第5章力與壓力測量5.1概述5.2常用力與壓力傳感器5.3動態(tài)壓力測量

5.1概述力的測量方法直接比較法：將被測力與標準質(zhì)量的重力進行比較，二者平衡時被測力等于所施加標準質(zhì)量的重力。常見的有臺式稱和分析天平等。間接比較法：采用測力傳感器將被測力轉(zhuǎn)換為其它物理量，再與標準值比較，從而得到被測力的大小。常用的測力傳感器有應變片式、電感式、電容式、壓電式等。壓力：垂直作用于物體單位面積上的力（壓強）絕對壓力：完全真空作為零標準的壓力表壓力：在壓力儀表上所指示的壓力，也稱相對壓力，其數(shù)值為絕對壓力與當?shù)卮髿鈮旱牟钪挡顗毫Γ簝蓚€壓力之差表示的壓力

5.1概述壓力的測量方法重力與被測壓力的平衡法：通過直接測量單位面積上所承受的垂直方向上力的大小來測量壓力，液柱式壓力計和活塞式壓力計等彈性力與被測壓力的平衡法：彈性元件受壓后會產(chǎn)生彈性變形，產(chǎn)生彈性力，當彈性力與被測壓力平衡時，彈性元件變形的大小即反映了被測壓力的大小利用物質(zhì)某些與壓力有關(guān)的物理性質(zhì)進行測壓：一些物質(zhì)受壓后，它的某些物理性質(zhì)會發(fā)生變化，測量這些變化就能測量出壓力。壓阻式傳感器、壓電式傳感器等。精度高、體積小、動態(tài)特性好，是當前測壓技術(shù)的主要發(fā)展方向

5.2常用力與壓力傳感器5.2.1應變式傳感器應用最為廣泛的測力傳感器，測量范圍大，測量精度高工作原理基于金屬的電阻應變效應，即導體或半導體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，電阻值也隨之產(chǎn)生相應的變化應變片的結(jié)構(gòu)1-基底2-敏感柵3-覆蓋層34-引出線4

5.2常用力與壓力傳感器5.2.1應變式傳感器應變片的溫度補償溫度變化引起應變片敏感柵的電阻變化及附加變形，或試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應變片產(chǎn)生附加應變橋路補償又稱補償片法，將兩片具有相同特性的應變片按軸線相互垂直地粘在同一個彈性件表面上，應變片的縱軸方向與受力方向一致的為工作片，另一片為補償片，因兩片位置靠得很近，故可認為兩者所處的溫度相同。將兩應變片接入電橋相鄰的兩臂，當電橋平衡時，固定電阻R1、R2的阻值相等；當環(huán)境溫度變化時，兩個應變片上引起的電阻增量△Ra

、△Rb不僅符號相同，而且數(shù)值也相等，因此仍能保持平衡，消除了溫度變化的影響

5.2常用力與壓力傳感器應變片的溫度補償應變片自補償采用粘貼在試件表面上的一種特定應變片，當溫度變化時，使其電阻增量等于零或相互抵消選擇合適的電阻絲柵材料，使：組合式自補償應變片：利用兩種不同電阻絲材料電阻溫度系數(shù)不同的特點，將兩者串連繞制成敏感柵，如果兩段敏感柵的電阻值R1和R2由于溫度變化而產(chǎn)生的電阻變化ΔR1和ΔR2大小相等，方向相反，則可以實現(xiàn)溫度補償。熱敏電阻補償

熱敏電阻Rt處在與應變片相同的溫度條件下。當應變片的靈敏度隨著溫度的升高而下降時，Rt的阻值也下降，使電橋的供橋電壓隨溫度的升高而增加，從而提高了電橋的輸出，補償應變片引起的輸出下降，通過選擇分流電阻的R5值，就可以得到良好的補償效果

5.2常用力與壓力傳感器5.2.2電容式傳感器工作原理通過將力作用下位移的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化進行力與壓力測量變極板間隙的電容式傳感器原理固定εr和A，極板間隙d變化引起電容量變化

5.2常用力與壓力傳感器5.2.2電容式傳感器電容式差壓傳感器結(jié)構(gòu)簡單、耐振動沖擊、測量范圍寬、可靠性強、精度高，適合高工作壓力、低差壓的測量。1－電極導線

