激光多普勒测速实验报告

研究生专业实验报告实验项目名称：LDV激光多普勒测速实验学号：20141002042姓名：张薇指导教师：唐经文动力工程学院重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告1LDV激光多普勒测速实验一、实验目的应用激光测量流体的流速，是六十年代迅速发展起来的一种新的测速方法。它和过去应用的传统的测速仪器，如皮托管、旋浆式流速仪、热线式风速仪等相比，有如下几个主要优点：无接触测量，不干扰流场；测速范围广（4秒米101045）；空间分辨率高；动态响应快。特别是对高速流体、恶性（如：酸性、碱性、高温等）流体、狭窄流场、湍流、紊流边界层等的测量方面，显示出传统方法无法比拟的优点。本实验要求在熟悉激光测速光学系统和信号处理基本原理的基础上，应用实验室的频移型二维激光测速仪测量一个具有分离、再附、旋涡和高湍流度的复杂流场，了解这种流场中平均速度、速度直方图、湍流度和雷诺应力等湍流参数在主流区、回流区、剪切层和边界层等区域的不同特征，以及激光测速在测量复杂湍流流动方面的功能和优点有着重要的实验意义。二、实验设备图1：激光多普勒测速仪图2：实验模型结构尺寸重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告2图3：实验系统图三、实验原理和方法激光多普勒测速仪，英文缩写是流体流速测量的光学方法之一，是利用光学多普勒效应。即当激光照射运动着的流体时，激光被跟随流体运动的粒子所散射，散射光的频率将发生变化，它和入射激光的频率之差称为多普勒频差或多普勒拍频。这个频差正比于流速，所以测出多普勒频差，就测得了流体的速度。实际接收到的多普勒信号，是包含有各种各样噪声的信号。例如光电倍增管带来的信号散粒噪声，暗电流散粒噪声，背景光噪声，热噪声，以及其他测量仪器带来的噪声等。同时，多普勒信号还是一个调制信号，由于各种原因，使多普勒频带加宽。例如，振幅调制，散射粒子受布朗运动影响，散射粒子通过探测体积所需要的渡越时间，多粒子进入探测体积初位相的不同，激光束的角扩散及速度梯度等原因，都会引起多普勒频带的加宽。为了尽量减小噪声和带宽，以及从具有一定的噪声和带宽的信号中，取出反映流速的“有用”信号，必须选择合适的信号处理装置，对多普勒信号进行处理。一种信号处理装置，是利用高分辨率的法布里-珀罗干涉仪，直接跟踪光学信号。此种干涉仪调整比较简单，在大散射角工作时空间分辨率较高，但在测低速时受到限制，一般能测的下限速度为25秒厘米。另一种信号处理装置是频谱分析仪，它实际上是通过调谐窄带滤波器，把信号用示波器器显示出来，其中心频率在频谱范围内缓慢地扫描。由于使用滤波器，在任一瞬间时只能观察到全部信号的很少一部分，浪费了有用的信息和时间。进来信号处理装置都采用能跟踪可变频率的振荡器，称为自动跟踪可变频率跟踪器，简称频率跟踪器。四、实验内容在熟悉激光测速光学系统和信号处理基本原理的基础上，应用频移型二维激光测速仪测量复杂流场的速度。重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告3实验装置调整：入射光单元射出的三束光均为一级衍射光，而且保持相当的亮度，其中公共光束应略强于另两束光，另两束光亮度应相同。判断是否一级光的方法：将频移器电源关掉，则三束出射光消失。如频移器关掉，光束不消失，则说明该光束为零级光，不是一级光。调节公共光束亮度的方法：旋转图1中1/2波片2，可调节公共光束与其它两束光的光强比。调节水平与垂直光束光强比的方法：调整激光发生器中心1/2波片，可调节使水平与垂直光束亮度大致相等。三束入射光应严格相交。可以用放大镜焦点象放大到远处的屏幕上进行检查。如相交不好，调整激光发生器的光楔来改变光束偏转角使其相交。首先，使接收光单元的接收透镜光轴线尽量与如射光单元的光轴线位于同一轴线。这时，如将镜头盖盖上，三束入射光照在镜头盖上，三个光点大体上应成直角三角形对称分布（见图1照片）。将镜头盖取下，打开超声波加湿器电源，使粒子流通过光束焦点。这时，在接收光单元的两个观察镜中应能看到粒子散射光的象（见图2、3所示）。如果找不到象，可将接收器固定支杆的螺丝松开，上下移动或旋转接收器镜头，总能在观察器中见到粒子散射光象。下一步的任务就是通过微量的调整使接收器中的象达到一定要求。