纳米流场中纳米颗粒动态行为的激光散斑监测(5)
当单频的激光光源与探测器处于相对运动状态时，探测器所接受到的光频率是变化的。当光源固定时，光波从运动的物体散射或反射并由固定的探测器接受时，也可观察到这一现象，这就是光学多普勒效应。
激光多普勒测速的原理大致是这样，当具有单一频率的激光束射向流动着的粒子时，粒子接受到的光波频率与入射激光光源的频率之间会有差别，且这个差值的大小与颗粒的运动速度及颗粒速度方向与入射激光之间的夹角有关。再由一个固定静止的光检测器来接受运动粒子的散射光。根据测得到的频率与光源频率做比较，就可以得出运动粒子的速度。激光测速最主要的优点是对流动没有任何干扰，测量的精度高。不过，此法所测得到的速度实际上是运动颗粒的速度，并不是我们所需要的测量流体的运动速度。
3.1.2粒子成像测速技术（PIV）和激光散斑测速技术（LSV）
PIV即粒子图像速度场仪，是流场显示技术的新发展。它是在传统流动显示技术基础上，利用图形图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术。综合了单点测量技术和显示测量技术的优点，克服了两种测量技术的弱点而成的，既具备了单点测量技术的精度和分辨率，又能获得平面流场显示的整体结构和瞬态图像[13]
PIV技术的基本原理是：在流场中布撒示踪粒子，并用脉冲激光片光源入射到所测流场区域中，通过连续两次或多从曝光，粒子的图像被记录在底片上或CCD相机上，采用光学杨氏条纹法、自相关或互相关法，逐点处理PIV底片或CCD记录的图像，获得流场速度分布[14-15].因采用的记录设备不同，又分别称FPIV和数字式图像测速DPIV。
PIV从本质上看是一种图像分析技术。在粒子浓度很低时，称此PIV模式为PTV,即粒子跟踪测速技术。当粒子浓度高到使粒子图像在被测区重叠时，称此PIV模式为LSV（Laser Speckle Velocometry），即激光散斑测速技术[16]。
3.2 本章小结
经过上节的讨论，可以看出LDV、PW和LSV技术都可以通过测量流体中的粒子运动状态来得到流体的速度，因此也都有可能来测量纳米流体中纳米粒子运动。这里简单讨论下三种方法来测量纳米流体中纳米粒子运动的可行性，并提出最为适合的方法来进行测量。
由于纳米粒子本身的光学性质，当激光照射纳米级金属微粒时，颗粒对对激光有较强的吸收，且反射率低，因而散射光将会变得微弱。而LDV技术是测量的是单个运动颗粒的散射光产生的频移来获得颗粒的运动速度，而当所要探测粒子的粒径小到纳米级，将使得信噪比变的太差，因而LDV测量方法无法用来探测纳米流体中纳米粒子的微运动。对于PIV技术，考虑到纳米粒子的粒径非常小，因而颗粒在CCD上产生粒子图像将变得很困难，所以粒子成像测速技术也不能很好的用来测量纳米流体中纳米粒子的运动特性。
激光散斑测量技术则是通过研究激光照射于待测粒子后产生的散斑图像来获得粒子运动速度和流场速度分布。随着纳米粒子浓度的增大，单位体积内的纳米粒子数量增大，当激光照射与这些纳米粒子上时，可以使得在像平面上有大量粒子像以随机相位重叠在一起，多个纳米颗粒的散射光相互干涉，产生散斑图像。因此，LSV方法可以适用于纳米流体中纳米粒子运动状态的测量，本文也将采用该方法来进行此问题的研究。
4. 散斑的发展过程及统计特性
4.1 散斑的发展过程
散斑也称斑纹。自1960年激光器问世不久，人们就观察到了一种现象：被激光照明的物体，其表面呈现颗粒状结构。这种颗粒状态被取名为“激光散斑”。这种强度随机分布的散斑图样，可以由激光在粗糙表面反射或激光通过不均匀媒质时产生。因为大多数物体表面对光波的波长（以氦氖激光器为例， 600nm）来讲是粗糙的，由于激光的高度相干性，当光波从物体表面反射时，物体上各点到适当距离的观察点的振动是相干的。因此观察点的光场是由粗糙表面上各点发出的相干子波的叠加。因为粗糙度大于光波波长，所以物体各点发出子波到达观察点的位相是随机分布的。相干叠加结果就产生了散斑的随机强度图样──颗粒状。显然，这种随机强度分布图样可用统计方法来描述。
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