激光多普勒流速測量技術

激光多普勒流速測量技術(ＬＤＡ)是用來測量氣體或液體流速的。這項技術與傳統的測量技術相比具有顯著優勢，它可以精確測量許多不同粒子的速度，而不需要另外的儀器校正。這項測量技術是非侵入式的，具有很高的頻率響應和大的動態范圍。ＬＤＡ技術常應用在蒸汽流測量、風洞湍流測量和內燃機燃料流測量當中。Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ數據采集卡已被證明非常適用于ＬＤＡ系統數據的采集、存儲和傳輸。

１ LDA原理

系統采用連續調制激光，激光被分成兩束，先經光學系統聚焦后相互垂直入射到粒子流中。在兩束激光交叉處便產生了干涉圖樣。激光束的后向散射經過接收光學系統后聚焦在探測器上，再由探測器實現光電轉換。ＬＤＡ原理示意圖如圖１所示。

２ 干涉圖樣

為了研究光電探測器接收到的信號，必須知道兩束光在交叉點產生的干涉圖樣。如圖２所示，被測對象是一個橢球體表面對應的干涉圖光強分布，光強最大的分布點在干涉圖的中心。需要指出的是?當光束角度Ｋ減小時?被測對象將會遠離聚焦光束?它的長度將增加而寬度減小。

就像前面提到的那樣?信號是由粒子經過干涉圖樣反射的散射光組成，變化的振幅代表了每個干涉圖光強的變化。

多普勒脈沖串的頻率稱為多普勒頻率。該頻率與干涉圖空間常數（ｄｆ）相乘可用來測量速度。從圖３可以看出，干涉圖空間常數（ｄｆ）是由激光波長（λ）除以光束反射角（Ｋ）正弦的２倍得到。由于激光波長可以精確測量（精確到０．０１％），因此采用ＬＤＡ技術可以非常精確地測量流體速度。

３ 信號捕獲和數據處理

多普勒脈沖串可由Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ數據采集卡來捕獲。由于多普勒脈沖串是非周期信號，因此Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ的觸發電平被設置在高于噪聲的測量值的起始電平點上。觸發后可以用自動存儲模式（ＡｕｔｏＳａｖｅ）將數據和時間保存下來。

ＬＤＡ中被測信號在兆赫茲（ＭＨｚ）水平上，而Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ數據采集卡在雙通道模式下采集速率為１ＧＳ／ｓ，因此采集到的信號可以精確可靠地重建。由Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ軟件提供的快速傅里葉變換（ＦＦＴ）是時域信號向頻域信號變換的理想工具。注意：所采集到的數據至少包含３個部分（如圖４所示）：

１）由粒子經聚焦光束而產生的較低頻率―基頻。

２）與干涉圖樣相關的加在基頻上的多普勒信號（中心頻率ｆｄ）。

３）探測器和后續電路產生的寬帶噪聲。

４ 結束語

應用ＬＤＡ技術，結合Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ數據采集卡，就能組成可靠準確的流體速度測量儀。ＬＤＡ技術可以提供其它技術無法達到的測量精度，而結合先進的數據采集卡也不會帶來很大的成本支出。在不久的將來，這套系統有望成為成熟的、可供選擇的流體速度測量儀。