CN209342750U - 一种应用激光多普勒测速的实验设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种应用激光多普勒测速的实验设备，该实验设备包括激光光源、分光镜、平面反射镜、聚焦透镜、固体转盘、收集透镜、激光多普勒测速探头和信号处理单元，分光镜将激光光源发射出来的激光分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光经过聚焦透镜后集中入射到固体转盘上，经过固体转盘作用后的散射光进入到收集透镜，激光多普勒测速探头接收经过收集透镜后的散射光，激光多普勒测速探头与信号处理单元电性连接。本实用新型中的光路设计能够采用测量转盘的线速度，以此来模拟激光多普勒效应在工业上的应用，固体转盘采用电机控制转速连续，且成本低，能达到预期效果。

Description

一种应用激光多普勒测速的实验设备

技术领域

本实用新型涉及教学实验设备领域，具体而言，涉及一种应用激光多普勒测速的实验设备。

背景技术

1842年奥地利人多普勒(J.C.Doppler)指出：当波源和观察者彼此接近时，收到的频率变高；而当波源和观察者彼此远离时，收到的频率变低。这种现象称为多普勒效应，可用于声学、光学、雷达等与波动有关的学科。不过，应该指出，声学多普勒效应与光学多普勒效应是有区别的。在声波中，决定频率变化的不仅是声源与观察者的相对运动，还要看两者哪一个在运动。声速与传播介质有关，而光速不需要传播介质，不论光源与观察者彼此相对运动如何，光相对于光源或观察者的速率相同。因此，光学多普勒效应有更好的实用价值。1960年代初激光技术兴起，由于激光优良的单色性和定向性及高强度，激光多普勒效应可以用来进行精密测量。

1964年两个英国人Yeh和Cummins用激光流速计测量了层流管流分布，开创激光多普勒测速技术。激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter，LDV)，是利用激光多普勒效应来测量流体或固体速度的一种仪器。由于它大多用于流体测量方面，因此也被称为激光多普勒风速仪(laser Doppler anemometer，LDA)。也有称做激光测速仪或激光流速仪(laser velocimeter，LV)的。1970年代便有产品上市，1980年代中期随着微机的出现，电子技术的发展，技术日趋成熟。在剪切流、内流、两相流、分离流、燃烧、棒束间流等各复杂流动领域取得了丰硕的成果。激光测速在涉及流体测量方面，已成为产品研发不可或缺的手段。

但是在现有技术中，特别是在工业领域上，通常用激光多普勒效应来测量轧钢、布匹的运动速度，但由于在实验教学的条件下，搭建这样的装置成本高，用于教学也不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种应用激光多普勒测速的实验设备，其能够采用测量转盘的线速度，以此来模拟激光多普勒效应在工业上的应用，固体转盘采用电机控制转速连续，且成本低，能达到预期效果。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种应用激光多普勒测速的实验设备，该实验设备包括激光光源、分光镜、平面反射镜、聚焦透镜、固体转盘、收集透镜、激光多普勒测速探头和信号处理单元，分光镜将激光光源发射出来的激光分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光经过聚焦透镜后集中入射到固体转盘上，经过固体转盘作用后的散射光进入到收集透镜，激光多普勒测速探头接收经过收集透镜后的散射光，激光多普勒测速探头与信号处理单元电性连接。

在本实用新型的较佳实施例中，上述信号处理单元包括前置放大器、衰减器、高通滤波器、信号放大器、高速采集模块和计算机接口，激光多普勒测速探头、前置放大器、衰减器、高通滤波器、信号放大器、高速采集模块和计算机接口依次串行连接，计算机接口连接计算机。

在本实用新型的较佳实施例中，上述信号处理单元还包括示波器接口，高通滤波器的其中一输出端连接示波器接口的输入端，示波器接口连接示波器。

在本实用新型的较佳实施例中，上述聚焦透镜和收集透镜均为双凸透镜，聚焦透镜的焦距为75-200mm；收集透镜的焦距为30-80mm。

在本实用新型的较佳实施例中，上述固体转盘包括旋转圆盘，设置在旋转圆盘中心的旋转轴和旋转轴连接的调速电机。

在本实用新型的较佳实施例中，上述平面反射镜为全反射镜。

在本实用新型的较佳实施例中，上述激光光源为半导体激光器或者气体激光器，激光光源的激光波长为500-700mm。

在本实用新型的较佳实施例中，上述分光镜的投射比例和反射比例均为50％。

在本实用新型的较佳实施例中，上述激光多普勒测速探头为雪崩光电二极管。

在本实用新型的较佳实施例中，上述信号处理单元还包括驱动电源，驱动电源连接激光多普勒测速探头。

本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型中的实验设备采用固定转盘和特定的光路设计，采用测量转盘的线速度，以此来模拟出工业领域上使用激光多普勒效应来测量轧钢、布匹的运动速度的实验，让学生更好的理解测速原理，并且设备转速连续，成本低，能达到预期效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例的实验设备连接结构示意图；

