中华人民共和国国家计量技术规范 JJF2186—2025 激光多普勒流速仪校准规范 CalibrationSpecificationforLaserDopplerVelocimeters 2025-02-08发布2025-08-08实施国家市场监督管理总局发布归口单位:全国流量计量技术委员会主要起草单位:中国计量科学研究院中航工业北京长城计量测试技术研究所中国气象局气象探测中心参加起草单位:北京市燃气集团有限责任公司湖南省计量检测研究院无锡市检验检测认证研究院北廷测量技术(北京)有限公司本规范委托全国流量计量技术委员会负责解释本规范主要起草人: 崔骊水(中国计量科学研究院) 王毅(中航工业北京长城计量测试技术研究所) 刘昕(中国气象局气象探测中心) 参加起草人: 张翰(北京市燃气集团有限责任公司) 李宁(湖南省计量检测研究院) 陈君(无锡市检验检测认证研究院) 付庭煌[北廷测量技术(北京)有限公司] 目录引言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ) 1 范围…………………………………………………………………………………… (1) 2 引用文件……………………………………………………………………………… (1) 3 术语和计量单位……………………………………………………………………… (1) 3.1 术语………………………………………………………………………………… (1) 3.2 计量单位…………………………………………………………………………… (1) 4 激光多普勒流速仪的测量原理……………………………………………………… (1) 5 计量特性……………………………………………………………………………… (2) 5.1 条纹间距…………………………………………………………………………… (2) 5.2 条纹间距相对误差………………………………………………………………… (2) 5.3 条纹间距重复性…………………………………………………………………… (2) 6 校准条件……………………………………………………………………………… (2) 6.1 环境条件…………………………………………………………………………… (2) 6.2 主标准器及配套设备……………………………………………………………… (3) 7 校准项目和校准方法………………………………………………………………… (3) 7.1 校准项目…………………………………………………………………………… (3) 7.2 校准方法…………………………………………………………………………… (3) 8 校准结果表达………………………………………………………………………… (5) 9 复校时间间隔………………………………………………………………………… (5) 附录A 激光多普勒流速仪校准原始记录参考格式………………………………… (6) 附录B 校准证书(内页)参考格式………………………………………………… (9) 附录C 不确定度评定示例…………………………………………………………… (10) 附录D 转盘校准装置………………………………………………………………… (16) 引言本规范结合我国激光多普勒流速仪校准的现状编制,JJF1071—2010 《国家计量校准规范编写规则》、JJF1001—2011 《通用计量术语及定义》和JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》共同构成支撑本规范制定工作的基础性系列规范。 激光多普勒流速仪通过转盘校准装置实现条纹间距的校准。转盘校准装置的转速、 转动半径分别向上溯源至SI基本单位时间(单位s)和长度(单位m)。以转盘校准装置复现的标准线速度(单位m/s)作为标准值校准激光多普勒流速仪的条纹间距,可实现流速量值(单位m/s)向SI基本单位的溯源。目前,激光多普勒流速仪的光路模式多采用后向散射双光束模式,本规范内容主要针对后向散射双光束模式激光多普勒流速仪的校准,其他光路模式的激光多普勒流速仪可参照使用。 本规范为首次发布。 