关于激光多普勒测速仪的测量精度
关于激光多普勒测速仪的测量精度
北京飞骊佳科技服务有限公司
1. 概述
激光多普勒测速仪（LDV）测量掺混在流体中的微粒速度来代表流体速度。理
论和实验研究表明，微米量级的粒子，在保证跟随速度比h = 0.99条件下，跟随的脉动频率可达10千赫【1】。LDV的理论公式为【2】：
Ux = f D( l/2sink)
式中：Ux 为一维速度，f D 为多普勒频率，l 为激光波长，k 为光束夹角的半角。
由上式可见，速度与多普勒频率之间为线性关系，从极低速到积高速，这关系都成立，这是其它流速测量仪器所不具备的。速度测量精度取决于多普勒频率、激光波长和光束夹角的测量精度。其中，光束夹角可以通过几何方法测定，一般可以达到0.05%；激光波长可以通过波长计测定其精度，一般激光器的波长准确度可以达到10-6；信号处理器的频率测量精度也可以通过高精度的仪器标定，采用现代数字信号处理方法研制的信号处理器，其频率不确定性可达1Hz。这种间接的标定方法可以确定LDV可能达到的精度，具有一定可信度。因此，在一般情况下，业界公认的LDV测速精度可达0.2～0.5% 。基于此方法，北京飞骊佳公司的LDV系统多年来已经被国家烟草研究院用来标定行业内的热敏式风速计。
至于实际的流速测量精度，由于测量流速的方法十分有限以及流场的复杂性，目前还没有哪一种方法可以用来标定LDV系统，目前国家计量机构只有对皮托流速计的校正，它只能适用5米/秒以上的稳态流速，有较大局限性。唯一可以比较精确地与LDV的测量结果相对比的方法是，采用一个高速旋转的圆盘，在圆盘边缘打一个小孔来得到衍射光，模拟微粒的散射光，通过LDV测得其速度，并与闪频测速仪的测量结果相比较，得到比较精度或相对偏差，至于这两者之间谁更精确也难以定论。
2. 频率和激光波长标定
基于多普勒信号处理器对LDV的重要性，北京飞骊佳公司在LDV产品中先后
采用了清华大学研发的电子频率跟踪器和数字相关信号处理器，近年来又与清华大学合作研发了数字集成化FFT型信号处理，该处理器经由中国计量院检测，在10KHz ~ 4MHz范围，频率不确定度度可达1Hz【3】。
北京飞骊佳公司生产的LDV系统采用过两种激光器，一种是氦氖气体激光器，由于尺寸较大，且使用不便，现在已不采用。该激光器发射632.8nm波长激光，波长准确度可达10-11，
关于半导体固态激光器的波长，目前国内虽然有机构能够检测认证。但是受制其使用的波长计可检测精度。北京飞骊佳公司采用单纵模固态激光器，发射532nm的绿色激光，具有很好的相干特性，不同检测单位用波长计检测的波长不确定度在10-4 ~ 10-8 之间【4】，结果相差较大.
3. 旋转圆盘小孔测速比较
为了使LDV使用者理解LDV测速的可信性，北京飞骊佳公司于2001年委托国
防科工委第一计量测试中心用旋转圆盘小孔测速设备对LDV测速结果进行了测试对比，在22米/秒以下的速度的相对偏差均小于1%。虽然难以判断哪一个的结果更准确，但是可以确定的是LDV的测量结果是可信的。
4. 结语
LDV具有精度高、非接触测量、线性度好、动态响应快等优点。从原理上讲，
它不需要用其它仪器来标定，因而被学术界公认为可用作流速标定装置。德国技术物理研究所（PTB）曾研制了一套应用LDV标定大流量气体的装置【5】。北京建筑研究院曾应用LDV建立了一套标定热球风速仪系统【6】。中国烟草研究院采用LDV标定热敏流速仪已有多年历史。中航总公司304所在建立LDV检定规程方面曾做过不少有益的工作【7】。这些都说明LDV具有作为速度标定装置的潜在优势。
参考文献
1. 舒玮，湍流中散射粒子的跟随性，天津大学学报，1979年第1期
2. 沈熊，激光多普勒测速技术及应用，清华大学出版社，2004年
3. 中国计量科学研究院频率校准证书，证书编号：SPss2026-00601，2026年3月5日
4. 中国计量科学研究院波长校准证书，证书编号：GXjg2026-01067,2026年3月24日
5. Development of a New Fundermental Measuring Technique for the Accurate Measurement of Gas Flowrates by means of Laser Doppler Anemometry. METROLOGIA,1990
6. 中华人民共和国建设部，热球风速仪计量检定规程，1990
7. 激光多普勒测速仪检定规程，项目代号：1990.7HK03，国防科工委批准，1997
