激光多普勒测速仪(LDV)相位多普勒粒子分析仪(PDPA)

粒径测量

激光多普勒测速仪（LDV)1相位多普勒粒子分析仪（PDPA)2激光全息3激光衍射粒度分析仪

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激光透射仪5目录高速摄影粒度分析6激光多普勒测速仪（LDV)和激光相位多普勒粒子分析仪（PDPA)都是根据运动粒子的光散射效应来进行测量的。光的散射：介质中存在的微粒（气态、液态或固态)对光束的影响使光波偏离原来的传播方向而向四周散射的现象。

1.1散射基本概念分类若粒径dp<<（入射光波长)，用Rayleigh理论；若粒径dp~

，用Lorerz-Mie理论；若粒径dp>

,用几何光学理论第一章激光多普勒测速仪LDV1.1散射基本概念米氏散射理论:散射光的频率不随散射角的位置而变，但散射光的光强却与散射方向有很大关系。入射光束与散射粒子的线度的关系:入射光强越强，散射光强越强，而且越向入射光的方向集中。

向前散射光强比向后大1.2激光多普勒测量原理在相交区里,由于两束光之间的干涉,存在干涉条纹,粒子以速度u运动,如果u和条纹平面法线的夹角为,则粒子会受到一个光强的调制,其频率即为差动多普勒频率。

在差动多普勒技术中,相交光束产生的条纹图L2L1d1/e2激光束光强:1/e2激光束直径:d聚焦前两平行光束的距离:s聚焦透镜焦距:F两聚焦光束的夹角:

椭球型控制体基本参数:直径:宽度:长度:条纹间距:LDV测速的关键参数,可用速度标定工具来检验粒子速度:1.2激光多普勒测量原理粒子大小和浓度测量:信号可见度法

信号底基幅值法在多普勒信号中有可见度的定义:可见度和球形颗粒度的关系，可近似用第一类一阶贝塞尔函数的形式来表示:J1:一阶贝塞尔函数dp:粒子直径

f:干涉条纹间距可见度方法只适合用于粒径很小的粒子测量,其可测的有效动态范围较小,只能准确测量50

m以下的粒子。

Doppler信号中的最大、最小和基底值信号底基幅值法:信号的幅值只取决于粒径dp和粒子从测量体中经过的路径。一般用标定来建立信号幅值和粒径的关系。

1.2激光多普勒测量原理适用范围需要条件信号可见度dp<

f预先标定粒径与信号可见度或幅值的关系信号底基幅值dp>

fLDV信号测粒径只能用于一些简单、粒子浓度很低的流动1.3激光多普勒测速仪的外差检测模式参考光束系统:参考光直接照

射到光检测器去同散射光束进

行光学外差。

单光束系统:一束光在两个不同方向上的散射光进行光外差而获得多普勒频移。

要求两个接收孔的直径要选择适当,过大过小都会使信号质量变坏,降低测量精度。而且这种光路对光能利用率低,目前已较少使用。

可用光阑受到严格限制,光路安排、接收光阑、粒子浓度与可达到的信噪比的关系十分密切。

双光束/差动多普勒速度测量系统,无参考光束多普勒频移与接收方向无关光检测器的位置可以任意选择有较好的信噪比调准较容易1.3激光多普勒测速仪的外差检测模式1.4激光多普勒测速的设备激光发生器冷却系统光纤驱动器光纤发射器接收器光电倍增管分析仪DSA软件相位多普勒粒子分析仪（PhaseDopplerParticleAnalyzer，简称PDPA)，它是由激光多普勒测速仪（LDV)发展而来的，是利用随流体而运动的粒子同时测量流体速度和粒径的泛称，是一种两相流测量仪器。

1—激光器2—分光镜3—发射透镜

4—接收透镜5—光电倍增管6—频率相位处理器7—测量体PDPA的测速原理与LDV是相同的

本质上是一个单粒子计数器

第二章

相位多普勒粒子分析仪（PDPA)PDPA的测速原理与LDV是相同的,是LDV的发展与延续。

2.1相位多普勒测粒原理所测相移待测的透明球形粒子相当于透镜（焦距f)。静止时，直径d的球形粒子在空间相距R处产生由折射放大的条纹，其间距设为。。。。

PD法的测量原理与光散射干涉法密切相关，即以波长作为测量标尺。PDPA中两入射光束的交角较小（约5°)，同时测量容积保持较少的条纹数（5-8条)，但PDPA的接收光学至少基于2个（通常3个,可解决相位模糊问题)光电检测器。接收器不宜放在。。。衍射区，最常用的是30°前向散射,粒子越小，散射角越大。测量球形粒子粒径和速度精度最高的仪器：测速精度可达0.2%，粒径测量精度为0.5%，雾滴数及雾化角测量精度达1%。

