激光多普勒速度测试技术.doc

绪论 1.1 运动物体速度测试技术现状 1.1.1 激光多普勒速度测试技术 （1）多普勒效应 多普勒效应是由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象。由澳大利亚物 理学家J. Doppler1842 年发现的。 声波的多普勒效应 在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高变低。为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；反之声调听起来就低。这种现象称为多普勒效应。为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好像波被压缩了。因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被拉伸了。 光波的多普勒效应 当单频的激光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接收到的光频率是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接收时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应。它又被称为多普勒-斐索效应，是因为法国物理学家斐索（1819—1896）于1848 年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。 20 世纪20 年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。1929年哈勃根据光谱红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度υ与距地球的距离r 成正比，即υ = Hr, H为哈勃常数。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变小。由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物. 因而1948 年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。20 世纪60 年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文学家称为宇宙的“标准模型”。 多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。1868 年，英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度），得出了46 km/s 的速度值。 (2)激光多普勒效应速度测试技术 设一束散射光与另一束参考光（或两束均为散射光，但散射方向不同）的频率分别为fs1 , fs2 ，它们到达光探测器阴极表面的电场强度分别为： 式中， E01, E02 分别为两束光在光阴极表面处的振幅；?1,?2 分别为两束光的初始相位。两束光在光阴极表面混频，其合成的电场强度为： 光强度与光的电场强度的平方成正比： 式中，k 为常数，φ为两束光初始相位差，φ=φ1 ?φ2，如两束光相干，则φ为常数。其中，第一项是直流分量，可用电容器隔去，第二项是交流分量，其中（fs1- fs2 ）正是我们希望得到的多普勒频移。多普勒频移与物体运动速度V 的关系为： 式中：Ki 是激光的传播矢量，Ks 是散射光传播矢量，υ是物体运动速度方向单位矢量，V 是物体运动速度。这就是多普勒测速的基本原理。 激光多普勒测速与传统的测速仪相比具有如下优点： 1. 属于非接触测量:激光会聚点就是测量探头.测量过程对流场无干扰,这对回旋流场尤为适用。也可很方便地在恶劣环境中如火焰、腐蚀性流体内进行测量。 2. 空间分辨率极高：目前测点可小于10?4mm3，随着所用激光波长的减小，光路和聚焦元件性能的改进，还可以进一步缩小。已可测出直径10μm 中小部位流速。高的空间分辨率经常使用于边界层、薄层流体及狭通道场合的测量。 3. 动态响应快：速度信号以光速传播，惯性极小，只要配以适当的信号处理机，可进行实时测量，是研究涡流、测量瞬时脉动速度的新方法。 4. 测量精度高：测量所采用的公式是一个精确的物理关系式，基本上与流体的其他特征（如温度、压力、密度及黏度）无关，通过光路计算和保证制造精确后，可不考虑光路系统误差，系统测量精度很高，因而可用他来校正其他类型测速仪器。 5. 测量量程大：因为频差与速度成简单线性关系，不论低速或高速都不需校正，他允许有很大的频移，目前已能测0.1mm/s~2000m/s 的速度，这是普通测速仪不能比拟的。 6. 测量