒频移用fD表示：(5-4)或者用波长表示为：(5-5)式中，为入射光波长。,可见，如果仅知光源、运动粒子和光检测器三者之间的相对位置，那么只能确定速度 上的投影大小，不能确定速度方向。一种固定的相对位置，不可能确定平面速度的方向，这就是所谓LDV的方向模糊性。,若速度方向已知，如风洞，可将入射光、散射光和速度方向按下图布置：,图5-2 激光多普勒测速的特殊布置,由图可得：代入(8-5)式，多普勒频移表达式化为：(5-6),2.条纹模式前面从激光多普勒效应出发，叙述了激光多普勒测速原理。69年，Rudd提出干涉条纹模式，进一步说明激光多普勒测速的基本原理。,如图5-3所示，两束平行的、相干细光束在透镜后焦点形成相交区，该相交区称为控制体。在控制体中存在着明暗相间的干涉条纹，由几何关系可得条纹间距df为:(5-9),首先考虑两个同频率、同振动方向、初相位为零的单色光波的叠加,光源S1和S2相交在P点，距离分别为r1和r2，振幅为E01和E02，初相位为，两束光电场分别为：,P点的光电场为,其中,其中,如果：,用光强表示则有,上式变成：,其中，,其中，,当相位差为 的偶数倍时，即（m=0,1,2,）时，P点光强达到最大值。,当相位差为 的奇数倍时，即（m=0,1,2,）时，P点光强达到最小值。,当相位介于这两者之间变化时，P点光强在0和4I0之间变化。,这种在迭加区域出现的光强稳定的强弱分布的现象称为光的干涉。在观察时间内，P点平均光强为：,如果在观察时间内，各个时刻到达的两束光波迅速而无规则地变化，多次经理02之间的一切值，则，因而，P点光强为两迭加光强之和，不可能发生干涉现象。,如果在P点两光束波是紧密相关的，例如激光多普勒测速中两束入射光是由同一束激光分束而来，以至在观察时间内，他们的相位固定不变，则，。因此，两迭加光波相位差固定不变是产生干涉的必要条件。此外，还要求两列光波的光程差最大不超过光波的波列长度，这也是两束光相干的条件。,图5-3 控制体的主要光学参数,两束入射光的相交区域叫控制体积，光检测器接收到的散沙光区域叫测量体。控制体是一个椭球体，这是由于两束入射的激光光强按高斯分布的结果。控制体的几何参数决定了LDV的空间分辨率。,很显然，控制体中存在着一组明暗相间的干涉条纹，因为这两束入射光满足干涉条件。,干涉条纹,测量体,发射系统产生测量体测量体中有三维高斯分布光强测量体是椭球形Dimensions/diameters dx,dy and dz are given by the 1/e2 intensity points,F,q,DL,Y,Z,X,TransmittingSystem,MeasurementVolume,IntensityDistribution,0,1/e 2,1,dz,dx,dy,X,Z,Y,Measurement Volume,Length:,J,Width:,Height:,No.of Fringes:,dz,dx,X,Z,df,Fringe Separation:,d,l,q,f,=,2,2,sin,Velocity=distance/time速度=距离/时间,Laser,BraggCell,后散射光,测量控制体,Processor,当粒子以速度 穿过控制中明暗相间的条纹时:在空间就散射着明暗相间的光信号，其闪烁的频率fD为：(5-10),3.外差检测多普勒频移中含有速度信息，检测多普勒频移即可求出粒子运动速度。频移检测方法有两种：直接检测和外差检测。直接检测法：如用扫描Fabray-Perot干涉仪，典型的分辨率为5MHz，只能用于有限的场合。,外差检测法，检测来自两个光源的频差作为多普勒频移。因为两束光在光检测器上叠加，其和频率太高，超过了光检测器的频率响应，只有频率差可被检出。外差检测方法得到广泛的应用。,外差检测有三种基本模式：双光束系统、参考光束系统 单光束双散射系统,(1)双光束系统见图5-4和图5-5，双光束系统，也叫双光束-双散射系统。该系统是两束入射光束 的散射光之间的外差，是近场相干。,图5-4 前向双散型光路 图中：A1：孔径光阑，A2：小孔光阑,图5-5 后向双散射型光路,接收到两束散射光的频率分别为：(5-11)(5-12),于是，多普勒频差为:(5-13)双光速系统有一个突出优点：多普勒频差与接收方向无关！