1 范围本规范适用于后向散射双光束模式激光多普勒流速仪的校准,其他光路模式激光多普勒流速仪的校准可参照使用。 2 引用文件本方法引用了下列文件: JJF1001—2011 通用计量术语及定义 JJF1156—2006 振动冲击转速计量术语及定义凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。 3 术语和计量单位 3.1 术语 3.1.1 激光多普勒流速仪 laserdopplervelocimeter;LDV laserdoppleranemometer;LDA 利用激光照射下流体中跟随粒子的散射光的多普勒频移测量流速的仪器。 注:简称LDV 或LDA。 3.1.2 转盘校准装置 spinning-disccalibrationfacility 以匀速转动圆盘的线速度为标准速度校准激光多普勒流速仪的装置。 3.1.3 测量体 measuringvolume 激光多普勒流速仪发射的两束光相交并发生干涉的区域。 3.1.4 条纹间距 fringespacing 测量体中一对明暗干涉条纹的宽度。 3.1.5 多普勒频率 dopplerfrequency 测量体中随流体运动的粒子的散射光频率相对照射光频率的偏移量。 注:又称多普勒频移,多普勒频率与散射粒子速度成正比。 3.2 计量单位 3.2.1 流速单位米每秒,符号m/s。 3.2.2 转速单位角速度:弧度每秒,符号rad/s; 线速度:米每秒,符号m/s。 4 激光多普勒流速仪的测量原理激光多普勒流速仪主要由激光器、声光耦合器、发射及接收探头、光电检测器、信 1 JJF2186—2025 号处理器等构成,如图1所示。 图1 激光多普勒流速仪的测量原理示意图激光多普勒流速仪常见的基本光路模式包括:参考光模式、单光束模式及双光束模式。目前常用的激光多普勒流速仪多采用双光束模式,其测量原理可由条纹模型解释: 两束相干光经发射透镜聚焦在空间发生相干,在相干的区域形成测量体,并在测量体中产生明暗相间的干涉条纹。当跟随流体的散射粒子经过测量体中的干涉条纹时,粒子散射的光强信号由光电检测器接收,经信号处理器处理得到多普勒频率,多普勒频率与粒子运动速度成正比,由此可计算得到粒子的运动速度。由于散射粒子对流体运动有良好的跟随性,粒子的运动速度与流体的运动速度相当,因此流体的运动速度可通过式(1)、式(2)计算得到。 s= λ 2sin(θ/2) (1) vLDV =s·fD (2) 式中: s———测量体的条纹间距,μm; λ———发射光的波长,nm; θ———两束相干光的夹角,rad; vLDV———流体的运动速度,m/s; fD———多普勒频率,Hz。 5 计量特性 5.1 条纹间距 5.2 条纹间距相对误差 5.3 条纹间距重复性 6 校准条件 6.1 环境条件 2 JJF2186—2025 6.1.1 校准环境中温度为(20±2)℃,校准过程中温度波动不大于1℃。 6.1.2 校准环境中照明设备光强稳定,无强光直射,无杂光干扰。 6.1.3 校准时应配备光学平台,无振动影响。 6.2 主标准器及配套设备主标准器及配套设备均应有有效的检定/校准证书,要求见表1。 表1 主标准器及配套设备类别设备名称技术要求用途主标准器转盘校准装置 1)转速连续可调; 2)转盘直径校准的扩展不确定度: Urel=0.005% (k=2); 3)转速稳定性优于0.02% 校准激光多普勒流速仪转速计1)转速计量程须覆盖转盘转速范围; 2)转速计最大允许误差优于±0.05% 1)转盘标准线速度测量; 2)稳定性测试配套设备测温湿度仪表 1)温度测量的扩展不确定度: U =0.3℃ (k=2); 2)湿度测量的扩展不确定度: U =1% (k=2) 环境条件测量 7 校准项目和校准方法 7.1 校准项目校准项目见表2。 表2 校准项目表类别激光多普勒流速仪校准项目条纹间距条纹间距相对误差条纹间距重复性 7.2 校准方法 7.2.1 校准前的准备 7.2.1.1 测试转盘校准装置的稳定性按照附录D的要求测试转盘校准装置稳定性,装置稳定性不大于0.02%。 7.2.1.2 确定测量体的位置和长度校准激光多普勒流速仪前,首先确定测量体的位置和长度。