Laserová Dopplerova velocimetrie - Laser Doppler velocimetry

Laserová Dopplerova velocimetrie, také známý jako laserová Dopplerova anemometrie, je technika používání Dopplerův posun v laser paprsek k měření rychlost v průhledném nebo poloprůhledném provedení tekutina toky nebo lineární nebo vibrační pohyb neprůhledných odrážejících povrchů. Měření pomocí laserové dopplerovské anemometrie je absolutní a lineární s rychlostí a nevyžaduje žádnou předběžnou kalibraci.

Laserové dopplerovské anemometrické zařízení pracující v Laboratoři plynové technologie (Poznaňská technická univerzita ).

Technologický původ

S rozvojem helium – neonový laser (He-Ne) na Bell Telephone Laboratories v roce 1962 měla optická komunita k dispozici zdroj spojitá vlna elektromagnetická radiace vysoce koncentrovaný v a vlnová délka 632,8 nanometry (nm), v červené části viditelné spektrum.[1] Brzy se ukázalo, že z průtokoměru lze provádět měření průtoku kapaliny Dopplerův jev na He-Ne paprsku rozptýleném velmi malým polystyren koule unášené tekutinou.[2]

Ve výzkumných laboratořích Brown Engineering Company (později Teledyne Brown Engineering) byl tento jev použit při vývoji prvního laserového dopplerovského průtokoměru využívajícího zpracování heterodynního signálu.[3]

Přístroj byl brzy nazýván laserovým Dopplerovým velocimetrem a technikou laserovou Dopplerovou velocimetrií. Další název aplikace je laserová Dopplerova anemometrie. Časné aplikace laserové dopplerovské velocimetrie se pohybovaly od měření a mapování výfuku z raketové motory s rychlostí až 1 000 m / s k určení průtoku v blízké povrchové krevní tepně. Pro monitorování pevných povrchů byla vyvinuta řada podobných přístrojů s aplikacemi od měření rychlosti produktu ve výrobních linkách papír a ocel mlýny, k měření frekvence vibrací a amplitudy povrchů.[4]

Provozní principy

Ve své nejjednodušší a nejpoužívanější formě prochází laserová Dopplerova velocimetrie dvěma paprsky kolimoval, jednobarevný, a koherentní laserové světlo v toku měřené kapaliny. Dva paprsky se obvykle získají rozdělením jednoho paprsku, čímž se zajistí soudržnost mezi nimi. Lasery s vlnovými délkami ve viditelném spektru (390–750 nm) se běžně používají; to jsou obvykle He-Ne, Argonový ion nebo laserová dioda, což umožňuje sledovat dráhu paprsku. Vysílací optika zaměřuje paprsky tak, aby se protínaly v jejich pase (ohnisko laserového paprsku), kde zasahovat a vygenerovat sadu přímých třásní. Když částice (buď přirozeně se vyskytující, nebo indukované) unášené v tekutině procházejí třásněmi, odrážejí světlo, které je poté sbíráno přijímací optikou a zaměřeno na fotodetektor (typicky lavinová fotodioda ).

Odražené světlo kolísá v intenzitě, jejíž frekvence je ekvivalentní Dopplerovu posunu mezi dopadajícím a rozptýleným světlem, a je tedy úměrná složce rychlosti částic, která leží v rovině dvou laserových paprsků. Pokud je senzor zarovnán s tokem tak, že proužky jsou kolmé ke směru toku, bude elektrický signál z fotodetektoru úměrný plné rychlosti částic. Kombinací tří zařízení (např. He-Ne, iontů argonu a laserové diody) s různými vlnovými délkami lze měřit všechny tři složky rychlosti proudění současně.[5]

Jiná forma laserové dopplerovské velocimetrie, zvláště používaná v počátcích vývoje zařízení, má zcela odlišný přístup podobný interferometr. Senzor také rozdělí laserový paprsek na dvě části; jeden (měřicí paprsek) je zaostřen na tok a druhý (referenční paprsek) prochází mimo tok. Přijímací optika poskytuje cestu, která protíná měřicí paprsek a vytváří malý objem. Částice procházející tímto objemem rozptýlí světlo z měřicího paprsku pomocí Dopplerova posunu; část tohoto světla je zachycena přijímací optikou a přenesena do fotodetektoru. Referenční paprsek je také odeslán do fotodetektoru, kde optická detekce heterodynu produkuje elektrický signál úměrný Dopplerovu posunu, kterým lze určit složku rychlosti částic kolmou k rovině paprsků.[6]

