激光多普勒测速技术的原理和实践 第2版PDF电子书下载

目录 1

译者的话 1

中译本序言 1

第二版序言 1

第一版序言 1

第一章 引论 1

1.1 光学技术的内在联系 2

1.2 与流体力学的关系 4

1.3 历史的回顾 7

第二章 光学原理 13

2.1 目的 13

2.2 几何光学基本定律 14

2.3 几何光学定律的应用：全反射 15

2.4 两束光夹角的变化 16

2.5 光线通过平行壁面引起的位置变化 17

2.6 三层系统中位置的变化 18

2.7 光学界面造成的光波畸变 19

2.8 球面及其在成象系统中的应用 21

2.9 两个球面的处理 22

2.10 透镜及其设计参数 23

2.11 透镜系统及其解析处理 24

2.12 激光多普勒测速仪中的棱镜和棱镜系统 25

2.13 单色光波及其复数解析表达式 26

2.14 平面单色光波 27

2.15 光波性质的某些基本关系 28

2.16 采用复数符号的标量光波及其解析表达式 29

2.17 光波的强度 30

2.18 两个光波的干涉 31

2.19 条纹间距和条纹可见度 32

2.20 光波的时间相干性 33

2.21 光波的空间相干性 34

2.22 光波的衍射，1 35

2.23 光波的衍射，2 36

2.24 光栅和衍射现象． 37

2.25 偏振，1 38

2.26 偏振，2 39

2.27 偏振，3 40

2.28 起偏器和检偏器 41

2.29 偏振棱镜 42

2.30 用偏振光束观察光的干涉 43

2.31 光散射，1 44

2.32 光散射，2 45

2.33 粒子的光散射和偏振效应 46

2.34 运动的光源；多普勒效应，1 47

2.35 运动的光检测器；多普勒效应，2 48

2.36 利用多普勒效应测量速度的原理，1 49

2.37 利用多普勒效应测量速度的原理，2 50

2.38 光检测器：工作原理 51

2.39 用作光检测器的光电二极管 52

2.40 光电二极管的噪声 53

2.41 光电倍增管 54

2.42 光电倍增管的噪声 55

2.43 结论和本章要点，1 56

2.44 结论和本章要点，2 57

第三章 散射现象和光学系统 58

3.1 目的 58

3.2 单个粒子的光散射，1 59

3.3 单个粒子的光散射，2 60

3.4 单个粒子的光散射，3 61

3.5 单个粒子的光散射，4 62

3.6 光散射的积分参数 63

3.7 单个粒子的光散射，5 64

3.8 静止粒子的光散射，1 65

3.9 静止粒子的光散射，2 66

3.10 单个粒子的光散射分析，1 67

3.11 单个粒子的光散射分析，2 68

3.12 多粒子和多光束的光散射分析，1 69

3.13 多粒子和多光束的光散射分析，2 70

3.14 多粒子和多光束的光散射分析，3 71

3.15 多粒子和多光束的光散射分析，4 72

3.16 多粒子和多光束的光散射分析，5 73

3.17 多粒子和多光束的光散射分析，6 74

3.18 由两个粒子散射光造成的圆形干涉图形 75

3.19 由两个粒子散射光造成的线状干涉图形 76

3.20 利用干涉效应的速度测量 77

3.21 光检测器信号的时间相依性 78

3.22 两个粒子被一束光照射得到的激光多普勒信号 79

3.23 两个粒子被一束光照射得到的多普勒信号的实验验证 80

3.24 一个粒子被两束光照射得到的多普勒信号 81

3.25 一个粒子被两束光照射得到的激光多普勒信号的实验验证 82

3.26 两个粒子被不同光束照射得到的激光多普勒信号 83

3.27 粒子被不同光束照射产生的多普勒信号的实验验证 84

3.28 一个运动粒子的散射光与参考光相干涉产生的多普勒信号 85

3.29 “双光束测速计”的基本光学布置 86

3.30 “参考光测速计”的基本光学布置 87

3.31 “双散射光测速计”的基本光学布置 88

3.32 空间光强变化造成的信噪比变化 89

3.33 粒子尺寸对信号品质和信号强度的影响 90

3.34 不同尺寸粒子的信号品质和信号强度 91

