激光多普勒流速测量技术的工作原理及实现流体速度测量仪的设计

激光多普勒流速测量技术（ＬＤＡ）是用来测量气体或液体流速的。这项技术与传统的测量技术相比具有显著优势，它可以精确测量许多不同粒子的速度，而不需要另外的仪器校正。这项测量技术是非侵入式的，具有很高的频率响应和大的动态范围。ＬＤＡ技术常应用在蒸汽流测量、风洞湍流测量和内燃机燃料流测量当中。Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ数据采集卡已被证明非常适用于ＬＤＡ系统数据的采集、存储和传输。

１、LDA原理

系统采用连续调制激光，激光被分成两束，先经光学系统聚焦后相互垂直入射到粒子流中。在两束激光交叉处便产生了干涉图样。激光束的后向散射经过接收光学系统后聚焦在探测器上，再由探测器实现光电转换。ＬＤＡ原理示意图如图１所示。

２、干涉图样

为了研究光电探测器接收到的信号，必须知道两束光在交叉点产生的干涉图样。如图２所示，被测对象是一个椭球体表面对应的干涉图光强分布，光强最大的分布点在干涉图的中心。需要指出的是？当光束角度Ｋ减小时？被测对象将会远离聚焦光束？它的长度将增加而宽度减小。

就像前面提到的那样？信号是由粒子经过干涉图样反射的散射光组成，变化的振幅代表了每个干涉图光强的变化。

多普勒脉冲串的频率称为多普勒频率。该频率与干涉图空间常数（ｄｆ）相乘可用来测量速度。从图３可以看出，干涉图空间常数（ｄｆ）是由激光波长（λ）除以光束反射角（Ｋ）正弦的２倍得到。由于激光波长可以精确测量（精确到０．０１％），因此采用ＬＤＡ技术可以非常精确地测量流体速度。

３、信号捕获和数据处理

多普勒脉冲串可由Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ数据采集卡来捕获。由于多普勒脉冲串是非周期信号，因此Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ的触发电平被设置在高于噪声的测量值的起始电平点上。触发后可以用自动存储模式（ＡｕｔｏＳａｖｅ）将数据和时间保存下来。

ＬＤＡ中被测信号在兆赫兹（ＭＨｚ）水平上，而Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ数据采集卡在双通道模式下采集速率为１ＧＳ／ｓ，因此采集到的信号可以精确可靠地重建。由Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ软件提供的快速傅里叶变换（ＦＦＴ）是时域信号向频域信号变换的理想工具。注意：所采集到的数据至少包含３个部分（如图４所示）：

１）由粒子经聚焦光束而产生的较低频率—基频。

２）与干涉图样相关的加在基频上的多普勒信号（中心频率ｆｄ）。

３）探测器和后续电路产生的宽带噪声。

４、结束语

应用ＬＤＡ技术，结合Ｃｏｍｐｕｓｃｏｐｅ ８２Ｇ数据采集卡，就能组成可靠准确的流体速度测量仪。ＬＤＡ技术可以提供其它技术无法达到的测量精度，而结合先进的数据采集卡也不会带来很大的成本支出。在不久的将来，这套系统有望成为成熟的、可供选择的流体速度测量仪。

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