第六章--其它流动测试技术.ppt

热线热膜流速仪（HWA，HotwireAnemometry）激光多普勒测速仪（LDV，PDPA）粒子成像测速系统（PIV）,Velocity,第六章其它流动测试技术,Anemometersignaloutput风速仪输出信号比较,1，热线测量的是点速度的模拟信号，随时都有速度的信息.2，LDA信号是随机的，3，PIV提供的是某时刻流场中亮颗粒的速度,第六章其它流动测试技术,理想传感器,输出量与被测物理量的幅值成正比空间一点的物理量输出信号与被测量信号变化频率无关输出信号噪音小传感器不干扰物理过程输出信号不受其它量影响,第六章其它流动测试技术,4,第六章其它流动测试技术,6.1热线/热膜流速仪,当气流绕被加热的圆柱体作强迫对流时，随着气流速度的增加，圆柱体被带走的热量也增加，温度下降。显然，这一物理过程中，流速与圆柱体温度之间有一定的依赖关系。能否根据这一关系，把一根加热丝置于流场中，来测量流体的流动参数呢？,实际传感器的特点,静态传递函数(calibrationcurve)空间分辨率(finitesizeofmeasuringvolume)时间分辨率(frequencyresponse)信噪比（Signal-to-noiseratio）干扰物理过程（Interferenceeffects）非单个过程（Multi-variateresponse）,6.1热线/热膜流速仪,热丝焊接在叉杆上，迎着来流U.给热丝通上电流，加热热丝（电阻）(I2Rw).当达到热平衡时候，与周围介质交换的热量（主要是对流换热）与该加热量相等。,（1）热线工作原理,速度变化时，对流换热系数变化，热丝的温度（电阻）变化，电桥有电压输出，直到重新达到平衡。,6.1热线/热膜流速仪,HWA简介,19世纪初有人利用这个原理制作了热线风速仪。所谓热线风速仪，就是置于流场中的一根长度为的极细金属丝，其上通以电流加热；当流速变化时，金属丝的温度也相应变化，这种变化导致热丝阻值的变化，从而产生电信号；由于电信号与流速之间建立一一对应的关系，因此，测量出电信号就知道了流场的流速。热线风速仪建立在热平衡原理的基础上的，即热丝电加热的热量等于气流带走的热量。在热平衡过程中，涉及到流速，加热电流，热丝温度（电阻）等参数，该过程可以用传热学的准则方程描述为：,热线热平衡方程描述为：,（1）热线工作原理,金属丝换热的影响因素,流动速度V金属丝与气体之间的温度差（TwTf）气体的物理性质金属丝的几何尺寸与物理性质,（1）热线工作原理,密度，组份,6.1热线/热膜流速仪,（2）热线风速仪分类,恒流式热线风速仪（CCA）：当加热电流保持恒定（Iw常数），那么热线的温度（电阻）和流速之间建立了确定的函数关系V=f1(Rw)利用该关系测量流体速度的方法，称之为恒流法。用该原理构成的热线称之为恒流式热线风速仪。恒温式热线风速仪（CTA）：当热线的温度（电阻）保持恒定（Rw常数），热线电流与气体流速之间确定了函数关系为Vf2(Iw)，利用该关系测量流速的方法称之为恒温法。用该原理形成的热线风速仪叫恒温式热线风速仪。,Vf(Iw,Rw),6.1热线/热膜流速仪,（3）热线的困难与优势,对于极低速度（小于1m/s）的测量是热线风速仪研究的课题。由于低速时，热线的自然对流换热，热导损失增强，热线换热不再仅仅是强迫对流换热。和传统测速设备比较，热线技术具有惯性小，频率响应宽，灵敏度高，对流场干扰小的特点；和激光测速仪（LDV）比较，热线信号连续，不用流场中加入示踪粒子，不受流场透明性的限制，而且成本较低等优点。,6.1热线/热膜流速仪,(4)探头及型式,热线探头构造分热线和热膜两类,热线探头是直径很小的金属丝，两端焊接在两根不锈钢叉架的叉尖上。叉杆的另外一端焊出引线，再加上保护罩并将保护罩与叉杆之间装入绝缘材料，这就构成了探头。下图中给出了常见的探头。,6.1热线/热膜流速仪,6.1热线/热膜流速仪,常见的各种热线探头,测一维流场的单线探头测二维流场的斜形探头和X探头测三维流动的三线探头测边界层温度和速度的二线平行探头,6.1热线/热膜流速仪,热膜探头简介,6.1热线/热膜流速仪,热膜探头,6.1热线/热膜流速仪,热线（膜）探头选择,从热线探头的构造可以看出，作为流场速度的敏感元件是金属丝。金属丝的材料和尺寸的选择取决于探头的灵敏度，空间分辨率和机械强度。为了提高金属丝的灵敏度，材料要电阻温度系数高的金属；为了承受冲击负荷（气流动力负荷，气体中固体微粒的冲击负荷，探头叉杆振动等），则要选取机械强度高的金属。金属丝的长度取决于两个矛盾的要求：最大可能的长度直径比（L/d）和最好的空间分辨率。