,双光束系统分为前向散射与后向散射两种：前向散射入射光路与接收光路位于实 验段两侧；后向散射入射光路与接收光路同在实 验段一侧。双光束系统要求等光强、等光程分光。,前向散射光路的优点：散射光强！当散射角小于10o时，其散射光强比在 180o方向上的散射光强大几百倍！前向散射光路的缺点：结构不紧凑！,后向散射光路的优点：结构紧凑！用入射透镜兼作接收透镜，结构紧凑；且只要求模型开一个窗口。后向散射光路的缺点：散射光功率低！需要具备大功率的激光器！,双光束系统容易调准，可使用大口径透镜，以便提高收集光功率。该系统适用于低粒子浓度的情况。,(2)参考光束系统参考光束系统，也叫基准光束系统，一束入射光的散射光与另一束直接来自光源的参考光束之间的外差，是远场相干的虚条纹型系统。图5-7是1964年的、世界上的第一台多普勒测速仪。,图5-7 世界上第一台LDV系统简图,该光路调整困难：因为要使信号散射光与参考光很好地相干，就必须满足散射光的波前与参考光的波前具有相同曲率半径，才能使两束光完全重合。该系统可用于管流中层流流动速度的测量。,为使光路调试简便，1971年Bedi设计了改进型的参考光束系统，如图5-8所示。参考光束系统中的信号光和参考光都通过控制体，使信号散射光沿参考光方向到达检测器混合求差频。,图8-8 参考光束系统PD：检测器,A1：光阑 A2：小孔光阑,该系统接收器接收的频率fs为：式中，c为光速。,(5-14),于是，多普勒频差fD为：可见，参考光束系统的多普勒频差与接收光方向和入射光方向都有关系。,(5-15),参考光束系统：要求参考光与信号光1：9分光！参考光束系统适用于粒子浓度高的情况。,(3)单光束双散射系统单光束双散射系统，是来自两个方向的散射光之间的外差，光路见图5-9。单光束系统光能利用率太低，且对环境要求避光，目前应用较少。,（3）成像式光路光路见图4-10，两栅分离，便于动态及高温测量。,图8-9 单光束双散射光系统 A1：孔镜光阑；A2：小孔光阑；PD：光检测器,(4)二维光路系统还有二维和三维光学系统，如二维双色光系统、二维参考光路和二维偏振光路。图5-10是二维双色光系统：利用氩离子激光器的两种波长:蓝光和绿光,同时测量两个垂直方向上分速度。,图5-10 二维双色光系统,分光镜先将激光束分成两束混合光，再将一束混合光分成蓝、绿两光束，且使蓝光束与绿光束相垂直。在相交区，绿光与混合光中绿光相干，蓝光与混合光中蓝光相干，形成两组互相垂直的干涉条纹。分别接收两种颜色的散射光，即可得到两个垂直方向的分速度。,二维参考光路由一束信号光和二束参考光组成，见图5-11。沿激光传播方向有一束强信号光，同时有两束弱参考光。分别测得两个方向上的多普勒频差，即可确定这两个方向上的分速度大小，进而确定二维速度。,图5-11 二维参考光路M：反射镜，S：分光镜，L：透镜，A：光阑,激光多普勒测速系统,5-10-2分光系统,（a）不等光程分光；(b)等光程分光图5-9-16 等光程分光与不等光程分光（M，反光镜；S，分光镜）,（a）不等光程分光；(b)等光程分光图5-9-16 等光程分光与不等光程分光（M，反光镜；S，分光镜）,图5-9-17 两束光在焦点处相交情况,双光束系统的一个重要参数是外差效率，即两束光在焦点处相交面积占光束截面积的百分比。,通常用光楔调节分光后两束光的平行度，如图5-9-18所示。夹角为23的两个平面组成平面光楔。光楔绕轴旋转时，对应空间一个不动点处，光楔平面的法线在空间摆动，从而改变折射方向。,图5-9-18，平面光楔 图5-9-19，光束通过楔角为的光楔时方向改变,5-10-3聚焦发射系统,聚焦有两个目的：一，使入射光束能量集中，以提高入射光的功率密度，从而提高散射光的强度；二，两束入射光束聚焦，减少了相交的控制体，提高了仪器的空间分辨率。,图5-9-20一束平行光被聚焦的情形,a)最细处交于焦点；b)不是在最细处相交；c)相交不是在光轴上图5-9-21二束平行光被聚焦的情形,两束平行光经透镜后聚焦的情况，视透镜球差大小、加工质量好坏，焦点的情况不尽相同，可能两束光不是最细处相交，甚至交不到同一个点，如图5-9-21所示。,两束光相交情况不同，严重影响相交区干涉条纹的质量。