激光多普勒測速系統(tǒng)可以對各種液體速度進(jìn)行非接觸式測量。在擾動液體、火焰溫度場和生物血流研究等方面獲得了廣泛應(yīng)用。激光多普勒測速系統(tǒng)是一種精密的光電系統(tǒng)，它使用了多種光電信息處理技術(shù)，所以擬定、設(shè)計、測試這一實驗?zāi)軌蚓C合訓(xùn)練學(xué)生實驗動手能力和解決問題能力。

一、實驗?zāi)康?/p>

(1) 了解激光多普勒測速工作原理。

(2) 培養(yǎng)學(xué)生光電系統(tǒng)綜合實驗動手能力。

二、主要實驗儀器

流體，光源和光學(xué)系統(tǒng)，光電探測器，信號處理電路等。

三、實驗原理

1． 流體

進(jìn)行激光多普勒測速是通過實時測量流體中微粒散射光而獲得信號的。從散射理論得知:當(dāng)微粒直徑遠(yuǎn)小于光波長時，其散射規(guī)律遵守瑞利散射規(guī)律。微粒尺寸較小時，它的速度才代表流體速度，否則將會小于流速。一般微粒直徑應(yīng)小于10μm。但是當(dāng)微粒直徑較大時，更容易獲得較強的信號。散射光除了與入射光強、微粒尺寸、觀察角度有關(guān)外，還與流體介質(zhì)折射率有關(guān)。一般說來，微粒直徑較大時更容易獲得較強的信號，而且同時在前向容易得到較強信號。

一般流體中都有某些污染，含有大氣中的塵埃、顆粒等，可以直接測量這些微粒的散射光而獲得流體的速度信息。實驗中就是直接測量水泵泵出的水在水管中的微粒散射光，從而獲得水流速度。

2． 光源和光學(xué)系統(tǒng)

光源多采用各種連續(xù)氣體激光器，因為它高亮度，單色性好，適合于形成高亮度干涉場。常用的有氦－氖激光器、氬離子激光器和氪離子激光器等。實驗中采用功率約為1m W基橫模氦－氖激光器。

由于光頻率較高，散射光微小的多普勒頻移不能直接被光電探測器測得，需要采用光外差探測法。由于微粒散射光很弱，空間配準(zhǔn)極高時，才能獲得高信噪比的信號，所以，外差法要求信號光與參考光幾乎是平行的。為避免外差光路調(diào)試上的困難，通常采用雙光束差動多普勒測速光路。

對實驗室里的空氣、自來水等流速測量，經(jīng)常遇到低粒子深度的情況，此時，用雙光速測速最適宜工作。雙光速差動多普勒測速光路有多種形式，圖21－1中通過半反射半透射鏡M1及全反射鏡M2把一束激光分成兩束強度基本相同的光，然后通過透鏡L1使這兩束沿不同方向傳播的基橫模高斯光束在各自的束腰處重合，得到平行干涉條紋組成的干涉場。會聚透鏡把流體中微粒前向散射光聚于光電探測器上，透鏡前小孔控制測量體積并屏蔽雜散光。

圖21－1 雙光束差動多普勒測速光路圖

3． 光電探測器

在激光多普勒測速系統(tǒng)中光電探測器常用的是光電倍增管、光電雪崩管和光電二極管等。光電倍增管有高增益、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在可見光范圍內(nèi)有多種類型可選。光源光功率較低時，多普勒信號頻率在100MHz以下，用光電倍增管是適合的。當(dāng)多普勒信號頻率高于100MHz時，采用光電雪崩管響應(yīng)較好。在光源功率較大時，采用光電二極管也能得到較高的信噪比。實驗中采用PIN－FET混合集成光電探測器，它是把PIN管與一個以FET為前端的寬帶低噪聲放大器混合集成的光電接收組件，具有響應(yīng)速度快、響應(yīng)度高、使用簡單、工作可靠等特點。

4． 信號處理電路

信號處理電路的任務(wù)是要從光電探測器輸出的光電信號中檢測出多普勒頻率。為此，首先要明確光電探測器輸出信號的特點。對雙光束型激光多普勒測速作理論分析，得到單個粒子在垂直于測控區(qū)條紋方向穿過時，由光電探測器接收到的散射光強度為:

