Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung – Wikipedia

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optische Methode zur Messung des Flüssigkeitsdurchflusses

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Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung, auch bekannt als Laser-Doppler-Anemometrie, ist die Technik, bei der die Dopplerverschiebung in einem Laserstrahl verwendet wird, um die Geschwindigkeit in transparenten oder halbtransparenten Fluidströmungen oder die lineare oder vibrierende Bewegung von opaken, reflektierenden Oberflächen zu messen. Die Messung mit Laser-Doppler-Anemometrie ist absolut und geschwindigkeitslinear und erfordert keine Vorkalibrierung.

Technologieherkunft[edit]

Mit der Entwicklung des Helium-Neon-Lasers (He-Ne) in den Bell Telephone Laboratories im Jahr 1962 stand der Optik-Community eine Quelle elektromagnetischer Dauerstrichstrahlung mit einer Wellenlänge von 632,8 Nanometern (nm) hochkonzentriert im roten Bereich zur Verfügung des sichtbaren Spektrums.[1] Es wurde bald gezeigt, dass Fluidflussmessungen aus dem Dopplereffekt an einem He-Ne-Strahl durchgeführt werden können, der von sehr kleinen Polystyrolkugeln gestreut wird, die in der Flüssigkeit mitgeführt werden.[2]

In den Research Laboratories der Brown Engineering Company (später Teledyne Brown Engineering) wurde dieses Phänomen bei der Entwicklung des ersten Laser-Doppler-Durchflussmessers mit heterodyner Signalverarbeitung genutzt.[3]

Das Instrument wurde bald Laser-Doppler-Velocimeter und die Technik Laser-Doppler-Velocimetrie genannt. Ein anderer Anwendungsname ist die Laser-Doppler-Anemometrie. Frühe Anwendungen der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung reichten von der Messung und Kartierung der Abgase von Raketentriebwerken mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s bis hin zur Bestimmung des Durchflusses in einer oberflächennahen Blutarterie. Für die Überwachung von Festkörperoberflächen wurde eine Vielzahl ähnlicher Instrumente entwickelt, deren Anwendungen von der Messung von Produktgeschwindigkeiten in Produktionslinien von Papier- und Stahlwerken bis hin zur Messung von Schwingungsfrequenz und -amplitude von Oberflächen reichen.[4]

Funktionsprinzipien[edit]

In ihrer einfachsten und am häufigsten verwendeten Form kreuzt die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung zwei Strahlen kollimierten, monochromatischen und kohärenten Laserlichts in der Strömung des zu messenden Fluids. Die beiden Strahlen werden normalerweise durch Aufteilen eines einzigen Strahls erhalten, wodurch die Kohärenz zwischen den beiden sichergestellt wird. Üblicherweise werden Laser mit Wellenlängen im sichtbaren Spektrum (390–750 nm) verwendet; dies sind typischerweise He-Ne, Argon-Ionen oder Laserdioden, die eine Beobachtung des Strahlengangs ermöglichen. Eine Sendeoptik fokussiert die Strahlen so, dass sie sich an ihren Taillen (dem Brennpunkt eines Laserstrahls) schneiden, wo sie interferieren und einen Satz gerader Streifen erzeugen. Wenn (entweder natürlich vorkommende oder induzierte) Partikel, die in der Flüssigkeit mitgeführt werden, die Streifen passieren, reflektieren sie Licht, das dann von einer Empfangsoptik gesammelt und auf einen Fotodetektor (typischerweise eine Lawinenfotodiode) fokussiert wird.

Das reflektierte Licht schwankt in der Intensität, deren Frequenz der Dopplerverschiebung zwischen einfallendem und gestreutem Licht entspricht und damit proportional zu der in der Ebene zweier Laserstrahlen liegenden Komponente der Teilchengeschwindigkeit ist. Wenn der Sensor so auf die Strömung ausgerichtet ist, dass die Streifen senkrecht zur Strömungsrichtung sind, ist das elektrische Signal des Photodetektors dann proportional zur vollen Partikelgeschwindigkeit. Durch Kombination von drei Geräten (zB He-Ne, Argon-Ionen und Laserdiode) mit unterschiedlichen Wellenlängen können alle drei Strömungsgeschwindigkeitskomponenten gleichzeitig gemessen werden.[5]