如果两束平行光在最细处相交，即两束激光在光腰处相交，相交区条纹清晰，宽度均匀；如果两束光不是在最细处相交，则相交区的干涉条纹不均匀，如图5-9-22所示意。,a)相交点位于两束光的焦点处，此时干涉条纹清晰，宽度均匀b)相交点不在两束光的焦点处，此时干涉条纹不均匀 图5-5-22 两束相交光在相交区的干涉现象,5-10-4 收集系统和光检测系统,收集系统的主要任务是收集包含多普勒频移的散射光，并让它聚焦在光检测器的阴极表面进行光混合，变成含多普勒频差的光电流信号输出。,图5-9-23，光收集系统,光检测器,两束光混合，得到光强按一定频率变化的光信号，这种光信号在光阴极表面转换为频率相同的电信号。这种检测器就是光检测器。光检测器响应平均的入射光能量。,光电效应,光电转换的机理有光电效应、光-电发射效应和光电导效应等等。在激光多普勒测速中光检测器常用光电二极管和光电倍增管。光电倍增管一般包括以下四部分：光阴极K，光-电发射器件，聚焦极，倍增级或联级D，二次电子发射系统和阳极A。如图5-9-24所示。,图5-9-24，光电倍增管,光阴极K，光-电发射器件，聚焦极，倍增级或联级D，二次电子发射系统和阳极A。,图5-12 激光多普勒测速系统 15.激光、扩束、折光、分光、分距系统,910.光电接收系统,11 14.信号处理系统.,Transmitting Optics,Basic modules:分光镜（Beam splitter）削色差镜头（Achromatic lens）Options:Frequency shift(Bragg cell)low velocitiesflow directionBeam expandersreduce measurement volumeincrease power density,Laser,BraggCell,BS,F,D E,J,E,D,DL,Lens,Lenses,Interferencefiltre,Photomultiplier,Receiving Systems,Receiving OpticsReceiving opticsMultimode fibre acting as spatial filtreInterference filtreDetector光电倍增管Photomultiplier光电二极管Photodiode,Multimodefibre,System Configurations,Forward scatterand side scatter(off-axis)Difficult to align,vibration sensitiveBackscatter Easy to align User friendly,Receiving Opticswith Detector,TransmittingOptics,Flow,Receiving Opticswith Detector,Flow,Laser,BraggCell,Transmitting and Receiving Optics,Backscatter Configuration,Laser,BraggCell,Coloursplitter,Fibre manipulators,Single mode polarisationpreserving fibres,Flow,Back scattered light,Multimodefibre,Multimodefibre,Interferencefiltres,Coloursplitter,Single modefibres,粒子无论是向上移动还是以相反的方向移动，产生同样的信号和多普勒频移,方向模糊/频移Directional Ambiguity/Frequency Shift,fmax,fshift,fmin,f,u,umin,umax,umin,umax,把两光束中的一个，相对另外一个产生频率移动，干涉条纹以频移频率移动 经过频移以后,速度的方向可以区分出来,no shift,shift,5-10-5频移装置,图5-9-27，带频移装置的差动式光路系统,图5-9-28，干涉条纹的移动,图5-9-29，削平效应的避免,频移量的选择十分重要，一般应使最大反向流速所对应的多普勒频率大于频率检测系统量程的下限，以避免削平效应。