将转盘校准装置的转盘线速度调节至1m/s,待转盘线速度稳定后,沿激光多普勒流速仪前透镜光轴方向调整测量体与散射目标的相对位置,使散射目标垂直于前透镜光轴穿越测量体,观察多普勒信号输出的出现、消失及信号幅值的变化规律确定测量体的准确位置和长度。 7.2.2 激光多普勒流速仪的校准 3 JJF2186—2025 7.2.2.1 条纹间距的计算条纹间距的校准是为了得到测量体的条纹间距值。转盘装置以稳定的标准线速度转动,散射目标穿越测量体某位置时产生多普勒信号,激光多普勒流速仪测得多普勒频率,测量体中当前位置的干涉条纹间距由式(3)计算得到: s=π·f·D fD (3) 式中: f———转盘转动频率,Hz; D ———转盘直径,m。 7.2.2.2 条纹间距的校准当转盘校准装置在某个转速下校准激光多普勒流速仪时,使散射目标以稳定速度穿越测量体的某个位置,激光多普勒流速仪可测得多普勒频率,按式(3)计算得到当前位置的条纹间距。使散射目标穿越测量体中不同位置,测得不同位置的条纹间距,计算得到不同位置条纹间距的平均值即为当前校准速度下激光多普勒流速仪的条纹间距。 校准时可根据激光多普勒流速仪的实际测量范围选择校准速度范围。为尽可能的减小装置转动偏心引入的不确定度分量,在校准速度范围内至少选择3个速度点进行校准,一般建议至少选取0.5m/s、2m/s、25m/s进行校准。取不同速度下校准结果的平均值作为激光多普勒流速仪的条纹间距。 激光多普勒流速仪测量流速时,测量结果的不确定度主要来源于条纹间距校准的不确定度。因此,当转盘校准装置的转速范围无法覆盖激光多普勒流速仪的测量范围时, 上述校准方法所得条纹间距在流速仪能够实现的更宽的测量范围内仍然有效可用,校准结果不确定度在相应的测量范围内可作为不确定度评估的依据。 7.2.2.3 校准步骤 a)确定校准速度点,校准点的个数为p。 b)将标准转速调节至1m/s,通过观察多普勒信号出现、消失、幅值变化确定测量体的位置和长度。 c)调整转速至校准速度k,待转速稳定后在测量体中某位置j 进行至少n (n≥6) 次测量。沿前透镜光轴方向调节散射目标与测量体的相对位置,在测量体中等间隔选取 m 个位置测量条纹间距,间隔距离不大于0.2mm,直至完成整个测量体中条纹间距的测量,计算m 个位置条纹间距的平均值,即为校准速度为k 时的条纹间距,如式(4) 所示。比较名义条纹间距和当前校准速度下所得条纹间距,可得当前速度下条纹间距相对误差,如式(5)所示。 sk =Σm j=1Σn i=1 sji mn (4) 式中: sj,i———测量体中j 位置第i 次测量得到的条纹间距值,μm; sk———校准速度为k 时激光多普勒流速仪的条纹间距,μm; 4 JJF2186—2025 m ———测量体中校准位置的个数; n———在j 位置测量条纹间距的次数。 Esk = sLDV -sk sk ×100% (5) 式中: Esk ———校准速度为k 时条纹间距相对误差; sLDV———激光多普勒流速仪条纹间距名义值,μm。 d)计算p 个校准速度下的条纹间距的平均值作为激光多普勒流速仪的条纹间距, 取p 个校准速度下条纹间距相对误差的平均值作为相对误差,取p 个校准速度下条纹间距的相对标准偏差作为条纹间距重复性,如式(6)、式(7)、式(8)所示。 s=Σp k=1 sk p (6) Es =Σp k=1 Esk p (7) Er=1s 1 k -1Σp k=1(sk -s)2 (8) 式中: s———激光多普勒流速仪的条纹间距,μm; Es———条纹间距相对误差; Er———条纹间距重复性。 8 校准结果表达校准完成后,按照本规范给出校准结果,开具相应的校准证书,校准原始记录见附录A,校准证书格式见附录B,校准结果的不确定度评定详见附录C。 9 复校时间间隔建议激光多普勒流速仪复校时间间隔为2年。送校单位也可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。 5 JJF2186—2025 !"! #$%&'()*+,-./"0123 ! " #!!!!!!!!!!!$ % & '!!!!!!!!!!! !"#()!!!!!!!!!!!* + , -!!!!!!!!!!! . / 0 1!!!!!!!!!!!. / & '!!!!!!!!!!! . / 2 '!!!!!!!!!!!3 4 5 6!!!!!!!"" 7 8 9 :!!!!!!!!!!!; < = >!!!!!!# * + ? @!!!!!!!!!!!;