2－球形或弧形電極3－中心感壓膜片4－硅油

5－玻璃絕緣子

6－隔離膜片測量電路

5.2常用力與壓力傳感器5.2.3壓電傳感器工作原理壓電效應：沿某些結(jié)晶物質(zhì)的某個結(jié)晶軸施加力時，內(nèi)部出現(xiàn)極化現(xiàn)象，從而在表面形成電荷集結(jié)，電荷量與作用力的大小成正比石英晶體作為壓電材料為了增強輸出信號，往往將多片壓電晶體組合在一起組成傳感器a）石英晶體的結(jié)晶形狀與切片方向b）壓電元件受力簡圖與等效電路a)、c)并聯(lián)組合b)串聯(lián)組合

5.2常用力與壓力傳感器5.2.3壓電傳感器典型壓電傳感器結(jié)構(gòu)水冷式壓電傳感器與內(nèi)燃機火花塞一體的壓電傳感器1.測壓時，被測壓力壓向彈性膜片1，作用于石英片4上。石英片在脈動壓力的作用下產(chǎn)生交變的電荷。2.石英壓電晶體傳感器一般不能用作靜態(tài)壓力測量，多用于測量10~20kHz的脈動壓力。3.壓電傳感器產(chǎn)生的信號很弱而輸出阻抗很高，因此必須根據(jù)壓電傳感器的輸出要求，將微弱的信號經(jīng)過電壓放大或電荷放大（一般是電荷放大）4.若被測介質(zhì)溫度遠高于室溫，可采用暢通的冷卻水進行冷卻，否則高溫會改變傳感器的靈敏度甚至造成傳感器的損壞

5.2常用力與壓力傳感器5.2.3壓電傳感器壓電傳感器的測量電路電荷放大器：電荷放大器是一種與輸出電荷量成正比的前置放大器。在采用電荷放大器的情況下，壓電傳感器可視為一個電荷源。電荷放大器是一個高增益的、具有反饋電容Ｃf的運算放大器輸出電壓僅與電荷量及反饋電容量有關(guān)，增益A及電纜分布電容Cc的變化不影響放大器的輸出，此外，當電荷放大器與壓電傳感器連接使用時，其下限頻率（時間常數(shù)）僅取決于電荷放大器

5.2常用力與壓力傳感器5.2.3壓電傳感器壓電傳感器的測量電路電壓放大器：1.當ω=0時，em=0，電壓放大器與壓電傳感器相配不適于測量靜態(tài)信號。2.當ω<<1/RC時，即測量低頻動態(tài)參數(shù)時，em=KpFRω，隨頻率下降，輸入電壓也隨著下降，電壓放大器的低頻特性差。3.當ω>>1/RC時，即測量高頻動態(tài)參數(shù)時，輸入電壓em=KpF/C，說明對于高頻參數(shù)，電壓放大器的輸入電壓不再隨著輸入?yún)?shù)的頻率而變，而是只隨作用力的大小而變化，即電壓放大器的高頻特性好。輸入電壓

5.2常用力與壓力傳感器5.2.4液柱式壓力計工作原理利用工作液的液柱重力與被測壓力平衡，根據(jù)液柱高度確定被測壓力大小U形管壓力計當ρ1≈ρ2，且ρ>>ρ1封液可采用水、水銀、苯等5.2.4液柱式壓力計單管壓力計兩側(cè)壓力差為若F1>>F2，且ρ>>ρ1

，則貝茲微壓計1

5.2常用力與壓力傳感器1-毛玻璃片；2-目鏡；3-寬斷面容器；4-浮子；5、8-壓力接頭；6-升管；7-軟管；9-玻璃刻度；10-測量液體；11-投影裝置；12-燈泡在大容器的中部插有一根升管，被測壓力接到容器的軟管上（若測壓差，則低壓端接到升管上端的壓力接頭）。當容器的壓力高于環(huán)境大氣壓時，升管中的液面上升，在升管中的浮子也隨之上升。浮子的下端掛有玻璃刻度板，投影儀將刻度的一段放大約20倍后顯示在具有游標的毛玻璃上。相鄰兩刻線相差為1mm，用游標尺讀數(shù)的方法可精確讀出1Pa的壓力

5.2.4液柱式壓力計斜管微壓計

斜管微壓計兩側(cè)壓力p1、p2和液柱長度l關(guān)系表示為

斜管微壓計的刻度比U型管壓力計的刻度放大了1/sinα倍，更便于測量微壓，一般這種斜管壓力計適于測量2～2000Pa范圍的壓力

5.2常用力與壓力傳感器5.2.4液柱式壓力計液柱式壓力計的測量誤差及修正環(huán)境溫度變化的影響封液的密度、標尺的長度等都會發(fā)生變化環(huán)境溫度偏離規(guī)定溫度20℃后，封液密度改變對壓力計讀數(shù)影響的修正公式為重力加速度變化的修正儀器使用地點的重力加速度gφ由下式計算毛細現(xiàn)象的影響

