激光測速技術的研究進展

劉敦偉

(揚州大學 江蘇 揚州 225009)

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激光測速技術的研究進展

劉敦偉

(揚州大學 江蘇 揚州 225009)

本文主要介紹了激光測速技術的結構和工作原理，在各種實驗流體力學測試研究領域中的分析與應用，以及激光測速技術的發展歷程。激光測速技術(LDV)的出現開辟了對復雜流動精確、定量、動態測量研究的新里程，為流體力學實驗研究提供了更加有力和方便的新手段。本文通過介紹激光測試技術在幾個實驗案例中的應用來簡單的展現激光測速技術的發展。

激光測速技術；實驗流體力學；研究進展

引言

激光測速(measurement of velocity by laser)是測量移動物體反射回來的光的頻率由于多普勒(Doppler)效應發生的偏離，在被測物體是熱的或者是易碎的不能用接觸法時，這種方法是很有用的，已用此法測出軋鋼機中熾熱鋼坯的移動速度。

激光測速就是能通過激光對物體運行速度的測量，它是對被測物體進行兩次有特定時間間隔的激光測距，取得在該一時段內被測物體的移動距離，從而得到該被測物體的移動速度。同時它也是一種新型的測速測量技術。隨著科技的發展，傳統的測量設備已不能滿足現狀的需求，已漸漸地被淘汰，而激光測速傳感器已被廣泛使用，它在很多領域中測量有著重要意義。

自從Yeh和Cummins于1964年首次使用激光多普勒效應測試圓管管流中的平均速度和湍流度以來，到目前為止已經有51年的歷史了。在這51年里，激光測速技術(Laser Doppler Velocimetry-LDV)從無到有，慢慢發展壯大，已經在實驗流體力學實驗嚴重中發揮著至關重要的作用，成為流體力學實驗室里的常規設備。自Yeh和Cummins成功的把激光測速技術應用于實驗流體力學實驗研究以來，引起是世界各國科技工作者對這項技術的注意，紛紛參與這一領域的研發和應用。從而激光測速技術取得了很大的進展和重要的成果，為復雜湍流流動的研究提供了一項可以定量的，精確的技術設備，為數值模擬的發展提供了實驗依據和驗證。

一、激光測速的主要成就及應用

激光測速技術的出現極大地推動了實驗流體力學研究，為以后的研究應用提供的幫助可以說是空前的。

(一)激光測速技術在燃料組件棒束間隙中水速分布中的應用

在激光測速技術出現出現之前，對于反應堆燃料組件全尺寸模型棒束之間水速分布的測量，是需要姜燃料組件放大若干倍，然后放進風洞中用畢托管進行測量，在通過換算得到全尺寸模型中的數據，這種方法不僅耗費時間和大量的經費，數據精度也會受到一定的影響。然而，激光多普勒測速儀卻可以方便準確的對燃料組件全尺寸模型中流速分步進行測試。

應用激光測速技術對燃料組件全尺寸模型中流速分布進行測試，因為測試條件中測流道比較狹窄，散射光的收集會受到立體角的限制，故收集到的測點散光很少。為了應對以上原因，研究者們專門設計研制了一臺前向散射激光多普勒測速儀，它的特點是儀器的光學發射頭部可以繞軸旋轉360°，可以測量不同方向的流速。

其測試流程為用一個分束器吧從5mV氦氖激光器輸出的光速一分為二，然后經由透鏡，進入狹窄的被測流道聚焦在被測點上，形成明暗相間的干涉區。當水流中存在的散射微粒經過這一測量區時(垂直于兩光束角平分成的方向)，就會依次出現光強隨時間變化的散射光，其頻率與這點的流速成正比

其中fD為多普勒頻率，n為流體折射率，λ為激光束波長，θ為兩會聚光束之間的夾角。

將光強變化的散射光收集，送至光電倍增管，轉換成電訊號。然后送入訊號處理機處理，以數字的形式顯示出來。跟蹤器備有模擬輸出插孔，用光線示波器記錄它輸出的模擬電壓波形就可直接觀察流體中測點的速度波動。然后用記憶示波器接在光電倍增管后面前置放大器的輸出端，就可觀察和拍攝到清晰的多普勒波形。激光多普勒測速技術測量狹窄通道中的水速分布，具有獨特的有點，能夠取得良好的效果，是其他方法無匹敵的。

(二)激光測速儀在空泡水筒中的應用

在激光測速技術出現之前，研究者一般是測定某一截面處的時間平均速度來作為物體(比如螺旋槳、回轉體等)的來流速度或尾流速度，這種傳統的方法不僅繁瑣，而且也不是很準確。激光多普勒測速儀是流動微觀世界強有力的測量工具。用激光測速儀測量流體流速，不需要在流場中設置測速探頭，從而不會干擾到流場；測量比較精確，空間分辨率高；同一時間能測出三維方向上的流動速度。把激光測速技術應用于空泡水筒中，極大地推動了研究進展。自中國船舶科學研究中心從美國引進了一臺三維激光測速技儀，并在空泡水筒中投入使用以來，為研究者們的科研工作帶來了很大的便利。

為了完成水筒實驗中各種流動狀態的測量任務，研究者們在光路結構上選用具有中心光束的，布置成軸對稱、雙色、五光束、單鏡頭的三維幾雙測速儀。采用混合分離法(色分離和頻移分離)區分流體中三個速度分量的有效信號。從而達到光束穿越玻璃觀察窗口進入水筒內時，不會因為介質的不同，而發生折射使聚焦性能變壞。

單鏡頭三維激光測速儀還不能滿足某些研究課題的特殊需要，研究者們為了能夠確保某些實驗中所測流場三個方向上速度分量都十分精確，配置了一臺光導傳送的一維激光測速儀。為了適應微結構的研究需要，研究者們配置了一臺大型的高精度三坐標閉環數支架和一臺小型的高精度三坐標計算機控制支架。選用IBM-PS/2-80計算機并配備三臺計數型號處理器和一臺旋轉編碼器來采集和處理數據。在實際使用中，研究者們還用激光測速儀測量了回轉體邊界層內流速分布和尾流速度分布情況，螺旋槳流場及槳葉間流動情況。激光測速儀為研究者們取得了很多極為寶貴的資料，是以往傳統測量無法實現的測量。

二、啟示與展望

在這50多年里，經過無數為科學家和工程技術人員的努力，使得激光測速技術快速的發展起來，成為各個領域不可缺少的常規設備。但是，激光測速技術還是不可避免的有一些缺點，比如單頻激光多普勒測速儀存在著直流漂移，抗干擾性能很差；正交偏振雙頻激光多普勒測速儀就不存在直流漂移，抗干擾能力強，其測速上限卻受到雙頻激光器頻差的限制，不能夠對高速度運動的物體進行測量；現有的激光多普勒測速技術都有著自己的優缺點，我們需要做的就是努力把激光多普勒測速技術推向更加先進的一個水平，使其具有更高的測速精度，更大的測速范圍和更強的干擾能力。我國對激光測速技術的研究相對較晚，因此相對于歐美國家比較落后的，然而經過科學家和科技工作者30多年的努力，我國的激光測速技術也取得了重大的突破，比如，由中國工程物理研究院流體物理研究所自行研制的激光干涉測速系統，其性能指標已經達到了國際先進水平?？茖W始于測量，新的測量方法標志著一個國家和一個時代的進步，希望有更多的科學家，和學者以及更多的年輕力量投入到激光測速技術的研究中來。

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