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fj,i ———转盘第i 次校准测量体中j 位置条纹间距时的转动频率,Hz; D ———转盘直径,m; fD,j,i ———转盘第i 次校准测量体中j 位置条纹间距时的多普勒频率,Hz。 将式(C.6)代入式(C.5),考虑转盘直径D 为恒定值,转动频率的稳定性小于 0.02%,忽略重复性引入的不确定度,可得式(C.7): sj =π·fj,i·D ·Σn i=1 1 fD,j,i n (C.7) 由式(C.7)可得式(C.8): u2(sj)=u2(fD,j,i)+u2(fj,i)+u2(D ) (C.8) 由式(C.8)可知,sj 不确定度的主要来源包括: 1)多普勒频率fD,j,i多次测量的重复性; 2)转盘转动频率的不确定度; 3)转盘直径的不确定度。 其中,u(fD,j,i)经多次测量后由贝塞尔公式计算平均值的标准偏差得到;u(fj,i) 为校准转速计所得结果的不确定度,可由校准报告得到;u(D )可由三坐标机测量转盘直径得到。此外,还需考虑实际校准过程中由于转动轴系间隙导致转盘直径的动态变化,角度瞄准偏差,校准过程中环境温度变化等非理想因素引入的不确定度,则: u2(D )=u2(DC)+u2(DG)+u2(Dangle)+u2(DT) (C.9) 式中: u(DC)———三坐标机测量转盘直径的不确定度; u(DG)———转动轴系间隙引入的不确定度; u(Dangle)———瞄准时角度偏差引入的不确定度; u(DT)———环境温度变化影响转盘直径引入的不确定度。 条纹间距sj 不确定度分量见表C.1。 11 JJF2186—2025 表C.1 条纹间距sj 不确定度分量一览表序号不确定度来源符号 1 多普勒频率测量的重复性u(fD,j,i) 2 转盘转动频率测量的不确定度u(fj,i) 3 转盘直径测量的不确定度三坐标机测量转盘直径的不确定度转动轴系间隙引入的不确定度角度瞄准偏差引入的不确定度环境温度变化影响转盘直径引入的不确定度 u(D ) u(DC) u(DG) u(Dangle) u(DT) C.2 不确定度评定示例由式(C.8),激光多普勒流速仪条纹间距sj的相对标准不确定度见式(C.10): urel(sj)= u2 rel(fD,j,i)+u2 rel(fj,i)+u2 rel(D ) (C.10) 式中: urel(fD,j,i)———多普勒频率测量的相对标准不确定度; urel(fj,i)———转盘转动频率的相对标准不确定度; urel(D )———转盘直径的相对标准不确定度。 因此,转盘测量得到的条纹间距sj 的不确定度由多普勒频率、转盘转动频率和转盘直径的不确定度决定,以下是对各个不确定度分量的详细分析。 C.2.1 多普勒频率测量的相对标准不确定度urel(fD,j,i) 为评估激光多普勒流速仪的多普勒频率多次测量所引起的相对标准不确定度,在不同转速条件下,连续6 次测量某一位置处的激光多普勒流速仪多普勒频率。根据式(C.11)计算多普勒频率测量结果的标准偏差: s(fD,j,i)= 1 n -1Σn i=1 (fD,j,i -fD,j,i)2 (C.11) 取不同速度下该位置标准偏差的最大值作为该位置激光多普勒流速仪多普勒频率标准偏差。根据标准偏差结果,多普勒频率测量重复性引入的相对标准不确定度 urel(fD,j,i)通过式(C.12)计算得到: urel(fD,j,i)= s(fD,j,i) fD,j,i (C.12) 以某激光多普勒流速仪在流速为5m/s时的条纹间距校准为例,其多普勒频率测量结果分别为2374.234 kHz、2375.032 kHz、2374.511 kHz、2375.524 kHz、 2375.504kHz、2375.068kHz,据此可以计算得到该速度点下激光多普勒流速仪多普勒频率标准偏差。 