Schéma detekce signálu přístroje využívá principu optická detekce heterodynu. Tento princip je obdobný jako u jiných laserových Dopplerových přístrojů jako např laserový Dopplerův vibrometr nebo laserový povrchový velocimetr. Na signál je možné aplikovat digitální techniky k získání rychlosti jako měřeného zlomku signálu rychlost světla, a proto je v jednom smyslu laserová Dopplerova velocimetrie obzvláště základním měřením navazujícím na systém měření S.I.[7]

Aplikace

V desetiletích od prvního zavedení laserové Dopplerovy velocimetrie byla vyvinuta a použita široká škála laserových Dopplerových senzorů.

Průtokový výzkum

Laserová Dopplerova velocimetrie je často volena před jinými formami měření průtoku protože zařízení může být mimo měřený průtok, a proto nemá žádný vliv na průtok. Některé typické aplikace zahrnují následující:

  • Experimenty rychlosti v aerodynamickém tunelu pro testování aerodynamiky letadel, raket, automobilů, nákladních vozidel, vlaků a budov a dalších struktur
  • Měření rychlosti ve vodních tocích (výzkum obecné hydrodynamiky, konstrukce trupu lodi, rotačních strojů, toků potrubí, průtoku kanálem atd.)
  • Výzkum vstřikování a stříkání paliva tam, kde je potřeba měřit rychlosti uvnitř motorů nebo přes trysky
  • Výzkum životního prostředí (výzkum spalování, dynamika vln, pobřežní inženýrství, přílivové modelování, říční hydrologie atd.).[8]

Jednou nevýhodou bylo, že laserové dopplerovské velocimetrické senzory jsou závislé na dosahu; musí být kalibrovány každou minutu a vzdálenosti, kde měří, musí být přesně definovány. Toto omezení vzdálenosti bylo nedávno alespoň částečně překonáno novým senzorem nezávislým na dosahu.[9]

Automatizace

Laserová Dopplerova velocimetrie může být užitečná v automatizaci, která zahrnuje výše uvedené příklady průtoku. Lze jej také použít k měření rychlosti pevných předmětů, jako je dopravní pásy. To může být užitečné v situacích, kdy připojení a rotační kodér (nebo jiné mechanické zařízení k měření rychlosti) na dopravní pás je nemožné nebo nepraktické.

Lékařské aplikace

Laserová Dopplerova velocimetrie se používá v hemodynamika výzkum jako technika k částečné kvantifikaci průtok krve v lidských tkáních, jako je kůže nebo oční fundus. V klinickém prostředí se tato technologie často označuje jako laserová Dopplerova průtokoměr; když se vytvářejí obrázky, označuje se to jako laserové dopplerovské zobrazování. Paprsek z laseru s nízkou spotřebou energie (obvykle a laserová dioda ) proniká dostatečně do kůže, aby byl rozptýlen Dopplerovým posunem o červené krvinky a vrátit se a soustředit se na detektor. Tato měření jsou užitečná k monitorování účinků cvičení, léčby drogami, životního prostředí nebo fyzických manipulací na cílené mikroskopické velikosti cévní oblastech.[10]

Laserový Dopplerův vibrometr se používá v klinické praxi otologie pro měření ušní bubínek (ušní bubínek), Malleus (kladivo) a protéza posunutí hlavy v reakci na zvukové vstupy od 80 do 100 dB hladina akustického tlaku. Má také potenciální využití na operačním sále k provádění měření protézy a sponky (třmen) posunutí.[11]

Navigace

The Autonomní technologie pro předcházení nebezpečí přistání používaný v NASA Projekt Morpheus lunární přistávací modul k automatickému nalezení bezpečného místa přistání obsahuje lidarský dopplerovský velocimetr, který měří nadmořskou výšku a rychlost vozidla.[12] The AGM-129 ACM řízená střela používá laserový dopplerovský velocimetr pro přesné vedení terminálu.[13]

