Velocimétrie laser Doppler – Wikipedia wiki

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Méthode optique pour mesurer le débit de fluide

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Velocimétrie laser doppler , aussi connu sous le nom anémométrie laser doppler , est la technique d’utilisation du décalage Doppler dans un faisceau laser pour mesurer la vitesse dans les flux de liquide transparents ou semi-transparents ou le mouvement linéaire ou vibratoire de l’opaque, reflétant les surfaces. La mesure avec l’anémométrie doppler laser est absolue et linéaire avec vitesse et ne nécessite aucune pré-étalonnage.

Origine technologique [ modifier ]]

The development of the helium–neon laser (He-Ne) in 1962 at the Bell Telephone Laboratories provided the optics community with a continuous wave electromagnetic radiation source that was highly concentrated at a wavelength of 632.8 nanometers (nm) in the red portion of the spectre visible. [d’abord] Il a été découvert que des mesures d’écoulement des fluides pouvaient être effectuées en utilisant l’effet Doppler sur un faisceau He-Ne diffusé par de petits sphères de polystyrène dans le fluide. [2]

Dans les laboratoires de recherche de Brown Engineering Company (plus tard Teledyne Brown Engineering), ce phénomène a été utilisé pour développer le premier débitmètre Doppler laser en utilisant le traitement du signal Heterodyne. [3] Cet instrument est devenu connu sous le nom de vélocimètre doppler laser et la technique était appelée vélocimétrie laser doppler. Il est également appelé anémométrie doppler laser.

Les premières applications de vélocimétrie Doppler laser comprenaient la mesure et la cartographie de l’échappement des moteurs de fusée avec des vitesses allant jusqu’à 1000 m / s, ainsi que la détermination du flux dans une artère sanguine proche de la surface. Des instruments similaires ont également été développés pour une surveillance solide de la surface, avec des applications allant de la mesure des vitesses du produit dans les lignes de production de papier et d’acier à mesurer la fréquence des vibrations et l’amplitude des surfaces. [4]

Principes de fonctionnement [ modifier ]]

Dans sa forme la plus simple et la plus utilisée actuellement, la vélocimétrie doppler laser traverse deux faisceaux de lumière laser collimatée, monochromatique et cohérente dans l’écoulement du fluide mesuré. Les deux faisceaux sont généralement obtenus en divisant un seul faisceau, assurant ainsi une cohérence entre les deux. Les lasers avec des longueurs d’onde dans le spectre visible (390–750 nm) sont couramment utilisés; Ce sont généralement des diodes He-Ne, Argon Ion ou Laser, permettant à l’observation du chemin du faisceau. Un système d’optique transmissible concentre les faisceaux pour se croiser à leur taille (le point focal d’un faisceau laser), où ils interfèrent et génèrent un ensemble de franges droites. Alors que les particules (soit naturellement accessibles ou induites) entraînées dans le fluide passant à travers les franges, elles reflètent la lumière qui est ensuite collectée par une optique réceptrice et axée sur un photodétecteur (généralement une photodiode d’avalanche).

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La lumière réfléchie fluctue en intensité, dont la fréquence est équivalente au décalage du doppler entre l’incident et la lumière diffusée, et est donc proportionnelle à la composante de la vitesse des particules qui se trouve dans le plan de deux faisceaux laser. Si le capteur est aligné sur l’écoulement de telle sorte que les franges soient perpendiculaires à la direction d’écoulement, le signal électrique du photodétecteur sera alors proportionnel à la vitesse complète des particules. En combinant trois dispositifs (par exemple, He-Ne, argon ion et diode laser) avec différentes longueurs d’onde, les trois composantes de la vitesse d’écoulement peuvent être mesurées simultanément. [5]

Une autre forme de vélocimétrie doppler laser, en particulier utilisée dans les premiers développements de dispositifs, a une approche complètement différente comme un interféromètre. Le capteur divise également le faisceau laser en deux parties; Un (le faisceau de mesure) est concentré dans l’écoulement et le second (le faisceau de référence) passe à l’extérieur de l’écoulement. Une optique réceptrice fournit un chemin qui coupe le faisceau de mesure, formant un petit volume. Les particules traversant ce volume disperseront la lumière du faisceau de mesure avec un décalage Doppler; Une partie de cette lumière est collectée par l’optique réceptrice et transférée au photodétecteur. Le faisceau de référence est également envoyé au photodétecteur où la détection hétérodyne optique produit un signal électrique proportionnel au décalage Doppler, par lequel le composant de vitesse des particules perpendiculaire au plan des faisceaux peut être déterminé. [6]

