激光测速技术的研究进展

刘敦伟

(扬州大学 江苏 扬州 225009)



激光测速技术的研究进展

刘敦伟

(扬州大学 江苏 扬州 225009)

本文主要介绍了激光测速技术的结构和工作原理，在各种实验流体力学测试研究领域中的分析与应用，以及激光测速技术的发展历程。激光测速技术(LDV)的出现开辟了对复杂流动精确、定量、动态测量研究的新里程，为流体力学实验研究提供了更加有力和方便的新手段。本文通过介绍激光测试技术在几个实验案例中的应用来简单的展现激光测速技术的发展。

激光测速技术；实验流体力学；研究进展

引言

激光测速(measurement of velocity by laser)是测量移动物体反射回来的光的频率由于多普勒(Doppler)效应发生的偏离，在被测物体是热的或者是易碎的不能用接触法时，这种方法是很有用的，已用此法测出轧钢机中炽热钢坯的移动速度。

激光测速就是能通过激光对物体运行速度的测量，它是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。同时它也是一种新型的测速测量技术。随着科技的发展，传统的测量设备已不能满足现状的需求，已渐渐地被淘汰，而激光测速传感器已被广泛使用，它在很多领域中测量有着重要意义。

自从Yeh和Cummins于1964年首次使用激光多普勒效应测试圆管管流中的平均速度和湍流度以来，到目前为止已经有51年的历史了。在这51年里，激光测速技术(Laser Doppler Velocimetry-LDV)从无到有，慢慢发展壮大，已经在实验流体力学实验严重中发挥着至关重要的作用，成为流体力学实验室里的常规设备。自Yeh和Cummins成功的把激光测速技术应用于实验流体力学实验研究以来，引起是世界各国科技工作者对这项技术的注意，纷纷参与这一领域的研发和应用。从而激光测速技术取得了很大的进展和重要的成果，为复杂湍流流动的研究提供了一项可以定量的，精确的技术设备，为数值模拟的发展提供了实验依据和验证。

一、激光测速的主要成就及应用

激光测速技术的出现极大地推动了实验流体力学研究，为以后的研究应用提供的帮助可以说是空前的。

(一)激光测速技术在燃料组件棒束间隙中水速分布中的应用

在激光测速技术出现出现之前，对于反应堆燃料组件全尺寸模型棒束之间水速分布的测量，是需要姜燃料组件放大若干倍，然后放进风洞中用毕托管进行测量，在通过换算得到全尺寸模型中的数据，这种方法不仅耗费时间和大量的经费，数据精度也会受到一定的影响。然而，激光多普勒测速仪却可以方便准确的对燃料组件全尺寸模型中流速分步进行测试。

应用激光测速技术对燃料组件全尺寸模型中流速分布进行测试，因为测试条件中测流道比较狭窄，散射光的收集会受到立体角的限制，故收集到的测点散光很少。为了应对以上原因，研究者们专门设计研制了一台前向散射激光多普勒测速仪，它的特点是仪器的光学发射头部可以绕轴旋转360°，可以测量不同方向的流速。

其测试流程为用一个分束器吧从5mV氦氖激光器输出的光速一分为二，然后经由透镜，进入狭窄的被测流道聚焦在被测点上，形成明暗相间的干涉区。当水流中存在的散射微粒经过这一测量区时(垂直于两光束角平分成的方向)，就会依次出现光强随时间变化的散射光，其频率与这点的流速成正比

其中fD为多普勒频率，n为流体折射率，λ为激光束波长，θ为两会聚光束之间的夹角。

将光强变化的散射光收集，送至光电倍增管，转换成电讯号。然后送入讯号处理机处理，以数字的形式显示出来。跟踪器备有模拟输出插孔，用光线示波器记录它输出的模拟电压波形就可直接观察流体中测点的速度波动。然后用记忆示波器接在光电倍增管后面前置放大器的输出端，就可观察和拍摄到清晰的多普勒波形。激光多普勒测速技术测量狭窄通道中的水速分布，具有独特的有点，能够取得良好的效果，是其他方法无匹敌的。

(二)激光测速仪在空泡水筒中的应用

在激光测速技术出现之前，研究者一般是测定某一截面处的时间平均速度来作为物体(比如螺旋桨、回转体等)的来流速度或尾流速度，这种传统的方法不仅繁琐，而且也不是很准确。激光多普勒测速仪是流动微观世界强有力的测量工具。用激光测速仪测量流体流速，不需要在流场中设置测速探头，从而不会干扰到流场；测量比较精确，空间分辨率高；同一时间能测出三维方向上的流动速度。把激光测速技术应用于空泡水筒中，极大地推动了研究进展。自中国船舶科学研究中心从美国引进了一台三维激光测速技仪，并在空泡水筒中投入使用以来，为研究者们的科研工作带来了很大的便利。

为了完成水筒实验中各种流动状态的测量任务，研究者们在光路结构上选用具有中心光束的，布置成轴对称、双色、五光束、单镜头的三维几双测速仪。采用混合分离法(色分离和频移分离)区分流体中三个速度分量的有效信号。从而达到光束穿越玻璃观察窗口进入水筒内时，不会因为介质的不同，而发生折射使聚焦性能变坏。

单镜头三维激光测速仪还不能满足某些研究课题的特殊需要，研究者们为了能够确保某些实验中所测流场三个方向上速度分量都十分精确，配置了一台光导传送的一维激光测速仪。为了适应微结构的研究需要，研究者们配置了一台大型的高精度三坐标闭环数支架和一台小型的高精度三坐标计算机控制支架。选用IBM-PS/2-80计算机并配备三台计数型号处理器和一台旋转编码器来采集和处理数据。在实际使用中，研究者们还用激光测速仪测量了回转体边界层内流速分布和尾流速度分布情况，螺旋桨流场及桨叶间流动情况。激光测速仪为研究者们取得了很多极为宝贵的资料，是以往传统测量无法实现的测量。

二、启示与展望

在这50多年里，经过无数为科学家和工程技术人员的努力，使得激光测速技术快速的发展起来，成为各个领域不可缺少的常规设备。但是，激光测速技术还是不可避免的有一些缺点，比如单频激光多普勒测速仪存在着直流漂移，抗干扰性能很差；正交偏振双频激光多普勒测速仪就不存在直流漂移，抗干扰能力强，其测速上限却受到双频激光器频差的限制，不能够对高速度运动的物体进行测量；现有的激光多普勒测速技术都有着自己的优缺点，我们需要做的就是努力把激光多普勒测速技术推向更加先进的一个水平，使其具有更高的测速精度，更大的测速范围和更强的干扰能力。我国对激光测速技术的研究相对较晚，因此相对于欧美国家比较落后的，然而经过科学家和科技工作者30多年的努力，我国的激光测速技术也取得了重大的突破，比如，由中国工程物理研究院流体物理研究所自行研制的激光干涉测速系统，其性能指标已经达到了国际先进水平。科学始于测量，新的测量方法标志着一个国家和一个时代的进步，希望有更多的科学家，和学者以及更多的年轻力量投入到激光测速技术的研究中来。

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