测速仪的结构与原理.docx

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测速仪的结构与原理

毕业设计（论文）题目

毕业设计（论文）英文题目

姓名

专业年级

指导教师职称

提交日期答辩日期

辽宁工程技术大学应用技术学院

年月日

指导教师评语

（指导教师评语要从选题、内容、论点、论据、结论、实验数据的可靠性、技术路线、工艺流程、工作量、图件的质量、创新性、科学态度、外文资料和计算机应用等方面予以评述，并指出论文中存在的不足。

）

指导教师评定成绩：

签字：

年月日

评阅教师评语

（评阅教师应针对选题方向、研究思路、设计能力、设计内容等方面做出评价，写出具体评阅意见，并提出论文的不足和改进意见。

）

评阅教师评定成绩：

签字：

年月日

答辩小组意见

（该栏由答辩小组组长根据答辩情况填写意见）

答辩成绩：

组长签字：

年月日

答辩委员会意见

（总成绩按指导教师评定成绩满分30分、评阅教师评定成绩满分20分，答辩成绩50分，三项成绩相加折算成5级分制填于总成绩栏，按优（90-100分）、良（89-80分）、中（79-70分）及格（69-60分）、不及格（60分以下）五个级别填写）

辽宁工程技术大学应用技术学院毕业设计（论文）答辩委员会于年月日评定了专业学生的毕业设计（论文）

毕业设计（论文）答辩委员会意见：

指导教师评定成绩

评阅教师评定成绩

答辩成绩

总成绩

答辩委员会主席（签章）

年月日

摘要

激光多普勒测速仪是一种能够精确测量到物体运动速率的仪器。

它是根据光的多普勒效应，是根据入射光在运动物体上的反射粒子，用光电检测装置检测到的散射光的频移，频移的检测可以计算运动物体的速度。

由于其动态响应速度快的优点，测量范围宽精度高，空间分辨率高，实时性好，广泛应用于工业领域。

本文起首介绍了有关激光多普勒测速技术的发展历史背景、以及在国内外的现状和发展趋势等等，其次在阐述了相关激光多普勒测速仪的基本原理、测量方法、光路条纹模型以及多普勒信号的特点等知识。

着手选择PCB板、LED屏、以及锂电池的规格。

根据内部元器件的的装配关系，设计测速仪外观以及内部结构。

关键词：

激光多普勒测速仪；非接触测量；内部元件；内部结构；外观

Abstract

Laserdopplervelocimeterisakindofcanaccuratelymeasuretherateofmovementtotheobject.Itisbasedonthedopplereffectoflight,isaccordingtotheincidentlightreflectiveparticlesinthemovingobject,usingphotoelectricdetectiondevicedetectsthescatteredlightfrequencyshift,thedetectionoffrequencyshiftcancalculatethespeedofmovingobjects.Duetoitsadvantagesoffastdynamicresponse,widemeasurementrangeofhighprecision,highspatialresolution,goodreal-timeperformance,widelyusedinindustrialfield.

Nowbeginningtointroducedinthispaper,onthedevelopmentofthelaserdopplervelocimetryhistorybackground,aswellasthestatusquoanddevelopmenttrendathomeandabroad,andsoon,thesecondinelaboratedtherelatedbasicprincipleoflaserdopplervelocimeter,measuringmethod,thelightstripemodel,andthecharacteristicsofthedopplersignal,etc.TochoosethePCBboard,LEDscreen,andthespecificationsofthelithium-ionbatteries.Accordingtotheinternalcomponentsoftheassemblyrelation,velocimeterappearanceandinternalstructuredesign.

KeyWords：

LaserDopplerVelocimetry；Non-contactmeasurement；Internalcomponents；Theinternalstructure,Appearance.