s(fD,j,i)=0.52kHz (C.13) 12 JJF2186—2025 则在流速为5 m/s 时,多普勒频率测量重复性引入的相对标准不确定度 urel (fD,j,i)为: urel(fD,j,i)= 0.52 2374.98×100% ≈0.022% (C.14) 此外,如多普勒频率信号的校准误差、信噪比,脉冲频谱分析,模数精度等,估计为0.001%,可忽略不计。 C.2.2 转盘转动频率的相对标准不确定度urel (fj,i) 标准转盘所提供的角速度可表示为式(C.15): ω =2πf (C.15) 式中: f———转盘旋转的频率,即每秒转盘旋转的圈数。 转盘旋转频率通过数字转速表测得,不确定度是由测量转盘旋转频率的数字转速表的不确定度得到的,由校准证书可得其标准不确定度为0.025%。 C.2.3 转盘直径的相对标准不确定度urel(D ) 由式(C.9),转盘直径D 的相对标准不确定度为: urel(D )= u2 rel(DC)+u2 rel(DG)+u2 rel(Dangle)+u2 rel(DT) (C.16) 式中: urel(DC)———三坐标机测量转盘直径的相对标准不确定度; urel(DG)———转动轴系间隙引入的相对标准不确定度; urel(Dangle)———瞄准时角度偏差引入的相对标准不确定度; urel(DT)———环境温度变化引入的相对标准不确定度。 1)转盘直径测量的相对标准不确定度urel(DC) 转盘直径测量的相对标准不确定度由转盘直径多次测量重复性引入的不确定度与三坐标机的不确定度合成得到。依据转盘直径校准报告,其测量标准不确定度为 0.002mm,直径测量平均值为200.180mm,则转盘直径测量的相对标准不确定度urel (DC)为0.0013%。 2)转动轴系间隙引入的相对标准不确定度urel(DG) 轴承与转盘之间存在的间隙会使得转盘旋转过程中出现偏心现象,进而改变转盘的动态旋转直径。估计由于间隙导致转盘动动态直径的变化量为0.1mm,相对变化量 0.1mm/200mm=0.05%,考虑为矩形分布,择则转动轴系间隙引入的相对标准不确定度urel(DG)为0.05%/3≈0.03%。 3)瞄准时角度偏差引入的相对标准不确定度urel(Dangle) 图C.1为入射光和散射光的不对称光斑示意图。 13 JJF2186—2025 图C.1 入射光和散射光的不对称光斑从图C.1可以看出,当激光多普勒流速仪的激光轴对准转盘的中心时,散射斑点与激光束的位置关系有MR=MR',tanφ2 =IM L ,因此在装配过程中需要尽可能使IR = I'R'。而当激光轴与转盘中心存在偏差时,散射斑点存在MR ≠MR'。令不对称偏差为 ASYM= (IR-I'R')/2,当α 很小时,ASYM 将近似等于: ASYM=L·tanα ≈L·α (C.17) 如果保守估计不对称偏差为1mm,焦距L 取500mm,则: α =ASYM L = 1 500≈0.002rad (C.18) 假设在±0.001rad的范围内偏差夹角α 为均匀分布,则: E(Dangle)=0.0012 6 ≈1.67×10-7rad (C.19) urel(Dangle)= D (Dangle) Dangle = 1 0.001· 0.0014 45 ≈0.015% (C.20) 因此,瞄准时角度偏差引入的相对标准不确定度ur(Dangle)为0.015%。 4)环境温度变化引入的相对标准不确定度urel(DT) 环境温度变化会使得转盘直径变化导致转盘的动态旋转直径发生改变,估计环境温度变化引入的相对标准不确定度urel(DT)约为0.01%。 综上可得转盘直径的相对标准不确定度urel(D )为0.042%。 C.2.4 测量标准不确定度和扩展不确定度转盘校准装置校准激光多普勒流速仪条纹间距sj 的不确定度分量如表C.2所示。 