3.35 信噪比的空间分布 92

3.36 多频信号造成的信号品质下降 93

3.37 用于双光束测速计的光收集系统 94

338 结论和本章要点，1 95

3.39 结论和本章要点，2 96

第四章 激光多普勒测速的基本原理 97

4.1 目的 97

4.2 激光多普勒测速仪的光学装置，1 98

4.3 激光多普勒测速仪的光学装置，2 99

4.4 激光多普勒测速仪的光学装置，3 100

4.5 激光多普勒测速仪的光学装置，4 101

4.6 激光多普勒测速仪的光学结构，5 102

4.7 激光多普勒测速仪的光学结构，6 103

4.8 激光多普勒测速仪的光学结构，7 104

4.9 激光多普勒测速仪的光学结构，8 105

4.10 激光多普勒测速仪的光学结构.9 106

4.11 激光多普勒测速仪的光学结构，10 107

4.12 激光多普勒测速仪的光学结构，11 108

4.13 测速仪信号的多普勒模型 109

4.14 激光多普勒信号的条纹模型 110

4.15 采用固定波图形的激光多普勒信号模型 111

4.16 用光程差随时间变化解释信号频率的模型 112

4.17 信号品质与粒子尺寸关系的启发式解释 113

4.18 信号品质与粒子尺寸的关系 114

4.19 信号品质与粒子浓度的关系，1 115

4.20 信号品质与粒子浓度的关系，2 116

4.21 激光多普勒测速仪系统的方框图 117

4.22 光源的选择，相干要求，1 118

4.23 光源的选择，相干要求，2 119

4.24 光源的选择，相干要求，3 120

4.25 光源的选择，功率要求，1 121

4.26 光源的选择，功率要求，2 122

4.27 高斯光束的主要特性 123

4.28 高斯光束的聚焦 124

4.29 高斯光束与激光多普勒测速仪性能 126

4.30 几何参数的影响，1 127

4.31 几何参数的影响，2 128

4.32 几何参数的影响，3 129

4.33 几何参数的影响，4 130

4.34 几何参数的影响，5 131

4.35 几何参数的影响，6 132

4.36 本章要点，1 133

4.37 本章要点，2 134

第五章 光学系统的元件 135

5.1 目的 135

5.2 光源的选择，1 136

5.3 光源的选择，2 137

5.4 光源的选择，3 138

5.5 集成光学单元，1 139

5.6 集成光学单元，2 140

5.7 集成光学单元，3 141

5.8 集成光学单元，4 142

5.9 光学元件的选择 143

5.10 光检测器的选择，1 144

5.11 光检测器的选择，2 145

5.12 光线的频移，1 146

5.13 光线的频移，2 147

5.14 光线的频移，3 148

5.15 光线的频移，4 149

5.16 光线的频移，5 150

5.17 光线的频移，6 151

5.18 光线的频移，7 152

5.19 光线的频移，8 153

5.20 基座信号的消除，1 154

5.21 基座信号的消除，2 155

5.22 频移和基座消除的结合 156

5.23 结论 157

第六章 信号处理引论 158

6.1 目的 158

6.2 电信号的特性，1 159

6.3 电信号的特性，2 160

6.4 电信号的特性，3 161

6.5 电信号的特性，4 162

6.6 对信号处理系统的要求 163

6.7 频率分析法，1 164

6.8 频率分析法，2 165

6.9 频率跟踪法，1 166

6.10 频率跟踪法，2 167

6.11 计数法，1 168

6.12 计数法，2 169

6.13 滤波器库，1 170

6.14 滤波器库，2 171

6.15 滤波器库，3 172

6.16 光子相关频谱法，1 173

6.17 光子相关频谱法，2 174

6.18 光子相关频谱法，3 175

6.19 光子相关频谱法，4 176

6.20 光子相关频谱法，5 178

6.21 光学频率分析法，1 180

6.22 光学频率分析法，2 181