从减少终断的热损失来看，长度直径比越大越好；但在一定线径条件下，L/d越大，空间分辨率就越低，因而只能在两者兼顾的情况下选择L和d。对于2.55m粗的金属丝，长度直径比为100200之间，空间分辨率为0.51mm。根据以上分析，在当前湍流特性量测量中，最常用的是钨丝和铂丝两种材料的探头。铂的沿展性好，铂丝镀银可以拉制成半个微米的细线（Wollaston过程）。这种丝材焊接方便，焊接好后用酸溶液洗除工作段的银层。铂丝耐高温，不易氧化，因此得以广泛应用。钨的机械相对高，可以承受较高冲击负荷，在超音速流中它是唯一合适的材料。但是，钨容易氧化，耐温低，焊接困难并且也不能做到象铂丝那么细。用酸腐蚀可以达到3.8m。为了兼顾强度和耐温的要求，目前常用镀铂钨丝。,6.1热线/热膜流速仪,5、热线的静态响应,金属线放在流体中的换热是一个复杂的现象，因为同一时刻产生了几个过程，包括热传导、热辐射、自然对流和强迫对流等过程。,热线热平衡示意图,对于无限长的热线，在稳定条件下的能量平衡方程为：,恒温工作模式下热线的温度为300C，金属丝和外界的辐射热交换可以忽略。,对流是自然对流和强迫对流两过程复合作用结果。决定哪种对流占据主要状态的因素是速度的大小,当（葛拉晓夫数）自然对流就不能忽略，这个条件对气体而言，流速在0.5m/s1m/s之间。,目前通常CTA（ConstantTemperatureAnemometry）测量的速度大于1米/秒，自然对流可以忽略。如果只考虑强迫对流，上面的（1）式可以写成：,（2）,由此可见，当L/d很大，d很小时，d2更小。如果线温度沿X方向的变化很小，那么第二项热传导可以忽略。这样换热主要决定于强迫对流，一般热线是基于这个条件工作的。,5、热线的静态响应,King推导了无限长线在稳态的不可压流体中二维热传导方程。,适用条件是，J是热功当量。（KING公式）,上面的是理论公式，实际应用中，往往采用下面的形式：,(3),(4),A,B是物性参数决定的常数，其中,是温度为Tf时的金属丝电阻温度系数，Rf是温度为Tf时的金属丝电阻值。,热线的静态方程,5、热线的静态响应,6、热线的动态响应,静态方程解决了定常状态下的平均速度测量脉动速度的测量必须解决热线的非定常换热规律和动态响应。动态响应的问题主要在于：金属丝向周围介质传递热量的速率往往跟不上流体介质速度的变化率。也就是说金属丝的热产生并不等于热耗散，金属丝与周围介质热交换处于不平衡状态。当流体速度由小变大的时候，热线将储藏部分能量。这个现象通常叫热滞后，反映在热线的输出信号上将引起振幅的衰减和相位滞后。,6.1热线/热膜流速仪,(1)无限长线的动态响应,根据能量守恒定理，如果我们忽略热辐射、自然对流和热传导，单位时间内热线中能量的变化应该等于单位时间内热线中产生的热能减去单位时间内热线被流体带走的热量，,（8）,(9),6、热线的动态响应,6、热线的动态响应,12,称为电阻之比；通常情况下，流体温度变化很小，因而，上式变成：,13,热线的动态方程,6、热线的动态响应,(2)恒流式（CCA)热线的动态响应,(13),（CCA),(14),无量纲方程,时间常数,6、热线的动态响应,称为恒流热线的热滞后时间常数,可以看出：恒流式热线的时间常数不仅仅与热线的物理性质（，c）有关，几何尺寸(Lw,dw)和工作条件(R,U)也有关。,假定,16,上式为线性微分方程，考虑到,上式中，是脉动角频率；根据微分方程理论，（16）式的通解为,6、热线的动态响应,通解：,随时间衰减，只要时间足够长，一定趋近零,对动态响应，起着决定性作用,其中,在热惯性作用下，与流体的脉动速度u(t)相比，脉动电阻rw在振幅上有某些衰减，相位有滞后。振幅衰减的程度和相位滞后的大小都和热线的时间常数Mcc有关。Mcc越小，振幅衰减和相位滞后的程度就小。,6、热线的动态响应,恒流热线传感器的频率响应,图2是5m直径，1mm长度钨丝探头在恒流工作模式下工作时的频率响应，从图中可以看出，当=100以后，滞后就开始影响，该影响随速度的增加而减少。,速度增加,6、热线的动态响应,7、补偿放大器,振幅衰减和相位滞后补偿到同步水平，并且对热线信号进行放大，以便使输出有足够的讯号水平。因此补偿放大器必须在较大的频率范围内包含高增益和低噪的微分放大电路。,微分补偿原理,由微分电路构成的补偿放大器,如果有：,补偿电路的频率范围是受放大器的频率特性限制，它不可能做得很宽。目前，恒流风速仪的频率响应已到300KHz。噪声值也已经下降到0.05%等效噪声点平以下，完全可以应付常规的测量。,7、补偿放大器,未失真状态失真状态欠补偿状态过补偿状态补偿状态,补偿的方波调节,恒流风速仪对于不同探头的补偿调节问题，是借助于方波电路来实现。当方波电流叠加到热线上时，方波将随热线时间常数大小而形成不同的失真状态。