本發(fā)明屬于對(duì)海洋潮流能的探索技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是針對(duì)水輪機(jī)尾流流速測(cè)量的一種激光多普勒水輪機(jī)尾流測(cè)量裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

海洋能是一種清潔的、可永續(xù)利用的可再生能源，資源豐富且對(duì)環(huán)境影響很小。在已有海洋能開(kāi)發(fā)中，水輪機(jī)起到至關(guān)重要的作用，尤其是在潮流能發(fā)電工程中。之前科研人員的研究重點(diǎn)更多是水輪機(jī)的運(yùn)行性能而不是它的尾流本身。因此，潮流能水輪機(jī)尾流的基礎(chǔ)研究，特別是潮流能發(fā)電場(chǎng)中水輪機(jī)尾流的測(cè)量工作，對(duì)水輪機(jī)流體力學(xué)研究和解決水輪機(jī)的工程實(shí)際問(wèn)題有著重大的意義。

目前應(yīng)用于實(shí)際水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要是機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀，由于轉(zhuǎn)子流速儀是靠水流推動(dòng)葉片(或旋杯)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)從而獲得監(jiān)測(cè)位置的流速值，但其工作過(guò)程中也不可避免地破壞了自然流場(chǎng)的型態(tài)，所測(cè)得的流速值并不是自然流場(chǎng)的流速值，影響了測(cè)量精度。并且當(dāng)流速太小推力不足于推動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就無(wú)法測(cè)量。由于傳感器是轉(zhuǎn)動(dòng)部件決定了其懼怕泥沙堵塞和水草漂浮物纏繞，會(huì)影響測(cè)量精度甚至無(wú)法測(cè)量。清華大學(xué)提出發(fā)明專(zhuān)利《一種雙頻激光多普勒測(cè)速方法及裝置》(申請(qǐng)?zhí)枺?01010220246.1)提出了一種雙頻激光多普勒測(cè)速裝置，包括雙頻激光束生成及探測(cè)模塊、混頻模塊和測(cè)速模塊，著重于采用雙頻激光束。廈門(mén)博意達(dá)科技有限公司提出發(fā)明專(zhuān)利《超聲波多普勒流向流速儀》(申請(qǐng)?zhí)枺?01410716599.9)提出具有一對(duì)分左右布置在探頭管體的前方換能器，與管體成一定夾角，用超聲波探測(cè)流速，著重于提高探測(cè)范圍。中水銀星科技(北京)有限公司提出發(fā)明專(zhuān)利《一種多普勒流速測(cè)量?jī)x以及多普勒流速測(cè)量系統(tǒng)》(申請(qǐng)?zhí)枺?01510382016.8)提出包括數(shù)據(jù)處理單元、信號(hào)測(cè)量單元以及無(wú)線通信單元等部件的流速測(cè)量系統(tǒng)，著重于信號(hào)處理單元。激光多普勒流速儀采用激光探測(cè)流速，測(cè)量點(diǎn)與流場(chǎng)互不干擾，是較先進(jìn)的測(cè)流技術(shù)，是目前世界上在實(shí)驗(yàn)室、江河、海洋測(cè)流中廣泛使用的主要設(shè)備。具有測(cè)量精度高，量程寬，感應(yīng)靈敏，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。激光多普勒測(cè)速儀采用近代光——電子學(xué)和微處理機(jī)技術(shù)的LDV系統(tǒng)，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)二維，三維等流動(dòng)的測(cè)量，并獲得各種復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)的定量信息。因此激光多普勒技術(shù)吸引了大量的實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和其他學(xué)科的研究工作者去研究和解決這些問(wèn)題，使激光測(cè)速技術(shù)得到飛速發(fā)展，成為流動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的有力工具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種激光多普勒水輪機(jī)尾流測(cè)量裝置及測(cè)量方法。該裝置通過(guò)簡(jiǎn)單有效的光學(xué)系統(tǒng)，在不干擾尾流的前提下，精確測(cè)量尾流各部分的實(shí)時(shí)流速。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種激光多普勒水輪機(jī)尾流測(cè)量裝置，包括與尾流軸線方向平行的兩個(gè)滑軌，所述滑軌上通過(guò)支撐桿連接有水平支架，所述水平支架上滑動(dòng)連接有可伸縮的激光探頭支架，所述激光探頭支架的末端固定有激光探頭，所述激光探頭通過(guò)光纜連接有激光發(fā)射裝置和激光接收裝置，所述激光發(fā)射裝置由激光發(fā)射器、偏振儀和光學(xué)匯聚元件組成，所述激光接收裝置由光學(xué)匯聚元件和激光接收器組成。

