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1、多普勒叶片旋转检测系统,导 师:* 答辩人:* 班 级：* 专 业:测控技术与仪器,论文框架,1,2,3,4,应用前景 多普勒测速原理 实验原理及实验装置 系统设计指标,论文框架,5,6,7,8,准直聚焦镜头设计 衍射元件设计 光纤耦合系统设计 设计总结,应用背景,1.1 功能简介 激光多普勒测速( LDV) 是一种利用多普勒效应测量流体或气体流动方向和速度的最简单方法。该技术利用流体中的两束交叉激光束, 通过分析由运动着的微粒产生的反射光的频率特性, 将频率与流体的流速相比较, 便可由多普勒效应获得测量结果。现在的趋势是LDV向小型化，高精度发展。,应用背景,1.2 涡轮机的应用 为了减小为
2、减少流体的泄漏和提高涡轮机的效率, 必须使涡轮机转轮的叶片顶端与涡轮机壳体的叶端间隙达到最小。如果温度和压力条件使涡轮机转轮与涡轮机壳体接触, 其后果将是灾难性的, 因此实时而精确地现场测量涡轮叶端的间隙非常必要, 这在涡轮机的设计中至关重要。快速旋转物体的精密面型和振动测量是非常必要的。,应用背景,1.3 LDV技术的优势 与传统的流体测速方法相比，LDV具有以下优点： (1) 属于非接触测量。激光束的交点就是测量探头，它不影响流场分布，可测远距离的速度场分布或狭窄流道中的速度分布。 (2)测量精度高，一般可达0.5%1.0%。 (3)空间分辨率高，可测很小体积内的流速。 (4)测速范围广，
3、动态响应快。 (5)具有良好的方向灵敏度，并可进行多维测量。,多普勒测速原理,多普勒测速原理,多普勒测速原理,2.1 由以上公式可知，在双光束差动多普勒系统中 多普勒频率fD和探测器的位置无关。 以上的条纹模型是平行等间距条纹，满足这个 模型的条件是激光束恰好在光束腰位置相交。 为了使干涉条纹有较高的对比度，在光学系统 设计中应使两路光的光程尽可能相等，两束光的光 强应该一致，偏振方向应该相同等等。,实验原理及实验装置,3.1 两个干涉条纹叠加系统由两个激光波长产生，一个有着 会聚前波面产生收敛条纹，另一个有着发散前波面产生发散 条纹。光束腰位于中央交叉平面之前，产生发散条纹，位于 中央交叉平
4、面之后，产生收敛条纹。,实验原理及实验装置,高斯光束的光束腰与激 光束的中心交叉平面不重合，多 普勒频率f=v/d(v是粒子速度；d是 条纹间距)，可以从来自两个条纹 系统的散射粒子的散射光调幅信号 测量。干涉条纹的间隔d1,2(z)是轴 向距离z的单调增加或单调递减的 函数，定义一个比例函数如右： 因为这个函数与v无关，但是沿 着光轴各异，它的反函数z=z(q)用 来确定粒子通过测量区域的位置。 速度用多普勒频率计算，局部条纹 间隔由粒子位置获得。,实验原理及实验装置,3.2 实验装置 波长为660和830nm的两个光纤耦合激光二极管 通过21光纤耦合器耦合到一根30cm长的单模光纤 中，这
5、个波长和光纤参数选择是基于传输损耗考虑。 光纤另一端（传感头）用一个非球面镜头准直出射 光束。之后用衍射透镜聚焦，由于衍射透镜有高度 色散，使两波长在聚焦处沿轴向分离几毫米之远。 在主波长焦长处放置衍射光栅，再设置光阑只让两 波长1衍射级主亮纹处的光束通过，再用一系列透 镜进行聚焦，作为干涉光束。,实验原理及实验装置,实验系统原理图,实验原理及实验装置,干涉区域内的散射粒子的散射光反射进入光接 收系统，一个接收透镜聚焦再耦合到多模光纤中， 在光纤另一端发射，两波长通过分色镜分开，最后 由各自的光电探测器接收信号。 信号由数模转换器记录在电脑上，用Labview 程序计算出快速傅里叶变换用高斯曲
6、线拟合多普勒 峰值确定中心频率，再由前面两个公式计算出速度 和位置。空间分辨率可由一个校准装置来确定，,实验原理及实验装置,下图是空间分辨率沿z轴的分布，用不确定度的 标准差来表示。在中央交叉平面处达到了亚微米级 的分辨率。,系统设计指标,波长：660nm，830nm 焦距：光纤耦合发射系统焦距f=2540mm 衍射光学元件f=2540mm 双光路两镜头f=75、100mm 接收光路汇聚镜头f=40mm 接收显示系统f=30、40、40mm 双光路直径：40mm,准直聚焦镜头设计,设计软件用的是zemax光学设计软件，设计的 步骤是： 先设定光圈类型，即入瞳直径，再进行视场设定， 设计波长设定
