光学系统在速度测量上的应用

1. 光学系统在速度测量上的应用

2. 目录 激光多普勒测速仪（LDV） 1 2 粒子影象测速技术（PIV）

3. 1 激光多普勒测速仪（LDV） 激光多普勒测速仪： Laser Doppler Velocimetry 多普勒效应： 如果波源或接收器或两者相对于介质运动，则 发现接收器接收到的频率和波源的振动频率不 同。这种接收器接收到的频率有赖于波源或观 察者运动的现象，称为多普勒效应。

4. 1.1 多普勒频移原理 粒子（移动物体） 光源 光源和观察者是相对静止的，移动物体所散射的光的频移分为两部分： 光源到移动物体的频移 观察者（接收器） ＋ 物体到观察者的频移 ：多普勒频移变化 激光多普勒频移依赖于散射半角的正弦值和v在B方向的分量vcos ：移动物体的运动速度  ：波长

6. 多普勒频移与粒子移动速度之间的关系式为： （1） 速度Vx的粒子散射出一亮一暗的光脉冲，其频率为

7. 1.2 激光多普勒测速仪的外差检测模式 • 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

8. 1.3 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

9. 1.3 激光多普勒测速的设备 • 常用的分光方法（最终通过自调整得到光程相等的两束光）： • 用半镀银或铝表面（或用特殊的多层介质的涂层） • 波前分光 • 用偏振分光器 在以上所有的装置中，光束准确的偏振方向是必须考虑的因素。不同的偏振光，在介质或金属表面反射时产生的相位变化不同。从而使条纹的对比度降低，因此，所用分光器的偏振特性必须经校验。

10. 1.3 激光多普勒测速的设备 前向散射：任何时候在这个方向上的散射光几乎是最强的 用可调光学单元和前向接收器的差动多普勒系统 后向散射的散射装置只能接收到比前向散射小2-3个量级的散射光，必须有大功率的激光器。其优点是容易在这个流动区域内扫描，不需调整。 用方解石分束器和平行边玻璃棱镜增加光束间距的差动多普勒装置及向后散射光接收系统

11. 1.3 激光多普勒测速的设备

12. 1.4 激光多普勒测速仪的使用 • 为提高LDV的性能，流动中常需要撒播作为流动示踪器的光散射粒子，理想的散射粒子应具有如下特性： • 尺寸分布要窄，保证测量结果不偏向具有较高信噪比的大颗粒或聚集在一 • 起的小颗粒，而在保证所需的信噪比的前提下，尺寸应尽量小； • 粒子与所测流体折射率之间的差异尽可能大； • 不应粘附于燃烧或流动试验器的表面，易于收集和清洗，无腐蚀性； • 廉价，来源充足，对使用者无害，也不需要任何特殊的处理。 粒子滞后：瞬态流体运动、加速流、减速流、湍流 LDV测量空气湍流：要求散射粒子直径在1m的量级 水流： 要求散射粒子直径在10m的量级

13. 1.4 激光多普勒测速仪的使用 测速方向正反的判别：常采用“预置频移”的方法 在没有信号频率时，用旋转光栅或声光调制等方法在两入射光束中预先造成一个几十兆赫的平移量fs，当有信号频率时，光电检测器检测到的频率为：

14. 1.4 激光多普勒测速仪的使用 影响多普勒信号质量的因素： 1. 粒子大小的影响 3.散射光强扇形分布的影响 2. 粒子浓度的影响

15. 1.4 激光多普勒测速仪的使用 用差动多普勒技术研究工业燃烧过程中流动的装置 内燃机气缸的光学通道

16. 1.5 激光多普勒测速的优缺点

17. 1.6 其它类型激光多普勒测速仪 • 多点测量用LDV

18. 1.6 其它类型激光多普勒测速仪 • 激光双焦点测速仪（L2FV）

19. 1.6 其它类型激光多普勒测速仪 • 采用光致电动势检测器的激光多普勒测速仪（用于运动或振动物体的 • 测速或测振）

20. 2 粒子影像测速技术(PIV) 利用粒子的成象来测量流体速度的这一类方法均可称为粒子图象测速技术。其分类如下： 像密度定义 式中dI --- 诊断点的直径 像密度的物理意义为：在一个诊断面积内有多少粒子像（或像对）。像密度用来区分粒子迹线法和粒子图像测速方法。 对于PIV：Ni=5-10

21.  t 后，粒子 第二个的像 粒子第一 个的像 Y X t2t1 t2t1 2.1 粒子成像速度技术(PIV)原理 • PIV是一种在流场中同时多点（如数千点）测量流体或粒子速度矢量的光学图象技术。 • 通常在流场的“平面薄片”中进行测量。 • 可在同一时刻记录下整个信息场的有关信息。

24. 电子同步器 CCD 计算机 Nd:YAG激光器 2.2 粒子成像速度技术典型系统 • 光源系统 • 所研究的流场装置 • 示踪粒子的投放系统 • 接收和记录粒子散射光的光学系统 • 信息处理系统