所述水平支架的水平方向上設(shè)有用于所述激光探頭支架滑動(dòng)的滑道。

所述激光探頭支架可實(shí)現(xiàn)豎直伸縮和水平移動(dòng)。

所述激光探頭和激光探頭支架鉸接連接，可保持相對(duì)豎直和相對(duì)垂直兩種位置關(guān)系。

所述偏振儀可過(guò)濾按固定方向偏振的激光束。

所述激光發(fā)射器和偏振儀分別設(shè)置有兩個(gè)。

一種激光多普勒水輪機(jī)尾流測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)打開(kāi)激光發(fā)射裝置，調(diào)整激光探頭支架位置使激光探頭豎直對(duì)焦待測(cè)區(qū)域；

(2)控制偏振儀使激光探頭發(fā)射的兩束激光偏振方向?yàn)槲擦鬏S線方向，根據(jù)多普勒效應(yīng)得到待測(cè)區(qū)域水流沿尾流軸線方向上的速度分量V_x；

(3)調(diào)整偏振儀使激光探頭發(fā)射的兩束激光偏振方向?yàn)槲擦鬏S向的垂直方向，根據(jù)多普勒效應(yīng)得到待測(cè)區(qū)域水流的軸向垂直方向上的水平速度分量V_y；

(4)調(diào)整激光探頭支架位置使激光探頭水平對(duì)焦待測(cè)區(qū)域；

(5)控制偏振儀使激光探頭發(fā)射的兩束激光偏振方向?yàn)槲擦鬏S線方向，根據(jù)多普勒效應(yīng)得到待測(cè)區(qū)域水流沿尾流軸線方向上的速度分量V_x’；

(6)調(diào)整偏振儀使激光探頭發(fā)射的兩束激光偏振方向?yàn)槲擦鬏S向的垂直方向，根據(jù)多普勒效應(yīng)得到待測(cè)區(qū)域水流的軸向垂直方向上的豎直速度分量V_z。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來(lái)的有益效果是：

1.本發(fā)明中采用激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子流速儀，轉(zhuǎn)子流速儀工作中，當(dāng)水流推動(dòng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也破壞了自然流場(chǎng)的型態(tài)，所以此類(lèi)流速儀測(cè)得的不是自然流場(chǎng)的流速值，影響了測(cè)量精度，采用本發(fā)明中的激光多普勒方法，有效避免了對(duì)水輪機(jī)尾流的擾動(dòng)。

2.采用激光多普勒效應(yīng)，測(cè)量精度較高。

3.本發(fā)明可以靈活控制激光匯聚點(diǎn)，可以檢測(cè)整個(gè)尾流各處的水流速度和整體變化規(guī)律。

4.本發(fā)明所測(cè)得的尾流速度為實(shí)際水流速度，比軟件模擬更具有說(shuō)服力，對(duì)水輪機(jī)尾流研究提供事實(shí)基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種激光多普勒水輪機(jī)尾流測(cè)量裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是多普勒激光測(cè)速工作光路示意圖。

圖3是待測(cè)區(qū)測(cè)速原理示意圖。

附圖標(biāo)記：1-滑軌，2-支撐桿，3-水平支架，4-激光探頭支架，5-激光探頭，6-待測(cè)區(qū)域，7-激光發(fā)射裝置，8-激光接收裝置，9-光纜，10-激光發(fā)射器，11-偏振儀，12-匯聚鏡，13-散射光匯聚鏡，14-激光接收器

