激光多普勒测速仪
风流知音【流体力学微教材】流动显示及其应用 CFDBJ(2017)0002 作者：刘沛清
流场速度测量技术
刘沛清
北京航空航天大学
导读刘沛清，男，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流动显示委员会副主任委员，全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。
本公众号开专版【流体力学微教材】特邀请著名流体力学专家刘沛清教授为我们科普流体力学基本知识。本期主要介绍流场速度测量技术，这是实验流体力学的常用测量手段。
1. 传统时均速度测量
对于流场中任意一点的时均速度，常用毕托管测量。1732年法国水利工程师毕托（Henri . Pitot，1695～1771年）发明了一种测量流体质点总压的装置，称为毕托管(如图1.1所示)，其基本原理是定常、不可压缩、无粘流体伯努利方程。
图1.1 毕托管
毕托管是单点接触式测速法，对被测流场有较大影响，实际测量存在一定局限性。多孔探针是一种测量速度大小和方向的装置，主要包括五孔和七孔探针。五孔或七孔探针解决了毕托管不能测量速度方向的问题，可实现速度和方位角的测量。将五孔探针插入到流场测点位置，由各孔所测压力通过适当校正，即可求出被测点的速度大小和方向角。七孔探针测速时，测得七个孔压力值，可得到测点的速度大小和方向、总压、静压等参量。五孔或七孔探针测量精度较高、可靠性好、结构简单、探针不易损坏，易于维修且造价低。在现代大型飞机上，也采用毕托管测量飞机空速大小，如图1.2所示。
图1.2 大型客机A380上使用的毕托管和迎角测量仪
2. 瞬时速度的测量
对瞬时速度场，需要测出时均速度和脉动速度，特别是速度随时间的脉动是表征流场动态特性的基本数据。目前常用的测量方法有：热线风速仪(直径1～2微米的铂丝或钨丝),激光多普勒测速计和粒子图像测速仪等。 以下分述之。
2.1 热线风速仪
热线测速仪（Hot wire Anemometer，简称HWA），发明于二十世纪二十年代，是单点接触式测量流场瞬时速度的装置，如图2.1所示。其基本原理是将一根细的金属丝(细金属丝一般直径d=0.5～5μm，长度L>300d的铂丝或钨丝)，通电流加热金属丝后，使其温度高于流体的温度，因此将金属丝称为“热线”。当流体沿垂直方向流过金属丝时，通过对流换热将带走金属丝的一部分热量，使金属丝温度下降。根据无限长圆柱体强迫对流热交换理论，可导出热线被带走的热量与流体的速度U之间的关系式（L.V.King导出的，1914年）。热线风速仪测速无需添加示踪粒子，对测量结果可进行实时、动态、连续检测，速度响应频率高，可用于不透明流体测量和所有湍流脉动频率响应范围的研究。如图2.2所示。
图2.1 热线风速仪
图2.2 热线风速仪测量的瞬时速度
2.2 粒子图像测速仪
粒子图像测速仪，英文名为Particle Image Velocimetry,简称PIV。其是二十世纪七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的激光流体力学测速技术。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如LDA）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构及流动特性。PIV 测速原理是向流场中散播一定数量示踪粒子（如图2.3所示），用激光片光源照亮所测流场中某一流动平面，同时用垂直于该平面照相机连续两次曝光，粒子的图像被记录在底片或CCD相机上。采用图像处理技术，可获得瞬时流场速度分布信息。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场（如图2.4所示），具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学实验室测量速度的主要设备之一。PIV测速技术有多种分类，但无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。要求示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动才能够真实地反映流场的运动状态，因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。
图2.3 PIV测速原理
图2.4 PIV瞬时流场
2.3 激光多普勒测速仪
激光多普勒测速仪是二十世纪七十年代随着激光技术的发展而建立起来的高精度激光流体测速技术。激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimety, LDV)是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度，如图2.5所示。因是激光多普勒干涉测速，对流场无干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度和压力没有关系，目前是世界上速度测量精度最高的仪器。其测量原理是，发射源发射一定频率的发射波，当发射源与探测器之间存在相对速度时，接收频率与发射频率之间就会存在一定频移，该频移由二者之间相对速度引起，频移量反应速度大小。常使用的光学系统是基于干涉条纹模型的双光束型。由于激光具有良好相干性，聚焦透镜把入射光以θ角会聚，光在聚焦点形成明暗相间干涉条纹，当流体中示踪粒子从垂直条纹区方向通过时，会依次散射出光强随时间变化一列散射光波，称为多普勒信号，光波强度变化频率称为多普勒频率。设U为示踪粒子速度，多普勒频移与粒子速度关系式为
其中，fd为多普勒频移，λ 为发射波长，θ为入射光夹角，n 为流体折射率。LDV系统的光路部分：常采用He-Ni激光器或Ar离子激光器，因为它们能够提供高功率的514.5nm,488nm,476.5nm三种波长的激光。新一代的LDA系统采用固体激光器，大幅降低了对操作者使用经验的要求。接收探头将接受到的多普勒信号送到光电倍增管转化为电信号以及处理并发大，再至多普勒信号分析仪分析处理后至计算机记录，配套系统软件可以进行数据处理工作。
最新的激光多普勒信号处理器，无论在时间基准、最高数据率、最高可处理多普勒频率、带宽、渡越时间等核心指标方面，还是内存、采样位数等辅助指标，均得到大幅度提升。
图2.5 LDA测速原理
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