双激光束流速测量装置*

在声学领域内，多普勒效应早为人们熟知，它是19 世纪德国物理学家多普勒首次发现的［1］。爱因斯坦在他的狭义相对论中早就指出:在光波领域中也存在着类似的多普勒效应，而且可以利用这一效应来测量运动物体的速度。利用这一原理来测量固体、液体和气体速度的技术被称为激光多普勒测速技术。此外，利用该技术还可以测量物体的振动［2］、长度等。

1 系统总体框图及实验原理

本文利用激光的多普勒效应，设计了一套基于双激光束多普勒效应测量流动液体速度的装置。整个设计框架如图1 所示。

图1 系统总体框图

激光多普勒测量流体的速度实质上是测量流体当中随着流体同速流动的粒子速度［3］。它的测速原理是将一束激光照射到随流体一起运动的微粒上，透射出来的激光经过光阑照到光电探测器上，光电探测器将接收到的光信号转变为模拟电信号，模拟电信号经放大电路放大后再由A/D 转换器转换成数字信号传输到单片机中，单片机通过快速傅里叶变换(FFT)程序对接收到的数字信号进行快速傅里叶变换处理。单片机判断出经过快速傅里叶变换后的信号峰值处对应的拍频fd。通过拍频fd就能计算出散射光的多普勒频移，根据多普勒频移公式就可以计算出流体的流速，整个的计算过程都在单片机中实现。整个装置实物图如图2 所示。

图2 装置实物图

2 硬件系统的组成

2.1 激光器的选择

随着激光器的发展，激光器的种类越来越多，不同类型的激光器有着不同的用处。对本装置来说选择激光器的类型以及质量都会影响测量效果。本实验选择了针对光谱测量的波长为632.8 nm 的He－Ne 半导体激光器，它工作稳定，性价比高。

2.2 单片机的选择

本装置的数据处理部分采用的是STC 公司生产的一种低功耗、高性能的STC89C52 型号单片机，最高运作频率可达35 MHz，满足了一般的数据处理速度的要求。STC89C52使用经典的MCS－51 内核，但在此基础上又做了很多的改进，从而使得芯片具有传统51 单片机不具备的功能。性能得到了很大的提高，性价比极高。芯片内部自带看门狗功能，省去了外部看门狗，使得电路设计起来更加简单、方便。

2.3 A/D 转换芯片的选择

我们采用A/D 转换芯片TLC2543，它是TI 公司生产的一种利用12 位开关电容逐次逼近模拟信号的模数转换器，片内有14 位通道。具有12 位较高分辨率A/D 转换口，输出引脚由于是串行输入结构，能够节省单片机I/O 资源，且价格适中，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

2.4 显示器的选择

本系统采用了液晶显示器LCD1602 作为流体速度数值显示的硬件部分，LCD1602 相对于传统显示的数码管具有体积小，功耗低，能够显示更多的符号，安装方便，便于携带等优点。通过电位器还可以调节显示器的对比度，适应不同环境下的对比显示，使得显示效果达到最好。

2.5 探测器的选择

为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。由于硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率等优点。而本装置中的光源采用的正是632.8 nm的可见光，因此本装置中选择硅光二极管作为光电探测器。

2.6 放大电路芯片的选择

信号放大部分采用的是National Semiconductor 公司生产的以场效应管为输入级的LF356 芯片对信号进行反相放大，它的优点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，并且具有高速、宽带和低噪声、性价比高等特点。

3 程序设计

3.1 快速傅里叶变换程序设计

大量的事实已经证明，快速傅里叶变换能够大大提高计算机的运算速度，它为各系统的设计提供了简单算法，有着十分重要的意义［4］。本装置中数据处理的单片机程序也采用快速傅里叶变换原理进行编写程序，图3 是快速傅里叶变换流程图。

图3 快速傅里叶变换流程图

3.2 看门狗程序设计

在抗干扰方面有许多技术，如加硬件看门狗电路以及设计软件陷阱等。程序在运行过程中不可避免地会遇到程序跑飞或者陷入死循环，由于采用的单片机当中自带有看门狗技术，所以程序调用内部看门狗，程序在运行过程中通过不断地喂狗来检测是否陷入死循环或者有没有跑飞［5］，若有，则根据实际情况作相应的处理。通过看门狗技术，提高了系统的稳定性，并且确保了数据的真实性。

4 结束语

本文的创新点是利用非接触式的双激光束多普勒效应测量流体的流速以及判断流体的流动方向。由于激光探测器的灵敏度极高，可以在瞬间测量出流体的流速，不仅适用于测量缓慢的流体的速度，还适用于测量瞬时变化的流体速度。比如测量一直以来困扰着人们的大气湍流的速度。在实验室条件下，通过多次测量水流的流速，得到的结果与实际值基本上一致。