介绍

     激光多普勒风速计 （LDA） 是一种被广泛接受的气体和液体流体动力学研究工具，并且已经使用了三十多年。这是一种成熟的技术，可以提供有关流速的信息。

    其非侵入式原理和方向灵敏度使其非常适合具有逆流、化学反应或高温介质的应用，以及物理传感器难以或无法使用的旋转机械。它需要流动中的示踪粒子。该方法的特殊优点是：非侵入式测量、高空间和时间分辨率、无需校准以及能够在逆流中进行测量。

原则

LDA 的基本配置包括：

• 连续波激光器
• 透射光学元件，包括分束器和聚焦透镜
• 接收光学元件，包括聚焦透镜、干涉滤光片和光电探测器
• 信号调节器和信号处理器。

      高级系统可能包括横移系统和角度编码器。布拉格单元通常用作分束器。它是一个玻璃晶体，并附有一个振动的压电晶体。振动产生声波，其作用类似于光栅。

布拉格单元的输出是两个强度相等的光束，频率为 f0 和 fshift。这些被聚焦到光纤中，将它们带到探头。

在探头中，来自光纤的平行射出光束由透镜聚焦，在探头体积中相交。

探针体积

探针体积通常为几毫米长。由于激光束之间的干涉，光强度被调制。这会产生高光强度的平行平面，称为条纹。条纹距离 df 由激光的波长和光束之间的角度定义：

每个粒子通道都会散射与局部光强度成比例的光。

流速信息来自流体中携带的微小“种子”粒子在通过探头体积时散射的光。散射光包含一个多普勒频移，即多普勒频率 fD，它与垂直于两个激光束的平分线的速度分量成正比，该速度分量对应于探头体积中显示的 x 轴。

散射光由接收器镜头收集并聚焦在光电探测器上。安装在光电探测器之前的干涉滤光片仅将所需的波长传递给光电探测器。这可以消除环境光和其他波长的噪声。

信号处理

光电探测器将波动的光强度转换为电信号，即多普勒脉冲，由于激光束的强度分布，该信号是正弦信号，具有高斯包络。

多普勒脉冲在信号处理器中被过滤和放大，该处理器通常通过使用稳健的快速傅里叶变换算法进行频率分析来确定每个粒子的 fD。

条纹间距 df 提供有关粒子行进距离的信息

多普勒频率 fD 提供有关时间的信息：t = 1/fD

由于速度等于距离除以时间，因此速度的表达式变为：速度 V = df* fD

确定流向的符号

布拉格单元获得的频率偏移使条纹图案以恒定速度移动。不移动的粒子将产生 Shift Frequency fshift 信号。速度 Vpos 和 Vneg 将分别产生信号频率 fpos 和 fneg。

没有频移的 LDA 系统无法区分正负流向或测量 0 速度。

具有频移功能的 LDA 系统可以区分流向并测量 0 速度。

双组分和三组分测量

为了测量两个速度分量，可以在垂直于第一个光束的平面上向光学元件添加两个额外的光束。

所有三个速度分量都可以通过两个单独的探头测量两个和一个分量来测量，所有光束都在一个公共体积中相交，如下所示。使用不同的波长来分离被测成分。三个带有适当干涉滤光片的光电探测器用于检测三种波长的散射光。

现代 LDA 系统采用由布拉格单元和彩色分束器组成的紧凑型发射单元，可产生多达 6 个光束：三种不同颜色的未移位和频移光束。这些光束通过光纤传递到探头。

种子粒子

液体通常含有足够的天然晶种，而在大多数情况下，气体必须进行晶种。

理想情况下，颗粒应该足够小以跟随流动，但又足够大以散射足够的光，从而在光电检测器输出处获得良好的信噪比。

通常，颗粒的粒径范围在 1 μm 到 10 μm 之间。颗粒材料可以是固体（粉末）或液体（液滴）。

 

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