LDA测量原理

简介

激光多普勒风速仪(LDA)是一种被广泛接受的用于气体和液体中流体动力学研究的工具，可检测流场速度信息。该设备为非接触测量设备，方向灵敏度高，适用于逆流、化学反应、高温介质和旋转机械等接触式传感器不能使用或者较难使用的场合。流动中的示踪颗粒可以是流场中的固有粒子或者人工投撒的粒子。该设备具有非接触的、高时间\空间分辨率、无需标定、可实现逆向流场测量等优点。

原理

LDA系统的包括：

· 全固态半导体泵浦激光器（DPSSL）

· 发射探头，包括分光器和多种规格消色差前置聚焦透镜

· 接收探头，包扩多种规格消色差前置聚焦透镜，窄带干涉滤光片以及高灵敏度光检测器

布拉格单元具有分束功能。由压电晶体、声波发生器、吸能器等组成。通过布拉格效应，将探测光波长分光。

测量体：

测量体为激光光束通过前置透镜聚焦后焦点区域。该区域相同波长的激光束产生干涉，光强被调制。产生明暗相间的干涉条纹。条纹距离df由激光的波长和光束之间的角度定义:

光电探测器将多普勒光信号转换为电信号，由于激光束的空间光强分布为高斯分布，因此多普勒信号为高斯包络的正弦信号。信号处理器对多普勒脉冲进行滤波和放大，快速傅里叶变换算法(FFT)进行频率分析，确定fD。条纹间距df提供了粒子所走的距离的信息，多普勒频率fD提供关于时间的信息:t = 1/fD，由于速度等于距离除以时间，因此速度的表达式为:V = df* fD。即：

信号处理器

流动方向信号的确定

布拉格单元将固定的频率“加载”到一路光束上，这会使得干涉条纹图案以恒定的速度滚动。即使流场中的示踪粒子是静止的，也会产生频移信号。因此，LDA系统具有了区分正、负流动方向及0速度流动的测量能力。

二维和三维分量测量

3维速度测量可以通过一个2D测量探头和一个1D的测量探头的布置来实现，6个光束（3个不同激光波长）相交于测量体，如下图所示。不同的波长对应不同测量分量（U, V, W）。

LDA系统采用紧凑的发射/接收机制，由布拉格单元和分光器件组成，可分成6个光束:三种不同波长的未频移和频移光束,两个相同波长的激光束组成一个测量维度,经过测量体的示踪粒子散射出的信号光,并被光电探测器接收。光电探测器将光信号转化成电信号,由处理器完成信号处理并做FFT计算后,获得流场内三维速度场数据.

示踪粒子

 LDA测速测量的并不是流体的速度，而是流体中示踪粒子的速度。所以LDA测量中我们需要谨慎考虑粒子播撒问题，使得示踪粒子的速度能够代表流体的真实速度。

示踪粒子既要足够小到能够完全跟随流体，又要足够大到能够反射足够的光信号来被光电探测器检测到。理想情况下，示踪粒子最好悬浮在流体中，也就是说示踪粒子的密度要约等于流体的密度。但是在很多实验中，示踪粒子的密度通常并不重要。但示踪粒子应具有以下特点:

• 能够跟随流动              • 容易被光电探测器检测到

• 容易产生                    • 价格便宜   

• 无毒无腐蚀无磨损       • 不挥发或者挥发缓慢

• 不易产生化学反应       • 易清理

作为分光器使用的Bragg单元

      布拉格单元输出强度基本相同的光束，频率为f0和fshift。激光经过微透镜组耦合入光纤，经过探头，通过消色差前置透镜聚焦，聚焦点即为测量体。

流场速度信息来自于“示踪”粒子在流体中传播时散射激光光。散射光包含多普勒频移，即多普勒频率fD，它与垂直于两束激光平分线的速度分量成正比，该速度分量对应于探头体积所示的x轴。散射光由前置透镜收集并，传导入光电探测器。光电探测器前的窄带宽干涉滤光片，起到了消除了环境光和其他光波长噪声的作用。

LDA系统的多普勒频率-速度传递函数

用于测量三维速度的LDA探头布置