[發明專利]基于散射激光多普勒效應的液體表面波探測方法及裝置

無效

• 申請號: 200910073496.4
• 申請日: 2009-12-23
• 公開（公告）號: CN101710154A
• 公開（公告）日: 2010-05-19
• 發明（設計）人: 張曉琳;唐文彥;孫和義
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01R23/02
• 分類號: G01R23/02;G01R23/16
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種基于散射激光多普勒效應的液體表面波探測方法及裝置，屬于液體表面波檢測領域。

背景技術

利用光學方法研究波動特性被廣泛應用于流體力學、海洋光學、雷達散射和液體表面波等領域。由于液體表面波的振幅比較小，無法用肉眼看到它，這給液體表面波性質的研究帶來一定的困難。對于不同頻段的液體表面波的測量有不同的方法，頻率為幾百赫茲的液體表面波，Sakai曾采用光外差法進行了研究，由于這種方法對實驗設備要求很高，一般很難實現。苗潤才等人用衍射的方法測量幾百赫茲的液體表面波的物理特性，實驗觀察到了表面波的衍射效應，而且得到了幾乎100％的衍射效率，還討論了衍射條紋間距與液體表面張力的關系，并對液體表面波的衰減特性進行了研究；對于頻率為幾赫茲或更小的液體表面波，Barter等人曾采用表面波斜率激光掃描技術分析過這些頻率下的液體表面波，但在他的研究中，液體必須染色，不適用于象水這樣的透明液體；對于頻率為幾十赫茲的液體表面波的研究，因為聲波波長比入射光波長大的多，同時又與掃描激光光斑直徑相當，使得衍射技術或激光斜率掃描技術都不適用。J.D.Barter和P.H.Lee采用透射成像技術對此頻段的液體表面波進行了研究分析，實驗中，由振子在液體表面激發出表面波，激光束穿過容器底部開的窗口，照射到表面波上，在表面波上方有一成像透鏡，CCD在成像透鏡的上方可攝取表面波圖形。他們通過測量穿過媒質的透射光衰減得到表面波振幅。但在此研究中，液體必須被染色。苗潤才等人依據激光干涉測量方法，理論上導出了調制干涉圖樣光強度、干涉條紋角寬度、干涉區域角寬度與表面聲波之間的解析關系，并在實驗中觀察到了反射光所形成的穩定清晰的調制干涉圖樣。這種方法要求CCD接收的為液體表面主反射光，光路輸出和接收部分的角度必須嚴格匹配，調節難度大。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于散射激光多普勒效應的液體表面波探測方法及裝置，它解決了現有對液體表面波頻率和振幅進行測量的激光干涉技術中，要求接收主反射光，并且要求光路輸出和接收部分的角度嚴格匹配，調節難度大的問題。

它的探測方法包括下述步驟：

步驟一：用低頻信號發生器輸出標準正弦波來驅動表面波激發器，使待測液體表面上產生表面波；

步驟二：用激光器照射步驟一中待測液體表面上產生的表面波，使攜帶了待測液體表面波信息的散射光作為信號光與參考光相干涉得到干涉光；

步驟三：將步驟二中得到的干涉光的光強信號用光電接收器接收，從光電接收器輸出的時域波形圖上得到交流光電信號U，對交流光電信號U進行解調得到待測液體表面波的頻率；

步驟四：將步驟三中光電接收器輸出的時域波形圖消除趨勢項以及平滑處理后再進行傅里葉變換，得到頻譜分析圖，根據頻譜分析圖上的液體表面波散射光發生的多普勒頻移值經過計算得出液體表面波的振幅。

基于散射激光多普勒效應的液體表面波探測裝置，它由低頻信號發生器、表面波激發器、裝有待測液體的液體池、激光器、四分之一波片、偏振分光鏡、衰減片、二分之一波片、分光鏡、濾波片、光電接收器、數據采集和處理系統、第一反射鏡、望遠系統和第二反射鏡組成，

低頻信號發生器的頻率信號輸出端連接表面波激發器的頻率信號輸入端，表面波激發器的輸出使裝有待測液體的液體池的液體表面產生表面波；

激光器輸出的線偏振光經過四分之一波片得到圓偏振光，所述圓偏振光經過偏振分光鏡透射后得到的p偏振光經過第一反射鏡反射后入射到裝有待測液體的液體池內的液體表面，經液體表面散射的散射光經過望遠系統后入射到第二反射鏡內，經第二反射鏡反射后的光入射到分光鏡內，第二反射鏡與入射光和反射光的夾角分別為45度；

所述圓偏振光經過偏振分光鏡反射后得到的s偏振光經過衰減片后入射到二分之一波片內，經二分之一波片得到的p偏振光入射到分光鏡內，所述同時入射到分光鏡內的p偏振光和經第二反射鏡反射后的光會合得到干涉光，所述干涉光通過濾波片后被光電接收器的輸入端接收，光電接收器的輸出端連接數據采集和處理系統的輸入端。

本發明的優點是：