封液在管內(nèi)由于毛細現(xiàn)象引起表面形成彎月形，使液柱產(chǎn)生附加的升高或降低，并且會引起讀數(shù)誤差通過加大管徑的方法減少毛細現(xiàn)象的影響。當封液為酒精時，管子內(nèi)徑d≥3mm；封液為水或水銀時，要求管子內(nèi)徑d≥8mm

5.2常用力與壓力傳感器5.3.1壓力測量系統(tǒng)的動態(tài)特性容腔效應定義：在動態(tài)壓力測量系統(tǒng)中，壓力傳感器固有頻率很高，響應也很快，但由于測壓元件前的空腔和導壓管的存在，必然導致壓力信號的幅值衰減和相位滯后，這種效應稱為動態(tài)壓力測量的容腔效應使整個測量系統(tǒng)的響應速度大大低于傳感器的響應速度，降低了系統(tǒng)的動態(tài)性能測量系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于傳感器以外的部分感壓元件前空腔和導壓管合在一起的固有頻率f近似為空腔的容積越大，導壓管越長，內(nèi)徑越小，則固有頻率越低

5.3動態(tài)壓力測量5.3.1壓力測量系統(tǒng)的動態(tài)特性傳輸管道的數(shù)學模型和頻率特性壓力傳輸管道從根本上講是一個阻容系統(tǒng)被測壓力為p0，空腔壓力為p1

，傳遞函數(shù)方程為是一個慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)的大小由流阻和氣容的大小決定，它反映了動態(tài)壓力測量時的滯后程度。導壓管的長度越大、內(nèi)徑越小時，流阻越大?？涨蝗莘e增大時，時間常數(shù)增大。測量時壓力滯后越大，對動態(tài)壓力測量的影響越大，所以要從導壓管和空腔著手減少滯后。

5.3動態(tài)壓力測量5.3.2測壓儀表的動態(tài)標定目的：確定傳感器的頻率響應特性，以確定它們的適用范圍、動態(tài)誤差等動態(tài)標定方法輸入標準頻率及標準幅值的壓力信號與傳感器的輸出信號進行比較，這種方法稱為對比法，例如將測壓管裝在標定風洞上的標定是通過激波產(chǎn)生一個階躍的壓力并施加于被標定的傳感器上，根據(jù)其輸出曲線求得它們的頻率響應特性，這種激波管動態(tài)標定是一種最為基本的動態(tài)標定方法。

5.3動態(tài)壓力測量5.3.2測壓儀表的動態(tài)標定激波管標定系統(tǒng)：通過激波產(chǎn)生一個階躍的壓力并施加于被標定的傳感器上，根據(jù)其輸出曲線求得它們的頻率響應特性當激波管開始工作時，直流電源3接通吸動撞針機構(gòu)4，使撞針捅破膜片，高壓氣流向低壓端，為傳感器動態(tài)標定提供一個上升時間極快的大幅值的壓力階躍1－氣瓶2－控制器3－直流電源4－撞針機構(gòu)5－高壓段6－膜片7－低壓段8－被標定的傳感器

9－動態(tài)應變儀10－示波器11－信號時標

5.3動態(tài)壓力測量5.3.2測壓儀表的動態(tài)標定激波管標定系統(tǒng)

5.3動態(tài)壓力測量激波管內(nèi)的工作過程傳感器輸出曲線有了傳感器的輸出曲線以及激波管階躍壓力，就可以求得被標定傳感器的頻率響應特性傳感器輸出曲線5.3.3

動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量示功圖：氣缸內(nèi)工質(zhì)壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角或氣缸容積變化的關(guān)系

a）p-V示功圖b）p-

示功圖

c）燃燒過程中的異常壓力波d）低壓示功圖

5.3動態(tài)壓力測量5.3.3

動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量系統(tǒng)組成1－計算機系統(tǒng)2－曲軸轉(zhuǎn)角信號發(fā)生器3－光柵盤4－光源

