基于激光多普勒效应的测速系统研究及应用

发布时间：2020-07-18 17:56

【摘要】：高精度测速技术在诸多领域均发挥着重要的作用。激光多普勒测速技术具有精度高、响应速度快等诸多优点,因此激光多普勒测速技术可应用于工业、航空等领域的速度测量。并且速度的精确测量在长度测量、加速度测量等方面具有重要意义。本文设计了改进型激光多普勒测速系统,实现了对运动物体速度以及长度的精确测量。相比于传统的激光多普勒测速系统,本文系统采用平面镜折转光路,减小系统尺寸的同时实现测量点位置可调,并且设计了实时连续的数据处理方案。首先,本文对激光多普勒测速的外差原理以及常用的测量模式进行介绍,分析对比了各种测量模式的优缺点,重点介绍了双光束-双散射测量模式并给出了具体的速度测量表达式。其次,本文针对传统测量光路的缺陷,提出了基于双平面反射镜的激光光路结构并设计了测量点位置可调整的机械结构,同时本文采用了雪崩光电二极管(APD)接收多普勒信号,并在LABVIEW平台设计了可实现实时连续测量的数据处理程序。最后,本文通过光电检测电路功能验证实验、运动物体速度标定实验、激光多普勒测速实验以及激光多普勒测长实验验证了系统所实现的功能,实现了对运动皮带速度与长度的精确测量,对比了实测值与标定值的误差,并分析了影响测量结果精度的因素,且长度测量结果的相对误差低于1%。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24
【图文】：

原理图,测量模式,参考光,原理图

以下将分别介绍其结构与各自的特点［９］。逡逑２．４．１参考光测量模式逡逑基于参考光测量模式的实现方案的基本结构如图２．２所示，将来自激光器的同一束逡逑激光分为参考光＾和入射光通常，考虑到粒子的散射效率，入射光与参考光的分光逡逑比约为９９：１。参考光沿着初始方向直接进入探测器，入射光照射到运动的微粒上，在各逡逑个方向上均有散射光，且均有多普勒频移。进入探测器部分的散射光与进入探测器的参逡逑考光进行外差叠加，输出模拟信号即是两束光的差频信号。逡逑＾邋ｖ逡逑入射逡逑考光逡逑图２．２参考光测量模式原理图逡逑由式（２．６）参考光测量模式下的速度测量公式可以表示为逡逑＝＼ｖ－（ｋｃ－ｋ０）逡逑又逦NB逦（２．７）逡逑特殊地，当散射粒子的运动方向垂直于光轴时，式（２．７）可进一步表示为逡逑＿２ｖｓｉｎ（０／２）逡逑／ｄ＝邋＾邋（２．８）逡逑８逡逑

原理图,双散射,测量模式,单光束

信号十分微弱，不利于后续信号的处理。并且散射光与速度之间夹角对测量结果有影响。逡逑２．４．２单光束－双散射测量模式逡逑激光多普勒测速的另外一种实现方案是单光束－双散射测量模式。如图２．３所示，在逡逑单光束－双散射测量模式下，激光束入射到运动的散射粒子上，各个方向均存在散射光，逡逑通过一个双孔光阑，选择两个方向的散射光并利用透镜收集这两束散射光，使其在光电逡逑探测器的光敏面进行叠加，进而对微粒的运动速度进行测量。逡逑Ｖ邋ｉＬ逦透逡逑￣棚器逡逑双孔光阑逡逑图２．３单光束－双散射测量模式原理图逡逑假设来自散射粒子的两束散射光的单位波矢量分别为：停Γ囝墒剑ǎ玻醶叮┛傻玫ィ]3?光束－双散射测量模式下的速度测量公式可以表示为：逡逑ｆＤ＝Ｕ．＾－ｋ２）逦（２．９）逡逑特殊地，当运动散射粒子的速度方向垂直于光轴方向，式（２．９）可以表示为：逡逑２ｖｓｍ（ｅ／２）逦（２．１０）逡逑°逦义逡逑式（２．１０）中０为两散射光束之间的夹角。由式（２．１０）可以发现，单光束－双散射逡逑测量模式下多普勒频率取决于所选择的散射光之间的夹角而与入射光的方位无关。但所逡逑选取的两束特定方向的散射光束只占激光全部能量的少部分，信号微弱，不利于后续信逡逑号处理。逡逑２．４．３双光束－双散射测量模式逡逑激光多普勒测速技术最为常用的实现方案为双光束－双散射测量模式。目前绝大多逡逑数的激光多普勒测速系统均是采用这种方案。其原理图如图２．４所示。逡逑９逡逑

双散射,分光棱镜,测量模式,双光束

镜的聚光作用将部分散射光聚集在探测器的光敏面上。光电探测器所捕获的信号包含运逡逑动微粒的多普勒信号。需要说明的是，对于透明的运动物体，如液体、气体等物质，可逡逑以将探测系统与入射系统分别置于运动物体的两侧，如图２．４，根据散射光理论Ｍ，前向逡逑散射光的总能量是后向散射光能量的１００倍以上，所以针对透明物体，接收前向散射光逡逑可以降低对激光器功率的要求。对于不透明的运动物体，往往接收其后向散射光或者侧逡逑向散射光，如图２．５和图２．６所示。逡逑会聚透镜逡逑／邋Ａ逦收集；？镜逡逑／ｉ逦＼逡逑逦１邋探测器逡逑＾邋＾邋＼￣／＼邋＾逦．一－一－逡逑分光棱镜逡逑图２．５接收后向散射光逡逑会聚透镜逡逑分光棱镜逦集透镜逡逑图２．６接收侧向散射光逡逑由图２．４出发分析在双光束－双散射测量模式下多普勒频率的特点。假设存在某一个逡逑１０逡逑

【参考文献】