然后调节补偿值，使放大器输出的方波恢复原状态。,7、补偿放大器,8、关于两种工作模式的小节,恒流工作模式(CCA)恒温工作模式(CTA),（1）ConstantcurrentanemometerCCA,Principle:敏感元件中通过的电流恒定Advantages:-频率响应较高Disadvantages:-用起来困难-随速度增大输出减少-容易烧坏,8、关于两种工作模式的小节,（2）ConstantTemperatureAnemometerCTA,Principle:反馈系统保持工作电阻恒定(电阻工作温度恒定)Advantages:-容易使用-频率响应高-噪音小-广为应用Disadvantages:-电路复杂,8、关于两种工作模式的小节,3-channelStreamLinewithTri-axialwireprobe55P91,（2）ConstantTemperatureAnemometerCTA,8、关于两种工作模式的小节,（3）Modesofoperation,CTA,工作电阻随温度变化:Rw=Ro(1+ao(Tw-To)Rw=wirehotresistanceRo=wireresistanceatToao=temp.coeff.ofresistanceTw=wiretemperatureTo=referencetemperatureDefine:“OVERHEATRATIO”as:a=(Rw-Ro)/Ro=ao(Tw-T0)Set“DECADE”overheatresistoras:RD=(1+a)Rw,8、关于两种工作模式的小节,Thevoltageacrosswireisgivenby:E2=I2Rw2=Rw(Rw-Ra)(A1+B1Un)orasRwiskeptconstantbytheservoloop:E2=A+BUnNotefollowingcommentstoCTAandtoCCA:-非线性响应-CCA变小-CTA变大-增加速度,灵敏度减低,CTAoutputasfct.ofU,（3）Modesofoperation,CTA,8、关于两种工作模式的小节,a)，欠调b)，适调c)，过调方波试验波形图,恒温风速仪对于不同探头的补偿调节和系统时间常数的测定，最理想的检验方法是用模拟的办法，给电桥提供一方波信号，方波信号供给电桥C点，电桥突然失去平衡，这相当于一个风速突变。如果把风速仪的输出端接入示波器就可以观察脉冲波形，随后调节电桥AD臂上的可调电容、电感。在示波器上显示的波形如图所示。,9、系统的截止频率,由方波试验输出的波形图可知，图b为系统得到的最佳的波形图，并且根据尖脉冲，可以近似测得系统的时间常数，从而可计算出系统的截止频率，即：,10、热线的校准和修正,第一，探头的性能是随制造工艺、探头尺寸和金属材料的不同而异，即使制造工艺相同，同样的尺寸和材料、材质的均匀性也不可能相同；第二，探头的性能和流体的温度，密度紧密相关；第三，探头的性能还和其它外部条件（如污染情况，速度范围）有关；第四，探头测量中是和电子仪器相结合使用的，因此真正的响应关系应该是能反映上述诸多因素，从而建立仪器的输出电压E和流动速度U之间一一对应的关系。,我们对热线的响应从理论上做了较为完整的讨论。但是，在实际应用中，并不依靠这些原则性论述，而是对每个热线探头作具体校正。这是因为：,基于上述原因，对于每一个探头，为了获得其精密的响应关系，必须随电子仪器和被测流场一起进行校准。由于探头老化和环境污染等因素影响，校准应该在测量的过程中反复进行。校准一般要求在低紊流度，可变速的校准设备中进行。如果紊流度过大，为了获得较精确的平均速度与输出电压之间的关系，必须要有足够的积分时间，紊流度过大还会有非线性误差，影响测量结果，从而使校准曲线部分的偏离。,10、热线的校准和修正,校准表达公式：,象前面研究无量纲的一般热交换方程一样，利用热平衡原理，不同的只是将风速仪的输出电压和流动速度联系在一起，给出了实用的校准表达公式。,对于接近大气压条件下大多数实用的情形，密度变化的影响可以不考虑。于是对连续流动而言，通常用KING公式表达如下：,（32）,式中，E为风速仪输出电压；A，B为依赖于热线尺寸、流体物理性质和流动条件的常数；指数n在一定的速度范围内恒定，在大范围内随速度而改变。n的值可以用下式确定：,修正，考虑自然对流影响,10、热线的校准和修正,热线静态标定,Velocitysensitivity(Kingslawcoeff.A=1.51,B=0.811,n=0.43),Outputvoltageasfct.ofvelocity,Voltagederivativeasfct.ofvelocity,10、热线的校准和修正,图12，指数n随速度的变化；图13，5m热线按KING定律典型校准曲线,如果把温度效应加以分离，则式（32）可改写成：,其中，A、B与温度的关系很小。