多普勒测速仪是如何工作的?

从驶来的机车上听到的声波之间的距离被压缩了,就像一个人在合上手风琴。这一动作的结果是明显更高的音调。当火车离开时,声波传播开来,出现了更低的声音——这种现象被称为“多普勒”效应。

这种多普勒效应也被雷达测速仪用来检测机动车辆的速度。从速度计上射出一道光线,射在车上,再回到速度计上。速度计中的微处理器将返回的波长与原始波长进行比较。返回波长越近,汽车向前行驶的速度就越快——这证明驾驶员更有可能开得太快。

多普勒测速仪简介

TSI的LDV/PDPA系统

LDV/PDPA的主要装置和原理

激光多普勒测速仪通过激光探针测量示踪粒子的多普勒信号,然后根据速度与多普勒频率的关系得到速度。因为是激光测量,对流场没有干扰,测速范围广。而且由于多普勒频率与速度成线性关系,与该点的温度和压力无关,所以是目前世界上测速精度最高的仪器。

LDV/PDPA测速的工作原理可以用干涉条纹来解释。当聚焦透镜将两束入射光转换成?角会聚后,由于干激光束的良好相干性,在会聚点形成明暗干涉条纹,条纹间距与干光波的波长成正比,与干半交角的正弦值成反比。当流体中的粒子经过条纹区方向时,会依次散射出一系列强度随时间变化的散射光波,称为多普勒信号。这一系列光波强度变化的频率称为多普勒频移。粒子通过边缘区域的速度越高,多普勒频移越高。将垂直于条纹方向的粒子速度除以条纹间距,并考虑流体的折射率,可以得到多普勒频移与流体速度的线性关系。LDV/PDPA系统利用速度和多普勒频移之间的线性关系来确定速度。多普勒频率在各个方向上的相位差与颗粒直径成正比,利用监测到的相位差可以确定颗粒的大小。

LDV/PDPA系统按功能分为:光路部分和信号处理部分。光路:采用He-Ni激光器或Ar离子激光器,因为它们可以提供514.5 nm,488 nm,476.5 nm三种波长的高功率激光。带移频装置的分光器将激光分成强度相等的两束,通过单模保偏光纤和光纤耦合器送入激光发射探头,调整激光聚焦在腰部同一点,保证测量体积最小,这就是测量体,即光学探头。接收探头将接收到的多普勒信号送到光电倍增管转换成电信号,处理比较复杂,然后由多普勒信号分析仪进行分析处理,由计算机记录。支持系统软件可以进行数据处理。在流场中有合适示踪粒子的条件下,可以同时测量三个方向的速度和粒子直径。

TSI是世界上第一家生产商用LDV/PDPA系统的公司。目前TSI的LDV/PDPA系统拥有四项专利设计,广泛应用于流场、湍流、传质、传热、流型和燃烧的研究。FSA4000可以处理高达175MHz的多普勒频率,加上40MHz的频移,可以处理1000 m/s以上的流场。

所以对于三维PDPA系统,由于采样时间长,要求激光器稳定,能长时间稳定工作,三个波长的能量要求尽可能相等,以保证三维速度测量的精度,所以TSI公司选择了世界第一激光品牌Coherent公司的激光器,虽然贵但是质量稳定。在光路设计上,要求保证高信噪比,调节方便,用户使用方便。这就需要光纤探头的调节,要求调节范围宽,调节精度高。而且在多维测量中,需要多束激光聚焦在同一点上,TSI公司提供专门的调整工具,从根本上保证信号的质量。世界上大部分关于激光测速的文章、论文和测试结果都是通过TSI的产品获得的。TSI公司的多普勒激光测速仪性能稳定,质量可靠,已被世界各地的客户所证明。