激光多普勒

2020/3/21河北工业大学1ParticalDynamicsAnalysis(PDA)激光颗粒动态分析仪LaserDopplerAnemomter(LDA)激光多普勒风速仪2020/3/21河北工业大学2第一节激光多普勒测速典型光路布置单光束双散射型1、激光器2、光学组件3、光电倍增管4、测量部位主要用于一维速度测量2020/3/21河北工业大学3双光束参考光型1、激光器2、光学组件3、光电倍增管4、测量部位2020/3/21河北工业大学4双光束前向散射型、双光束后向散射型-2-112-2-1122020/3/21河北工业大学5双光束差动系统中粒子散射光的多普勒频移将一束激光利用分光系统分为两束强度相近的光束，然后使之相交在空间某点，光束相交形成干涉条纹区，称为控制体，当运动粒子通过控制体时，发出散射光。对于光束1、2，R处检测到粒子的多普勒频移分别为：coscoscoscos2211vfvf则检测器检测到的频差如下，与接收方向无关2121121221cos2sin2coscos，，其中fcvvfff2020/3/21河北工业大学6当粒子垂直于两光束所在平面运动时021fv2sin2上式就是多普勒测速的公式，但是上式不能判断粒子的运动方向（正向或者负向），称为180度模糊性。必须采用给入射激光预置频移的方法才可以判断粒子的运动方向。2020/3/21河北工业大学7控制体内的等效干涉条纹模型干涉条纹条纹宽度为：2sin22020/3/21河北工业大学8当粒子穿过明暗相间的条纹时，假设经过一个条纹间距所需要的时间为T，那么：cos,,vvxvvvTxxx方向的投影在式速度cos2sin21vTf上式与根据多普勒效应推到的公式完全一样，因此两个模型式等小的。2020/3/21河北工业大学9控制体内的体积对于TMM00模激光远场发射半角和聚焦半径为：20020rFbr控制体的三维尺寸与体积分别为：2sin22222cos22000bbbzyxsin233430bWzyx激光多普勒空间分辨率就是控制体的体积，显然增大发射透镜前光束直径可以使控制体减小，增大空间分辨率。2020/3/21河北工业大学10预置频移对于湍流度小于30%的流场，不能根据判断上页公式判别速度方向问题并不是很大，但是对于高湍流度流动就必须要考虑流动方向了，特别是回流区内得测点必须要知道流动方向才成，一般采用预置频移的方法来实现。预置频移即在没有信号频率时用旋转光栅或者声光调制等方法在两入射光束预先造成一个几十兆赫的频移量（相当于控制体内的条纹预先向某个方向移动，移动频率fs）,这样光检测器在有信号频率时接收到的频率变为：fffsPM加号表示速度方向与预置条纹运动方向相反；减号表示相同。（也就是光检测到频率小于预置频移为正，大于为负）利用PDA测量时，流动方向指向频移光2020/3/21河北工业大学11布拉格盒布拉格盒的原理是声光调制作用。入射光在通过利用晶体的压电效应产生超声振荡的介质时，相当于通过一个正弦型相位衍射光栅。一般加40兆HZ的频移。在经过布拉格盒之后，其一级衍射波的载频与入射角变如下。为声波波长为原光波波长，其中为超声波频率是原光波频率，，其中,2aasfvfvf2020/3/21河北工业大学12一般在布拉格盒单元中配置一个棱镜以便将光束调整为原方向2020/3/21河北工业大学13第二节激光多普勒测速仪的组成部件2020/3/21河北工业大学14一、光机系统激光器的选择：1、前向接收可以选用功率较小的氦氖激光器，后向接收需要选择功率较大的氩粒子激光器；2、激光器的波长也是选择的指标之一，因为影响条纹间距；3、若控制体的尺寸受到严格限制，则需要考虑光束直径；4、激光器的价格与输出功率几乎呈指数增长，需要考虑。2020/3/21河北工业大学15主要光学部件与功能1、偏振旋转器：用来改变光束的偏振方向，尽管激光是线偏振光而非自然光，但是为了保证控制体内两光束的偏振方向一致，有必要采用偏振旋转器。