频移的另一个功能是便于消除信号中基底噪音频谱。对高脉动流动，如高湍流的情况，或者两相流、边界层情况，基低频谱和多普勒谱加宽，甚至重叠。如存在反向流动，反向流频谱加到正向流频谱上，使频谱变形,基底频谱位置和形状不变，但多普勒频率和基底频谱距离拉开，利于用高通滤波器消除基底噪音频谱，检测出信号频率。,Frequency Shift/Bragg Cell,Acousto-optical ModulatorBragg cell requires a signal generator(typically:40 MHz)Frequency of laser light is increased by the shift frequencyBeam correction by means of additional prisms,PiezoelectricTransducer,fs=40 MHz,Absorber,wave front,Laser,jB,fL,fL+fS,Components on the transmitting side,OverviewLaser:1D,2D,3D:Argon-ion:air or water cooled60X41 Transmitter60X24 ManipulatorsFiberFlow series probe,Laser(Ar-ion),+,60X41,4,60X24,60X61,The 60X24 Manipulator,The manipulator centers and directs the laser beam to get the maximum amount of light coupled into the thin single mode optical fibers of the fiber flow probe.For each output beam from the transmitter one 60X24 Manipulator is needed.Thus,for a 3D system 6 manipulators are needed,A 60 mm 2D FiberFlow probe,The FiberFlow probe comprises Four fiber plugs for coupling with the manipulators.Four single mode fibers-one for each of the transmitted beams-cased in an enforced cable hose.One multimode fiber used as receiving fiber in backscatter cased in the same hose.The probe house.One of several front lenses.Can be used with a 55X12 Beam Expander to reduce probe volume,Assembled FiberFlow transmitting optics,60X41,4,60X24,60X61,60 mm and 85 mm FiberFlow probes,3-D 速度测量,测量三维速度需要三对光束两对从二维探头中发射一对从一维探头发射两个探头关联安装，让他们的控制体重合在一起.2D探头测量的速度分量相互垂直第三个速度分量用软件来正交化.,Seeding:ability to follow flow,Particle,Fluid,Diameter(mm),f=1 kHz,f=10 kHz,Silicone oil atmospheric air 2.6 0.8TiO2 atmospheric air 1.3 0.4,TiO2 oxygen plasma 3.2 0.8(2800 K),MgO methane-air flame 2.6 0.8(1800 K),Seeding:scattered light intensity,Polar plot of scattered light intensity versus scattering angle The intensity is shown on a logarithmic scale,Signal Characteristics,LDA 信号中噪音来源l:光探测器噪音.