这个表示式通常作为自动温度补偿分析的基础。,10、热线的校准和修正,Davies和Patrik建议使用扩展了的KING公式：,这个表达公式的速度灵敏度非常接近动态校准所得到的结果。后来又有人提出了分段拟合的表达公式：,这种分段拟合的校准表达公式给出了更好的近似，特别是低速范围内与实际情况更为一致,10、热线的校准和修正,校准装置：,从校准过程中可知，为了对一个具体的热线探头作出实用的校准曲线，就必须事前产生已知的流动速度U，这样的装置称为校准装置。有了校准装置，就可以对应于一个U的值，风速计上读出一个电压输出E，从而得到E-U曲线（校准曲线），以供实验测量时使用。校准装置的种类可以分两类，一类是直接速度传递装置；另一类是间接速度传递装置。所谓直接速度传递装置是指流体不动，让探头按预定速度在流体运动的原理构成的装置；典型的直接速度传递装置有：旋臂机，牵引机，旋转槽等等。间接速度传递装置是指探头不动，让流体产生预定的流动速度。这类装置的特点是流体速度由相对标准的流速工具（皮托管，激光风速仪）间接传递给探头和风速计的。属于间接速度传递的校准装置有风洞，射流喷嘴等。下面我们介绍目前较为流行的校准装置：喷嘴-U型压力计。,10、热线的校准和修正,DISA55D90型校准单元功能图,来自空气源（空气瓶或其它气源）的气流，经过过滤器滤去水分，油和0.5m以上直径的尘埃，然后通过压力调节器B到达主控腔。主控腔中的压力是恒定的，但其大小可以由主压强阀门装置进行调节。从主腔一方面把气体送入压力传感器以测量主腔压力；另一方面，气流通过可调喷管F2调节空气流量，然后进入喷嘴单元，再经过湍流，噪声过滤器和整流器，产生低湍流自由射流。喷嘴压力降由U型压力计测量。扫描阀开动时，主控腔的压力（因此射流速度）值就从现有值减少到最小值。,10、热线的校准和修正,10、热线的校准和修正,速度标定Velocitycalibration(Staticcal.),水中标定热膜探头-用从水箱中排除的自由射流来提供已知速度-用已知速度牵引在静止水中的探头-射流,10、热线的校准和修正,典型标定曲线（Typicalcalibrationcurve）,WireprobecalibrationwithcurvefiterrorsCurvefit(velocityUasfunctionofoutputvoltageE):U=C0+C1E+C2E2+C3E3+C4E4,(ObtainedwithDantec90H01/02)Calibrator),10、热线的校准和修正,速度标定器,CTA电桥，信号处理器,11、热线对各种参数的测量方法,湍流测量（平均速度，脉动速度，雷诺应力，（与冷线结合）温度通量等组分浓度温度测量（冷线技术，CCA工作模式）,6.1热线/热膜流速仪,（1）湍流参数的测量,湍流是一种比较复杂的，但又是实际问题中经常遇到的流动状态。例如，宇航工程、水利工程、化学，冶金工业，传热学、气象学等都将遇到湍流问题。同时，湍流理论还不是一完整的学科，因此在湍流问题的求解中，一些湍流参数更离不开测量。热线法能精确测量湍流参数，这也是热线目前广泛应用的领域。热线法测量湍流参数，原则上是由热线风速仪根据某种要求测量瞬时速度所对应的电压，随后遵循湍流参数定义的数学模式，编制响应的电子模拟电路进行运算后求得。目前更为先进的是采用数字计算机进行计算。,11、热线对各种参数的测量方法,脉动速度u，v，w是一些随机变量,统计均方根值：,湍流强度,（1）湍流参数的测量,11、热线对各种参数的测量方法,恒流式热线风速仪测量湍流强度,恒流式热线风速仪测量湍流强度的原理见图21。热线响应气流脉动速度u引起的电压改变量E，经补偿放大K倍后为Erms=KE，其中，K为补偿放大器的放大倍数，Erms是输出电压的均方根值。由恒流式校准曲线（图22）可以知道：,图21，恒流风速仪简化图图22，恒流风速仪的校准曲线,由热平衡原理可得,因而：,（1）湍流参数的测量,于是,根据湍流强度定义,恒流式热线风速仪测量湍流强度,（1）湍流参数的测量,恒温风速仪测量湍流强度,恒温风速仪测量湍流强度的原理如图23所示：,图23，恒温风速仪的简化图,用单丝探头测量湍流强度。将单丝探头置于流场，使线轴与来流垂直。根据定义,在定常流中，上式即为,（1）湍流参数的测量,当U=0，风速仪的电压输出Eo,微分后得：,由于,（57）,恒温风速仪测量湍流强度,（1）湍流参数的测量,用X形探头测量湍流强度,X形探头是由两根热丝相互垂直（空间间隔1毫米左右）所组成的探头。