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Eine andere Form der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung, die insbesondere in frühen Geräteentwicklungen verwendet wird, verfolgt einen völlig anderen Ansatz, der einem Interferometer ähnelt. Der Sensor teilt auch den Laserstrahl in zwei Teile; einer (der Messstrahl) wird in die Strömung fokussiert und der zweite (der Referenzstrahl) geht außerhalb der Strömung vorbei. Eine Empfangsoptik stellt einen Weg bereit, der den Messstrahl schneidet und ein kleines Volumen bildet. Durch dieses Volumen hindurchtretende Partikel streuen das Licht des Messstrahls mit einer Dopplerverschiebung; ein Teil dieses Lichts wird von der Empfangsoptik gesammelt und zum Photodetektor übertragen. Der Referenzstrahl wird auch an den Photodetektor gesendet, wo die optische Überlagerungsdetektion ein elektrisches Signal proportional zur Dopplerverschiebung erzeugt, durch das die Teilchengeschwindigkeitskomponente senkrecht zur Ebene der Strahlen bestimmt werden kann.[6]

Das Signaldetektionsschema des Instruments verwendet das Prinzip der optischen Überlagerungsdetektion. Dieses Prinzip ähnelt anderen Laser-Doppler-basierten Instrumenten wie Laser-Doppler-Vibrometern oder Laser-Oberflächengeschwindigkeitsmessern. Es ist möglich, digitale Techniken auf das Signal anzuwenden, um die Geschwindigkeit als einen gemessenen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu erhalten, und daher ist die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung in gewisser Hinsicht eine besonders grundlegende Messung, die auf das SI-Messsystem zurückzuführen ist.[7]

Anwendungen[edit]

In den Jahrzehnten seit der Einführung der Laser-Doppler-Velocimetrie wurde eine Vielzahl von Laser-Doppler-Sensoren entwickelt und eingesetzt.

Strömungsforschung[edit]

Die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung wird oft anderen Formen der Durchflussmessung vorgezogen, da sich das Gerät außerhalb des gemessenen Durchflusses befinden kann und daher keinen Einfluss auf den Durchfluss hat. Einige typische Anwendungen umfassen die folgenden:

  • Windkanal-Geschwindigkeitsexperimente zum Testen der Aerodynamik von Flugzeugen, Raketen, Autos, Lastwagen, Zügen und Gebäuden und anderen Strukturen
  • Geschwindigkeitsmessungen in Wasserströmungen (Forschung in allgemeiner Hydrodynamik, Schiffsrumpfdesign, rotierende Maschinen, Rohrströmungen, Kanalströmungen usw.)
  • Kraftstoffeinspritz- und Sprayforschung, bei der Geschwindigkeiten in Motoren oder durch Düsen gemessen werden müssen
  • Umweltforschung (Verbrennungsforschung, Wellendynamik, Küsteningenieurwesen, Gezeitenmodellierung, Flusshydrologie etc.).[8]

Ein Nachteil war, dass Laser-Doppler-Geschwindigkeitssensoren entfernungsabhängig sind; sie müssen minutiös kalibriert und die Abstände, auf denen sie messen, genau definiert werden. Mit einem neuen bereichsunabhängigen Sensor wurde diese Distanzbeschränkung seit kurzem zumindest teilweise überwunden.[9]

Automatisierung[edit]

Die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung kann in der Automatisierung nützlich sein, zu der auch die obigen Flussbeispiele gehören. Es kann auch verwendet werden, um die Geschwindigkeit von festen Objekten wie Förderbändern zu messen. Dies kann in Situationen nützlich sein, in denen das Anbringen eines Drehgebers (oder eines anderen mechanischen Geschwindigkeitsmessers) am Förderband unmöglich oder unpraktisch ist.

Medizinische Anwendungen[edit]

Die Laser-Doppler-Velocimetrie wird in der Hämodynamikforschung als Technik verwendet, um den Blutfluss in menschlichem Gewebe wie der Haut oder dem Augenhintergrund teilweise zu quantifizieren. Im klinischen Umfeld wird die Technologie oft als Laser-Doppler-Flowmetrie bezeichnet; wenn Bilder gemacht werden, wird dies als Laser-Doppler-Bildgebung bezeichnet. Der Strahl eines Lasers geringer Leistung (normalerweise eine Laserdiode) dringt ausreichend in die Haut ein, um mit einer Dopplerverschiebung an den roten Blutkörperchen gestreut zu werden und zurück auf einen Detektor zu konzentrieren. Diese Messungen sind nützlich, um die Wirkung von Bewegung, medikamentösen Behandlungen, Umwelt- oder physikalischen Manipulationen auf gezielte Gefäßbereiche in Mikrogröße zu überwachen.[10]

Das Laser-Doppler-Vibrometer wird in der klinischen Otologie zur Messung von Trommelfell (Trommel), Hammer (Hammer) und Prothesenkopfverlagerung bei Schalleingaben von 80 bis 100 dB Schalldruckpegel eingesetzt. Es kann auch im Operationssaal verwendet werden, um Messungen von Prothesen- und Steigbügelverschiebungen durchzuführen.[11]

Navigation[edit]

