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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，最后用单片机自动化处理数据并显示水速。作品还加入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情况。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察者存在相对运动时，观察者接收到的波，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精确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，可获得分辨率为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。假设液体中微粒流动的速度为v，照射在微粒上的光为平面单色光波，波矢量为k，光频率0v,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：cos10cvvv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：coscos00vcvvvvv其中为散射光波长。二、激光多普勒效应测速的实验装置1实验设计流程图2实验装置及其光路图（1）、光路图：skv粒子图一：激光照射散射粒子光源流体光源光学系统光电探测器显示信号处理电路图二：实验设计流程由于光频率很高，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1M后分成两束光。其中透射光照射在流体中的微粒上。1M的反射光再经过反射镜2M和半反射半透射镜3M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，其中只有极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）、实验装置：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：采用平时养鱼时的小型水泵，可以调节水速的最好。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，所以需要图三：光外差法测运动微粒散射光路图光电探测器v流体2M3M激光1M信号处理电路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：2．放大电路放大电路：用于放大接受的小信号，把光电参测器转换成的电信号放大。由于通过光外差法得到的信号非常的微弱，所以，为了便于后面电路的应用，需要把信号放到到一定的大小。电路如图五所示：接收信号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3、频率计本频率计的数据采集系统主要元器件是单片机AT89C51，由它完成对待测信号频率的计数和结果显示等功能，外部还要有分频器、显示器等器件。可分为以下几个模块：放大整形模块、秒脉冲产生模块、换档模拟转换模块、单片机系统、LCD显示模块。各模块关系图如图四所示：图六数字频率计功能模块3.1系统工作原理图显示时基电路倍频锁相放大整形单片机被测信号图五：模拟放大电路电路图该系统工作的总原理图如图七所示：3.2信号调理及放大整形模块放大整形系统包括衰减器、跟随器、放大器、施密特触发器。由运算放大器构成的射级跟随器起阻抗变换作用，使输入阻抗提高，放大信号。系统的整形电路由施密特触发器组成，整形后的方波送到闸门以便计数。电路如图八所示：D4DIODED3DIODED2DIODE23765184U3LM311D1DIODECLR11CLK13D12D212CLK211SET14SET210CLR213Q15Q16Q29Q28GND7+5V14IC174LS1412J1CON212J2CON2C1105R1RES1R2RES1R3RES1R4RES1R5RES1R6RES1D5ZENER1VCC15V-VCC15VGNDVCC15V-VCC15VGNDGNDGND5VGNDVCCGND32184U1ALF353567U1BLF353图七：频率计工作原理图图八：信号调理及放大整形电路图3.3时基信号产生电路：本电路采用32768HZ晶体震荡器，利用CD4060芯片经过14级分频得到2HZ的信号（32768/214），在经过CD4013双D触发器经过二分频得到0.5HZ的方波，即输出秒脉冲信号使单片机进行计数。电路如图九所示：图九秒脉冲产生电路原理图4、A/D转换模块A/D转换的作用是把探测到的模拟信号转换为数字信号送给单片机处理。为了减少信号的量化失真，需要采用高精度的A/D转换芯片本方案使用的是AD7810、Q121Q132Q143Q64Q55Q76Q47VSS8∮09-∮010∮111RESET12Q913Q814Q1015VDD16U10000000000CD4060Q11-Q12CLOCK13RESET14D15SET16VSS7SET28D29RESET210CLOCK211-Q212Q213VDD14U2CD4013C110pY232768GNDVCCVCCC20.1uR71M/INTO图十：AD7810的引脚排列：5、显示模块5.1、硬件部分经过A/D转换后的数据，送进单片机AT89S51进行处理。通过软件编程把得到的电信号数值运算转换为对应的水速表示。采用1602液晶显示。图十二：显示部分电路图图十一：A/D转换芯片与单片机连接电路图：5.2、单片机程序软件设计主要能过编写软件来控制硬件完成以下各模块的功能：5.2.1定时读数5.2.2量程转换5.2.3BCD转换5.2.4LCD显示的功能单片机当C/T=1时为计数方式，多路开关与定时器的外部引脚连通，外部计数脉冲由引脚输入。当外部信号由1至0跳变时，计数器加1，此时T0成为外部事件的计数器。由于确认一次由1至0的跳变要用24个振荡器周期，所以计数器的计数频率为单片机内部计数器频率的1/24。当C／T=0时为定时方式，对单片机内部计数器进行m2分频后，计数器的实际计数频率为单片机内部频率凡的1/m2，当GATE=0时，反相器输出为1，或门输出为1，打开与门，使定时器的启动仅受TRO端信号电平的控制。在此种情况下，INT0引脚的电平变化对或门不起作用。TRO=1时接通控制开关，计数脉冲加到计数器上，每来一个计数脉冲，计数器加1，只有当TRO=0时，控制开关断开，计数器停止计数。当GATA=0时，若TRO=1，或门、与门全部打开，外部信号电平通过INTO引脚直接控制定时器的启动和关闭。输人高电平时允许计数，否则停止计数。根据定时器的结构原理，若我们将GATE位、TR0均设为‘1’，INT0端输人被测频率信号，当被测信号的高电平到来时，开始计数；当被测信号的低电平到来时，计数器停止计数，此时TL0、TH0的数据就是相应的N值。6、计算机处理通过一个串口发送程序，使单片机中的数据传送到电脑，用串口调试助手接收。然后进行绘图等处理。可以清晰直观的看到通过改变水泵速转速，不同时刻的不同速度。四、可行性分析1、原理简明，可行性高。本作品以多普勒效应为依托，利用频移来测流体的速度，原理简单易明，且实验装置简单，便于操作。2、性价比高，适用于物理教学。本作品实验装置所用到的材料均为常见材料，购买便利，且做出来的成品又适用于多普勒效应的实验教学，能够很好的体现出多普勒效应原理，因此性价比极高。3、技术支持。我们队员当中有理论扎实的，也有在电子技术知识和操作能力方面比较强的。在能力方面各有所长，可谓相得益彰，可以扬长避短，因此队伍的核心竞争力比较强，这样也使得我们的优势达到了最大化，所以我们相信该作品在制作方面不会有太大的问题。[参考文献]何书森，何华斌．实用数字电路原理与设计速成[M]．福建科学技术出版社．模拟电子技术[M]．西安：电子科技大学出版社．哈里德,瑞斯尼克,沃克.物理学基础[M].北京:机械工业出版社,2005.康华光，陈大钦．电子技术基础模拟部分[M]．第四版，北京：高等教育出版社．刘广生,李慧.普勒效应及其应用[J].南阳师范学院学报,2006,5(6):37238,44.徐国旺,别业广.关于多普勒效应的探讨[J].武汉工业学院学报,2003,22(2):1182120.杨宏春.大学物理[M].北京:机械工业出版社,2005.吴泽华,陈治中,黄正东.大学物理[M].杭州:浙江大学出版社,1997.陈国杰,张潞英,谢嘉宁,等.基于单片机多普勒效应实验仪的设计[J].大学物理实验,2005,18(1):41243.陈明杨先为朱世坤《四级物理实验》科学出版社周殿清《大学物理实验教程》武汉大学出版社