Лазерная допплеровская велосиметрия

Лазерная доплеровская велосиметрия , также известная как лазерная доплеровская анемометрия , представляет собой метод использования доплеровского сдвига лазерного луча для измерения скорости в потоках прозрачных или полупрозрачных жидкостей или линейного или вибрационного движения непрозрачных отражающих поверхностей. Измерения с помощью лазерной доплеровской анемометрии являются абсолютными и линейными в зависимости от скорости и не требуют предварительной калибровки.

Происхождение технологии

Разработка гелий-неонового лазера (He-Ne) в 1962 году в Bell Telephone Laboratories предоставила оптическому сообществу непрерывного действия источник электромагнитного излучения , который был высококонцентрирован на длине волны 632,8 нанометров (нм) в красной части спектра. видимый спектр . ^[1] Было обнаружено, что измерения расхода жидкости можно проводить с использованием эффекта Доплера на пучке He-Ne, рассеянном небольшими сферами полистирола в жидкости. ^[2]

В исследовательских лабораториях компании Brown Engineering (позже Teledyne Brown Engineering) это явление было использовано при разработке первого лазерного доплеровского расходомера с использованием гетеродинной обработки сигналов. ^[3] Этот прибор стал известен как лазерный доплеровский велосиметр, а метод получил название лазерной доплеровской велосиметрии. Его также называют лазерной допплеровской анемометрией.

Ранние применения лазерной доплеровской скорости включали измерение и картографирование выхлопных газов ракетных двигателей со скоростями до 1000 м/с, а также определение потока в приповерхностной кровеносной артерии. Подобные инструменты были также разработаны для мониторинга твердых поверхностей, их применение варьируется от измерения скорости продукции на производственных линиях бумажных и сталелитейных фабрик до измерения частоты и амплитуды вибрации поверхностей. ^[4]

Принципы работы

В своей простейшей и наиболее используемой в настоящее время форме лазерная доплеровская скорость измеряется путем пересечения двух лучей коллимированного , монохроматического и когерентного лазерного света в потоке измеряемой жидкости. Два луча обычно получаются путем разделения одного луча, что обеспечивает когерентность между ними. Обычно используются лазеры с длинами волн видимого спектра (390–750 нм); Обычно это He-Ne, ион аргона или лазерный диод , позволяющий наблюдать за траекторией луча. Система передающей оптики фокусирует лучи так, чтобы они пересекались в перетяжках (фокусной точке лазерного луча), где они интерферируют и генерируют набор прямых полос. Когда частицы (естественные или индуцированные), вовлеченные в жидкость, проходят через полосы, они рассеивают свет, который затем собирается принимающей оптикой и фокусируется на фотодетекторе (обычно лавинном фотодиоде ).

Интенсивность рассеянного света колеблется, частота которого эквивалентна доплеровскому сдвигу между падающим и рассеянным светом и, таким образом, пропорциональна компоненте скорости частицы, лежащей в плоскости двух лазерных лучей. Если датчик ориентирован по потоку так, что полосы перпендикулярны направлению потока, электрический сигнал фотодетектора будет пропорционален полной скорости частицы. Комбинируя три устройства (например, He-Ne, ионно-аргоновый и лазерный диод) с разными длинами волн, можно одновременно измерить все три компонента скорости потока. ^[5]

Другая форма лазерной доплеровской скорости, особенно используемая в ранних разработках устройств, 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) проходит вне потока. Приемная оптика обеспечивает путь, пересекающий измерительный луч, образующий небольшой объем. Частицы, проходящие через этот объем, будут рассеивать свет измерительного луча с доплеровским сдвигом; часть этого света собирается приемной оптикой и передается фотодетектору. Опорный луч также направляется на фотодетектор, где оптический гетеродинный детектор генерирует электрический сигнал, пропорциональный доплеровскому сдвигу, с помощью которого можно определить компонент скорости частицы, перпендикулярный плоскости лучей. ^[6]

Схема обнаружения сигнала прибора использует принцип оптического гетеродинного обнаружения. Этот принцип аналогичен другим лазерным доплеровским приборам, таким как лазерный доплеровский виброметр или лазерный поверхностный велосиметр . К сигналу можно применить цифровые методы, чтобы получить скорость как измеренную долю скорости света , и поэтому в каком-то смысле лазерная доплеровская велосиметрия является особенно фундаментальным измерением, прослеживаемым в системе измерения СИ. ^[7]

Приложения

За десятилетия, прошедшие с момента первого внедрения лазерной доплеровской скорости, было разработано и применено большое количество лазерных доплеровских датчиков.