这种类型的探头由热丝线轴和探头线轴线在同一平面上和相互垂直两种基本形式，见图24。它可以测量两个方向的湍流强度。,图24，两种不同结构的X探针,（1）湍流参数的测量,图25，X探针的位置,当我们把探头的热丝与来流方向安图25所示情形安装时，那么两根热线的线轴分别与U的方向成45角。,若热线A和B都位于水平面内，显然输出信号EA反映的是速度，EB反映的是速度，式中，a,b是角度的灵敏度因子，当两线与气流平均速度方向夹角为时，a=b。,热线A和B的输出信号之和Es=EA+EB，反映的是速度纵向分量瞬时值的2倍，即而输出信号之差ED=EA-EB反映的是速度横向分量瞬时值的2倍，既2bv，于是测量的湍流强度如下：,（1）湍流参数的测量,（2）（冷线）温度测量,热线5m直径，长度1毫米CTA电桥，电流变化过热率0.8左右电阻几欧姆,冷线1.27m直径，长度1毫米CCA电桥，电阻变化电流0.1毫安数百欧姆,速度测量,温度测量,冷线测量温度的原理是利用冷线的电阻温度效应。置于流动中的冷线，当气流温度变化时，它使冷线电阻变化，破坏电桥平衡，使电桥输出不平衡信号，测出电阻变化值就能反映温度的变化。因此，它实际上也是一个微型的电阻温度计。由此可见，对测量温度的冷线材料的要求是：要尽可能有大而又稳定的电阻温度系数，以及尽可能大的电阻系数。温度测量分静态和动态测量两部分，下面分别述说。,静态温度的测量,工作于低电流下的冷线，在空气流动中作为温度传感器，使用得十分广泛。冷线的电阻是周围温度的线性函数：,非线性中，,铂,钨,（2）（冷线）温度测量,动态温度测量,热平衡方程为,它是一阶线性微分方程，按照微分方程理论解得,测量时系统的截止频率随线径的减少而增加。根据实际测量，对于线径为0.2-1微米的铂丝其截止频率在5-2KHz之间。,（2）（冷线）温度测量,与速度脉动的情况相同，对于测量温度中冷线信号的衰减和相位滞后必须进行补偿，这对瞬时温度的测量尤其重要。补偿的原理和风速测量中类似，因而可以利用同一个热线（膜）风速计完成这个任务。在湍流中测量平均温度和脉动温度时，为了提高测量精度和具有较高的时间分辨率和空间分辨率，人们在恒流源和探头构造方面做了很大改进。,为了提高测量的时间和空间的分辨率，人们在探头构造和线径及金属丝长度上作了很大改进。一般地说，对几千Hz的脉动频率常常要求十分之几毫米长的冷线。因而要求金属丝具有更细的线径。目前已广泛使用了0.5m粗的丝作为温度测量用。28就是专门设计的温度探头。图,a)温度探头b)二维热边界层温度探头图28，温度探头的构造,（2）（冷线）温度测量,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。,6.2激光多普勒测速法(LDV),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。,6.2激光多普勒测速法(LDV),（1）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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,（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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,静止光源、运动微粒和静止光检测器,1、激光多普勒测速的原理,根据相对论变换，运动微粒P接收到的光波频率fp近似为:式中，为入射光方向的单位向量，c为介质中的光速。,1、激光多普勒测速的原理,光检测器接收的粒子散射光频率：式中，为粒子散射光指向光检测器方向的单位向量。,1、激光多普勒测速的原理,忽略高次项，得到：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。,1、激光多普勒测速的原理,多普勒频移用fD表示：或者用波长表示为：式中，为入射光波长。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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：,激光多普勒测速的特殊布置,1、激光多普勒测速的原理,由图可得：代入前式，多普勒频移表达式化为：,1、激光多普勒测速的原理,（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。