1.      概述

相位—多普勒粒径测速技术是1980年代出现的一种新技术，它是在LDV的基础上发展起来的。LDV的元老级科学家F.Durst发现，当球形粒子作一定速度运动时，散射光的相位与粒子的直径有关，在不同方向检测到的多普勒信号，其频率是相同的，但是相位差与粒径成正比，这就为LDV开创了一个新的应用领域，即同时测量速度与粒径的PDSA（Phase-Doppler Sizing Anemometry）技术，即只要在已有的LDV系统增加一个接收器，就能实现速度与粒径的同时测量，这对于喷雾技术等两相流研究具有重大应用价值，从而引起了欧美科学家的关注。1980年代丹麦DANTEC公司率先推出的产品，结构十分复杂而庞大，将多个接收器安装在一台框架上，使用和调准起来十分困难，实用起来难度很大。1980年代后期，由W. Bachalo博士领导的美国Aerometrics公司推出了一款小型集成化的PDSA系统，他将多个光接收器集成到同一个接收镜头后面，使相位—多普勒技术的实用成为可能，引起了学术界广泛关注，同时也引起了对于发明权的争议。1994年在德国召开的一次国际会议上，对发明者与创新者做了公正的评价，平息了这一争议。会议上提出的PDSA (Phase-Doppler Sizing Anemometry)这一称谓，更好地表达了这一技术的含义。业界曾经采用的PDA（Phase-Doppler Anemometry）和PDPA（Phase-Doppler Particle Anemometry）也代表了同样的含义（见图1 ）。

          图1. PDSA的原理与含义

    PDSA的理论模型见图2 所示，在一定条件下，安放在不同位置的两个光检测器接收到的多普勒信号相位差与粒径成线性关系（见图2 ）。

                图2. PDSA粒径-相位差特性

 根据PDSA散射系数理论模型，只有在一个特定的散射角方位适宜安放接收器，一般在前向散射30度角最佳（见图3 ）。粒径与相位差的线性关系式中包含有散射系数S和其它光学参数（见图4 ）。

               图3. PDSA散射系数的理论模型

            图4. PDSA粒径测量系统基本参数

    为了得到两个接收器信号的相位差，可以采用数字互相关方法。图5表示了数字互相关方法的原理框图和技术公式。

图5. 数字互相关方法测量信号相位差

2.      实验装置与步骤

A.     测量超声波加湿器产生的水雾液滴速度和粒径

一台标准型LDV-PDSA光路见图6所示。图7 是一套数字自相关与互相关信号处理器，可以测量一维速度和粒径。采用超声波加湿器作为粒子添加器，它能产生10微米大小的球形水滴。得到的结果如图8 所示。

图6. 标准型双检测器PDSA光路的布置

                  图7. LDV-PDSA信号处理系统

            图8. PDSA实测气流中粒子直径和速度

B.      验证PDSA相位检测可靠性

将两个反向（180⁰）信号输入信号处理器，可得到相差180的信号波形和相关函数以及直方图（见图9 ）。

            图9  PDSA信号处理器相位验证

3.      实验报告要求

A.     测量一超声波加湿器的雾化液滴速度和粒径，讨论所得结果。

B.      将两个频率相同、方向修复的信号输入信号处理器，验证信号处理器测量的可信性。