目录

摘要I

AbstractII

引言1

1绪论2

1.1激光多普勒测速仪的发展历程2

1.2激光多普勒测速仪在国内外应用现状2

1.3本课题的主要研究内容3

2激光多普勒测速仪的基本原理4

2.1激光多普勒测速仪的基本原理的实现4

2.1.1光的多普勒效应4

2.1.2多普勒信号的条纹模型5

2.2激光多普勒测速仪的特点和应用7

3激光多普勒测速仪内部元器件的设计8

3.1PCB板的选择8

3.2LCD屏的选择8

3.3锂电池的选定9

4激光多普勒测速仪外壳结构设计10

4.1整体壁厚的确定10

4.1.1料厚的作用10

4.1.2确定料后的主要因素10

4.1.3料厚选择10

4.2材料的选择11

4.3整体外观设计14

4.3.1上壳的设计14

4.3.2中盖的设计14

4.3.3下盖的设计15

4.4表面处理15

4.4.1常用表面处理分类15

4.5止口设计18

4.6美工线的设计19

4.7按钮的设计19

4.8亚克力板尺寸的设计20

4.9螺钉的选择与螺钉柱的设计20

4.10加强筋的设计21

致谢23

参考文献24

引言

激光多普勒测速仪（LDV:

 Laser Doppler Velocimetry），是应用多普勒效应，利用激光的高相干性和高能量测量流体或固体流速的一种仪器，它具有线性特性与非接触测量的优点，并且精度高、动态响应快。

由于它大多数用在流动测量方面，国外习惯称它为激光多普勒风速仪（Laser Doppler Anemometer，LDA），或激光测速仪或激光流速仪（Laser Velocimetry，LV）的。

示踪粒子是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获的速度信息的。

因此它实际上测的是微粒的运动速度，同流体的速度并不完全一样。

幸运的是，大多数的自然微粒（空气中的尘埃，自来水中的悬浮粒子）在流体中一般都能较好地跟随流动。

如果需要人工播种，微米量级的粒子可以同时兼顾到流动跟随性和LDV测量的要求。

本文我所讲的测速仪为广泛应用于交通上的测速仪。

根据测速仪的内部元件设计出外壳。

1绪论

1.1激光多普勒测速仪的发展历程

在1842年，奥地利的物理科学家多普勒（Doppler，ChristianJohann）发现，在传播媒介上、接收器、散射对象和源的相对运动，发生了一些变化的频率将会发生在任何形式，导致多普勒频移。

声学多普勒效应是一个非常早期的验证的物理现象后，人们站在讲台上，监测到火车的汽笛声，音调变高；当火车离开，语气可能是低光是一种波，也有相同的频率的影响。

例如，因为在我们银河系的高速度，从银河系深处的“红色光频率”向下偏移量（即红移），来自天狼星的同伴可以测量红移，相当于从地球逃逸到19公里/秒的频率偏移产生的速度。

1905年爱因斯坦证实了光的多普勒效应的存在。

1960年，该第一激光器的诞生，它具有单色性好，方向性的优点，大功率，使光的多普勒效应的观察室可能的。

1964，也（Y.Yeh）和柯明斯（H.Z.Cummins）是在液体中粒子的频率观察到的第一时间，和流涕层流管流的分布，因此激光多普勒测速仪技术作为一种新的测速测量，并开始迅速发展，而其中的激光多普勒测速仪（LDV）也成为了一种新式的速率测量用具。

其中激光多普勒测速仪技术（简称为LDV）成为了一种全新的测速技术，这也是首要运用激光技术。

与其它测量方法相比拟，它有许多长处，如非接触测量，高精度，高空间分辨率，线性度，测量点小，动态响应快，测量范围宽和高灵敏度和良好的方向。

而如今，激光多普勒频移技能不仅能在流体力学、空气动力学、航空航天、医疗检测仪器等方面已得到普遍运用推广，而且也在工业生产等范围的速率测量也被大批采用。

1.2激光多普勒测速仪在国内外应用现状

跟着国内的经济建设的快速成长发展，我们的生活水平也无时无刻的不断提高，道路上林林总总的车辆数目也在大幅度的上涨，使得交通违纪事故频繁发生，给路途交通和百姓生活出行带来了极大地威胁。