,1、激光多普勒测速的原理,如图所示，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:,1、激光多普勒测速的原理,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,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,干涉条纹,1、激光多普勒测速的原理,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/diametersdx,dyanddzaregivenbythe1/e2intensitypoints,F,q,DL,Y,Z,X,TransmittingSystem,MeasurementVolume,IntensityDistribution,0,1/e2,1,dz,dx,dy,X,Z,Y,1、激光多普勒测速的原理,Length:,J,Width:,Height:,No.ofFringes:,dz,dx,X,Z,df,FringeSeparation:,d,l,q,f,=,2,2,sin,测量体,1、激光多普勒测速的原理,Velocity=distance/time速度=距离/时间,Laser,BraggCell,后散射光,测量控制体,Processor,1、激光多普勒测速的原理,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：,1、激光多普勒测速的原理,（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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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、激光多普勒测速的原理,(1)双光束系统见图下2图，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。,1、激光多普勒测速的原理,前向双散型光路图中：A1：孔径光阑，A2：小孔光阑,1、激光多普勒测速的原理,图后向双散射型光路,1、激光多普勒测速的原理,接收到两束散射光的频率分别为：,1、激光多普勒测速的原理,于是，多普勒频差为:双光速系统有一个突出优点：多普勒频差与接收方向无关！,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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！,1、激光多普勒测速的原理,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！,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,(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。,1、激光多普勒测速的原理,图世界上第一台LDV系统简图,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,图参考光束系统PD：检测器,A1：光阑A2：小孔光阑,1、激光多普勒测速的原理,该系统接收器接收的频率fs为：式中，c为光速。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,(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，光路见下图。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。,1、激光多普勒测速的原理,图单光束双散射光系统A1：孔镜光阑；A2：小孔光阑；PD：光检测器,1、激光多普勒测速的原理,(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。下图是二维双色光系统：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。,1、激光多普勒测速的原理,图二维双色光系统,1、激光多普勒测速的原理,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。,1、激光多普勒测速的原理,二维参考光路由一束信号光和二束参考光组成，见下图。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。