图2为本实用新型实施例的激光多普勒信号处理单元的各个模块连接示意图；

图标：001-激光光源；002-分光镜；003-平面反射镜；004-聚焦透镜；005-固体转盘；006-收集透镜；007-激光多普勒测速探头；010-信号处理单元；011-前置放大器；012-衰减器；013-高通滤波器；014-信号放大器；015-高速采集模块；016-计算机接口；017-计算机；018-示波器接口；019-示波器；020-驱动电源。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固体连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

第一实施例

请参见图1和图2，本实施例提供一种应用激光多普勒测速的实验设备，在工业领域上，通常用激光多普勒效应来测量轧钢、布匹的运动速度，但是由于在实验教学的条件下，搭建这样的装置成本高，用于教学也不方便。为此本实施例中的实验设备采用测量转盘的线速度，以此来模拟激光多普勒效应在工业上的应用，固体转盘采用电机控制转速连续，且成本低，能达到预期效果。

在本实施例中的实验设备包括激光光源001、分光镜002、平面反射镜003、聚焦透镜004、固体转盘005、收集透镜006、激光多普勒测速探头007和信号处理单元010，分光镜002将激光光源001发射出来的激光分成等强度、等光程的两束平行光，两束平行光经过聚焦透镜004后集中入射到固体转盘005上，经过固体转盘005作用后的散射光进入到收集透镜006，激光多普勒测速探头007接收经过收集透镜006后的散射光，激光多普勒测速探头007与信号处理单元010电性连接。

请参见图1，在本实施例中的分光镜倾斜角度和激光光源的入射角度之间的角度为45°，平面反射镜与分光镜平行，分光镜中点到聚焦透镜之间的距离：聚焦透镜到固体转盘外缘之间的距离＝80:150；固体转盘外缘到收集透镜之间的距离：收集透镜到光探测器之间的距离＝50:50；激光光源的入射角度和在固体转盘之后的偏转角度为60°。

本实施例中的激光光源001用于投射激光，本实施例采用的是半导体激光器，用半导体激光器作为光源，悬浮在流动流体中的微粒对入射光束进行散射，激光束照在流体中的微粒上，散射光波长(或频率)就加上了粒子速度带来的多普勒增量(可正可负)，由于流体中示踪粒子质量和尺寸很小，可以用多个粒子速度的统计平均值代表流体的速度。在其他实施例中也可以采用气体激光器，其需要保证激光光源001的激光波长为500-700mm。

本实施例中的分光镜002用于将激光分为两束垂直的激光，分光镜002的投射比例和反射比例均为50％，其中一束激光平行射入聚焦透镜004上，另一束竖直射入到平面反射镜003，平面反射镜003再将激光完全反射到聚焦透镜004上，使得激光经过处理后成为等强度和等光程的两束平行光，两束平行光平行入射到聚焦透镜004上。

本实施例中的聚焦透镜004为双凸透镜，其聚焦为75-200mm，用于将两束平行激光聚焦后入射到固定转盘处，本实施例中的固定转盘包括旋转圆盘，设置在旋转圆盘中心的旋转轴和与旋转轴连接的调速电机，调速电机的转速为0-8000转/分钟可调，调速电机给旋转轴提供转动动力，旋转圆盘在旋转轴的作用下进行旋转，其中转盘的外径为20-200mm。

在本实施例中的激光经过固定转盘之后由收集透镜006收集散射光，在本实施例中的收集透镜006同样为双凸透镜，从而散射光能够汇集到激光多普勒测速探头007处，在本实施例中的收集透镜006的焦距为30-80mm。

在本实施例中的光探测器采用激光多普勒测速探头007作为接收元件，更为具体的是雪崩光电二极管探头，光探测器之后接入信号处理单元010用于对采集到的信号作出信号处理，然后用示波器显示出处理后的多普勒信号，以便学生观察，并且在信号处理单元010之后接入计算机，用于将实验数据传输至电脑，通过计算机软件进行数据和曲线的存储，并且进行频谱分析，计算出转盘的转速，计算机软件可以自动连续的采集次数，并将每次测量的结果进行存储后计算出平均值和标准差，以便学生归纳学习。