图4：接收器的正确位置图5：粒子散射光束图6：观察器中见到的象重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告4要求在接收器两个观察镜中的象同时达到以下要求：两束光线的象亮度基本相等。一般说来，水平分量光束的象只能出现在水平观察器，垂直分量光束只能出现在垂直观察器，它们的亮度是无须调节的。而公共光束既通过水平观察器，又通过垂直观察器，如果一个观察器中的公共光束象很亮，另一观察器中公共光束的象很暗，则需要微量旋转入射光路中波片4的外侧波片，使达到两个观察器中公共光束的象亮度差不多即可。两束交叉光线的象在交点处最细，在非交点处则逐渐变粗。这可以通过调节接收透镜焦距微调旋转器来达到。如果将微调旋转器转到头还达不到要求，则需要松开接收器在导轨上的固定螺丝，将接收器沿导轨前后移动一段距离，就一定能找到一个适当的位置，达到交点最细。要使针孔光阑的小孔严格对准交叉光束象的交点。这可以通过调节观察器旁的两个光阑位移调节螺丝来实现。如果将螺丝调到头还是到不了位，则必须松开支杆固定螺丝，上下移动或旋转接收器，使交叉光象的交点能够落入光阑孔微调螺丝的调节范围内。2、实验数据采集1）启动加湿器，适当调节阀门开度大小，使之在透镜中看到粒子散射光的成像。2）打开光电倍增管高压电源开关，调节两光电倍增管电流不超过100微安打开前置放大滤波器和双线示波器，选择适当档位便于观察和数据输出。3、打开计算机，进入LDV软件操作界面进行参数设置、采样和数据处理。五、实验步骤1）合上电源开关，调节电流在15mA左右，预热30分钟；再合上频移发生器开关，按下第2档按钮。2）入射光系统调整：检查三束光的相交性，如果不相交，按照实验调整特别说明调整使之相交。3）调接接受光系统：检查透镜中的光束是否成像，如果不成像，按照实验调整特别说明调整使之成像。4）启动加湿器，适当调节阀门开度大小，使之在透镜中看到粒子散射光的成像。5）打开光电倍增管高压电源开关，调节两光电倍增管电流不超过100微安，打开前置放大滤波器和双线示波器，选择适当档位便于观察和数据输出。6）打开计算机，进入LDV软件操作界面进行参数设置、采样和数据处理。六、数据采集与整理实验所得数据如下表所示：重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告5列1通道1通道21-2速度1-2夹角MeanValue-0.330820.1980052.20608178.134STDDeviation1.270331.31470.79291266.7377STD/Mean-3.839946.639730.3590130.374653rdMoment1.682621.737811.0611584.0818Skewness-5.086188.776620.4810110.4720154reMoment1.999612.067111.2732596.3606Flatness-6.0443610.43970.5771560.540946ReynoldsStress0000.132065Correlation0000.027136表1：实验测得数据图7：实验测得数据图误差分析：（1）多普勒频率与粒子的运动速度成正比，这也是LDV系统的基本原理，但这里已经对信号光的频率fs作了近似，fs展开时略去了高次项，从而给多普勒频率带来了原理上的误差项。:v越小，θ越大，由原理公式近似引起的误差越小。（2）在进行理论分析和计算时，一般都认为激光是单色的，然而在实际应用中激光器出射的激光总有一定的线宽1f～2f,1f和2f2分别为激光的下限和上限频率。一方面，由激光光束的线宽引起的误差与光束的线宽Δf0成正比，因此，在测量时可以选用线宽较窄的激光器；另一方面，一般He-Ne激光器出射激光的频宽相比光束的中心频率很小，因此由激光光束的线宽引起的误差较小。重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告6实际测量过程中还有很多其它因素会对测量结果产生影响，如速度梯度引起的误差，即待测区不仅仅只有一个运动粒子，而存在着大量粒子，并且这些粒子的运动速度也并不完全一样，各自产生的多普勒频率就各不相同，探测器接收到的信号是各个粒子产生信号的平均结果，于是就产生了一个相应的多普勒频率的范围，从而给测试结果带来误差。重庆大学动力工程学院研究生专业实验报告7实验名称：激光多普勒测速实验学号：20141002042姓名：张薇考核成绩：综合评语：教师签名：年月日