WikiDer > Лазерная доплеровская велосиметрия

Laser Doppler velocimetry

Лазерная доплеровская велосиметрия, также известный как лазерная допплеровская анемометрия, это техника использования Доплеровский сдвиг в лазер луч для измерения скорость в прозрачном или полупрозрачном жидкость потоки или линейное или вибрационное движение непрозрачных, отражающих поверхностей. Измерение с помощью лазерной доплеровской анемометрии является абсолютным и линейным по скорости и не требует предварительной калибровки.

Установка лазерной доплеровской анемометрии в Лаборатории газовых технологий (г.Познанский технологический университет).

Происхождение технологии

С развитием гелий-неоновый лазер (He-Ne) в Bell Telephone Laboratories в 1962 году оптическое сообщество располагало источником непрерывная волна электромагнитное излучение высококонцентрированный на длина волны из 632,8 нанометры (нм), в красной части видимый спектр.[1] Вскоре было показано, что измерение расхода жидкости можно производить с Эффект Допплера на пучке He-Ne, рассеянном очень малыми полистирол сферы увлекаются жидкостью.[2]

В исследовательских лабораториях компании Brown Engineering (позже Teledyne Brown Engineering) это явление было использовано при разработке первого лазерного доплеровского расходомера с использованием гетеродинной обработки сигналов.[3]

Прибор вскоре получил название лазерный доплеровский измеритель скорости и метод лазерной доплеровской велосиметрии. Другое название приложения - лазерная доплеровская анемометрия. Ранние применения лазерной доплеровской велосиметрии варьировались от измерения и картирования выхлопных газов от ракетные двигатели со скоростью до 1000 м / с для определения потока в приповерхностной кровеносной артерии. Для мониторинга твердых поверхностей было разработано множество аналогичных инструментов, начиная от измерения скорости продукта на производственных линиях бумага и стали фрезы для измерения частоты и амплитуды вибрации поверхностей.[4]

Принципы работы

В своей простейшей и наиболее часто используемой форме лазерная доплеровская велосиметрия пересекает два луча коллимированный, монохромный, и последовательный лазерный луч в потоке измеряемой жидкости. Два луча обычно получаются путем разделения одного луча, что обеспечивает согласованность между ними. Обычно используются лазеры с длинами волн видимого спектра (390–750 нм); это обычно He-Ne, Ион аргона, или же лазерный диод, позволяя наблюдать путь луча. Передающая оптика фокусирует лучи так, чтобы они пересекались в их поясах (фокусная точка лазерного луча), где они вмешиваться и создайте набор прямых полос. Когда частицы (естественные или индуцированные), увлекаемые жидкостью, проходят через полосы, они отражают свет, который затем собирается принимающей оптикой и фокусируется на фотоприемник (обычно лавинный фотодиод).

Отраженный свет флуктуирует по интенсивности, частота которой эквивалентна доплеровскому сдвигу между падающим и рассеянным светом и, таким образом, пропорциональна компоненту скорости частицы, которая лежит в плоскости двух лазерных лучей. Если датчик выровнен по потоку так, что полосы перпендикулярны направлению потока, электрический сигнал от фотодетектора будет пропорционален полной скорости частиц. Комбинируя три устройства (например, He-Ne, ион аргона и лазерный диод) с разными длинами волн, все три составляющие скорости потока могут быть измерены одновременно.[5]

Другая форма лазерной доплеровской велосиметрии, особенно используемая в ранних разработках устройств, имеет совершенно другой подход, похожий на интерферометр. Датчик также разделяет лазерный луч на две части; один (измерительный луч) фокусируется в потоке, а второй (опорный луч) выходит за пределы потока. Приемная оптика обеспечивает путь, который пересекает измерительный луч, образуя небольшой объем. Частицы, проходящие через этот объем, будут рассеивать свет от измерительного луча с доплеровским сдвигом; часть этого света собирается приемной оптикой и передается на фотодетектор. Опорный луч также направляется на фотоприемник, где оптическое гетеродинное обнаружение производит электрический сигнал, пропорциональный доплеровскому сдвигу, с помощью которого можно определить компонент скорости частицы, перпендикулярной плоскости лучей.[6]