因为汽车工业的不断进步发展，行驶在道路上的车辆速率愈来愈快，交通事故频繁的发生。

大家都知道，由超速行驶造成的交通事故。

改善交通安全，减少交通事故的车辆运行速度的快速检测，从而测速仪迅速的应用到检测中来。

激光测速技术成为了交通辅助管理方面的热点问题，跟着汽车的普及率愈来愈高，咱们更需要一种有效的检测速度技术措施。

因此激光测速仪在增强车辆超速进行实时监查，特别是对高速公路上超速车辆的监控，即时改正和查处违规驾驶行为，也可以预防和缩小交通事故的产生。

当前，国际出产的测速仪一般为短距离的测量系统，是反射棱镜的需求，范围通常在1-3km。

如果使用多个反射棱镜的目标，测量范围可以改进的，有的甚至高达五千米。

在国内销售的外国产品主要有：

YARDAGEPRO（美国雅而准）系列、索肖瑞士徕卡系列，日本和美国的脉冲激光测速仪。

如今国际最新的发展：

一是自动目标跟踪测距仪，它能够再一定的移动速率范围内自动跟踪且配合目标，可以实现单人测量；二是与目标测距测速仪，它不能反射棱镜作为目标，只有采用抗光反射来实现距离测量的目标所以测量范围通常是短的；三是一个GPS接收器的距离的高精度测量。

在中国，测绘设备开发和生产仍处于较低水平，光电转速表的发展起步较晚，七十年代，清华大学，常州二电，北二光等几家开始发展。

激光技术的发展一直专注于高精度，测量范围大，缩短了测量时间的人的安全。

目前，手持式的激光测距仪的工作物质主要有：

工作波长905nm和波长1540nm的半导激光，有工作波长1064nm的YAG激光。

但是1064nm的波长对人体眼睛和皮肤都是有害的，如果眼睛不小心接触到1064nm的波长激光，其中对眼睛的伤害将可能是永久性的损坏。

因此，在国外，手持激光测速仪，完全禁止1064nm激光。

在国内，某些厂家还在生产1064nm处的一些厂家在生产。

关于905nm和1540nm的激光测距测速仪，我们将它称为“安全”的。

关于1064nm的激光测距仪，因为它对人体具备潜在的危害性，所以咱们称它们为“不安全”的，在现实利用中也尽可能防止。

在国内，技术室，LDV是目前技术比较成熟的，但使用LDV技术设备较复杂，成本也很高，不可能短时间内普遍使用。

所以，无论是思考从经济任然是应用激光测速仪，对这类设备的研究是更简单，更便宜的为主。

测速仪的发展趋势是准确性，稳定性，和可靠性是一个重要的质量指标。

结构简单，可靠性高，操作方便。

结构设计对测速仪很重要，所以对测速仪的结构设计是很有必要的。

如何使设计的结构简单、方便、耐用，是接下来的重点！

1.3本课题的主要研究内容

最初为大家介绍了相关激光多普勒测速仪的发展历史、同时也介绍了国内外使用近况和发展方向，再接着为大家介绍激光多普勒测速仪的基本原理、测量方法、整体外形设计、及内部结构设计等要领。