其中，K是常數(shù)，A1、A2為兩束入射光的中心振幅，u是流速，2φ為兩束光之間的夾角，W為激光束半徑，ΔνD為多普勒頻移。上式中前兩項為強度變化的低頻分量，稱為基頻，實驗中可通過濾波消除一些。第三項是一個被調(diào)幅的多普勒信號，其包絡(luò)的形成主要是激光光束強度按高斯分布引起的。足夠小的粒子穿過兩束等強度的光相交形成的條紋區(qū)的中心時，有理想的信號，如圖21－2(a) 所示，有最大的調(diào)制深度。當(dāng)相干光束強度不相等，或粒子與條紋間距相比不夠小，使粒子跨越條紋圖形的明暗帶時，光的強度被平均了，將產(chǎn)生不理想的信號，如圖21－2(b) 所示;當(dāng)粒子路徑偏離中心時，可能產(chǎn)生如圖21－2(c) 所示的信號。

圖21－2 粒子穿過光束相交區(qū)時產(chǎn)生的典型信號

多個散射粒子的散射光信號疊加后可得到連續(xù)信號，濾去低頻分量后可得到連續(xù)的交流信號。由于多個粒子的先后次序差別以及速度微小差異，使光電探測器輸出信號成為振幅、頻率都被調(diào)制了的信號。加上微粒到達(dá)的隨時性，信號有時還有間斷。實驗中，我們采用頻率跟蹤法對水管中水的流速進(jìn)行實時測量，其信號處理方框圖如圖21－3所示。光電探測器輸出的電信號首先經(jīng)過放大、濾波電路，然后由LM565鎖相環(huán)跟蹤，LM565輸出的頻率信號即是多普勒頻移信號，然后經(jīng)頻率電壓轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號，最后由液晶顯示。通過調(diào)整F－V轉(zhuǎn)換系數(shù)及液晶驅(qū)動電路的比較電平，可使液晶直接顯示水流速度，完成實時測量、實時顯示的功能。

圖21－3 激光多普勒頻率跟蹤儀原理圖

四、實驗內(nèi)容

對由水泵泵出的水在水管中形成的水流進(jìn)行激光多普勒測速。

(1) 取幾滴被測流體于測量顯微鏡下，觀察并測量水中微粒的尺寸大小。

(2) 布置雙光束差動多普勒測速光路。為了使測量系統(tǒng)的頻率變化范圍落入頻率跟蹤儀快捕帶中，選用聚焦透鏡L1焦距為150mm，聚焦透鏡與水管中心的距離約為175mm，打在透鏡L1上的兩光點距離為12mm。測量兩束光之間的夾角，估算出每厘米長度中的干涉條紋個數(shù)。

(3) 用顯微鏡觀測干涉條紋。記錄干涉條紋形狀和單位長度上的干涉條紋數(shù)目。

(4) 被測流體由水泵抽運流動，被測量部分的流體通過一節(jié)透明玻璃管，把玻璃管架在光路中，確認(rèn)水流方向垂直干涉條紋。并確保光電探測器放在收集透鏡L2后面且與被測流體的某點共軛，由收集透鏡前面的小孔限制測量體積。然后接通光電探測器電源，由示波器觀測和記錄光電探測器的輸出波形。當(dāng)水泵電壓為140V時，測量多普勒信號頻率，并填寫表21－1。此時若擋住雙束光中任意一路光，觀察光電探測器輸出信號波形，并解釋形成原因。然后改變水泵驅(qū)動電壓，用示波器觀察雙光路多普勒測速系統(tǒng)中的光電探測器輸出的多普勒信號頻率隨水流速度改變的情況。測試實驗數(shù)據(jù)并完成表21－1。

表21-1 示波器觀測結(jié)果記錄

(5) 把光電探測器輸出信號接入頻率跟蹤儀輸入端，改變水泵驅(qū)動電壓，讀出對應(yīng)的流速，并填入表21－2中。

五、思考題

(1) 激光多普勒測速的特點是什么?

(2) 如何獲得高信噪比的多普勒頻移信號?