二次电子噪音,前置电路放大器热噪音激光高阶噪音(光学噪音).控制体外的光散射，光污染，光栏误差，环境光和多粒子,etc.额外反射(windows,lenses,mirrors,etc).Goal:选择合适激光功率,示踪粒子,光学参数,etc.最大限度提高信噪比（SNR）.,5-11，激光多普勒测速系统信号处理系统,信号的特点,多普勒信号是一个不连续的信号。在激光多普勒测速中，多普勒信号是靠跟随流体一起运动的粒子散射得到的，而测量体中的散射粒子是不连续的，粒子在测量体中的位置、速度和数量是随机的。因此，由于这些粒子散射光在光检测器阴极形成的散射光电流的交流量即多普勒信号也是不连续的。粒子浓度越低，这种不连续性越严重；粒子浓度越高，连续性变好。多普勒信号是一个调频信号。多普勒信号与流动速度一一对应。流场速度的变化，流场的不同特性，引起多普勒信号的响应变化。,图5-9-32，流场中速度和多普勒频率随时间变化曲线 图5-9-33，测量体横截面上光强分布,多普勒信号还是一个变幅信号。由于激光光强的高斯分布，测量体的光强分布也是不均匀的，其横截面上光强分布也接近高斯分布。图5-9-33表示测量体横截面上光强分布情况。,频率跟踪器,图5-9-34，SXJP-10型频率跟踪器原理方块图1，前置放大器；2，混频器；3，中放A；4，限幅器I；5，中放B；6，限幅器II；7，相位比较器；8，门限；9，积分器；10，直流放大器；11，压控振荡器；12，脱落保护线路。,5-11-3计数器,图5-9-35，固定周期数的计数原理图,测量带痛滤波器后面的固定数量的多普勒信号周期所对应的时间，这个时间亦即粒子横穿测量体时，穿过同样数目的条纹所需要的时间。利用快速数字电子装置得到多普勒信号频率和对应的粒子瞬时速度。频率计数器有两种计数方法：固定周期数计数法和固定阀门时间计数法。,图5-9-36，固定周期数的计量误差,5-12-1粒子的散射和粒子的跟随性,散射粒子的特性影响较大。粒子散射并不改变散射光的频率却改变了散射光的光强、相位和偏振方向。这就影响了光学系统的效率，如信噪比等，还要影响电信号的统计特性。研究粒子的光散射特性，选择合适的光源和粒子数，对提高激光多普勒测速系统的性能有重要意义。,光散射的理论,图5-9-37，粒子散射光强度分布的极坐标图,跟随性,粒子的跟随性是指粒子跟随流体运动的性质。用激光多普勒测速仪测速，测得的流体中粒子的运动速度。如果粒子跟随性好，可以把粒子速度近似地看成是流体的运动速度。在研究湍流时，把粒子跟随湍流脉动的能力叫振幅特性，把粒子跟随湍流脉动频率的能力叫频率特性。,影响粒子跟随性因素,粒子的形状粒子尺寸粒子与流体的质量（密度）比粒子的添加浓度体积力,激光测速对示踪粒子要求,跟随流动的能力好的光散射体容易制造、便宜无毒、不腐蚀、不磨蚀不挥发或难以气化化学性质稳定清洁,在激光多普勒测速中，通常有一个合适的尺寸范围，如直径为1微米左右的粒子，在空气中响应频率超过1KHz，振幅响应达0.99。在水中，散射粒子合适的尺寸范围可达到10微米。,双液型雾化器,经过稀释的甘油为雾化介质，在一定压力范围内可得到粒径1微米左右的雾化液滴，作为人工添加到空气中去的散射微粒。,图5-9-38，气悬体发生器结构,5-12-2 粒子大小及其浓度的影响,在激光多普勒测速中，信号质量好坏还与粒子尺寸和测量体干涉条纹宽度之比有关,图5-9-39，条纹宽度与粒子尺寸对LDV的影响,图5-9-40，粒子浓度及位置对信号质量的影响,第A种情况：一个粒子穿越条纹区，产生一个多普勒信号。第B种情况：两个大小相同的粒子同时位于条纹的亮条纹或暗条纹位置，他们产生的多普勒信号相位相同，互相加强（相长干涉），直流分量比A种情况多。第C种情况：两个粒子，分别位于亮条纹和暗条纹位置，两个粒子产生的多普勒信号相位相反，互相减弱（相消干涉），仅剩下直流分量，得不到速度信息。第D种情况：叁个粒子，两个在亮条纹，一个在暗条纹上。