2、分束器：由激光器来的单束光经分束器后根据需要分成两束或者多束。2020/3/21河北工业大学163、透镜：发射透镜是将分束器后的两束平行光聚焦在后焦点，以形成高激光功率密度的采样控制体；接收透镜是将前焦点处的控制体内课里的散射光以一定立体角接收，并传送给光电检测器。因此接收透镜对消除球差的要求比发射透镜高。2020/3/21河北工业大学174、光束扩展器：用来扩大光束的直径，用来改善空间分辨率。5、布拉格盒：预置频移。6、针孔光阑：属于空间滤波器，目的是过滤掉采样区周围的杂散光，避免其进入光电检测器产生噪声。7、接收光阑：也是空间滤波器，与接收透镜配合以控制立体接收角和散射光的进光量，防止杂散光进入。8、干涉滤光片：安置在光电检测器前，目的是把非散射波长的所有背景光过滤掉9、光束移位器：用来移动光束的几何位置，调节控制体内干涉条纹的数目。10、光束阻挡器：用来阻挡频移盒内非一级衍射光进入采样区2020/3/21河北工业大学18光电检测器光电检测器：作用是将运动粒子散射的光信号转换成相应频率的电信号，主要是光电二极管（PD）、光电倍增管（PM）、雪崩光电二极管（AP）2020/3/21河北工业大学19二、信号处理系统信号处理系统的作用是将光电检测器输出的微弱的电频率信号转换为正比于粒子运动速度的、能为数据处理系统所接受的、合适的电压模拟信号或者数字信号。要求：精度高、分辨率高、可处理信号频率范围宽、在低信噪比下可在短时间内获得较高的多普勒频率信号。目前主要有：频谱分析仪、滤波器组、频率跟踪器、频率计数器、光子相关器等2020/3/21河北工业大学20多普勒信号的质量加在光电检测器表面的信号，由于外差的作用产生由一个直流分量和一个交流分量所合成的电信号输出。其中的交流部分是我们需要的信号频率，而直流部分并不是我们需要的且它会导致信息质量降低，因此定义清晰度（可见度）来评价信号的优劣：PDIIIIVISssss直流低频分量的振幅交流高频分量的振幅minmaxminmax影响清晰度的因素包括粒子大小、粒子浓度、高斯光束、散射光强扇形分布等。2020/3/21河北工业大学21粒子大小的影响很小的粒子通过控制体靠近中心的明暗条纹时，会产生一个完全的调制信号，清晰度高；较大的粒子由于散射光多会产生一个较大的直流基峰和较小的交流调制信号；而很大的粒子会使交流信号部分完全消失。事实上，由于还存在折射与衍射等效应，比条纹间距大得多的粒子也可以获得较好的多普勒信号。2020/3/21河北工业大学22粒子浓度的影响粒子浓度明显影响信号调制。如果某一瞬时仅有一个粒子通过采样区，则调制信号令人满意A；如果同时有两个粒子且它们时刻相位相同，则调制深度加倍B；如果它们恰好时刻相位相反，则调制信号完全被抵消而只有直流信号存在D；如果同时存在三个粒子，则调制效果较B有所减弱C。实际情况采样区的粒子数量与尺寸都是随机的，速度也是随机的，因此信号调制也是随机的，杂乱的信号引起相位噪声，所以粒子浓度的增加将导致信号清晰度减小。2020/3/21河北工业大学23高斯光束的影响由于光束的高斯光强分布特性，使得落在控制体径向与轴向的光强也呈现高斯分布，因此只有靠近采样区中心位置的粒子能够获得最好的信号质量，其他区域的信号较差。如果两光束相交不理想，将造成z轴方向条纹数的变化，即使同一粒子通过不同采样区也会造成信号频率的差异，造成误差2020/3/21河北工业大学24散射光强扇形分布的影响根据米理论，每条入射光线经采样区内同一粒子的散射光强沿着自身轴线的前向呈现扇形分布，那么只有在两束光夹角平分线的方向上，两个光强才具有相同的分布，因此可以获得最佳的调制信号，在其他方向上由于干涉光束的光强不同导致不利噪声。通过合理设计接收窗口可以消除一部分噪声。