6.23 光学频率分析法，3 182

6.24 本章要点 183

第七章 频率分析法信号处理 184

7.1 目的 184

7.2 频谱分析法：对象 185

7.3 散射光的频谱 186

7.4 工作原理，1 187

7.5 工作原理，2 188

7.6 工作原理，3 189

7.7 工作原理，4 190

7.8 工作原理，5 191

7.9 计数／采样：频谱分析，1 192

7.10 计数／采样：频谱分析，2 193

7.11 实际操作，1 195

7.12 实际操作，2 196

7.13 实际操作，3 197

7.14 多普勒频谱的统计理论 198

7.15 频谱分析仪输出的处理，1 199

7.16 频谱分析仪输出的处理，2 200

7.17 高湍流流动中的问题，1 201

7.18 高湍流流动中的问题，2 202

7.19 非均匀粒子浓度问题 203

7.20 频谱分析法的优点 204

7.21 频谱分析法的缺点 205

7.22 一些现有的频谱分析仪 206

7.23 加宽的修正，1 207

7.24 加宽的修正，2 208

7.25 有限渡越时间加宽，1 209

7.26 有限渡越时间加宽，2 210

7.27 有限渡越时间加宽，3 211

7.28 由于速度脉动引起的加宽 212

7.29 速度梯度加宽，1 213

7.30 速度梯度加宽，2 214

7.31 仪器加宽 215

7.32 加宽修正的估算 216

7.33 本章要点 217

第八章 频率跟踪解调法信号处理 218

8.1 目的 218

8.2 频率跟踪法：对象 219

8.3 工作原理，1：补偿外差跟踪器 220

8.4 工作原理，2：压控振荡器 221

8.5 工作原理，3：鉴频器 222

8.6 工作原理，4：鉴相器 223

8.7 工作原理，5：锁相环路 224

8.8 工作原理，6：自差式跟踪器 225

8.9 实际操作，1 226

8.10 实际操作，2 227

8.11 输出的处理 228

8.12 频率跟踪法的优点 229

8.13 频率跟踪法的局限性 230

8.14 脱落限制 231

8.15 脱落和捕获范围的限制 232

8.16 动态响应限制 233

8.17 跟踪范围的限制 234

8.18 转换速率的限制 235

8.19 最佳跟踪 236

8.20 一些频率跟踪器 237

8.21 加宽修正 238

8.22 有限渡越时间的加宽，1 239

8.23 有限渡越时间的加宽，2 240

8.24 湍流和模糊频谱，1 241

8.25 湍流和模糊频谱，2 242

8.26 湍流和模糊频谱，3 243

8.27 本章要点 244

9.1 目的 245

第九章 计数法信号处理 245

9.2 多普勒频率测量，1：误差来源 246

9.3 多普勒频率测量，2：有限持续时间加宽 247

9.4 多普勒频率测量，3：.多普勒信号的解析描述 248

9.5 多普勒频率测量，4：有限带宽滤波器的影响 249

9.6 多普勒频率测量，5：有限带宽滤波器的影响 251

9.7 多普勒频率测量，6：噪声源 253

9.8 用计数技术测量频率，1 254

9.9 用计数技术测量频率，2：噪声的影响 255

9.10 用计数技术测量频率，3：由于有限时间分辨率引起的计时误差 256

9.11 用计数技术测量频率，4：固定闸门计数引起的计数模糊误差 257

9.12 用计数技术测量频率，5：固定闸门计数引起的计时误差 258

9.13 频率计数器的工作原理，1 259

9.14 频率计数器的工作原理，2：幅值鉴别 260

9.15 频率计数器的工作原理，3：周期测量的触发电平 261

9.16 频率计数器的工作原理，4：峰值检测器 262

9.17 频率计数器的工作原理，5：由于噪声造成的额外过零点 263

9.18 信号闪烁中明显的周期变化 264

9.19 激光多普勒测速仪的时间分辨率 265

9.20 信号基座的消除，1 266

9.21 信号基座的消除，2：高通滤波 267

9.22 信号基座的消除，3：频移法 268