Kalibrace a měření

Laserová Dopplerova velocimetrie se používá při analýze vibrací MEMS zařízení, často k porovnání výkonu zařízení, jako jsou akcelerometry na čipu, s jejich teoretickými (vypočítanými) režimy vibrací. Jako konkrétní příklad, ve kterém jsou důležité jedinečné vlastnosti laserové dopplerovské rychlosti, je měření rychlosti MEMS wattová rovnováha přístroj[14] umožnil větší přesnost v měření malých sil, než bylo dříve možné, přímým měřením poměru této rychlosti k rychlosti světla. Jedná se o základní sledovatelné měření, které nyní umožňuje sledovatelnost malých sil do systému S.I.

Viz také

Reference

  1. ^ White, A. D. a J. D. Rigden, „Continuous Gas Maser Operation in the Visible“. Proc IRE, sv. 50, str. 1697: červenec 1962, s. 1697. US patent 3 242 439 .
  2. ^ Yeh, Y .; Cummins, H. Z. (1964). "Lokalizovaná měření průtoku kapaliny pomocí He-Ne laserového spektrometru". Aplikovaná fyzikální písmena. 4 (10): 176. Bibcode:1964ApPhL ... 4..176Y. doi:10.1063/1.1753925.
  3. ^ Foreman, J. W .; George, E. W .; Lewis, R. D. (1965). "Měření lokalizovaných rychlostí proudění v plynech pomocí laserového Dopplerova průtokoměru". Aplikovaná fyzikální písmena. 7 (4): 77. Bibcode:1965ApPhL ... 7 ... 77F. doi:10.1063/1.1754319.
  4. ^ Watson, R. C., Jr., Lewis, R. D. a Watson, H. J. (1969). "Přístroje pro měření pohybu s využitím technik laserového dopplerovského heterodyningu". ISA Trans. 8 (1): 20–28.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  5. ^ Drain, L. E. (1980) Laserová Dopplerova technikaJohn Wiley & Sons, ISBN  0-471-27627-8
  6. ^ Durst, F; Melling, A. a Whitelaw, J. H. (1976) Principy a praxe laserové dopplerovské anemometrie, Academic Press, Londýn, ISBN  0-12-225250-0
  7. ^ Portoles, Jose F .; Cumpson, Peter J .; Allen, Stephanie; Williams, Phillip M .; Tendler, Saul J. B. (2006). "Přesné měření rychlosti vibrací konzoly AFM pomocí Dopplerovy interferometrie". Journal of Experimental Nanoscience. 1: 51–62. doi:10.1080/17458080500411999.
  8. ^ Dantec Dynamics, „Laserová Dopplerova anemometrie“.
  9. ^ Moir, Christopher I (2009). " Miniaturní laserové dopplerovské velocimetrické systémy ". V Baldini, Francesco; Homola, Jiří; Lieberman, Robert A (eds.). Optické snímače 2009. Optické snímače 2009. 7356. 73560I. doi:10.1117/12.819324.
  10. ^ Stern, Michael D. (1985). „Laserová Dopplerova velocimetrie v krvi a množení rozptylových tekutin: Teorie“. Aplikovaná optika. 24 (13): 1968. Bibcode:1985ApOpt..24.1968S. doi:10,1364 / AO.24.001968. PMID  18223825.
  11. ^ Sbohem, RL; Ball, G; Nishihara, S; Nakamura, K (1996). „Laserový Dopplerův vibrometr (LDV) - nový klinický nástroj pro otologa“. The American Journal of Otology. 17 (6): 813–22. PMID  8915406.
  12. ^ „ALHAT detekuje nebezpečí přistání na povrchu“. Research News, Langley Research Center. NASA. Citováno 8. února 2013.
  13. ^ „Pokročilá řízená střela AGM-129 [ACM]“. GlobalSecurity.org. 2011-07-24. Citováno 2015-01-30.
  14. ^ Cumpson, Peter J .; Hedley, John (2003). "Přesná analytická měření v mikroskopu s atomovou silou: mikrofabrikovaný pružinový konstantní standard potenciálně navazující na SI". Nanotechnologie. 14 (12): 1279–1288. doi:10.1088/0957-4484/14/12/009. PMID  21444981.

externí odkazy