Le schéma de détection du signal de l’instrument utilise le principe de la détection hétérodyne optique. Ce principe est similaire à d’autres instruments à base de doppler laser tels que le vibromètre Doppler laser ou le vélocimètre de surface laser. Il est possible d’appliquer des techniques numériques au signal pour obtenir la vitesse en tant que fraction mesurée de la vitesse de la lumière, et donc dans un sens, la vélocimétrie doppler laser est une mesure particulièrement fondamentale traçable au système de mesure S.I. [7]

Applications [ modifier ]]

Au cours des décennies qui ont suivi la présence de vélocimétrie du doppler laser, il y a eu une grande variété de capteurs doppler laser développés et appliqués.

Recherche de flux [ modifier ]]

La vélocimétrie du doppler laser est souvent choisie sur d’autres formes de mesure du débit car l’équipement peut être en dehors de l’écoulement et n’a donc aucun effet sur l’écoulement. Certaines applications typiques incluent les éléments suivants:

  • Expériences de vitesse en soufflerie pour tester l’aérodynamique des avions, des missiles, des voitures, des camions, des trains, des bâtiments et d’autres structures
  • Mesures de vitesse dans les flux d’eau (recherche en hydrodynamique générale, conception de la coque, machines rotatives, flux de tuyaux, débit de canal, etc.)
  • Injection de carburant et recherche en pulvérisation où il est nécessaire de mesurer les vitesses à l’intérieur des moteurs ou par des buses
  • Recherche environnementale (recherche de combustion, dynamique des vagues, génie côtier, modélisation des marées, hydrologie fluviale, etc.). [8]

Un inconvénient est que les capteurs de vélocimétrie Doppler laser dépendent de la plage; Ils doivent être calibrés minutieusement et les distances où ils mesurent doivent être définies avec précision. Cette restriction de distance a récemment été au moins partiellement surmontée avec un nouveau capteur indépendant de la gamme. [9]

Automatisation [ modifier ]]

La vitesse du Doppler laser peut être utile dans l’automatisation, qui comprend les exemples d’écoulement ci-dessus. Il peut également être utilisé pour mesurer la vitesse des objets solides, comme les ceintures de convoyeur. Cela peut être utile dans des situations où la fixation d’un codeur rotatif (ou un dispositif de mesure de vitesse mécanique différent) à la courroie de tapissage est impossible ou impraticable.

Applications médicales [ modifier ]]

La vitesse du doppler laser est utilisée dans la recherche hémodynamique comme technique pour quantifier partiellement le flux sanguin dans les tissus humains tels que la peau ou le fond des yeux. Dans l’environnement clinique, la technologie est souvent appelée flowmétrie laser doppler; Lorsque les images sont faites, il est appelé imagerie laser doppler. Le faisceau d’un laser à faible puissance (généralement une diode laser) pénètre suffisamment la peau pour être diffusée avec un décalage Doppler par les globules rouges et retourner pour être concentré sur un détecteur. Ces mesures sont utiles pour surveiller l’effet de l’exercice, des traitements médicamenteux, de l’environnement ou des manipulations physiques sur les zones vasculaires micro ciblées. [dix]

Le vibromètre Doppler laser est utilisé en otologie clinique pour la mesure de la membrane tympanique (tympan), du malleus (marteau) et du déplacement de la tête de prothèse en réponse aux entrées sonores du niveau de pression sonore de 80 à 100 dB. Il a également une utilisation potentielle dans la salle d’opération pour effectuer des mesures de la prothèse et du déplacement des stapes (étriers). [11]

La navigation [ modifier ]]

La technologie de l’évitement des risques d’atterrissage autonome utilisé dans le projet Morpheus Lunar Lander de la NASA pour trouver automatiquement un lieu d’atterrissage sûr contient un vélocimètre Doppler lidar qui mesure l’altitude et la vitesse du véhicule. [douzième] L’AGM-129 ACM Cruise Missile utilise un vélocimètre Doppler laser pour des conseils terminaux précis. [13]

Étalonnage et mesure [ modifier ]]

La vitesse du doppler laser est utilisée dans l’analyse de la vibration des dispositifs MEMS, souvent pour comparer les performances de dispositifs tels que les accéléromètres sur puce avec leurs modes de vibration théoriques (calculés). Comme exemple spécifique dans lequel les caractéristiques uniques de la vélocimétrie laser Doppler sont importantes, la mesure de la vitesse d’un dispositif d’équilibre MEMS Watt [14] a permis une plus grande précision dans la mesure des petites forces que possible, en mesurant directement le rapport de cette vitesse à la vitesse de la lumière. Il s’agit d’une mesure fondamentale et traçable qui permet désormais la traçabilité des petites forces au système S.I.

