劉敦偉

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225009)

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激光測速技術(shù)的研究進(jìn)展

劉敦偉

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225009)

本文主要介紹了激光測速技術(shù)的結(jié)構(gòu)和工作原理，在各種實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)測試研究領(lǐng)域中的分析與應(yīng)用，以及激光測速技術(shù)的發(fā)展歷程。激光測速技術(shù)(LDV)的出現(xiàn)開辟了對復(fù)雜流動(dòng)精確、定量、動(dòng)態(tài)測量研究的新里程，為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供了更加有力和方便的新手段。本文通過介紹激光測試技術(shù)在幾個(gè)實(shí)驗(yàn)案例中的應(yīng)用來簡單的展現(xiàn)激光測速技術(shù)的發(fā)展。

激光測速技術(shù)；實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)；研究進(jìn)展

引言

激光測速(measurement of velocity by laser)是測量移動(dòng)物體反射回來的光的頻率由于多普勒(Doppler)效應(yīng)發(fā)生的偏離，在被測物體是熱的或者是易碎的不能用接觸法時(shí)，這種方法是很有用的，已用此法測出軋鋼機(jī)中熾熱鋼坯的移動(dòng)速度。

激光測速就是能通過激光對物體運(yùn)行速度的測量，它是對被測物體進(jìn)行兩次有特定時(shí)間間隔的激光測距，取得在該一時(shí)段內(nèi)被測物體的移動(dòng)距離，從而得到該被測物體的移動(dòng)速度。同時(shí)它也是一種新型的測速測量技術(shù)。隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)的測量設(shè)備已不能滿足現(xiàn)狀的需求，已漸漸地被淘汰，而激光測速傳感器已被廣泛使用，它在很多領(lǐng)域中測量有著重要意義。

自從Yeh和Cummins于1964年首次使用激光多普勒效應(yīng)測試圓管管流中的平均速度和湍流度以來，到目前為止已經(jīng)有51年的歷史了。在這51年里，激光測速技術(shù)(Laser Doppler Velocimetry-LDV)從無到有，慢慢發(fā)展壯大，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，成為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的常規(guī)設(shè)備。自Yeh和Cummins成功的把激光測速技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究以來，引起是世界各國科技工作者對這項(xiàng)技術(shù)的注意，紛紛參與這一領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用。從而激光測速技術(shù)取得了很大的進(jìn)展和重要的成果，為復(fù)雜湍流流動(dòng)的研究提供了一項(xiàng)可以定量的，精確的技術(shù)設(shè)備，為數(shù)值模擬的發(fā)展提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和驗(yàn)證。

一、激光測速的主要成就及應(yīng)用

激光測速技術(shù)的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)研究，為以后的研究應(yīng)用提供的幫助可以說是空前的。

(一)激光測速技術(shù)在燃料組件棒束間隙中水速分布中的應(yīng)用

在激光測速技術(shù)出現(xiàn)出現(xiàn)之前，對于反應(yīng)堆燃料組件全尺寸模型棒束之間水速分布的測量，是需要姜燃料組件放大若干倍，然后放進(jìn)風(fēng)洞中用畢托管進(jìn)行測量，在通過換算得到全尺寸模型中的數(shù)據(jù)，這種方法不僅耗費(fèi)時(shí)間和大量的經(jīng)費(fèi)，數(shù)據(jù)精度也會受到一定的影響。然而，激光多普勒測速儀卻可以方便準(zhǔn)確的對燃料組件全尺寸模型中流速分步進(jìn)行測試。

應(yīng)用激光測速技術(shù)對燃料組件全尺寸模型中流速分布進(jìn)行測試，因?yàn)闇y試條件中測流道比較狹窄，散射光的收集會受到立體角的限制，故收集到的測點(diǎn)散光很少。為了應(yīng)對以上原因，研究者們專門設(shè)計(jì)研制了一臺前向散射激光多普勒測速儀，它的特點(diǎn)是儀器的光學(xué)發(fā)射頭部可以繞軸旋轉(zhuǎn)360°，可以測量不同方向的流速。

其測試流程為用一個(gè)分束器吧從5mV氦氖激光器輸出的光速一分為二，然后經(jīng)由透鏡，進(jìn)入狹窄的被測流道聚焦在被測點(diǎn)上，形成明暗相間的干涉區(qū)。當(dāng)水流中存在的散射微粒經(jīng)過這一測量區(qū)時(shí)(垂直于兩光束角平分成的方向)，就會依次出現(xiàn)光強(qiáng)隨時(shí)間變化的散射光，其頻率與這點(diǎn)的流速成正比