论文以确定内部元器件为基础，开展对激光测速仪的结构应用研究。

探讨并分析了激光多普勒测速仪在国内外应有现状及发展前景，确定了设计内部元器件的应用范围及市场定位。

在测速仪结构设计方面，分析了测速仪内部元器件的装配关系，进行整体外观设计、止口、美观线、加强筋、按钮与孔槽等设计。

2激光多普勒测速仪的基本原理

2.1激光多普勒测速仪的基本原理的实现

2.1.1光的多普勒效应

图2.1光源运动产生的多普勒效应

如图2.1所示，其中光源运动速度表示为ū，而光波中的传播方向表示为ī。

开始时，其光源与观察者的距离为c-t，当光源运动时，其光源到观察者的空间距离被压缩，变为（c-ū·ī）t。

于是，静止的观察者所接收到的光源波长就变成了：

（2-1）

其对应频率为：

（2-2）

其中v是光波的原始频率，c是光速。

因为光源的运动速率ū远远小于光速，所以频移量可仪近似可表示为：

（2-3）

而另一种情形是，观察者在运动而光是静止的。

同上面的情形想通，因为观察者的运动使之它与其光源之间的空间距离被压缩，此刻，其观察者所接收到光波的频率可表示为：

（2-4）

光波传播的方向ī为单位向量，ū观察者运动速度向量。

由此产生的频移可与近似写为：

在实际应用过程中，光源和接收者通常是相对静止的，它被认为是更多的光频移的移动物体的散射。

对于这种情况而言，我们可以把它分解为前面的两种情况，及静止的光源发出的光波被运动物体接受，静止的观察者接收是从运动物体散射的光，此时，源对象时平等的一个运动，这个过程是相当于一个双多普勒频移。

（2.2）式中的光学频率源仍在向接收机，接受的对象，是接受来自光源的光的运动，光的频率的多普勒频移，最终得到频率为：

（2-5）

式中，ū运动物体的速度向量，

是移动对象的固定接收器的方向的单位失量，ī是固定源到运动物体方向的单位矢量。

总的频移量可近似写为：

（2-6）

2.1.2多普勒信号的条纹模型

1968年，Rudd在He-Ne激光多普勒速度脉动试验，在散射粒子在使用过程中，发现激光强度和多普勒频移。

然后他提出了用条纹干涉模型来理解多普勒差动信号，该模型不仅可以用来理解在多普勒的微分系统的工作原理。

推导了信号的数字模型。

虽然此模型对于多普勒的信号的可见度与多噪比等特性的分析，不是完全和实际相符，由于其概念简单并且还可以给出正确的频率值，因此常我们用它来解释差动多普勒的信号。

如图2.3所示，在差动多普勒模型中，两束激光相交而形成一个形状为椭圆的测量区域，在这个测量区域中分布着明暗相间的平行干涉条纹，条纹间距可以表示为：

（2-7）

当一个对象有一个速度u通过测量区域时，该对象上的示踪粒子将通过这些平行光和暗条纹以同样的速度，在不同的边缘地区，对不同的粒子的散射强度，但明亮的条纹是强大的，暗条纹时弱。

这时，如果用一个光检测器来检测这些散射的光，所检测到的光强信号将随着示踪粒子穿过这些明暗相间条纹而出现有规律的波动，而光强波动的频率是有粒子穿过测量区域的速度决定的。