5－內(nèi)燃機6－壓電傳感器7－壓力信號轉(zhuǎn)換單元8－采樣單元

5.3動態(tài)壓力測量5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量上止點位置的確定磁電法繞有線圈的永久磁鐵固定在機體上某一位置，在飛輪圓周上裝一個用導磁材料制成的凸尖。當內(nèi)燃機工作，飛輪轉(zhuǎn)動時，由于凸尖與磁鐵間隙處磁通的變化，線圈a、b兩端將輸出一個變化的電動勢

。若上止點位置對正時，即凸尖正好對準磁鐵中心線c-c，電動勢曲線中的C點即為上止點。這種方法測得的上止點實際上為靜態(tài)上止點。

5.3動態(tài)壓力測量5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量上止點位置的確定氣缸壓縮線法在倒拖或滅缸的情況下，測得氣缸內(nèi)的壓縮壓力曲線，作若干條平行于大氣壓力線的直線，連接這些直線的中點即可得到上止點位置。接近動態(tài)上止點。由于在壓縮過程與膨脹過程中熱交換并不相同，同時缸內(nèi)工質(zhì)不可避免地存在少量的泄漏，所以實際上這條壓縮壓力曲線并不是對稱的。獲得的上止點線可能與大氣壓力線不垂直，一般傾斜角△α約為1°曲軸轉(zhuǎn)角。

5.3動態(tài)壓力測量5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量上止點位置的確定電容法將傳感器的電極和活塞別作為電容的兩極。電容量出現(xiàn)最大值時，即認為活塞處于上止點位置。由于活塞和連桿受力變形以及溫度變化的影響，對于四沖程內(nèi)燃機而言，在壓縮沖程和排氣沖程中，分別利用電容法測得的動態(tài)上止點相位是有差異的

5.3動態(tài)壓力測量1－氣缸蓋2－電極3－絕緣套

4－傳感器殼體5－活塞5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量曲軸轉(zhuǎn)角信號的確定絕對式角數(shù)字編碼器將被測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換成相應的代碼，指示其絕對位置。根據(jù)所使用敏感元件的種類，絕對式編碼器可分為接觸式、光電式和磁電式三種。

5.3動態(tài)壓力測量碼盤結(jié)構(gòu)示意圖輸出信號光電式編碼器工作原理圖5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量示功圖采集過程的誤差分析測壓通道引起的誤差－容腔效應改變了發(fā)動機原有工作狀態(tài)：測壓通道和空腔的存在，增加了氣缸的余隙容積，使壓縮比相應減小，氣缸內(nèi)的工作狀態(tài)發(fā)生變化，從而使氣缸動態(tài)壓力本身發(fā)生變化。滯后和腔振：氣體的彈性和阻尼作用使傳遞到壓力傳感器的壓力相位滯后，尤其在氣缸壓力突變時，脈沖壓力波在通道中交替?zhèn)鬟f與反射，形成通道內(nèi)氣體的自振，即“腔振”。為減少“腔振”的影響，應盡量縮短通道的長度并減小空腔的容積，要求通道的自振頻率至少要大于被測信號上限頻率的兩倍以上傳感器與燃燒室壁面齊平安裝非常困難，所以測壓通道客觀存在，測量時需要進行修正

5.3動態(tài)壓力測量5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量示功圖采集過程的誤差分析上止點位置引起的誤差上止點偏差1°曲軸轉(zhuǎn)角，就可能使平均指示壓力計算產(chǎn)生約5.5%的誤差，放熱率峰值計算產(chǎn)生約5％的誤差。用對數(shù)示功圖修正上止點

5.3動態(tài)壓力測量因膨脹多變指數(shù)大于壓縮多變指數(shù)，假設上止點位置正確，對數(shù)坐標的示功圖上壓縮線高于膨脹線，且在上止點附近兩條線呈近似直線分開5.3.3動態(tài)壓力測量的典型應用—內(nèi)燃機氣缸動態(tài)壓力測量示功圖采集過程的誤差分析上止點位置引起的誤差上止點偏差1°曲軸轉(zhuǎn)角，就可能使平均指示壓力計算產(chǎn)生約5.5%的誤差，放熱率峰值計算產(chǎn)生約5％的誤差。用對數(shù)示功圖修正上止點溫度變化引起誤差：壓電元件的壓電常數(shù)因溫度變化而改變，使測量系統(tǒng)輸出發(fā)生漂移，應注意傳感器在測試時的冷卻條件，也可采用帶溫度補償片的壓電傳感器，以消除氣缸內(nèi)燃氣高溫帶來的影響

