Войти
Лазерная доплеровская велосиметрия, также известная как лазерная доплеровская анемометрия, представляет собой метод использования доплеровской сдвиг в луче лазера для измерения скорости в потоках прозрачной или полупрозрачной жидкости или линейного или вибрационного движения непрозрачных отражающих поверхностей. Измерение с помощью лазерной доплеровской анемометрии является абсолютным и линейным по скорости и не требует предварительной калибровки.
Установка лазерной допплеровской анемометрии в Лаборатории газовых технологий (Познанский технологический университет ).С При разработке гелий-неонового лазера (He-Ne) в Bell Telephone Laboratories в 1962 году оптическое сообщество располагало источником непрерывной волны электромагнитное излучение с высокой концентрацией на длине волны 632,8 нанометров (нм) в красной части видимого спектра. Вскоре было показано Измерение потока жидкости может быть выполнено с помощью эффекта Доплера на пучке He-Ne, рассеянном очень маленькими сферами полистирола, увлеченными жидкостью.
В исследовательских лабораториях г. Браун Инжиниринг Ко mpany (позже Teledyne Brown Engineering), это явление было использовано при разработке первого лазерного доплеровского расходомера с использованием гетеродинной обработки сигналов.
Этот 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 ракетных двигателей со скоростью до 1000 м / с до определения потока в приповерхностной кровеносной артерии. Для мониторинга твердых поверхностей было разработано множество аналогичных приборов, от измерения скорости движения продукта на производственных линиях заводов по производству бумаги и стали до измерения частоты и амплитуды вибрации поверхностей.
В своей простейшей и наиболее часто используемой форме лазерная доплеровская велосиметрия пересекает два луча: коллимированный, монохроматический и когерентный лазерный свет 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); Обычно это He-Ne, ион аргона или лазерный диод, позволяющий наблюдать путь луча. Передающая оптика фокусирует лучи так, чтобы они пересекались в их поясах (фокус лазерного луча), где они интерферируют и генерируют набор прямых полос. Когда частицы (естественные или индуцированные), увлекаемые жидкостью, проходят через полосы, они отражают свет, который затем собирается приемной оптикой и фокусируется на фотодетекторе (обычно лавинном фотодиоде ).
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.
Другой вид лазерной доплеровской велосиметрии, особенно используемый в ранних устройствах разработок, 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 фотодетектор, где обнаружение оптического гетеродина вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный доплеровскому сдвигу, с помощью которого можно определить компонент скорости частицы, перпендикулярный плоскости лучей.
Схема обнаружения сигнала прибора использует принцип обнаружения оптического гетеродина. Этот принцип аналогичен другим приборам на основе лазерного допплера, таким как лазерный доплеровский виброметр или лазерный измеритель скорости поверхности. Можно применить к сигналу цифровые методы, чтобы получить скорость как измеренную долю от скорости света, и поэтому в определенном смысле лазерная доплеровская велосиметрия является особенно фундаментальным измерением, прослеживаемым до системы SI. измерения.
За десятилетия, прошедшие с момента появления лазерной доплеровской велосиметрии, было разработано и применено большое количество лазерных доплеровских датчиков.
Лазерная доплеровская велосиметрия часто выбирается по сравнению с другими формами измерения потока, потому что оборудование может находиться вне измеряемого потока и, следовательно, не влияет на течь. Некоторые типичные приложения включают следующее:
Одним из недостатков было то, что лазерные доплеровские датчики скорости зависят от дальности; они должны быть тщательно откалиброваны, а расстояния, на которых они измеряются, должны быть точно определены. Это ограничение расстояния было недавно, по крайней мере, частично преодолено с помощью нового датчика, который не зависит от диапазона.
Лазерная доплеровская велосиметрия может быть полезна в автоматизации, которая включает в себя приведенные выше примеры потоков. Его также можно использовать для измерения скорости твердых предметов, таких как конвейерные ленты. Это может быть полезно в ситуациях, когда присоединение датчика вращения (или другого устройства измерения механической скорости) к конвейерной ленте невозможно или непрактично.
Лазерная допплеровская велосиметрия используется в исследованиях гемодинамики как метод частичной количественной кровотока в тканях человека, таких как кожа или глазное дно. В клинической среде эту технологию часто называют лазерной допплеровской флоуметрией; когда создаются изображения, это называется лазерной доплеровской визуализацией. Луч маломощного лазера (обычно лазерный диод ) проникает через кожу в достаточной степени, чтобы рассеиваться с доплеровским сдвигом эритроцитами и возвращаться, чтобы сконцентрироваться на детекторе.. Эти измерения полезны для отслеживания воздействия физических упражнений, лекарств, окружающей среды или физических манипуляций на целевые микроразмерные сосудистые области.
Лазерный доплеровский виброметр используется в клинической отологии для измерения барабанной перепонки (барабанная перепонка), молоточка (молоток) и протез смещение головы в ответ на звуковые воздействия от 80 до 100 дБ уровень звукового давления. Его также можно использовать в операционной для измерения смещения протеза и стремени (стремени).
Технология предотвращения опасностей при автономной посадке, используемый в НАСА Project Morpheus лунный спускаемый аппарат для автоматического поиска безопасного места посадки, содержит лидарный доплеровский велосиметр, который измеряет высоту и скорость корабля. AGM-129 ACM крылатая ракета использует лазерный доплеровский измеритель скорости для точного наведения на терминал.
Лазерная доплеровская велосиметрия используется в анализ вибрации устройств MEMS, 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 устройства MEMS ваттный баланс позволило повысить точность измерения малых сил, чем это было возможно ранее, благодаря непосредственному измерению отношение этой скорости к скорости света. Это фундаментальное отслеживаемое измерение, которое теперь позволяет отслеживать небольшие силы в системе S.I.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с лазером -допплеровская флоуметрия. |