2.2相位多普勒测粒要点仪器包括320mw氩离子风冷激光器、激光耦合器、RSA信号处理器、数据处理系统以及激光发射和接收器等。一般情况下,它的测速范围是-90～283m/s,可测粒径范围是0.5～90µm,此范围还可通过更换发射镜头加以扩大。

处理器激光器发射器接收透镜光电倍增管2.3PDPA设备1.由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，2.由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度、

压力没有关系;3.消除了由于散射光干涉带来的复杂问题;4.对采样体的精确确定，使得在测量粒子速度和粒径的

同时，也可以测量粒子的密度和体积流量;5.信号处理技术的优势提高了数据的可靠性;6.目前还只能被用在固体浓度较低的环境中。

可以说它是目前世界测量球形粒子粒径和速度精度最高的仪器。

2.4PDPA的特点2.5PDPA应用实例雾化流场的PDPA测试装置简图

1—空气压缩机2—储液罐3—调节阀4—压力表5—流量计6—喷嘴7—接收探头8—发射探头运用PDPA进行喷雾试验时，测速精度可达0.2%，粒径测量精度为0.5%，雾滴数及雾化角测量精度达1%。

PDPA测量喷射燃料粒子场

两束激光束相交处为测量区域,在该区域形成干涉条纹,喷雾场粒子通过该区域,接收探头接收到折射和散射光信号,经信号分析和数据处理,得到粒子速度和粒径信息。2.5PDPA应用实例实验结果

左图为PDPA测量粒径统计分布结果,横坐标为喷雾粒径,单位为μm,纵坐标为统计个数。小结应用激光多普勒技术（LDV/PDPA)可以获得如下信息：

流体的瞬时速度、时均速度、均方根脉动速度；

悬浮粒子的瞬时速度、时均速度、均方根速度；

悬浮粒子的尺寸大小及分布；

悬浮粒子的浓度（数量密度、体积流率等)；

粒子运动的动态行为。LDV/PDPA只能测量粒子体积浓度小于1%的流动，速度测量较准确，粒径次之，浓度测量可靠性最差。

全息照相原理是1948年DennisGabor为了提高电子显微镜的分辨能力而提出的。“全息”是指物体发出的光波的全部信息：既包括振幅或强度，也包括相位。

丹尼斯·伽柏(DennisGabor，1900年6月5日—1979年2月9日)，英国籍匈牙利裔物理学家，因发明全息摄影而获得1971年诺贝尔物理学奖。

第三章激光全息3.1全息摄影简明原理

在物体旁边放一张感光底片,如果不采取任何措施,物体中每一点发出的散射光都能到达底片上的任意一点,得到的是一张均匀曝光的底片,没有记录到物体的像。

物体中每一点只允许有一条光穿过小孔到达底片时,就可以在底片上得到物体的倒像,也是普通照相原理。

3.1全息摄影简明原理

从一个角度另外提供参考光源,到达底片上的既有来自物体的光,也有来自参考光源的光,会在底片上形成阴暗相间和形状不规则的条纹,干涉结果。阴暗和分布分别对应物体光的振幅和相位,就把代表物体光波的所有信息记录下来。

3.1全息摄影简明原理

普通照相只记录了物体各点的光强信息（反映在振幅上)，丢掉了位像信息，得到的是一个二维平面图像，毫无立体感。全息照相是利用相干光叠加而发生干涉的原理，借助于所谓参考光波与原物光波的相互作用，记录下二种光波在记录介质上的干涉条纹，这种干涉条纹不仅保存了物光波（从物体反射的光波)的振幅信息，同时还保存了物光波的位相信息，它只有在高倍显微镜下才能观察得到。记录了干涉条纹的全息照片可以看做是个复杂的衍射光栅，当用与原参考光波相同的光再照射该光栅时，其衍射波能重现原来的物光波，在照片后原物的位置就可以观察到原被照物的三维图像。

3.1全息摄影简明原理全息摄影与普通摄影的区别类别全息摄影一般摄影记录方式物束光与参考光束光学镜头成像（物束光）记录内容物体散射光的强度及相位信息景物本身或反射光强度成像介质记录后称全息片（全灰色调）感光胶片影像观察方式一般借助激光还原观看眼睛直接观看色彩表现彩色干涉条纹图像彩色物体图像影像特点三度空间立体感的景物，只有散射光线而并无实物平面物体图像

激光全息摄影包括两步:

记录

再现全息记录过程

把激光束分成两束;一束激光直接投射在感光底片上,称为参考光束;另一束激光投射在物体上，经物体反射或者透射，就携带有物体的有关信息，称为物光束.物光束经过处理也投射在感光底片的同一区域上.在感光底片上，物光束与参考光束发生相干叠加，形成干涉条纹，这就完成了一张全息图。

红宝石激光器

分束器扩束器反射镜反射镜全息干板

全息再现方法

用一束激光照射全息图,这束激光的频率和传输方向应该与参考光束完全一样,于是就可以再现物体的立体图象。人从不同角度看,可看到物体不同的侧面,就好像看到真实的物体一样,只是摸不到真实的物体。

He－Ne激光器 扩束器共轭实像物虚像

用高倍显微镜观看全息图表面，看到的是复杂的条纹，丝毫看不到物体的形象，这些条纹是利用激光照明的物体所发出的物光波与标准光波（参考光波)干涉，在平面感光底板上被记录形成的，即用编码方法把物光波“冻结”起来。一旦遇到类似于参考光波的照明光波照射，就会衍射出成像光波，它好像原物光波重新释放出来一样。所以全息照相的原理可用八个字来表述：“干涉记录，衍射再现”。

几种典型的全息干涉方法

(1)单次曝光法(实时干涉法)：拍摄某—物体的全息照片，显影、定影后使之精确复位，这时稍微变—下原物的状态，如加上或解除应力、压缩或膨胀等等，使之产生一定形变，则新的物光束与原物的重建光束之间由于物上各点的位移而产生光程差，使肉眼根本看不出的物体形态变化在全息图上产生干涉条纹；据此可研究物体形变或微小位移及其与受力的关系。"单次”是指拍摄全息片时只经过一次曝光。

在单次曝光法中，全息片的复位要求精确，比较难以做到，乳胶的畸变也有一定影响，但只拍摄一张全息片就可以多次或连续观察物体的变化

。

(2)两次曝光法:在同一张底片上拍摄物体在不同时刻的两张全息照片，如果这两个时刻物体有形变，那么再现时，得到两个重建的物光束，它们由于彼此相干而且存在光程差而产生干涉花样。干涉条纹的分布直接与物体的始末状态有关，可用来分析物体状态的变化。两次曝光法不能观察物体连续变化的情况，但对底片的安放及对再现光的要求不那么严格，易于实现，此外乳胶的畸变对两个重建光波的影响基本一样，干涉时相互抵消。不再产生附加的光程差。

(3)时间平均法:全息照相还可以用来研究物体的快速微小振动。其做法是:对振动物体拍摄全息照片，再现时可以看到物像表面重叠着干涉条纹。关于干涉条纹产生的原因，可做粗糙的定性解释:振动着的物体在极限位置的速度为零，所以在极限位置滞留的时间最长，选择合适的曝光时间，可拍摄到物体在两个极限位置的全息图，近似地等效于物体分别处于极限位置的两个静止状态，从而和两次曝光法类似．再现时将出现干涉条纹。对干涉条纹进行分析可得到物体振动的准确情况。

全息照相的拍摄要求为拍出一张满意的全息照片，拍摄系统必须具备以下要求:(1)光源必须是相干光源(2)全息照相系统要具有稳定性

(3)物光与参考光应满足:物光和参考光的光程差应尽量小

(4)使用高分辨率的全息底片

(5)全息照片的冲洗过程要在暗室进行，

药液千万不能见光，保持在室温20℃

左右进行冲洗。

全息照相的特点1.再现像形象逼真，立体感强，和观察实物一样，具有完全相同的视觉效应。2.全息照片上的每一部分，都是整个物体的物光与参考光相干叠加的结果，因而每一部分，不论大小，都携带整个物波在该处的全部信息。因此，都能再现被摄物的完整图像。即使干板打碎了，每块碎片也能再现完整的图像，当然，碎片越小，像的分辨率也就越低。3.在一张全息底片上，经过多次曝光，可记录下物光与参考光夹角不同的许多全息照片。4.因全息图具有光栅结构，经其衍射的成像光束总有两支，因此所成像总是孪生的一对。物体的虚像与共扼实像共存，不象光学透镜成像那样是唯一的。5.全息照片的再现象可放大或缩小。当用不同波长的激光照射全息照片时，由于拍摄所光的波长不同，再现像就会放大或缩小。

激光全息的应用1.把一些珍贵的文物用这项技术拍摄下来,展出时可以真实的立体再现文物,供参观者欣赏,而原物妥善保存,防失窃。2.大型全息图既可展示轿车、卫星以及各种三维广告,亦可采用脉冲全息术再现人物肖像、结婚纪念照。3.小型全息图可以戴在颈项上形成美丽装饰,它可再现人们喜爱的动物,多彩的花朵与蝴蝶。4.迅猛发展的模压彩虹全息图,既可成为生动的卡通片、贺卡、立体邮票,也可以作为防伪标识出现在