25. PIV系统组成 • 照明流场的瞬时多次曝光光源系统 • 粒子示踪 • 粒子图像的记录装置 • 粒子图像的处理判读方法和设备

26. 瞬时多次曝光光源系统 脉冲激光器 Nd：YAG 激光器 波长：532nm 50～200mJ 激光脉冲宽度：10～15ns 脉冲间隔时间:1us~100ms可调 片光光学元件 光臂 片光镜头：柱面镜和球面镜 联合产生

27. CCD YAG激光器 双YAG激光器的光路系统示意图 3.2 粒子成像速度技术典型系统 在粒子图象测速系统中需要脉冲片光源 • 双脉冲红宝石激光器 波长699nm,脉冲宽度25ns 脉冲能量1-10J，脉冲间隔1s-1ms 脉冲光能量大；不能连续产生脉冲光 • Yag激光器 波长532nm,脉冲宽度15ns 脉冲能量0.2J，脉冲间隔1s-0.1s 可实现从低速到高速流动的测量 一般采用两台Yag激光器, 用外同步装置分别触发

28. 3.2 粒子成像速度技术典型系统 应用光斩波器将连续光源变成脉冲光源 一般采用码盘，或其它电控元件将连续光变成脉冲光。脉冲宽度和脉冲间隔由开孔的直径和码盘的转速来决定。转速越快，脉冲能量越小。

29. 3.2 粒子成像速度技术典型系统 采用扫描光屏来得到片光源 激光光束经高速旋转的n面镜反射形成一个扫描光屏，当转镜的一面扫过流场时，粒子散射光形成第一次像，紧接着第二个面扫过流场时又形成第二次像。这样逐次下去粒子就像被脉冲光源照射一样。

30. 3.2 粒子成像速度技术典型系统 流场中添加粒子 粒子要能跟随流体的运动，粒子的形状要接近与球形。粒子的折射率和介质的折射率之比在散射光中是一个重要的参数。常用的粒子:TiO2, Al2O3, 硅油粒子。选择粒子浓度要考虑使源密度和像密度达到较高值。 记录系统 记录系统一般采用照相机和摄象机 • 照相机: 一张135底片.相当于36002400, 11520 7680像素 适合于高分辨率和宽的动态响应的流场测量 • CCD摄像机: 1024 1024像素 适合于低分辨率和低精度的流场测量

31. 第二次曝光的图象 第一次曝光的图象 双曝光的图象 3.2 粒子成像速度技术典型系统 粒子图像测速的诊断方法 该方法的特点在于它不是跟踪某一个粒子,而是在一个小区内（诊断点）进行统计处理。对于高像密度的PIV来说，在每一个诊断点内像密度至少使Ni 10-20，像点直径大约在10-25m，诊断点直径小于几毫米，粒子位移可以从10 m到毫米量级。

32. 计算机 查询区 1X1mm CCD 流场的像 100X125mm 流场的速 度分布 3.2 粒子成像速度技术典型系统 粒子图像测速的诊断方法分为： • 光学方法 • 测量干涉条纹的间距和方向 • 数字图像技术 • 傅立叶变换法 • 直接空间相关法 • 粒子像间距概率统计法 自相关、互相关

34. 3.2 粒子成像速度技术典型系统 粒子图像处理系统 • 光路系统 • 照片底版驱动及定位系统 • 计算机图像处理系统

35. 三维PIV(Stereoscopic PIV, SPIV)

44. 2.3 粒子成像速度技术应用实例 非稳定流 湍流结构的研究 周期性流动 流动/结构的相互作用 复杂的稳定流场

45. 2.3 粒子成像速度技术应用实例 （a）尾迹中的粒子图 （b）尾迹的速度场 PIV定量测量的活鱼尾迹流场: （来流速度88mm/s，脉冲的间隔3ms，查询区为2.74mm X 2.74mm） （c）减去来流速度后的速度场 （d）涡量分布图

50. 2.4 有关粒子成像速度技术几个问题的讨论 （1）测量的动态范围 动态范围=最大的像间距/最小的像间距 根据采样定理，粒子对的间距最大值不应超过诊断点尺度的一半，而最小的像间距为像直径的1-2倍才使像点不能粘连在一起。 （2）速度梯度的影响 PIV诊断方法是假设在一小块面积内粒子的位移是均匀的。但是有时在诊断面积内速度有变化，特别在湍流度大的流场中就遇到这种情况。弱速度梯度的不均匀性可忽略；强速度梯度时，相关量的峰值RD会向低速方向偏移。 （3）多次曝光 采用等时间间隔的多脉冲曝光可以大大提高相关量的强度（即相关峰值的高度），因为多脉冲曝光相当于增加了粒子浓度。一般选择3-4次脉冲比较合适。选用太多脉冲时，粒子可能已离开诊断点。