9.23 激光多普勒周期计时系统，1：基本部件 269

9.24 激光多普勒周期计时系统，2：输入级 270

9.25 激光多普勒周期计时系统，3：幅值鉴别器和过零点检测器 271

9.26 多普勒周期计时系统，4：时钟频率选择 272

9.27 激光多普勒周期计时系统，5：输出逻辑电路 273

9.28 采用周期计时系统的测量 274

9.29 通用的计数系统 275

9.30 激光多普勒信号的信息量 276

9.31 时平均特性，1：和粒子平均特性的关系 277

9.32 时平均特性，2：连续信号 278

9.33 时平均特性，3：测量体的影响 280

9.34 时平均特性，4：数据采集和时间尺度 282

9.35 时平均特性，5：幅值影响 283

9.36 时平均特性，6：建议的采样技术 284

9.37 空间变化的粒子浓度 285

9.38 结论和本章要点 286

10.1 目的 287

第十章 散射粒子：主要特性 287

10.2 对作为光散射体的悬浮粒子的要求 288

10.3 对散射粒子性质的要求 289

10.4 悬浮粒子的流动特性 290

10.5 粒子的运动方程，1 291

10.6 粒子的运动方程，2 292

10.7 粒子的运动方程，3：Hjelmfelt和Mockros推导的解 293

10.8 粒子尺寸范围，1：Hjelmfelt和Mockros所用的方法 294

10.9 粒子运动方程，4．Chao导出的解 295

10.10 粒子尺寸范围，2：Chao用的方法 296

10.11 粒子运动方程，5：Al-Taweel求得的解 297

10.12 离心力场中粒子的运动 298

10.13 高速流中粒子的运动 299

10.14 布朗运动引起的多普勒频谱加宽 300

10.15 粒子浓度的限制 301

10.16 利用测速仪的信号测量粒子浓度 302

10.17 粒子浓度和湍流频率的分辨率 303

10.18 悬浮体的凝聚 304

10.19 粒子间的静电效应 305

10.20 作用在粒子上的其他力 306

10.21 自然存在的散射粒子 307

10.22 使用悬浮体时健康方面的问题 308

10.23 本章要点 309

第十一章 散射粒子：发生和测量 310

11.1 目的 310

11.2 液流中的播粒 311

11.3 悬浮体产生方法 312

11.4 雾化：鼓风和超声雾化器 313

11.5 雾化：压力和旋转雾化器 314

11.6 粉状物的流化 315

11.7 凝结：发生器的设计基础 316

11.8 凝结：发生器的比较 317

11.9 燃烧和化学反应 318

11.10 悬浮体发生器：摘要 319

11.11 用于激光多普勒测速的典型播粒材料 320

11.12 粒子尺寸测量：引言，1 321

11.13 粒子尺寸测量：引言，2 322

11.14 粒子的收集 323

11.15 光学法测量粒子的尺寸：引言 324

11.16 衰减测量：均匀分布的悬浮体 325

11.17 衰减测量：非均匀分布的悬浮体 326

11.18 散射测量：均匀分布的悬浮体 327

11.19 散射方法：非均匀分布的悬浮体 328

11.20 光学粒子计数器 329

11.21 利用测速仪信号测量粒子尺寸，1 330

11.22 利用测速仪信号测量粒子尺寸，2 331

11.23 利用测速仪信号测量粒子尺寸，3 332

11.24 利用测速仪信号测量粒子尺寸，4 333

11.25 本章要点 334

12.1 目的 335

第十二章 专用激光多普勒测速仪 335

12.2 在低粒子浓度流动中的测量，1 336

12.3 在低粒子浓度流动中的测量，2：产生合适的散射粒子 337

12.4 在低粒子浓度流动中的测量，3：用于双光束测速仪的光学棱镜 338

12.5 在低粒子浓度流动中的测量，4：光学系统的布置 339

12.6 在低粒子浓度流动中的测量，5：光学系统的布置 340

12.7 在低粒子浓度流动中的测量，6：组件式光学系统 341

12.8 在低粒子浓度流动中的测量，7：信号处理装置 342