表C.2 条纹间距sj 的不确定度分量一览表序号符号来源cr(xi) ur(xi) % ur(xi)·cr(xi) % 1 urel(fD,j,i) 多普勒频率测量1 0.022 0.022 2 urel(fj,i) 转盘转动频率1 0.025 0.025 3 urel(DC) 转盘直径测量1 0.0013 0.0013 4 urel(DG) 转动轴系间隙引入1 0.03 0.03 14 JJF2186—2025 表C.2 (续) 序号符号来源cr(xi) ur(xi) % ur(xi)·cr(xi) % 5 urel(Dangle) 瞄准时角度偏差1 0.015 0.015 6 urel(DT) 环境温度变化引入1 0.01 0.01 相对标准不确定度urel(sj)=0.049% 相对扩展不确定度Urel(sj)=0.098%(k=2) 15 JJF2186—2025 附录D 转盘校准装置 D.1 概述 D.1.1 转盘校准装置的工作原理转盘校准装置由转盘、散射目标、电机、驱动器及控制器等构成。转盘在电机驱动下在一定的转速范围内作稳定的匀速圆周运动,附着固定在转盘上的散射目标(细丝或微粒)随转盘同步运动。通过校准转盘直径D 和转动角速度ω 可得散射目标线速度vs。 以vs 为标准线速度依据正文所述校准方法可实现激光多普勒流速仪的校准。 D.1.2 激光多普勒流速仪的校准原理由激光多普勒流速仪的测量原理可知:流速测量的准确度水平取决于条纹间距和多普勒频率的测量精度。其中,多普勒频率测量的准确度水平一般优于10-6,其影响可以忽略。条纹间距是影响激光多普勒流速仪准确度水平的主要因素,因此校准激光多普勒流速仪的主要目的是得到准确的条纹间距s。条纹间距通过转盘校准装置校准得到, 校准原理如图D.1所示。模拟流体中散射粒子的散射目标(微粒或细丝)安装在转盘边缘或表面,随转盘同步作稳定匀速圆周转动,通过转动半径r 和转动角速度ω 可计算得到散射目标线速度。当散射目标穿越测量体中某位置的明暗条纹时,被校激光多普勒流速仪测得对应的多普勒频率。以散射目标的线速度为标准速度,标准速度与多普勒频率之比为测量体中当前位置的条纹间距s。对测量体中多个位置的条纹间距进行多次测量取平均值作为测量体条纹间距,计算比较测量体条纹间距与激光多普勒流速仪条纹间距名义值可得条纹间距相对误差。 图D.1 激光多普勒流速仪的校准原理示意图 D.2 标准线速度的校准 D.2.1 标准线速度的计算由转盘的直径和转动角速度可计算得到转盘的线速度,如式(D.1)所示: vs=r·ω =π·f·D (D.1) 16 JJF2186—2025 式中: vs———标准线速度,m/s; r———转盘转动半径,mm; ω———转盘转动角速度,rad/s; D ———转盘的直径,mm; f———转盘的转动频率,Hz。 D.2.2 转盘直径的校准转盘直径一般由三坐标机测量得到,转盘直径值由有效的检定或校准证书提供,直径测量结果的扩展不确定度:UD≤0.005%,k=2。 D.2.3 转速的校准转盘的转动角速度由转速计测量得到,转速计的测量范围应覆盖转盘的转速范围, 转速计应具有有效的检定或校准证书,转速计的最大相对允许误差的绝对值应不大于0.05%。 D.3 线速度稳定性的测试转动线速度作为校准激光多普勒流速仪的标准值,其稳定性直接影响校准结果的准确度水平和可靠程度。线速度稳定性应优于0.02%,线速度稳定性的测试方法如下:将转盘转速调节至测试速度,稳定后用转速计连续测量转盘转速10次以上,计算多次测量结果的相对标准偏差,作为转盘校准装置在当前校准速度下的稳定性,如式(D.2) 所示: Evs =1 vs Σn i=1(vs,i -vs) n -1 (D.2) 式中: Evs———当前线速度的稳定性; vs———线速度的平均值,m/s; vs,i———单次转动线速度,m/s; n———转动周数。 转盘校准装置的线速度稳定性至少在转盘最小线速度vmin、最大线速度vmax及 0.5vmax三个速度下进行测试,取测试结果中的最大值作为转盘校准装置的线速度稳定性,如式(D.3)所示: Ev=max (Evmin,Ev0.5max,Evmax) (D.3) 式中: Ev ———转盘装置的线速度稳定性; Evmin、Ev0.5max、Evmax ———分别为最小线速度vmin、最大线速度vmax及0.5vmax线速度时的稳定性。 17 JJF2186—2025