其中fD為多普勒頻率，n為流體折射率，λ為激光束波長，θ為兩會聚光束之間的夾角。

將光強(qiáng)變化的散射光收集，送至光電倍增管，轉(zhuǎn)換成電訊號。然后送入訊號處理機(jī)處理，以數(shù)字的形式顯示出來。跟蹤器備有模擬輸出插孔，用光線示波器記錄它輸出的模擬電壓波形就可直接觀察流體中測點(diǎn)的速度波動(dòng)。然后用記憶示波器接在光電倍增管后面前置放大器的輸出端，就可觀察和拍攝到清晰的多普勒波形。激光多普勒測速技術(shù)測量狹窄通道中的水速分布，具有獨(dú)特的有點(diǎn)，能夠取得良好的效果，是其他方法無匹敵的。

(二)激光測速儀在空泡水筒中的應(yīng)用

在激光測速技術(shù)出現(xiàn)之前，研究者一般是測定某一截面處的時(shí)間平均速度來作為物體(比如螺旋槳、回轉(zhuǎn)體等)的來流速度或尾流速度，這種傳統(tǒng)的方法不僅繁瑣，而且也不是很準(zhǔn)確。激光多普勒測速儀是流動(dòng)微觀世界強(qiáng)有力的測量工具。用激光測速儀測量流體流速，不需要在流場中設(shè)置測速探頭，從而不會干擾到流場；測量比較精確，空間分辨率高；同一時(shí)間能測出三維方向上的流動(dòng)速度。把激光測速技術(shù)應(yīng)用于空泡水筒中，極大地推動(dòng)了研究進(jìn)展。自中國船舶科學(xué)研究中心從美國引進(jìn)了一臺三維激光測速技儀，并在空泡水筒中投入使用以來，為研究者們的科研工作帶來了很大的便利。

為了完成水筒實(shí)驗(yàn)中各種流動(dòng)狀態(tài)的測量任務(wù)，研究者們在光路結(jié)構(gòu)上選用具有中心光束的，布置成軸對稱、雙色、五光束、單鏡頭的三維幾雙測速儀。采用混合分離法(色分離和頻移分離)區(qū)分流體中三個(gè)速度分量的有效信號。從而達(dá)到光束穿越玻璃觀察窗口進(jìn)入水筒內(nèi)時(shí)，不會因?yàn)榻橘|(zhì)的不同，而發(fā)生折射使聚焦性能變壞。

單鏡頭三維激光測速儀還不能滿足某些研究課題的特殊需要，研究者們?yōu)榱四軌虼_保某些實(shí)驗(yàn)中所測流場三個(gè)方向上速度分量都十分精確，配置了一臺光導(dǎo)傳送的一維激光測速儀。為了適應(yīng)微結(jié)構(gòu)的研究需要，研究者們配置了一臺大型的高精度三坐標(biāo)閉環(huán)數(shù)支架和一臺小型的高精度三坐標(biāo)計(jì)算機(jī)控制支架。選用IBM-PS/2-80計(jì)算機(jī)并配備三臺計(jì)數(shù)型號處理器和一臺旋轉(zhuǎn)編碼器來采集和處理數(shù)據(jù)。在實(shí)際使用中，研究者們還用激光測速儀測量了回轉(zhuǎn)體邊界層內(nèi)流速分布和尾流速度分布情況，螺旋槳流場及槳葉間流動(dòng)情況。激光測速儀為研究者們?nèi)〉昧撕芏鄻O為寶貴的資料，是以往傳統(tǒng)測量無法實(shí)現(xiàn)的測量。

二、啟示與展望

在這50多年里，經(jīng)過無數(shù)為科學(xué)家和工程技術(shù)人員的努力，使得激光測速技術(shù)快速的發(fā)展起來，成為各個(gè)領(lǐng)域不可缺少的常規(guī)設(shè)備。但是，激光測速技術(shù)還是不可避免的有一些缺點(diǎn)，比如單頻激光多普勒測速儀存在著直流漂移，抗干擾性能很差；正交偏振雙頻激光多普勒測速儀就不存在直流漂移，抗干擾能力強(qiáng)，其測速上限卻受到雙頻激光器頻差的限制，不能夠?qū)Ω咚俣冗\(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行測量；現(xiàn)有的激光多普勒測速技術(shù)都有著自己的優(yōu)缺點(diǎn)，我們需要做的就是努力把激光多普勒測速技術(shù)推向更加先進(jìn)的一個(gè)水平，使其具有更高的測速精度，更大的測速范圍和更強(qiáng)的干擾能力。我國對激光測速技術(shù)的研究相對較晚，因此相對于歐美國家比較落后的，然而經(jīng)過科學(xué)家和科技工作者30多年的努力，我國的激光測速技術(shù)也取得了重大的突破，比如，由中國工程物理研究院流體物理研究所自行研制的激光干涉測速系統(tǒng)，其性能指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平?？茖W(xué)始于測量，新的測量方法標(biāo)志著一個(gè)國家和一個(gè)時(shí)代的進(jìn)步，希望有更多的科學(xué)家，和學(xué)者以及更多的年輕力量投入到激光測速技術(shù)的研究中來。

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