更为具体的，请参见图2，在本实施例中的信号处理单元010包括前置放大器011、衰减器012、高通滤波器013、信号放大器014、高速采集模块015和计算机接口016，激光多普勒测速探头007、前置放大器011、衰减器012、高通滤波器013、信号放大器014、高速采集模块015和计算机接口016依次串行连接，计算机接口016连接计算机017。

本实施例中的信号处理单元010对接收信号首先使用前置放大器011对光探测器输出的电信号进行放大，然后使用衰减器012经放大后的信号分出检测信号和监测通道，检测信号通过预加重的高通滤波器013进行滤波，将检测信号的频域变化转化为信号强度变化，通过与监测通道和预加重滤波器透过率曲线的对比，得到多普勒频移信息。在本实施例中的衰减器012的衰减倍数和高通滤波器013的滤波频率均为多档位设备，在实验时，可以通过主机面板旋钮/按键进行调节，以降低波形信号干扰，提高实验准确性。

更为具体的，本实施例中的信号处理单元010还包括示波器接口018，高通滤波器013的其中一输出端连接示波器接口018的输入端，示波器接口018连接示波器019。在本实施例中的主机(信号处理单元010)留有示波器接口018，可以通过示波器019直接观察处理后的多普勒信号。同时，主机里有信号放大器014和数据采集单元，将模拟信号进行模数转换并存储，通过通讯接口传输到计算机017。

在本实用新型的较佳实施例中，上述信号处理单元010还包括驱动电源020，驱动电源020连接激光多普勒测速探头007，用于给光探测器提供电源供给。

综上所述，本实用新型中的实验设备采用固定转盘和特定的光路设计，采用测量转盘的线速度，以此来模拟出工业领域上使用激光多普勒效应来测量轧钢、布匹的运动速度的实验，让学生更好的理解测速原理，并且设备转速连续，成本低，能达到预期效果。

本说明书描述了本实用新型的实施例的示例，并不意味着这些实施例说明并描述了本实用新型的所有可能形式。应理解，说明书中的实施例可以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可放大或缩小一些特征以显示特定部件的细节。公开的具体结构和功能细节不应当作限定解释，仅仅是教导本领域技术人员以多种形式实施本实用新型的代表性基础。本领域内的技术人员应理解，参考任一附图说明和描述的多个特征可以与一个或多个其它附图中说明的特征组合以形成未明确说明或描述的实施例。说明的组合特征提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本实用新型的教导一致的特征的多种组合和变型可以根据需要用于特定应用或实施。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述实验设备包括激光光源、分光镜、平面反射镜、聚焦透镜、固体转盘、收集透镜、激光多普勒测速探头和信号处理单元，所述分光镜将所述激光光源发射出来的激光分成等强度、等光程的两束平行光，所述两束平行光经过所述聚焦透镜后集中入射到所述固体转盘上，经过所述固体转盘作用后的散射光进入到所述收集透镜，所述激光多普勒测速探头接收经过所述收集透镜后的散射光，所述激光多普勒测速探头与所述信号处理单元电性连接。

2.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述信号处理单元包括前置放大器、衰减器、高通滤波器、信号放大器、高速采集模块和计算机接口，所述激光多普勒测速探头、所述前置放大器、所述衰减器、所述高通滤波器、所述信号放大器、所述高速采集模块和所述计算机接口依次串行连接，所述计算机接口连接计算机。

3.根据权利要求2所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述信号处理单元还包括示波器接口，所述高通滤波器的其中一输出端连接所述示波器接口的输入端，所述示波器接口连接示波器。

4.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述聚焦透镜和所述收集透镜均为双凸透镜，所述聚焦透镜的焦距为75-200mm；所述收集透镜的焦距为30-80mm。

5.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述固体转盘包括旋转圆盘，设置在所述旋转圆盘中心的旋转轴和所述旋转轴连接的调速电机。

6.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述平面反射镜为全反射镜。

7.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述激光光源为半导体激光器或者气体激光器，所述激光光源的激光波长为500-700mm。

8.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述分光镜的投射比例和反射比例均为50％。

9.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述激光多普勒测速探头为雪崩光电二极管。

10.根据权利要求1所述的应用激光多普勒测速的实验设备，其特征在于，所述信号处理单元还包括驱动电源，所述驱动电源连接所述激光多普勒测速探头。