,1、激光多普勒测速的原理,图二维参考光路M：反射镜，S：分光镜，L：透镜，A：光阑,1、激光多普勒测速的原理,（1）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)等光程分光图等光程分光与不等光程分光（M，反光镜；S，分光镜）,2、激光多普勒测速系统,图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。,2、激光多普勒测速系统,通常用光楔调节分光后两束光的平行度，如左图所示。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，平面光楔图，光束通过楔角为的光楔时方向改变,2、激光多普勒测速系统,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，如上图所示。,3、聚焦发射系统,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，如下图所示意。,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两束相交光在相交区的干涉现象,3、聚焦发射系统,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。,4、收集系统和光检测系统,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。如下图所示。,4、收集系统和光检测系统,图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,1114.信号处理系统.,4、收集系统和光检测系统,TransmittingOptics,Basicmodules:分光镜（Beamsplitter）削色差镜头（Achromaticlens）Options:Frequencyshift(Braggcell)lowvelocitiesflowdirectionBeamexpandersreducemeasurementvolumeincreasepowerdensity,Laser,BraggCell,BS,F,DE,J,E,D,DL,Lens,4、收集系统和光检测系统,Lenses,Interferencefiltre,Photomultiplier,ReceivingSystems,ReceivingOpticsReceivingopticsMultimodefibreactingasspatialfiltreInterferencefiltreDetector光电倍增管Photomultiplier光电二极管Photodiode,Multimodefibre,4、收集系统和光检测系统,SystemConfigurations,Forwardscatterandsidescatter(off-axis)Difficulttoalign,vibrationsensitiveBackscatterEasytoalignUserfriendly,ReceivingOpticswithDetector,TransmittingOptics,Flow,ReceivingOpticswithDetector,Flow,Laser,BraggCell,TransmittingandReceivingOptics,4、收集系统和光检测系统,BackscatterConfiguration,Laser,BraggCell,Coloursplitter,Fibremanipulators,Singlemodepolarisationpreservingfibres,Flow,Backscatteredlight,Multimodefibre,Multimodefibre,Interferencefiltres,Coloursplitter,Singlemodefibres,4、收集系统和光检测系统,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DirectionalAmbiguity/FrequencyShift,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,noshift,shift,4、收集系统和光检测系统,5、频移装置,图5-9-27，带频移装置的差动式光路系统,5、频移装置,图5-9-28，干涉条纹的移动,5、频移装置,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