【激光多普勒测速仪】
功能、作用介绍:
激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter,LDV),是利用激光多普勒效应来测量流体速度的一种仪器。激光测速仪在流速测量方面,已成为不可或缺的手段。
LDV实验是以现代技术为手段,与实际应用紧密结合而又能充分体现物理思想和方法的实验项目。它涉及到较多物理知识包括光学、流体力学,需要较强的电子技术和光学知识。一般LDV设备昂贵,且不符合实验教学要求。因此我们开发出这种新型设备,目的在于使学生在掌握物理学基本原理的基础上,学习用基√础光学器件设计、搭建与调试光路的方法,学习虚拟仪器的使用等。本实验设备适合近代物理实验、近代光学实验和大学物理实验拓展等。
LDV的原理大致如下:
两束相干光(激光)相交于流速场被测点,形成一个尺度小于1mm的条纹区,当速度为v的粒子进入条纹↓区时,光敏探测器便可获得含有多普勒频率的信号。
由于流体中的粒子质量和尺寸很小,因此可以用多个粒子速度的统计平均值代表流体的速度。
光敏探测器的输出信号进入LDV信号处理器。当一个粒子进入々条纹区时,探测器输出的信号经放大、滤波后,成为一个上下对称的、包络线近似高斯曲线的多普勒波群。波群信号送到PC,做频谱分析,得到多普勒频率fD,求出速度为v。
本作品光路采用在光学平板上用光学器件搭ㄨ建。选用通用光学器件,依据精典著作搭建双光束LDV光路,确保光路稳定,器件安装牢固,调整方便。
反复研制改进电子电路,试用各♂种光敏器件,如光电倍增管、PIN光敏二极管和雪崩光敏二极管等,达到了满意的效果。研制了以微处理器为基础的50MHz高速数据采集电路。使信号处理部分简洁、可靠。
采用USB接口与信号处理器通信。使用LabVIEW,对信号做数据处理。使用FFT(快速傅里叶变换)得到各波群的⌒fD,再用概论与统计模板中有关函数形成流速分布直方图,给出流速。LabVIEW便于进一步对测量结果进行处理、保存。
主要技术指标:
1. 光学平板600mm×300mm,厚8mm。
2. 两束光间距:20~25mm,汇聚透镜f=100mm,两束光相交角度: 5o~10 o。
3. fD测量范围10kHz~8MHz。当两束光间距25mm时流速范围:0.03m/s~24m/s
本LDV作为实验仪器∑ ,测速范围较大,在测量液体和气体的过程中均得到良好的多普勒々频率信号,使用中不必添加散射粒子;使用虚拟仪器技术便于拓展;防护性能好,不易损坏,非常适合物理实验和光信息技术实验。有完善的实验讲义和教学资料,相信会有良好的推广前景。
作品名称:激光多普勒测速仪
完成单位:北京交通大学