2020/3/21河北工业大学25信噪比光电检测器接收信号时，同时伴有噪声，如果加到检测器上的噪声很大，即使信号本身质量很好，检测器也不容易分辨。因此定义信号与噪声的比值为信噪比，作为评价多普勒测速仪的重要指标之一。下图是示波器显示的多普勒信号，后者信噪比差影响信噪比的因素主要有：影响散射的各个因素、微粒在流体中的特性、激光功率、光路设计以及检测器特性等等2020/3/21河北工业大学26降低噪声的方法1、检测器本身的噪声需要通过选择合理的结构来降低2、使用高质量、高洁净的光学元件与观察窗，减少反光与闪光3、采用吸光挡板、合理安排透镜方向，减少直接反光4、在接收透镜系统使用可调光阑、光谱滤波器等过滤杂光5、在采样区附近壁面涂抹吸光涂料或者荧光涂料，或者使用镜面，避免直接反射散射光6、关掉室内灯光以及其他外来光源2020/3/21河北工业大学27频谱分析仪频谱分析仪就是一个窄频带的滤波器，它持续不断地对被研究的频率范围进行扫描，当被研究频率与扫描频率一致时，在分析仪上输出一个峰值2020/3/21河北工业大学28频率计数器工作原理：让信号通过一个低通滤波器将基底频率滤掉（a、b），然后信号经过一个触发器，触发器的触发阈值应大于噪声振幅；具有高斯包洛线的多普勒信号中每个大于阈值的周期振幅都会被触发计数（c）；通过测量通过零线的多普勒信号的N1个周期的时间t1，计算出信号频率。频率计数器可以计算气流中一系列的瞬间速度，并以数字形式显示，也可与计算机连接计算出平均速度与湍流强度。计数器每点的采样时间约为1微妙，数据采集频率高达1MHZ2020/3/21河北工业大学292020/3/21河北工业大学30第三节粒子发生器以及粒子的跟随特性某些情况下，流体中存在的固体或者液体颗粒足以产生合适的多普勒信号，但是很多时候为了提高数据质量，需要人为地加入一定数量符合要求的粒子，称为“播撒”。对粒子的要求：1、应该能够足够准确地跟随流体流动；2、必须能够发出足够的散射光以产生待测信号；3、必须有足够预期的数量，即要有一定的粒度与浓度。粒子的粒度既不能过小也不能过大，粒度过小散射光太弱，将附带比信号还强的噪声；粒度过大，跟随性差，不能模拟流体的流动。一般来说平均直径应在0.5~5.0微米之间，且单粒度分布最好粒子的浓度取决于消耗分析装置的类型，通常是希望在采样体积内只存在一个粒子。流体中粒子的浓度一般按照下式来确定是流体总流量度，是粒子发生器的离子浓量是粒子发生器的输出流，其中TssTsspQNQQNQN2020/3/21河北工业大学31产生粒子的技术1、雾化：利用介质雾化或者超声雾化方式产生液滴的过程。2、蒸发、凝结：使油蒸发后在受控条件下让油蒸气凝结，是产生单粒度分布粒子的好方法，仅限于常温使用。如果是研究火焰，可使用氯化钠结晶粒子3、在气流中掺混固体粒子：采用金属氧化物粉末的流化床技术可产生这种粒子，由于粒子的熔点很高，适用于燃烧研究，特别在后向接收装置中散射效率高于液滴。4、荧光材料：在液体溶剂中添加荧光材料，在氩激光照射下会发出荧光，这些液滴在通过控制体的时候产生散射光与荧光，适用于后向接收。2020/3/21河北工业大学32播撒粒子对测量的影响播粒方法可能对测量结果产生较大的影响：例如：对于喷管羽流的测量时，若只在喷管内流动中播撒粒子，则从周围环境卷吸的气流将不产生信号，此时测得的混合区内的流速将与实际情况发生偏差。如果环境是具有高湿度的空气，而喷管内是冷流体，则吸入喷管的空气内的水蒸气将凝结产生附加的散射粒子，此时预先掺混示踪粒子的方法将影响激光多普勒的诊断质量2020/3/21河北工业大学33粒子的跟随性播撒示踪粒子，激光多普勒通过测量粒子的速度来得到所要测量的流体的速度，因此需要粒子具有很好的跟随性，一般用下式进行评价流体运动粘度粒子滞后时间，湍流脉动角频率流体速度，粒子速度，其中ffpfppfppfpdfvvv