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖1所示，本發(fā)明提供一種激光多普勒水輪機(jī)尾流測(cè)量裝置，包括沿尾流軸線方向的滑軌1，在滑軌1上通過(guò)支撐桿2連接有可以沿軸線自由移動(dòng)的水平支架3，水平支架3上設(shè)有滑道，通過(guò)該滑道滑動(dòng)連接可以沿水平支架3的水平方向移動(dòng)的激光探頭支架4，激光探頭支架4具有伸縮功能，激光探頭支架4的末端鉸接激光探頭5，激光探頭5可通過(guò)探頭支架4的伸縮實(shí)現(xiàn)上下調(diào)動(dòng)，本實(shí)施例中激光發(fā)射裝置7和激光接收裝置8分別設(shè)置在兩側(cè)的支撐桿2上，通過(guò)光纜9分別將激光發(fā)射裝置7和激光接收裝置8與激光探頭5相連，通過(guò)激光探頭5接收到的散射激光，由光纜9將光信號(hào)傳送給激光接收裝置8進(jìn)行信號(hào)處理并計(jì)算待測(cè)區(qū)水流速度，其中水輪機(jī)尾流待測(cè)區(qū)域6圖中可見(jiàn)。

如圖2所示，本實(shí)施例提供多普勒激光測(cè)速工作光路示意圖，其中激光發(fā)射裝置7包括兩個(gè)激光發(fā)射器10、兩個(gè)偏振儀11和匯聚鏡12；激光接收裝置8包括散射光匯聚鏡13和激光接收器14。

通過(guò)該測(cè)量裝置進(jìn)行具體測(cè)量時(shí)的過(guò)程如下：

本發(fā)明在工作時(shí)，如圖1所示，先打開(kāi)激光發(fā)射裝置7，調(diào)整激光探頭支架4的位置，使激光探頭5為A位置，豎直對(duì)焦待測(cè)區(qū)域6；控制激光偏振儀11，使兩束激光偏振方向?yàn)槲擦鬏S線方向，在其激光匯聚點(diǎn)上由于干涉作用產(chǎn)生沿尾流軸線方向上的干涉條紋，由于水流中的微粒對(duì)干涉區(qū)的多普勒效應(yīng)，發(fā)生頻移，再由激光接收裝置8收集頻移信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理，測(cè)出頻移即可根據(jù)公式算出水流沿尾流軸線方向上的速度分量V_x；進(jìn)一步調(diào)整激光偏振儀11使激光偏振方向?yàn)檩S向垂直方向，同理測(cè)得待測(cè)區(qū)域6水流的軸向垂直方向上的水平速度分量V_y。

然后調(diào)整激光探頭支架4和激光探頭5為位置B，使其水平對(duì)焦待測(cè)區(qū)域6?？刂萍す馄駜x11，使兩束激光偏振方向?yàn)槲擦鬏S線方向，在其激光匯聚點(diǎn)上由于干涉作用產(chǎn)生沿尾流軸線方向上的干涉條紋，由于水流中的微粒對(duì)干涉區(qū)的多普勒效應(yīng)，發(fā)生頻移，再由激光接收裝置收集頻移信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路處理，測(cè)出頻移即可根據(jù)公式算出水流沿尾流軸線方向上的速度分量V_x’，并且可以與激光探頭5在位置A測(cè)得的水流軸向速度分量V_x相對(duì)照。進(jìn)一步調(diào)整激光偏振儀使激光偏振方向?yàn)檩S向垂直方向，同理測(cè)得待測(cè)區(qū)域6水流的軸向垂直方向上的豎直速度分量V_z。

以V_x為例，如圖3所示，兩束激光在匯聚點(diǎn)上由于干涉作用產(chǎn)生一組明暗相交的條紋。雖然對(duì)于多普勒信號(hào)某些特性(如信噪比、可見(jiàn)度等)的分析并不完全符合實(shí)際，但應(yīng)用干涉條紋的概念解決此類(lèi)問(wèn)題簡(jiǎn)單明了。干涉條紋間距為：

Δx＝λ/2sinθ

當(dāng)水流中微小粒子以速度V_x，通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，粒子將穿過(guò)這些平行的干涉條紋，在亮條紋區(qū)，粒子散射光強(qiáng)。因此用光探測(cè)器收集到的光強(qiáng)按粒子穿過(guò)條紋的速度波動(dòng)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，光強(qiáng)變化頻率滿足:

根據(jù)激光接收裝置收集到的頻移信號(hào)，即可計(jì)算V_x。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。