此频率可表示为：

（2-8）

激光多普勒测速仪大多采用，在腰位置的波前相位的光速可以被看作是与平面波高斯分布线的强度。

在光平面内可用最大光强In和光束半径Wn来表示光强分布，其中光强的函数表达式为：

（2-9）

其中光束半径Wn为光束中心至光强为

点之间的距离。

其光强分布如图2.4（a）所示。

图2.4测量区域光强分布

测量区域中各干涉条纹光强分布如图2.4（b）所示，其符合高斯分布。

从图中可知，各干涉条纹光强是不一样的，粒子在通过这些条纹的过程中，其散射的光强也会发生变化。

粒子穿过干涉条纹并且散射条纹的光，从而产生多普勒信号。

因此，光强度信号受多普勒频率，和振幅的影响。

由此可见，单个粒子切割干涉条纹的频率时，粒子散射所产生的光强信号，其中的幅值则与测量区域中光强的高斯分布相对应。

因此可以推算出单个粒子所产生的信号数字表达式为：

（2-10）

式中，A代表由粒子产生的信号幅值，

为激光多普勒频移，

为粒子到达测量区域中心时的时间，

为干涉条纹数目，

为粒子穿过测量区域时所需时间。

2.2激光多普勒测速仪的特点和应用

1）激光多普勒测量仪是利用真理多普勒频差效果，具有重量轻、结构紧凑、易于调整光线易、容易安置掌握。

2）激光多普勒测量仪可以在恒定的温度，湿度，测量杆，规模，地震测量室内标定仪，三坐标测量仪机。

3）激光多普勒测速仪技术不仅可以应用在几十米甚至上百米进行精确测量，而且还可以观看的精细测量部分和其他小动作；不仅能够对角度、几何量，直线度、平面度、平行度、垂直度等进行测量，而且能够用在于特殊场所，譬如能够再计算机存储器上记录槽间距的测量，也可以在半导体光刻技术的微定位等。

3激光多普勒测速仪内部元器件的设计

3.1PCB板的选择

做整体机构设计首先要确定的就是PCB板的装配，这是一个结构设计人员必须要考虑的问题，设计的产品转换成实物上市销售前，装配是一个必不可少的环节，怎样利于装配，这是结构设计时就要考虑清楚的。

机构设计对装配有至关重要的影响，其中，直接影响的是生产效率，在设计产品结构时，结构设计人员对产品的装配步骤要非常了解，尽量做到在生产时“傻瓜式装配”，越简单越好，越简单越说明生产问题少、装配时间短，生产效率自然就高。

由于本产品是便携式测速仪，在满足使用要求的的情况下尽可能减小尺寸，实现真正的便携，要想使产品尺寸小，要选择小尺寸的内部元器件，所以PCB板长宽尺寸大约为96*63mm。

