热工测试技术07流速2

热能与动力工程测试技术

第七章 流速测量第一节 皮托管测试技术

第二节 热线(热膜)测试技术第三节 激光多普勒测速技术 第四节 粒子图像测速技术

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第三节 激光多普勒测速技术 接触式测速：测量探头对流场有干扰，限制了测量 的频率响应速度和空间分辨率。 非接触式测速：激光多普勒测速技术(Laser Doppler Velocimeter,LDV ) 1)对流场无干扰。 2)输出特性的直线性好，不必进行标定。 3)除流体折射率外，不受其他物理参数影响。

4)空间分辨率高、无惯性，频响特性好。5)测速范围广，从低速到超声速。

6)测量方向特性稳定。7)可以测量逆流现象中循环流的湍流速度成分。

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非接触式测速缺点： 价格昂贵，使用操作复杂; 须在流动管壁 上设置激光观测窗口，在被测流体中须加入能 够充分响应流体速度的散射微粒等。

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激光多普勒测速仪的主要用途：

(1)由于非接触式测量，且可同时测量一空间点上

两个或三个方向的速度分量，因此适用于测量涡旋流、分离流、燃烧流及两相流等复杂流场； (2)可实时测量一点速度随时间的变化(包括大小和 方向),因此适用于对不定常流、脉动流中一点的 持续测量，获得速度-时间波形； (3)在定常流中逐点测量速度，可获得不同方向的 速度剖面，适用于测量任意截面上的速度剖面、边

界层速度剖面及壁面摩擦力等；

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(4)测量湍流的时均速度、脉动速度、湍流 强度、雷诺应力及功率谱等湍流参数，用两 台测速仪可测量两点湍流参数的空间相关性;

(5)测量流体中粒子浓度和直径；(6)测量流体温度等。

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激光多普勒测速仪

激光多普勒测速仪 三位LDV流动测试实验台

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激光多普勒测速仪：全程质量视觉检测

激光多普勒测速仪

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一、激光多普勒测速原理 激光多普勒效应：当激光照射到跟随流体 一起运动的微粒上时，微粒散射的散射光频率 将偏离入射光频率，频率偏离量称做多普勒频 移。 多普勒频移与微粒的运动速度(流体的流速) 成正比，故测量出多普勒频移即得流体速度。

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激光光源LS:发射单色平面光波频率fi,波长λi, 传播方向用单位矢量Ki表示； 微粒P:跟随流体运动，运动速度为矢量v; 光波接收器PD:接收微粒P的散射光波，方向为单 位矢量Ks。

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运动微粒P所接受到的光波频率fp为

c为光速。 接收器PD接收到的光波频率fs为

将式(7-17)代入上式，得

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接收器接受频率fs与光源发射频率fi与多普 勒频移fD关系为

微粒速度v=|v|« c,则1-v.Ks/c≈l,并将fi= c/λi代入上式

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设矢量Ki与Ks夹角为θ,速度矢量v与合成矢量 Ks- Ki 之间的夹角为φ,则

速度v在Ks- Ki方向上的分量vn =vcosφ,代入式 (7-20)

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根据上式

,当入射光波长λi、入射光波方 向Ki与散射光波接收方向Ks的夹角θ一定，微 粒运动速度vn与频移fD呈线性关系。

通过改变光源与检测器的相对位置，可以 测量出微粒速度在任意方向上的分量大小。

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二、测量多普勒频移的基本光路系统1.直接检测法:直接测量 散射光频率来求取频移， 应用较少。 多普勒 频移检 测方法 2.外差检测法:将频 移的检测转换为两束 光波之间频率差的检 测，目前常用。 参考光 束系统

单光束 系统 双光束 系统

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1.参考光束系统 分光镜S以1:9的分光比分成参考光和信号光。 参考光以入射方向Kr通过流体直接照射到光电检测 器PD上； 信号光以入射方向Ki照射到流体中微粒P上，产生散 射光经小孔光阑N及接收透镜L2聚焦到光电检测器PD上。接收到的参考 光频率就是光源发 射频率fi。由散射 光与参考光的频率 差得频移fD 。

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光束经微粒散射后，强度极大削弱。采用1:9的比 例将光源光束分割，使光电检测器接收到的参考光强 度与被散射的信号光强度具有相同的量级，才能得到 高信噪比和高效率的多普勒信号。

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2.单光束系统 沿Ki照射到微粒P后 产生散射光，从Ks1和Ks2 两个对称方向接收散射 光，将其他方向上的光 束遮挡。 检测接收到的两束散 射光之间的差拍信号

频移fD =fs1 –fs2