Die Autonomous Landing Hazard Avoidance Technology, die im Mondlander Project Morpheus der NASA verwendet wird, um automatisch einen sicheren Landeplatz zu finden, enthält ein Lidar-Doppler-Geschwindigkeitsmesser, das die Höhe und Geschwindigkeit des Fahrzeugs misst.[12] Der Marschflugkörper AGM-129 ACM verwendet Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser für eine präzise Zielführung.[13]

Kalibrierung und Messung[edit]

Die Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung wird bei der Analyse von Schwingungen von MEMS-Bauelementen verwendet, um häufig die Leistung von Bauelementen wie Beschleunigungsmessern auf einem Chip mit ihren theoretischen (berechneten) Schwingungsmoden zu vergleichen. Als konkretes Beispiel, bei dem die einzigartigen Eigenschaften der Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung wichtig sind, ist die Geschwindigkeitsmessung eines MEMS-Wattwaagengeräts[14] hat eine größere Genauigkeit bei der Messung kleiner Kräfte als bisher möglich ermöglicht, indem das Verhältnis dieser Geschwindigkeit zur Lichtgeschwindigkeit direkt gemessen wurde. Dies ist eine grundlegende, rückführbare Messung, die nun die Rückführung kleiner Kräfte auf das SI-System ermöglicht.

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ White, AD, und JD Rigden, “Continuous Gas Maser Operation in the Visible”. Proc IRE, Bd. 50, s. 1697: Juli 1962, p. 1697. US-Patent 3,242,439.
  2. ^ Ja, Y.; Cummins, HZ (1964). „Lokalisierte Flüssigkeitsdurchflussmessungen mit einem He-Ne-Laserspektrometer“. Angewandte Physik Briefe. 4 (10): 176. Bibcode:1964ApPhL…4..176Y. mach:10.1063.1.1753925.
  3. ^ Vorarbeiter, JW; George, EW; Lewis, RD (1965). „Messung lokalisierter Strömungsgeschwindigkeiten in Gasen mit einem Laser-Doppler-Durchflussmesser“. Angewandte Physik Briefe. 7 (4): 77. Bibcode:1965ApPhL…7…77F. mach:10.1063.1.1754319.
  4. ^ Watson, RC, Jr., Lewis, RD und Watson, HJ (1969). „Instrumente zur Bewegungsmessung mit Laser-Doppler-Heterodyning-Techniken“. ISA Trans. 8 (1): 20–28.CS1-Wartung: mehrere Namen: Autorenliste (Link)
  5. ^ Abfluss, LE (1980) Die Laser-Doppler-Technik, John Wiley & Söhne, ISBN 0-471-27627-8
  6. ^ Durst, F; Melling, A. und Whitelaw, JH (1976) Grundlagen und Praxis der Laser-Doppler-Anemometrie, Akademische Presse, London, ISBN 0-12-225250-0
  7. ^ Portoles, Jose F.; Cumpson, Peter J.; Allen, Stephanie; Williams, Phillip M.; Tendler, Saul JB (2006). „Genaue Geschwindigkeitsmessungen von AFM-Cantilever-Schwingungen durch Doppler-Interferometrie“. Zeitschrift für experimentelle Nanowissenschaften. 1: 51–62. mach:10.1080/17458080500411999.
  8. ^ Dantec-Dynamik, „Laser-Doppler-Anemometrie“.
  9. ^ Moir, Christopher I. (2009). “Miniatur-Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesssysteme“. In Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (Hrsg.). Optische Sensoren 2009. Optische Sensoren 2009. 7356. S. 73560I. mach:10.1117/12.819324.
  10. ^ Stern, Michael D. (1985). „Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung in Blut und multiplizieren streuenden Flüssigkeiten: Theorie“. Angewandte Optik. 24 (13): 1968. Bibcode:1985ApOpt..24.1968S. mach:10.1364/AO.24.001968. PMID 18223825.
  11. ^ Goode, RL; Kugel, G; Nishihara, S; Nakamura, K. (1996). „Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) – ein neues klinisches Werkzeug für den Otologen“. Das American Journal of Otology. 17 (6): 813–22. PMID 8915406.
  12. ^ “ALHAT erkennt Landegefahren an der Oberfläche”. Forschungsnachrichten, Langley Research Center. NASA. Abgerufen 8. Februar 2013.
  13. ^ “AGM-129 Advanced Cruise Missile” [ACM]”. GlobalSecurity.org. 2011-07-24. Abgerufen 2015-01-30.
  14. ^ Cumpson, Peter J.; Hedley, John (2003). “Genaue analytische Messungen im Rasterkraftmikroskop: ein mikrofabrizierter Federkonstantenstandard, der möglicherweise auf das SI rückführbar ist”. Nanotechnologie. 14 (12): 1279-1288. mach:10.1088/0957-4484/14/12/009. PMID 21444981.

Externe Links[edit]

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