5.3動態(tài)壓力測量因膨脹多變指數(shù)大于壓縮多變指數(shù)，假設上止點位置正確，對數(shù)坐標的示功圖上壓縮線高于膨脹線，且在上止點附近兩條線呈近似直線分開第6章流速測量《熱能與動力工程測試技術(shù)》·第4版6.1皮托管測速技術(shù)6.2熱線（熱膜）測速技術(shù)6.3激光多普勒測速技術(shù)6.4粒子圖像測速技術(shù)6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量

皮托管是以其發(fā)明者、法國工程師HenryPitot的名字命名的，它由總壓探頭和靜壓探頭組成，利用流體總壓與靜壓之差，即動壓來測量流速，故也稱動壓管。由于其主要測量對象為氣體，因此又有風速管之稱。1.基本構(gòu)造和測速原理

測速原理

不可壓縮流體的伯努利方程，流體參數(shù)在同一流線上有著如下關(guān)系：

式中，p0、p分別為流體的總壓和靜壓；

為流體密度；v為流體流速。6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量不同測速公式的比較

式中，

為皮托管的校準系數(shù)，Ma為馬赫數(shù)，

為氣體的壓縮性修正系數(shù)，k為氣體的等熵壓縮（或膨脹）指數(shù)，對于空氣，k=1.40。6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量直角型（L型）皮托管a)帶半球形頭部的標準皮托管b)帶錐形頭部的皮托管p0

總壓

p

靜壓

d

皮托管頭部直徑6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量

除了使用最廣泛的標準皮托管外，在一些特殊的場合還經(jīng)常用到其它形式的皮托管，下圖為兩種其他常見皮托管，這些皮托管在使用前都必須經(jīng)過嚴格標定。笛形皮托管測量高含塵量氣流的皮托管

a)吸氣式b)遮板式c)靠背式6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量2.二維氣流速度的測量——球形三孔測速管球形三孔測速管構(gòu)造1—赤道面2—子午面3—三孔感壓球形探頭4—接管5—干管6—傳壓管7—分度盤8—指針9—鎖緊螺釘10—鍵槽11—接嘴上圖即為球形三孔測速管構(gòu)造圖，在探頭的三個感壓孔中，居中的一個為總壓孔，兩側(cè)的孔用于探測氣流方向，故也稱方向孔。當兩個方向孔的壓力相等時，則認為氣流方向與總壓孔的軸線重合。6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量a)—球形b)—尖劈形c)—普通圓柱形d)—發(fā)散圓柱形e)—聚合圓柱形下圖為三孔測速管感壓探頭的形式：

三孔測速管測量流速大小和方向的工作原理:

6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量3.皮托管的標定射流式校準風洞測量系統(tǒng)1—穩(wěn)流段2—總壓管3—收斂器4—靜壓測孔5—被校測速管6，7—微壓計6.1

皮托管測速技術(shù)第6章流速測量

皮托管標定的基本步驟可以概括為:

6.2

熱線（熱膜）測速技術(shù)第6章流速測量

熱線（熱膜）測速是一種熱電式測速技術(shù)，其相應的測量裝置通常稱為熱線風速儀。1.熱線風速儀的基本構(gòu)造

熱線風速儀由探頭、信號和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。熱線探頭a)一元熱線探頭b)熱膜探頭c)三元熱線探頭6.2

熱線（熱膜）測速技術(shù)第6章流速測量2.熱線風速儀的工作原理

假定熱線在流體中的熱量散失主要靠其與流體間的強迫對流換熱，而不考慮熱線的導熱和輻射損失，則有：

對于與流體流動方向垂直放置的熱線探頭，其單位時間內(nèi)散失的熱量與因電流流過在其上產(chǎn)生的焦耳熱量之間的關(guān)系可表示為：

式中，a和b為與流體參數(shù)及探頭結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；n為與流速有關(guān)的常數(shù)。6.2

熱線（熱膜）測速技術(shù)第6章流速測量a.恒流式熱線風速儀工作原理圖a)恒流式b)恒溫（恒電阻）式b.恒溫（恒電阻）式6.3

激光多普勒測速技術(shù)第6章流速測量

激光多普勒測速技術(shù)（LaserDopplerVelocimeter,簡稱LDV）自60年代初開始應用于測量管內(nèi)水流以來，相關(guān)的研究工作得到了飛速發(fā)展。激光多普勒測速技術(shù)主要優(yōu)點有：①對流場無干擾；②輸出特性的直線性相當好，不必進行標定；③除流體折射率外，測量精度不受其它物理參數(shù)的影響；④空間分辨率高，無慣性因而頻響特性好；⑤測速范圍廣，可以從10-3mm/s級的低速到超音速；⑥測量方向特性穩(wěn)定；⑦可以測量逆流現(xiàn)象中循環(huán)流的湍流速度成分。缺點：多普勒測速裝置是一個比較龐大的測量系統(tǒng)，與皮托管相比，它不僅價格昂貴，而且使用操作復雜，同時還必須在流動管壁上設置激光觀測窗口，在被測流體中加載能夠充分響應流體速度的散射微粒等。第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)1.激光多普勒測速原理

