利用激光多普勒效应测流体的流速 最终版

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利用激光多普勒效应测流体的流速

指导老师：曾育峰

参赛学生：刘倩蔡艺生王宇松陆泽璇林乐鑫

利用激光多普勒效应测流体的流速

[摘要]在基于流体中的微粒对激光产生多普勒效应的基础上，自制激光多普勒流速仪，经过特定的处理电路，以达到测量流体流速的目的。利用光外差探测法实现多普勒频移的测量，并利用光电探测器进行接收和转换，通过电路模块进行数据收集和处理后，利用频率计显示其频率差，最终用单片机自动化处理数据并显示水速。作品还参与了电脑仿真技术模块，以便更直观的观测水管中水流流速的动态变化状况。该作品原理突出、观测直观，实现对流体流速的测量。

[关键词]激光多普勒流速光外差法

一、激光多普勒效应测速的原理分析

1、多普勒效应

当波源和观测者存在相对运动时，观测者接收到的波，其频率会偏离波动本来的频率。相向运动，频率升高；相背运动，频率则降低，而且相对运动速度越大，这种频率偏移也越大，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。

2、激光多普勒效应测速原理

激光多普勒效应测速是利用流体在光场中的多普勒效应来测量流体的流速。这是一种非接触测量方法，只需要把光波送至测量点处，对流体没有干扰。激光多普勒效应测速还可以确切地控制被测空间大小，通过控制光束,光束在被测点处聚焦成为很小的测量体，可获得分辩率为20～100Lm的极高测量精度。除此之外，激光多普勒效应测速具有输出信号频率与速度成线性关系的优点，并能覆盖很宽的速度范围。从原理上讲，其响应没有滞后，能跟得上湍流的快速脉动，能同时测定流体的大小和方向。

假设液体中微粒滚动的速度为v，照射在微粒上的光为平面单色光波，波矢量为k，光频率v0,光速为c，一般v要比c小得多。根据相对论理论，微粒相对于光波运动，微粒散射光的频率因多普勒效应而发生频移。微粒散射光的频率

v?应为：

v??v0

v1?cos?c其中?为光波波矢量与微粒速度矢量间的夹角。

因此，散射光相对于入射光产生的多普勒频移量?v为：?v?v??v0?v0vvcos??cos?c?其中?为散射光波长。

ks光源v图一：激光照射散射粒子?粒子二、激光多普勒效应测速的试验装置

1试验设计流程图

光源流体光学系统光电探测器信号处理电路显示2试验装置及其光路图

（1）、光路图：

图二：试验设计流程M1激光v流体M3M2光电探测器信号处理电路图三：光外差法测运动微粒散射光路图

由于光频率很高，散射光微小的多普勒频移不能直接被光电探测器测得，所以我们采用光外差探测法。如上图所以，由氦氖激光器发射出单色连续激光，先经过半反射半透射镜M1后分成两束光。其中透射光照射在流体中的微粒上。

M1的反射光再经过反射镜M2和半反射半透射镜M3反射后，投射到光电探测器上作为外差探测的参考光束。微粒散射光是沿各个方向传播的，其中只有微小部分的方向与参考方向一致，能再光电探测器上形成差拍信号。经光电探测器检波输出就得到了微粒散射光多普勒频移的电信号。（2）、试验装置：

1、氦氖激光器：用半内腔单模稳频氦氖激光器，不扩光束，功率只要0.3mW就够了。

2、半反射半透射平面镜、反射镜

3、水泵：采用平日养鱼时的小型水泵，可以调理水速的最好。

4、光电探测器：采用硅光电管，起到把光信号转化成电信号的作用。常用的是光电倍增管、光电雪崩管和光电二极管等。

5、放大器：由于硅光电管转化的电信号比较微弱，不便于测量，所以需要

用放大器将输入的电信号放大后再输出到频率计上。

6、频率计：输出信号频率

7、速度显示系统：采用单片机控制，液晶屏显示水速

三、激光多普勒效应测速的电路设计

1、电路部分流程图：

接收信号2．放大电路

放大信号显示频率单片机应用系统液晶显示水速图四：电路部分流程图

放大电路：用