Interferometrikus sebességmérő berendezés - Lézer Doppler Anemométer

[Ábrák forrása: http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-of-lda

http://www.dantecdynamics.com/docs/support-and-download/research-and-education/lda.zip]

Doppler-effektus: mozgó forrás által kibocsájtott hullám hullámfrontja torzul, megváltozik az észlelt frekvencia. Ezt használja ki a lézeres Doppler sebességmérő (anemométer). A két nyaláb keresztezésében interferencia csíkrendszer alakul ki. Az ezen áthaladó részecske által kiszórt fény jele a csíkrendszer intenzitáseloszlását követi, a jel frekvenciája - a Doppler frekvencia - a részecske sebességét jellemzi. 

[Ábrák forrása: http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-of-lda

http://www.dantecdynamics.com/docs/support-and-download/research-and-education/lda.zip]

Doppler-effektus: mozgó forrás által kibocsájtott hullám hullámfrontja torzul, megváltozik az észlelt frekvencia.

Ezt használja ki a lézeres Doppler sebességmérő (anemométer). Két nyaláb keresztezésében létrejövő interferencia csíkrendszeren áthaladó részecskéről szóródó fény intenzitása leköveti a csíkrendszer intenzitáseloszlását. A szórt fény tartalmazza az  úgynevezett Doppler eltolt frekvenciát, amely arányban áll a két lézersugár szögfelezőjére merőleges sebesség komponenssel.

Előnyök:

• • beavatkozásmentes mérést tesz lehetővé
  • nagy térbeli és időbeli felbontás lehetséges
  • nem igényel különösebb kalibrációt
  • a sebesség mérési tartománya 0-tól szuperszonikus sebességig lehetséges
  • egy, kettő vagy három sebesség komponens egyidejű mérése lehetséges
  • mérési távolság a néhány cm-től a méter nagyságig megoldható
  • visszaáramlás mérésének lehetősége
  • pillanatnyi és időben átlagolt mérési lehetőség egyaránt lehetséges

Korlátok:

• • csak pontbeli mérést tesz lehetővé, vagyis alkalmazásával síkbeli, vagy térbeli áramlásokat csak letapogatásos módszerrel lehet meghatározni
  • időbeli változást csak adott pontban lehet vele követni
  • megfelelő nyomjelző anyag szükséges

[Ábrák forrása: http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-of-lda

http://www.dantecdynamics.com/docs/support-and-download/research-and-education/lda.zip]

A szórt fényt egy gyűjtő lencse összegyűjti és fókuszálja a fotódetektorra. Az alkalmazott interferenciaszűrő, ami a fotódetektor előtt található, csak a megfelelő hullámhosszú fénysugarakat engedi át. A külső fény és egyéb más hullámhosszú fény által okozott hibákat az interferencia szűrő távolítja el.

A rendszer elemei: Folyamatos hullámhosszú lézer, nyalábosztó  és fókuszáló lencsék, leképező optika, ami tartalmaz egy fókuszáló lencsét, egy interferencia szűrőt és egy fotódetektort, jelerősítő és jelfeldolgozó egység.

A nyaláb szétválasztáshoz általában Bragg cellát alkalmaznak. A Bragg cella egy üveg kristály és egy vibrációs piezo kristály összessége. Ez a vibráció alakítja az akusztikai hullámokat olyanná, mint egy optikai háló. A Bragg cella kimenete két egyenlő intenzitású sugárnyaláb. Az előállított sugarakat optikai szállal továbbítják a méréshez használt szondába. Ez a két sugárnyalábot a mérési pontba (térfogatba) irányítja, ahol azok kereszteződnek.

[Ábrák forrása: http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-of-lda

http://www.dantecdynamics.com/docs/support-and-download/research-and-education/lda.zip]

Jelfeldolgozás:

A változó szórt fényintenzitást a fotódetektor konvertálja elektronikus jelé. A Doppler jelsorozat alakja egy Gauss burkolójú szinusz függvényhez hasonlít. A frekvenciát gyakran FFT (Fast Fourier Transform) algoritmussal határozzák meg.

A d interferenciacsík-távolság szolgáltat információt minden egyes vizsgált részecske által megtett távolságról. A mért időből és a megtett távolságból a sebesség meghatározható: v=d*f=d/t.

A az áramlással együtt haladó részecske sebessége (s így egyben az áramlási sebesség is) egyszerű számítással meghatározható, mivel a sebesség egyenlő az elmozdulás és az idő hányadosával, így az előbbi kifejezésekből a lézersugarakra merőleges sebességkomponenst a fenti összefüggés adja.

A sebesség előjele a frekvencia eltolásból határozható meg. A frekvencia eltolás meghatározható a Bragg cella által generált interferenciacsíkok mozgásából állandó sebesség mellett.

Ha mindhárom sebességkomponensre kíváncsiak vagyunk, akkor megfelelő elrendezésben három LDA-t kell alkalmazni.