亮暗条纹上的两个粒子的散射光相位相反而产生相消干涉，仅剩下亮条纹上一个粒子产生的有用多普勒信号。和第A情况相比，直流分量大了，实际噪音高了，信号质量反而下降了。,5-12-3测量结果的整理与分析,的确定,常用三角形关系确定角的大小,图5-9-41，利用三角关系确定角 图5-9-42，利用两束光投影到屏幕上测角,上述角和波长的数值取自空气中的数值，没有考虑介质折射率的影响。,介质折射率的影响,设空气中光线波长为，空气相对折射率为，水中光线波长为，水的相对折射率为，光线的入射角为，光线在水中的折射角为，则有：,可见，计算时用同一种介质中Uy的和，结果相同。但由于模型壁面的影响，被测流体介质折射率会使测量体位置发生变化，实验十需要加以修正。,图5-9-43，介质折射率对测量的影响 图5-9-44，介质折射对测点位置的影响,注：虚线为无模型；实线为有模型,若光路系统随坐标架在x方向移动 的距离，由于介质折射率的影响，测点在被测介质中移动 的距离,物理加宽,理论上说，多普勒频差与速度一一对应。若测量体内存在速度梯度，则对应的多普勒频差就不是一个单一值，而是有一个频宽。这种现象叫信号加宽或物理加宽。仪器本身造成的叫仪器加宽。所有这些加宽，都会给测量带来误差，需要在实验时加以修正。,当测量体内存在速度梯度时，散射光的多普勒频差将是一个连续的加宽信号，其宽度与速度梯度、散射体体积尺寸、收集散射光系统的孔径光栏等有关。,F=f/d，其中，f是收集系统焦距，d是孔径光栏的直径。,是x方向的测量体尺寸。这个尺寸可以认为是光电检测系统中收集透镜的景深,可见，对速度梯度较大的流场测试时，要减少信号加宽，可选用大孔径透镜作为收集透镜，以减少F数，减少景深。,仪器加宽,仪器加宽主要是孔径加宽。入射光被聚焦在测量体上时，它是两束会聚光，两束光的夹角不是单一值，而是有一个范围。光束越粗，透镜焦距越短，越大，从而给测量带来误差。,在参考光系统和单光束系统中，由于光检测器接收光栏的有限尺寸，收集的散射光是在一立体角内的散射光，这时fD与散射光方向有关，因而fD也不是一个单值，而是一个带宽，一个连续分布。,=,5.3 激光双焦点测速法激光双焦点测速的基本原理：基于测量运动粒子在光探测区内的飞行时间；进而获得流体的运动速度。因此，激光双焦点测速法亦称飞行时间测速仪。,激光双焦点测速仪的基本 原理与仪器结构 1.基本原理L2F仪器产生两个高强度的聚焦光束；聚焦区为光探测区，它呈现两个焦点。焦点直径d约为10m左右、两焦点之距离S固定不变，约几百m。,图5-14 激光双焦点 测速仪光路系统A：1/4波片；B：罗雄棱镜；C：透镜组；D：光斑E：折反镜；F：传输透镜；H：光阑；I：针孔光阑.,测量运动粒子穿越两聚焦光斑的飞行时t，按下式可以计算出流体的运动速度：(5-18)对L2F技术而言，最基本的检测参数是粒子穿越两聚焦光斑之间的飞行时间t。,2.L2F的光学系统 光学系统的作用：在检测区内形成两聚焦光斑；接收粒子穿越焦点的散射光。系统要求：高度聚焦、强度相等、精密确定.,光路见图5-14:1.激光为氩离子激光；2.A为/4波片:将入射光变成圆偏振光。3.B为罗雄棱镜:将入射分成有一小夹角、两束相互正交的线偏振光。利用步进电机可控制这二束光的相对取向，以获取不同方向上的速度分量。,4.C为透镜组：罗雄棱镜分束面位于C的前焦面，而在后焦面上产生两个高度聚焦的、强度相等的激光光斑D。5.利用偏折反射镜E和传输透镜组F，在测量区域内产生光斑D的像G。该像G是激光双焦点测速仪的光探测区。,6.透镜组F将穿越光斑G的粒子的后向散射光，成像到F后焦平面内,该平面设置了光阑H。7.J为显微物镜，将H内的聚焦像放大，次成像到双针孔光阑I处。光阑H与双针孔光阑I的使用,是为了遮挡杂散光，提高信噪比。,8.二只光电倍增管接收通过双针孔光阑I的光,获得粒子穿越双焦点产生两个电脉冲信号。9.两光电脉冲之间的延迟时间，就是粒子在两个光斑之间的飞行时间t。,激光双焦点测速仪的 应用特点是一种不干扰流场的测速技术，被广泛地应用于各种不同流动现象的实验研究。,L2F最成功的应用,是对叶轮机械槽道内亚音速、跨音速、超音速流速的测量。此外，还应用于高速风洞、水轮机、水泵等槽道内部的测量。L2F不仅适用于高速流场测量，也适用于传热过程中低速流动现象实验研究。