Voir également [ modifier ]]

Les références [ modifier ]]

  1. ^ White, A. D. et J. D. Rigden, “Fonctionnement de maser de gaz continu dans le visible”. Procure , vol. 50, p. 1697: juillet 1962, p. 1697. Brevet américain 3 242 439 .
  2. ^ Yeh, Y.; Cummins, H. Z. (1964). “Mesures localisées du débit de fluide avec un spectromètre laser He-Ne”. Lettres de physique appliquée . 4 (10): 176. Bibcode: 1964Apphl … 4..176Y . est ce que je: 10.1063 / 1,1753925 .
  3. ^ Contremaître, J. W.; George, E. W.; Lewis, R. D. (1965). “Mesure des vitesses d’écoulement localisées dans les gaz avec un débitmètre doppler laser”. Lettres de physique appliquée . 7 (4): 77. Bibcode: 1965Apphl … 7 … 77f . est ce que je: 10.1063 / 1,1754319 .
  4. ^ Watson, R. C., Jr., Lewis, R. D. et Watson, H. J. (1969). “Instruments pour la mesure de mouvement à l’aide de techniques de hétéroding doppler laser”. Isa trans . 8 (1): 20–28. {{cite journal}} : CS1 Maint: plusieurs noms: liste des auteurs (lien)
  5. ^ Drain, L. E. (1980) La technique du doppler laser , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-27627-8
  6. ^ Durst, f; Melling, A. et Whitelaw, J. H. (1976) Principes et pratique de l’anémométrie laser doppler , Academic Press, Londres, ISBN 0-12-225250-0
  7. ^ Portoles, Jose F.; Cumpson, Peter J.; Allen, Stephanie; Williams, Phillip M.; Tendler, Saul J. B. (2006). “Mesures de vitesse précises des vibrations AFM-Cantilever par interférométrie Doppler”. Journal of Experimental Nanoscience . d’abord (1): 51–62. Bibcode: 2006jenan … 1 … 51p . est ce que je: 10.1080 / 1745808050041999 . S2cid 136618366 .
  8. ^ Dantec dynamics, «Anemométrie laser doppler» .
  9. ^ Moir, Christopher I (2009). ” Systèmes de vélocimétrie laser au laser miniature “Dans Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (éd.). Capteurs optiques 2009 . Capteurs optiques 2009. Vol. 7356. pp. 73560i. est ce que je: 10.1117 / 12.819324 . S2cid 123294042 .
  10. ^ Stern, Michael D. (1985). “Velocimétrie du doppler laser dans le sang et multiplier les fluides de diffusion: théorie”. Optique appliquée . 24 (13): 1968. Bibcode: 1985APOPT..24.1968S . est ce que je: 10.1364 / ao.24.001968 . PMID 18223825 .
  11. ^ Goode, RL; Balle, g; Nishihara, s; Nakamura, K (1996). “Vibromètre Laser Doppler (LDV) – un nouvel outil clinique pour l’otologue”. L’American Journal of Otology . 17 (6): 813–22. PMID 8915406 .
  12. ^ “Alhat détecte les risques d’atterrissage à la surface” . Actualités de recherche, Langley Research Center . NASA . Récupéré 8 février, deux mille treize .
  13. ^ “AGM-129 Advanced Cruise Missile [ACM]” . GlobalSecurity.org . 2011-07-24 . Récupéré 2015-01-30 .
  14. ^ Cumpson, Peter J.; Hedley, John (2003). “Mesures analytiques précises dans le microscope à force atomique: une norme constante à ressort microfabriquée potentiellement tratiable au Si”. Nanotechnologie . 14 (12): 1279–1288. Bibcode: 2003nanot..14.1279c . est ce que je: 10.1088 / 0957-4484 / 12/12/009 . PMID 21444981 . S2cid 2500055 .

Liens externes [ modifier ]]

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