12.9 在低粒子浓度流动中的测量，8：所需的粒子浓度 343

12.10 在高粒子浓度流动中的测量，1：光学系统的布置 344

12.11 在高粒子浓度流动中的测量，2：光学系统的布置 345

12.12 在高粒子浓度流动中的测量，3：用于参考光测量的组件式光学系统 346

12.13 在高粒子浓度流动中的测量，4：信号处理装置 347

12.14 在高湍流度流动中的测量，1：由于方向模糊而产生的误差 348

12.15 在高湍流度流动中的测量，2：流动方向和光学系统 349

12.16 在高湍流度流动中的测量，3：带有布喇格器件的频移装置 350

12.17 在高湍流度流动中的测量，4：带有布喇格器件的光学系统 351

12.18 在高湍流度流动中的测量，5：没有频移时的测量误差 352

12.19 高速流测量，1：小粒子的产生 353

12.20 高速流测量，2：所需的功率和条纹数 354

12.21 高速流测量，3：组件式光学系统和信号处理装置 355

12.22 火焰的测量，1 356

12.23 燃烧测量，2：粒子分布的影响 357

12.24 火焰的测量，3：散射粒子对燃烧过程的影响 358

12.25 同时测量两个速度分量，1：双光束测速仪 359

12.26 同时测量两个速度分量，2：双散射光测速仪 360

12.27 速度脉动的空间相关测量 361

12.28 粒子浓度和粒子尺寸的测量 362

12.29 粒子浓度、尺寸和速度的测量 363

12.30 利用可见度测量粒子尺寸 364

12.31 粒状两相流的测量，1 365

12.32 粒状两相流的测量，2 366

12.33 粒状两相流的测量，3 367

12.34 激光多普勒测量的估算，1：一维测速仪 368

12.35 激光多普勒测量的估算，2：一维测速仪 369

12.36 激光多普勒测量的估算，3：二维（双散射光）测速仪 370

12.37 激光多普勒测量的估算，4：二维（双散射光）测速仪 371

12138 激光多普勒信号的估算，5：二维（参考光）测速仪 373

12.39 结论和本章要点 374

13.1 目的 375

第十三章 基于最新测量成果评价激光多普勒测速技术 375

13.2 层流流动，1 376

13.3 层流流动，2：具有格特勒涡的弯曲流动 377

13.4 层流流动，3：矩形弯管流动 378

13.5 层流流动，4：平面对称突然扩张管道 379

13.6 层流流动，5：平面对称突然扩张管道 381

13.7 层流流动，6：平面对称突然扩张管道 382

13.8 层流流动，7：毛细管里水和血液的流动 383

13.9 层流流动，8：毛细管里水和血液的流动 384

13.10 湍流流动，1：管流的相关测量 385

13.11 湍流流动，2：管流的频谱测量 386

13.12 湍流流动，3：完全发展的渠道流动 387

13.13 湍流流动，4：射流的平均速度和脉动速度 388

13.14 湍流流动，5：射流的脉动速度分量、剪应力和频谱 389

13.15 湍流流动，6：方截面管道水流 391

13.16 湍流流动，7：方截面管道水流 392

13.17 湍流流动，8：方截面管道水流 393

13.18 湍流流动，9：弯管流动 394

13.19 湍流流动，10：空气分离流动 395

13.20 湍流流动，11：二维凸起 396

13.21 湍流流动，12：同轴有界射流 398

13.22 湍流流动，13：活塞-汽缸组合体 399

13.23 湍流流动，14：活塞-汽缸组合体 401

13.24 超声速流动，1 402

13.25 超声速流动，2 403

13.26 超声速流动，3 404

13.27 超声速流动，4 405

13.28 透平机械内的测量，1 406

13.29 透平机械内的测量，2 407

13.30 透平机械内的测量，3 408

13.31 燃烧系统，1 410

13.32 燃烧系统，2 412

13.33 燃烧系统，3 413

13.34 燃烧系统，4 414

13.35 燃烧系统，5 415

13.36 本章要点 416

参考文献 417

符号表 436