Схема обнаружения сигнала прибора использует принцип оптическое гетеродинное обнаружение. Этот принцип аналогичен другим приборам на основе лазерного допплера, таким как лазерный доплеровский виброметр, или же лазерный измеритель скорости поверхности. К сигналу можно применить цифровые методы, чтобы получить скорость как измеренную долю от скорость света, и поэтому в определенном смысле лазерная доплеровская велосиметрия является особенно фундаментальным измерением, прослеживаемым к системе измерения S.I.[7]

Приложения

За десятилетия, прошедшие с момента первого появления лазерной доплеровской велосиметрии, было разработано и применено большое количество лазерных доплеровских датчиков.

Исследование потока

Лазерная доплеровская велосиметрия часто выбирается среди других форм измерение расхода потому что оборудование может находиться за пределами измеряемого потока и, следовательно, не влияет на поток. Некоторые типичные приложения включают следующее:

  • Эксперименты по скорости в аэродинамической трубе для проверки аэродинамики самолетов, ракет, автомобилей, грузовиков, поездов, зданий и других конструкций.
  • Измерения скорости в водных потоках (исследования в области общей гидродинамики, конструкции корпуса судна, вращающихся механизмов, трубопроводных потоков, руслового потока и т. Д.)
  • Исследования впрыска топлива и распыления, когда необходимо измерить скорость внутри двигателя или через форсунки
  • Исследования окружающей среды (исследования горения, волновая динамика, прибрежная инженерия, приливное моделирование, гидрология рек и др.).[8]

Одним из недостатков является то, что датчики лазерной доплеровской велосиметрии зависят от дальности; они должны быть тщательно откалиброваны, а расстояния, на которых они измеряются, должны быть точно определены. Это ограничение расстояния недавно было по крайней мере частично преодолено с помощью нового датчика, который не зависит от диапазона.[9]

Автоматизация

Лазерная доплеровская велосиметрия может быть полезна в автоматизации, в том числе в приведенных выше примерах потока. Его также можно использовать для измерения скорости твердых объектов, например конвейерные ленты. Это может быть полезно в ситуациях, когда прикрепление поворотный энкодер (или другое механическое устройство измерения скорости) к конвейерной ленте невозможно или непрактично.

Медицинские приложения

Лазерная допплеровская велосиметрия используется в гемодинамика исследование как метод частичной количественной оценки кровоток в тканях человека, таких как кожа или глазное дно. В клинической среде эту технологию часто называют лазерной допплеровской флоуметрией; когда создаются изображения, это называется лазерная доплеровская визуализация. Луч маломощного лазера (обычно лазерный диод) проникает в кожу в достаточной степени, чтобы рассеиваться с доплеровским сдвигом красные кровяные тельца и вернуться, чтобы сосредоточиться на детекторе. Эти измерения полезны для отслеживания воздействия упражнений, медикаментозного лечения, воздействия окружающей среды или физических манипуляций на целевые микробы сосудистый области.[10]

Лазерный допплеровский виброметр применяется в клинической практике. отология для измерения барабанная перепонка (барабанная перепонка), молоточек (молоток) и протез смещение головы при поступлении звука от 80 до 100 дБ уровень звукового давления. Его также можно использовать в операционной для измерения протеза и стремени (стремени) смещение.[11]

Навигация

В Автономная технология предотвращения опасностей при посадке используется в НАСА Проект Морфеус Лунный посадочный модуль для автоматического поиска безопасного места посадки оснащен лидарным доплеровским велосиметром, который измеряет высоту и скорость корабля.[12] В AGM-129 ACM крылатая ракета использует лазерный доплеровский измеритель скорости для точного наведения на терминал.[13]