,5.4 PIV测速技术及应用举例 1.PIV技术概述粒子图像测速法(PIV)的基本原理：就是通过检测示踪粒子在t时间 间隔内的位移,进而求得该示踪 粒子处的速度值。,常用主要方法如下：1)跟踪粒子法：这种方法只适用于粒子稀少的场合。2)照相PIV法：照相拍摄流场粒子图，利用付里叶变换分析法提取位移，进而求出速度场。,3)录相PIV法：首先通过录相方式记录粒子场的数字图像；再运用各种方法求出有时差的两幅粒子场的位移分布；进行而求得速度分布。,2.互相关算法研究速度信息的提取常用互相关算法，也即对两幅有时差的粒子图进行互相关运算，以提取出位移信息。,(1)互相关算法的基本原理设下面两幅图分别代表相差t时刻的两幅流场粒子图：,对图(5-15)中某一小子域f(x,y)，按下式计算其与图(5-16)中不同子域的相关值：,若图(5-16)中子域：g(x,y)=f(x-u,y-v)与图(8-15)中子域f(x,y)的相关值最大；则g(x,y)子域是f(x,y)子域的对应区域，f(x,y)子域中心点的位移(u,v)就是 待测位移。,(2)经典互相关算法对图(5-15)中任一子域，都需在图(5-16)中全场搜索一遍，以求出相关度的极大值,该方法计算量十分巨大。经典互相关算法假定g(x,y)子域是f(x,y)子域平移结果，不考虑转动影响。因而一涉及到转动就会带来较大的误差。,(3)迭代互相关算法迭代互相关算法既考虑了局部变形大、速度梯度高的情形，又考虑到了转动。但要进行迭代，计算工作量仍然十分巨大。,(4)改进的互相关算法考虑到全场位移的连续性，我们提出了一种邻域点相关搜索方法。具体搜索步骤如下：a)在搜索区域内确定一个种子点，如图(5-17)第一幅图中的A点。,b)运用经典相关搜索技术，在第二幅图中搜索出对应点A(像素级)；c)再对A邻域为1像素的区域进行细化搜索，得到亚像素级的位移值；,d)再对A的八个邻域点进行同样步骤搜索，用以对A点的搜索精度进行校核。e)对种子点A所在区域进行搜索.若求A点邻域B点的相关点B，考虑到位移分布的连续性，每点的计算都以前一点位移为基础，先估算出B的位置。,然后只在估算位置附近进行搜索，这就有效地减小了搜索范围、减少了计算工作量、加快了搜索速度。f)重复上述步骤,求出全场所有点的位移分布。,二维热毛细对流速度场测量 1.实验装置：,气泡,以硅油作流体，液晶作示踪粒子。通过改变温度梯度，研究了热毛细对流从发生、发展直至振荡的全过程。2.实验方法采用录象PIV技术，并用改进的互相关算法，算出了不同温度梯度时的热毛细对流速度场。,3.典型的实验结果图5-18图5-23分别是硅油在不同温度梯度时的热毛细对流速度场矢量图。图中T1表示上液面处(No.1热电偶)的温度，T/y 是No.1与No.2两个热电偶之间的平均温度梯度。,(1)T1=36.2,T/y 0.57/mm.,图5-18 气泡右侧的速度矢量图,(2)T1=41.7,T/y 1.05/mm,图5-19 气泡右侧的速度矢量图,(4)T1=55.1,T/y 1.94/mm,图5-20 气泡右侧的速度矢量图,(6)T1=67.6,T/y 2.72/mm,图5-21 气泡右侧的速度矢量图,(7)T1=71.4,T/y 2.92/mm,图8-22 气泡右侧的速度矢量图,(9)T1=91.9,T/y 4.34/mm,图8-23 气泡右侧的速度矢量图,4.结论结果表明，当T/y 0.50/mm 时，在气泡表面附近的液体中首先出现了微弱的热毛细对流；随着T/y 的增加，热毛细对流的速度逐渐增大，对流范围也逐步扩大。当T/y 达到4.5/mm时，对流出现了紊乱的现象，最大速度也开始下降。,5.4.2 两层不混溶液体Bnard-Marangoni对流的速度场测量1.研究背景自然界中存在着大量、多层不相混合流体的热传递和质量输运现象。国外最近多次开展了多层不混溶液的Marangoni对流及热毛细对流空间实验研究。,我国于1999年5月，在实践5号卫星上首次成功地进行了由FC-70和石蜡组成的两层流体的Marangoni对流和热毛细对流的空间实验。获得了微重力条件下Marangoni对流和热毛细对流的流场图像以及温度数据，与理论结果基本一致。,2.实验模型本文实验模型的平截面