如图3.1所示。

图3.1PCB板

3.2LCD屏的选择

LCD是英文LiquidCrystalDisplay的简写，被称为液晶显示器，数字显示技术，通过与彩色滤光片的液晶光照射，同时可以再在平面面板上产生图像。

因为它具有高亮度的液晶显示装置、色域宽、响应速度快、独立开关，无有害物质汞等诸多的优点。

与其传统的阴极射线管（CRT）显示器相比，占用空间更小，低功耗，低辐射，无频闪，减少视觉疲劳等诸多优点。

缺点：

与CRT同等大小尺寸相比，更昂贵。

根据PCB板的尺寸来确定LCD的大小尺寸，其尺寸大小长宽为76.8*63.9mm。

如图3.2所示。

图3.2LCD屏

3.3锂电池的选定

便携式测速仪，电力需求7.2v—18v，电容量为1700mah，电池为可充电锂电池，主要尺寸长宽为85.5*55mm。

如图3.3所示。

图3.3电池

4激光多普勒测速仪外壳结构设计

4.1整体壁厚的确定

4.1.1料厚的作用

1）产品的结构的测定和强度，刚度，以满足制品的使用要求；

2）提供优良的流动效果（如壁不能太薄）以及充填和冷却效果（如壁不能过厚）；

3）合理的壁厚使制品能顺利地从模具中顶出；

4）满足嵌件固定及零件装配等强度的要求；

5）防止制品翘曲变形。

4.1.2确定料后的主要因素

1）结构强度是否足够；

2）能否抵脱膜力；

3）能否均匀分散所受的冲击力；

4）有埋入件时，能否防止破裂；

5）棱角及肉厚较薄部分是否会阻碍材料流动。

4.1.3料厚选择

塑件壁厚的大小是取决于产品的使用需求，需不需要承受的较大的外力、是否需要作为其它部件的支撑；选用的塑胶材料；以及装配等各项要求。

日常的热塑性材料塑料壁厚设计以4mm为限，通常选用料厚范围2-3mm。

产品设计应尽量避免太厚或太薄的情况；

太薄导致：

1）产品的结构强度不够；

2）产品成型缺陷，进料不足，产品缺料；

太厚导致：

1）增加物料成本；

2）增加引致产生空穴、气孔的可能性，削弱产品的刚性及强度；

3）延长生产周期、冷却时间，增加生产成本。

4.2材料的选择

简而言之塑胶其实就是塑料，它是以某种高分子有机物质作为其主要成分的，呈现固态形状在加工完成时，在加工制造过程中，形状是通过塑料的流动性来完成的。

通过塑料合成的高分子化合物，其中主要成分有合成树脂，它所占的比例约占塑料40%-100%。

基本性能大体上取决于树脂的本性，可是添加剂也起着相当大的作用。

ABS（丙烯晴-苯乙烯-丁二烯共聚物）

a.壁厚

产品设计壁厚是首先考虑的，在一般情况下，在1.5mm（0.06in）至4.5（0.18in）mm。

对物质过程小壁厚范围是短小零件。

典型的壁厚为2.5mm（0.1in）。

一般来说，越厚的部位，可提高零件和塑料充填强度。

在3.8mm（in）至6.4mm（in）壁厚中范围中使用结构性泡沫。

b.圆角

一般最小半径的半径和厚度25%，胶最合适的厚度比为60%。

轻微的增加半径就能够明显的减低应力。

c.用途

电器外壳、机壳、日用品、玩具、汽车（仪表板、工具、轮盖、车门后视镜镜盒）、家电外壳；如图4.1所示。

图4.1玩具壳

d.特性

不脆，硬，可涂上胶水，温度-50到+70℃，可燃烧，损坏时可能有利边出现。

大多数情况下，用在玩具壳或无应力的部分。

图4.1ABS制件外壳

PC（聚碳酸酯）

最小壁厚的PC许多情况下使用0.75mm（0.03in），壁厚较小的局部几何尺寸取决于组件。

一些短的塑性流动可达0.3mm（0.012in）壁厚。

用途：

车辆前后灯、冰箱抽屉、仪表板、搅拌机、一次性医疗器械、网线水晶插头；

a.特性

无色透明、染色、无毒、抗冲击、耐磨、耐腐蚀、抑菌、阻燃，耐高温和低温（-60到+120℃），冲击韧度（热塑性塑料之首），耐候性，抗弯，抗拉强度与

尼龙相当，有较高延伸率和弹性模量，耐磨性好，透明度高，但易产生开裂。

如图4.2所示。

图4.2PC材料制件

b.应用

多数应用于透明零件，代替玻璃。

经常使用于制作轴承，齿轮，无色透明的PC也可用在于挡风玻璃。

PP（聚丙烯）

a.用途

包装袋、瓶、玩具、日用品。

b.特性

可扩展性，灵活性，韧性强，但不用胶水，工作温度为-30℃～140℃。

c.应用多数应用于一些因要接受跌落测试而拆件的地方。

PS（聚苯乙烯）

a.用途

装饰件、化学仪器、绝缘透明件、光学仪器；发泡苯乙烯（保丽龙），建筑隔音、隔热层，冰箱的保温层，缓冲层的头盔，一次性饭盒；如图4.3所示。

图4.3PS制件

b.特性

硬而脆，绝缘性能好，无色透明，耐热，可染色。

发泡苯乙烯无法回收；

通过上述的描述，本产品外壳材料选用ABS。

PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯又名：

亚克力板）

仪器表面板及护盖，火车、汽车等车辆门窗，吊顶、隔断、移门、透明墙；

b.特性：

拥有极好的透明性（透光率>91%）、易于染色，易于加工，化学性能稳定性和耐候性好，但表面硬度不高，容易易划伤；

c.应用：

应用广泛，突出的透性使得它在光学透镜等制件中被首选。

4.3整体外观设计

4.3.1上壳的设计

根据已选定好的内部元器件，同时确定PCB板、LCD屏以及电池的装配关系。

可以根据内部元器件的装配位置关系，可以画一个体把元器件包住，各边预留出相应的余量，在进行适当的倒圆角，在对其进行分割，可得到上盖外形。

对上盖进行抽壳壁厚为2mm，上盖整体尺寸长宽为104*72mm，得到上壳外形，如图4.4所示。

图4.4上盖

内部槽长宽要比LCD屏要小一点，是因为这样设计为了不漏光，能更好