Калибровка и измерение

Лазерная доплеровская велосиметрия используется для анализа вибрации МЭМС устройств, часто для сравнения производительности таких устройств, как акселерометры на кристалле, с их теоретическими (расчетными) режимами вибрации. В качестве конкретного примера, в котором важны уникальные особенности лазерной доплеровской велосиметрии, измерение скорости МЭМС баланс ватт устройство[14] позволил повысить точность измерения малых сил, чем это было возможно ранее, за счет прямого измерения отношения этой скорости к скорости света. Это фундаментальное отслеживаемое измерение, которое теперь позволяет отслеживать небольшие силы в системе S.I.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уайт, А. Д., и Дж. Д. Ригден, "Непрерывная работа газового мазера в видимом диапазоне". Proc IRE, т. 50, стр. 1697: июль 1962 г., стр. 1697. Патент США 3 242 439 .
  2. ^ Ага, Й .; Камминс, Х. З. (1964). «Локальные измерения расхода жидкости с помощью гелий-неонового лазерного спектрометра». Письма по прикладной физике. 4 (10): 176. Bibcode:1964АпФЛ ... 4..176Л. Дои:10.1063/1.1753925.
  3. ^ Форман, Дж. В .; George, E.W .; Льюис, Р. Д. (1965). «Измерение локализованных скоростей потока в газах с помощью лазерного доплеровского расходомера». Письма по прикладной физике. 7 (4): 77. Bibcode:1965АпФЛ ... 7 ... 77Ф. Дои:10.1063/1.1754319.
  4. ^ Уотсон, Р. К., младший, Льюис, Р. Д. и Уотсон, Х. Дж. (1969). «Приборы для измерения движения с использованием методов лазерного доплеровского гетеродинирования». ISA Trans. 8 (1): 20–28.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  5. ^ Дрэйн, Л. Э. (1980) Лазерная допплеровская техника, Джон Уайли и сыновья, ISBN 0-471-27627-8
  6. ^ Дерст, Ф; Меллинг, А. и Уайтлоу, Дж. Х. (1976) Принципы и практика лазерной допплеровской анемометрии, Academic Press, Лондон, ISBN 0-12-225250-0
  7. ^ Portoles, Jose F .; Камсон, Питер Дж .; Аллен, Стефани; Уильямс, Филип М .; Тендлер, Сол Дж. Б. (2006). «Точное измерение скорости колебаний АСМ-кантилевера методом доплеровской интерферометрии». Журнал экспериментальной нанонауки. 1: 51–62. Дои:10.1080/17458080500411999.
  8. ^ Dantec Dynamics, «Лазерная доплеровская анемометрия».
  9. ^ Мойр, Кристофер I (2009). « Миниатюрные лазерные системы доплеровской велосиметрии ». В Бальдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009 г.. Оптические датчики 2009. 7356. С. 73560I. Дои:10.1117/12.819324.
  10. ^ Стерн, Майкл Д. (1985). «Лазерная доплеровская велосиметрия в крови и многократно рассеивающих жидкостях: теория». Прикладная оптика. 24 (13): 1968. Bibcode:1985АпОпт..24.1968S. Дои:10.1364 / AO.24.001968. PMID 18223825.
  11. ^ Гуд, Р.Л .; Ball, G; Нишихара, S; Накамура, К. (1996). «Лазерный допплеровский виброметр (ЛДВ) - новый клинический инструмент для отолога». Американский журнал отологии. 17 (6): 813–22. PMID 8915406.
  12. ^ «ALHAT обнаруживает опасности при приземлении на поверхность». Новости исследований, Исследовательский центр Лэнгли. НАСА. Получено 8 февраля, 2013.
  13. ^ "Усовершенствованная крылатая ракета AGM-129 [ACM]". GlobalSecurity.org. 2011-07-24. Получено 2015-01-30.
  14. ^ Камсон, Питер Дж .; Хедли, Джон (2003). «Точные аналитические измерения в атомно-силовом микроскопе: микропроцессорный стандарт постоянной пружины, потенциально прослеживаемый до SI». Нанотехнологии. 14 (12): 1279–1288. Дои:10.1088/0957-4484/14/12/009. PMID 21444981.

внешняя ссылка