7、。在镜头数据编辑框内输入原始结构 数据，包括半径、厚度、玻璃材料等。系统第一个 面是物面，第二个为光阑面，即限制通光口径的 面，最后一个为像面。 再建立评价函数，一般评价函数有焦距，厚度、边界、 曲率条件，像差等。设定好评价函数后，在设置变量 进行优化，一般把半径，圆锥系数设为变量。优化过 程中可以看到镜头的变化及像质评价的好坏。,准直聚焦镜头设计,像质评价标准主要有点列图（适用于大像差系统）、MTF、 波像差（适用于小像差系统） 点列图： 由一点发出的许多光线经光学系统后，因 像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成 了一个散布在一定范围的弥散图形，称为点列图。 RMS半径越小像质越好。
8、 MTF：一定空间频率下像的对比度与物的对比度 之比。能反映不同空间频率、不同对比度的传递能 力，曲线越高像质越好。 波像差：实际波面与理想波面的偏差。波像差小 于1/4波长就算理想波面。,准直聚焦镜头设计,以设计的f100镜头为例采，用双胶合透镜，能更好 的消除色差，入瞳直径为40mm，设定了两个视场。 外形图：,准直聚焦镜头设计,优化后的镜头结构数据： 优化效果不理想时，可以改变玻璃材料或增加评价 函数来得到更好的优化效果。,准直聚焦镜头设计,点列图： 可以看出外圈存在稍大的色差。这是边缘孔径的光 线所造成的。RMS半径只有17.697，很小，中央亮 斑能量集中，效果可以。,准直聚焦镜头设
9、计,MTF传递函数： 通过MTF图，我们可以 看出截止空间频率跟理 想传递曲线接近，在TS 处的传递效率达到了0.2- 0.3，效果很好。其中黑 线为衍射极限。,准直聚焦镜头设计,像差校正规律： 单色球差：a)同时增加或减少两个厚透镜的厚度，可以只改变球差而不影响其它像差；b)更换不同折射率的玻璃，同时保持透镜每一面的光焦度不变。 色差：根据色差系数的定义 公式中v为镜头的阿贝数， 为光焦度，一般选用根据这个公式来确定玻璃组合。,准直聚焦镜头设计,对于准直透镜，一般采用反向设计，即还是先设计 聚焦透镜，最后将镜头第一面与最后一面调换，物 距设置为镜头最后一面到像面的距离。 下面设计是非球面准直
10、单镜头，先反向设计。非球面由于表面各点的曲率半径不一样，能很好的饿校正单色球差。zemax里的非球面参数有中央半径，二次曲面系数conic，高次非球面系数8项。 由于是单镜头，我们选择折射率小的玻璃材料。优化顺序是依次增加一个系数进行优化。对于后面单波长的聚焦透镜采用非球面可以达到理想效果。,准直聚焦镜头设计,入瞳直径25mm，焦距30mm,衍射元件设计,二元光学衍射透镜同普通透镜一样会聚入射光线，但它不是根据折射，而是衍射原理。由于衍射作用，透镜产生色差的有效焦距同波长成反比 本次设计用的全息透镜，全息透镜属于二元衍射元件。全息透镜的基本结构是两个点光源的全息图。当用物点发出的光波照射时能再
11、现出对应的像点。由于具有严重的色差，一般用于准单色光。全息透镜对准单色光的衍射效率高达95%。而实验中就是要利用衍射透镜的强烈色差，使它在轴上像点分离几毫米。,衍射元件设计,入瞳直径25mm，焦距25mm。结构波长660nm,衍射元件设计,光纤耦合发射系统,本次设计用圆柱透镜将激光束耦合到单模光纤中，水平发散角常为38、垂直发散角常为3040，在许多实际的光纤耦合中，只要压缩垂直发散角，并使用圆柱透镜就能实现高效的耦合。耦合示意图：,光纤耦合发射系统,优化时，先将Ll的值从小变大，同时改变对应的光阑孔径，并观察光线追迹图中输出光束的发散情况，当输出光束的发散角小于光纤的接收角后，然后继续缓慢改变Ll的值，直到输出光束的束腰半径最小时，记下此时的L1值，即为所要求的最佳L1值。柱透镜后表面到输出光束束腰的距离即为L2的最佳值。另外输出光束的发散角应小于接收光纤的接收角，且光斑尺寸小于光纤芯经。,光纤耦合发射系统,评价函数中设置了FICL(光纤耦合效率)，优化后为0.71单模光纤的数值孔径为0.15，即光线会聚角必须小于arcsin0.15,设计总结,有些设计的透镜优化效果仍不太满意，但大体上像 差都控制的比较小，需要总结经验学习优化技巧， 还有就是设计方法有待改进，对各种像质评价应该 进行深入分析，以及对原理等问题应该深入理解。,谢谢大家！,