【摘要】：高精度測(cè)速技術(shù)在諸多領(lǐng)域均發(fā)揮著重要的作用。激光多普勒測(cè)速技術(shù)具有精度高、響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),因此激光多普勒測(cè)速技術(shù)可應(yīng)用于工業(yè)、航空等領(lǐng)域的速度測(cè)量。并且速度的精確測(cè)量在長(zhǎng)度測(cè)量、加速度測(cè)量等方面具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了改進(jìn)型激光多普勒測(cè)速系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)物體速度以及長(zhǎng)度的精確測(cè)量。相比于傳統(tǒng)的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng),本文系統(tǒng)采用平面鏡折轉(zhuǎn)光路,減小系統(tǒng)尺寸的同時(shí)實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)位置可調(diào),并且設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)連續(xù)的數(shù)據(jù)處理方案。首先,本文對(duì)激光多普勒測(cè)速的外差原理以及常用的測(cè)量模式進(jìn)行介紹,分析對(duì)比了各種測(cè)量模式的優(yōu)缺點(diǎn),重點(diǎn)介紹了雙光束-雙散射測(cè)量模式并給出了具體的速度測(cè)量表達(dá)式。其次,本文針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量光路的缺陷,提出了基于雙平面反射鏡的激光光路結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了測(cè)量點(diǎn)位置可調(diào)整的機(jī)械結(jié)構(gòu),同時(shí)本文采用了雪崩光電二極管(APD)接收多普勒信號(hào),并在LABVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理程序。最后,本文通過光電檢測(cè)電路功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)物體速度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、激光多普勒測(cè)速實(shí)驗(yàn)以及激光多普勒測(cè)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)皮帶速度與長(zhǎng)度的精確測(cè)量,對(duì)比了實(shí)測(cè)值與標(biāo)定值的誤差,并分析了影響測(cè)量結(jié)果精度的因素,且長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差低于1%。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN24
【圖文】：

以下將分別介紹其結(jié)構(gòu)與各自的特點(diǎn)［９］。逡逑２．４．１參考光測(cè)量模式逡逑基于參考光測(cè)量模式的實(shí)現(xiàn)方案的基本結(jié)構(gòu)如圖２．２所示，將來自激光器的同一束逡逑激光分為參考光＾和入射光通常，考慮到粒子的散射效率，入射光與參考光的分光逡逑比約為９９：１。參考光沿著初始方向直接進(jìn)入探測(cè)器，入射光照射到運(yùn)動(dòng)的微粒上，在各逡逑個(gè)方向上均有散射光，且均有多普勒頻移。進(jìn)入探測(cè)器部分的散射光與進(jìn)入探測(cè)器的參逡逑考光進(jìn)行外差疊加，輸出模擬信號(hào)即是兩束光的差頻信號(hào)。逡逑＾邋ｖ逡逑入射逡逑考光逡逑圖２．２參考光測(cè)量模式原理圖逡逑由式（２．６）參考光測(cè)量模式下的速度測(cè)量公式可以表示為逡逑＝＼ｖ－（ｋｃ－ｋ０）逡逑又邐NB邐（２．７）逡逑特殊地，當(dāng)散射粒子的運(yùn)動(dòng)方向垂直于光軸時(shí)，式（２．７）可進(jìn)一步表示為逡逑＿２ｖｓｉｎ（０／２）逡逑／ｄ＝邋＾邋（２．８）逡逑８逡逑

信號(hào)十分微弱，不利于后續(xù)信號(hào)的處理。并且散射光與速度之間夾角對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響。逡逑２．４．２單光束－雙散射測(cè)量模式逡逑激光多普勒測(cè)速的另外一種實(shí)現(xiàn)方案是單光束－雙散射測(cè)量模式。如圖２．３所示，在逡逑單光束－雙散射測(cè)量模式下，激光束入射到運(yùn)動(dòng)的散射粒子上，各個(gè)方向均存在散射光，逡逑通過一個(gè)雙孔光闌，選擇兩個(gè)方向的散射光并利用透鏡收集這兩束散射光，使其在光電逡逑探測(cè)器的光敏面進(jìn)行疊加，進(jìn)而對(duì)微粒的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量。逡逑Ｖ邋ｉＬ邐透逡逑￣棚器逡逑雙孔光闌逡逑圖２．３單光束－雙散射測(cè)量模式原理圖逡逑假設(shè)來自散射粒子的兩束散射光的單位波矢量分別為：停Γ囝墑劍ǎ玻醶叮┛傻玫ィ]3?光束－雙散射測(cè)量模式下的速度測(cè)量公式可以表示為：逡逑ｆＤ＝Ｕ．＾－ｋ２）邐（２．９）逡逑特殊地，當(dāng)運(yùn)動(dòng)散射粒子的速度方向垂直于光軸方向，式（２．９）可以表示為：逡逑２ｖｓｍ（ｅ／２）邐（２．１０）逡逑°邐義逡逑式（２．１０）中０為兩散射光束之間的夾角。由式（２．１０）可以發(fā)現(xiàn)，單光束－雙散射逡逑測(cè)量模式下多普勒頻率取決于所選擇的散射光之間的夾角而與入射光的方位無(wú)關(guān)。但所逡逑選取的兩束特定方向的散射光束只占激光全部能量的少部分，信號(hào)微弱，不利于后續(xù)信逡逑號(hào)處理。逡逑２．４．３雙光束－雙散射測(cè)量模式逡逑激光多普勒測(cè)速技術(shù)最為常用的實(shí)現(xiàn)方案為雙光束－雙散射測(cè)量模式。目前絕大多逡逑數(shù)的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)均是采用這種方案。其原理圖如圖２．４所示。逡逑９逡逑

鏡的聚光作用將部分散射光聚集在探測(cè)器的光敏面上。光電探測(cè)器所捕獲的信號(hào)包含運(yùn)逡逑動(dòng)微粒的多普勒信號(hào)。需要說明的是，對(duì)于透明的運(yùn)動(dòng)物體，如液體、氣體等物質(zhì)，可逡逑以將探測(cè)系統(tǒng)與入射系統(tǒng)分別置于運(yùn)動(dòng)物體的兩側(cè)，如圖２．４，根據(jù)散射光理論Ｍ，前向逡逑散射光的總能量是后向散射光能量的１００倍以上，所以針對(duì)透明物體，接收前向散射光逡逑可以降低對(duì)激光器功率的要求。對(duì)于不透明的運(yùn)動(dòng)物體，往往接收其后向散射光或者側(cè)逡逑向散射光，如圖２．５和圖２．６所示。逡逑會(huì)聚透鏡逡逑／邋Ａ邐收集；？鏡逡逑／ｉ邐＼逡逑邐１邋探測(cè)器逡逑＾邋＾邋＼￣／＼邋＾邐．一－一－逡逑分光棱鏡逡逑圖２．５接收后向散射光逡逑會(huì)聚透鏡逡逑分光棱鏡邐集透鏡逡逑圖２．６接收側(cè)向散射光逡逑由圖２．４出發(fā)分析在雙光束－雙散射測(cè)量模式下多普勒頻率的特點(diǎn)。假設(shè)存在某一個(gè)逡逑１０逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2761233