商标、证件卡、银行信用卡,甚至钞票上。5.装饰在书籍中的全息立体照片,以及礼品包装

上闪耀的全息彩虹,使人们体会到21世纪印

刷技术与包装技术的新飞跃。

激光全息原图激光数字全息技术重建的颗粒图像也可采用激光数字全息技术获得颗粒场的粒径分布应用激光全息术拍摄喷雾场全息图第四章激光衍射粒度分析仪4.1激光衍射粒度分析仪测量原理

基于激光颗粒前向散射原理。当一束激光束照射到被测液滴时,受液滴的散射作用,激光会向四面八方散射,其中大部分散射光能量处于前向方向。散射光能的分布与被测液滴的大小有关,采用专门设计的扇形多元光电探测器测出前向散射光能的分布,根据光散射理论及反演算法对测得的散射光能分布数据进行处理,就可以得到被测液滴的粒度分布。

基本光学知识告诉我们,当一束光照射到一个物体表面时,光会发生散射。这散射中有表面反射、介质折射和衍射三种效果。虽然物体周围都充满着各种散射光,但这三种散射光的强度分布有差异,即在不同的散射角三种散射光的相对能量大小不一,它与物体本身特性有密切联系,即反映一定的物体特征。

4.1激光衍射粒度分析仪测量原理衍射:又称为绕射，波遇到障碍物或小孔后产生偏离直线传播的现象。衍射现象是波的特有现象，一切波都会发生衍射现象。

发生明显衍射现象的条件:孔或障碍物可以跟波长相比，甚至比波长还要长。当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光可看成沿直线传播。当孔尺寸远小于波长的时候，尽管衍射十分突出，但由于能量的减弱衍射现象不易观察到。

注意,光的直线传播只是一种近似的规律,衍射现象是一直存在的,只是明不明显的问题。

激光衍射粒度分析仪利用的是光的夫琅禾费（Frauhofer)衍射现象，即远场衍射。

4.1激光衍射粒度分析仪测量原理菲涅尔衍射:

光源和观察点距障碍物为有限远的衍射称为菲涅尔衍射。夫琅和费衍射:

光源和观察点距障碍物为无限远，即平行光的衍射为夫琅和费衍射。

菲涅尔衍射：光源和观察点距障碍物为有限远的衍射，

称为菲涅尔衍射（近场衍射)。夫琅和费衍射：光源和观察点距障碍物为无限远，即平

行光的衍射为夫琅和费衍射。

远场接收要求光源和观测屏（或二者之一)与障碍物的距离为无穷远，在实际操作中一般是通过在障碍物和观测屏之间放置一透镜，把无穷远处的衍射图样拉回到透镜后的焦面上，观测屏放置在透镜的焦面上。如下图所示，一激光束照射到物体颗粒，在其前向区域产生衍射，通过透镜把无穷远处的衍射图样聚焦到它的焦平面上，在位于焦平面的观测屏上就能看到远场衍射图样。

4.1激光衍射粒度分析仪测量原理单色激光束待测颗粒衍射光傅里叶透镜观测屏夫琅禾费衍射示意图4.1激光衍射粒度分析仪测量原理夫琅禾费衍射的光强分布d：颗粒尺寸;f：傅里叶透镜的焦距;：入射光波长;J1：一阶贝塞尔函数;

：入射角。

激光衍射光强分布落在光电探测器第n环（环半径从Sn到Sn+1，对应的散射角从θn到θn+1)上的光能量为：4.1激光衍射粒度分析仪测量原理如果测量中同时有N个直径为d的颗粒存在，则在第n个光环上所接收到的光能量将是一个颗粒时的N倍（N·en)。以此类推，当颗粒群中直径等级为di的颗粒共有Ni个，则颗粒群在第n环处总的衍射光能将是所有各等级颗粒在第n环处衍射光能之和，即4.1激光衍射粒度分析仪测量原理如果尺寸分布用重量W表示，W和N之间的关系为:式中:ρ为颗粒物质的密度建立了光电探测器各环的衍射光信号与被测颗粒粒径及分布之间的对应关系。对于在粒度分析中用激光衍射技术,当中的计算涉及到有关线性方程组求解的病态问题和算法快慢问题,这要根据具体的物理过程的特点,结合有关矩阵论知识来解决。

4.2激光衍射粒度分析仪结构激光接收器激光发射器另有:USB信号电缆

计算机4.2激光衍射粒度分析仪组成4.2激光衍射