第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)2.測量多普勒頻移的基本光路系統(tǒng)基本方法:直接檢測&外差檢測參考光束系統(tǒng)、單光束系統(tǒng)和雙光束系統(tǒng)（基本光路系統(tǒng)）

直接檢測法是通過直接測量散射光頻率來求取多普勒頻移，因受測量儀器頻響特性的限制，只能用于有限的場合。目前常用的是外差檢測方法，這種方法是將多普勒頻移的檢測轉(zhuǎn)換為兩束光波之間頻率差的檢測。第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)a.參考光束系統(tǒng)參考光束系統(tǒng)光路示意圖LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡L1—透鏡P—運動的微粒N—光闌L2—透鏡PD—光電檢測器

光鏡以1:9的分光比將來自同一光源的激光分成一束參考光和另一束信號光，其中參考光以單位矢量Kr的入射方向通過流體直接照射到光電檢測器上，信號光則以單位矢量Ki的入射方向照射到流體中微粒P上，以產(chǎn)生散射光，該散射光經(jīng)小孔光闌及接收透鏡也聚焦到光電檢測器上。第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)b.單光束系統(tǒng)單光束系統(tǒng)光路示意圖LS—激光器P—運動的微粒L—透鏡S—分光鏡M─反射鏡PD—光電檢測器單光束系統(tǒng)的測速公式第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)c.雙光束系統(tǒng)雙光束系統(tǒng)光路示意圖LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡L1—透鏡P—運動的微粒N—光闌L2—透鏡PD—光電檢測器雙光束系統(tǒng)的測速公式第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)3.流速方向的判斷方向模糊性：多普勒測量系統(tǒng)只能測量流體速度分量vn的大小，而不能同時判斷其流動方向帶有頻移裝置的雙光束光路系統(tǒng)LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡B1，B2—聲光器件D—驅(qū)動源L—透鏡P—運動的微粒PMT—光電倍增管FT—頻率跟蹤裝置

通常利用光混合干涉條紋的移動特性來判斷流速方向:第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)存在移動干涉條紋的測量區(qū)

fD’=f△時，vn=0；

fD’﹥

f△時，vn的方向與條紋移動方向相反；

fD’﹤

f△時，vn的方向與條紋移動方向相同。第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)4.多維流速的測量二維參考光束系統(tǒng)光路LS—激光器S—分光鏡M─反射鏡L—透鏡P—運動的微粒PD1、PD2—光電檢測器

當需要同時測量多維流動在各個方向上的流體流速時，就必須采用二維或三維的多普勒測速系統(tǒng)。第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)5.多普勒測速系統(tǒng)的激光器和散射微粒

無論采用哪一種類型的光路，激光多普勒測速儀器都由以下基本部分組成：激光器、光分束器（分光鏡）、光聚焦發(fā)射系統(tǒng)（透鏡）、光信號收集與檢測系統(tǒng)（光闌和光電檢測器）、頻率信號處理系統(tǒng)以及散射微粒等a.激光器

主要有兩種：氦氖激光器（波長6328×10-10m）和氬離子激光器（波長4880×10-10m或5145×10-10m），其中使用最多的是氦氖激光器。氬離子激光器雖然具有輸出功率大，波長短的特點，但由于其使用條件比較復雜，價格相對昂貴，一般只用于多維流速測量系統(tǒng)和測量高速氣流的后向散射型光路系統(tǒng)。b.散射微粒

對于水或一般的流體，其中自然存在的雜質(zhì)足以作為散射微粒。但在不少情況下（如燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣群透咚亠L洞中的風速測量等），由于被測流體中自然存在的微粒大小或其濃度不能滿足測量的需要，或者測量光路的布置型式受到限制而需要增加被測流體的散射強度時，就有必要人為地添加散射微粒。第6章流速測量6.3

激光多普勒測速技術(shù)被測流體可添加的散射微粒被測流體可添加的散射微粒水滑石粉，聚苯乙烯，脫脂牛奶空氣硅油