杨伟浩 于志强 刘悦 / 上海市计量测试技术研究院



基于激光多普勒原理风速校准中的示踪粒子

杨伟浩 于志强 刘悦 / 上海市计量测试技术研究院

0　引言

基于激光多普勒原理风速校准是一种光学非接触测量技术[1]。采用示踪粒子测速技术表征风速，即以风洞测量段中示踪粒子的运动来表征校准过程中的标准风速。要求示踪粒子必须能够悬浮于风洞流场中，并完美地伴随均匀的速度场流动，那么测量得到的粒子运动速度也就可以认为是粒子所在位置的气流速度。所以，基于激光多普勒原理风速校准过程中，示踪粒子需要满足一定的要求：能够很好地跟随空气流动、易于生成、无磨蚀、无腐蚀、无毒、不挥发或蒸发得慢、清洁、化学性质稳定、便宜。在这些特性中最重要的是粒子能够跟随空气流动，称作粒子跟随性，即示踪粒子和空气之间的相对运动尽可能小。

1　基于激光多普勒原理风速校准的原理

如图1所示，当激光照射到待测风速的流场时，激光被示踪粒子所散射，散射光的频率会发生变化，它和入射激光的频率之差称为多普勒频差。这个频差正比于风速，经过光电转换，可以得到风速[2]。

图1　基于激光多普勒原理风速校准的原理

λ —— 激光波长，μm；

θ —— 两束激光的夹角；

fD—— 粒子运动所对应的多普勒频率，MHz可以看出，示踪粒子是实现基于激光多普勒原理风速校准的量传实物介质。

2　流体中示踪粒子的受力和运动的数学表达

由于流体中运动的示踪粒子受到来自不同机理力的作用，所以这些力对粒子运动的影响也存在差异，同时重要性也不同。……