Исследование потока

Лазерную доплеровскую скорость часто предпочитают другим формам измерения расхода , поскольку оборудование может находиться за пределами измеряемого потока и, следовательно, не влиять на поток. Некоторые типичные приложения включают следующее:

Эксперименты по скорости в аэродинамической трубе для проверки аэродинамики самолетов, ракет, автомобилей, грузовиков, поездов, зданий и других конструкций.
Измерения скорости в потоках воды (исследования в области общей гидродинамики, конструкции корпусов судов, вращающихся механизмов, течения в трубах, руслах и т. д.)
Исследование впрыска и распыления топлива, где необходимо измерить скорость внутри двигателей или через форсунки.
Экологические исследования (исследования горения, волновая динамика, береговая инженерия , приливное моделирование, гидрология рек и т. д.). ^[8]

Одним из недостатков было то, что лазерные доплеровские датчики скорости зависят от диапазона; их необходимо ежеминутно калибровать, а расстояния, на которых они измеряют, должны быть точно определены. Это ограничение расстояния недавно было хотя бы частично преодолено с помощью нового датчика, независимого от дальности действия. ^[9]

Автоматизация

Лазерная допплеровская велосиметрия может быть полезна в автоматизации, включая приведенные выше примеры потоков. Его также можно использовать для измерения скорости твердых объектов, таких как конвейерные ленты . Это может быть полезно в ситуациях, когда прикрепление поворотного энкодера (или другого механического устройства измерения скорости) к конвейерной ленте невозможно или непрактично.

Медицинские приложения

Лазерная допплеровская велоциметрия используется в исследованиях гемодинамики как метод частичной количественной оценки кровотока в тканях человека, таких как кожа или глазное дно. В клинической практике эту технологию часто называют лазерной допплеровской флоуметрией; Когда создаются изображения, это называется лазерной допплеровской визуализацией . Луч маломощного лазера (обычно лазерного диода ) проникает в кожу настолько, что рассеивается с доплеровским сдвигом эритроцитами и возвращается, концентрируясь на детекторе. области микроразмера Эти измерения полезны для мониторинга влияния физических упражнений, медикаментозного лечения, окружающей среды или физических манипуляций на целевые сосудистые . ^[10]

Лазерный допплеровский виброметр применяется в клинической отологии для измерения смещения барабанной перепонки (барабанной перепонки), молоточка (молоточка) и головки протеза 80–100 дБ в ответ на звуковые воздействия уровнем звукового давления . Его также можно использовать в операционной для измерения смещения протеза и стремени . ^[11]

Технология автономного предотвращения опасностей при посадке, НАСА используемая в лунном посадочном модуле проекта «Морфеус» для автоматического поиска безопасного места приземления, содержит лидарный доплеровский велосиметр, который измеряет высоту и скорость корабля. ^[12] AGM -129 ACM Крылатая ракета использует лазерный доплеровский велосиметр для точного наведения на цель. ^[13]

Калибровка и измерение

Лазерная доплеровская велосиметрия используется при анализе 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, можно привести измерение скорости МЭМС- ваттного баланса . устройством ^[14] позволил повысить точность измерения малых сил, чем это было возможно ранее, за счет прямого измерения отношения этой скорости к скорости света. Это фундаментальное, отслеживаемое измерение, которое теперь позволяет отслеживать малые силы в системе SI.

См. также

Ссылки

^ Уайт, А.Д. и Дж.Д. Ригден, «Непрерывная работа газового мазера в видимой области». Учебник ИРЭ , вып. 50, с. 1697: июль 1962 г., с. 1697. Патент США 3242439 .
^ Ага, Ю.; Камминс, Гц (1964). «Локальные измерения расхода жидкости с помощью гелий-неонового лазерного спектрометра». Письма по прикладной физике . 4 (10): 176. Бибкод : 1964АпФЛ...4..176Y . дои : 10.1063/1.1753925 .
^ Форман, Дж.В.; Джордж, EW; Льюис, Р.Д. (1965). «Измерение локализованных скоростей потока в газах с помощью лазерного доплеровского расходомера». Письма по прикладной физике . 7 (4): 77. Бибкод : 1965ApPhL...7...77F . дои : 10.1063/1.1754319 .
^ Уотсон, Р.К. младший, Льюис, Р.Д. и Уотсон, Х.Дж. (1969). «Приборы для измерения движения с использованием методов лазерного доплеровского гетеродинирования». ИСА Транс . 8 (1): 20–28. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Drain, LE (1980) Техника лазерного допплера , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-27627-8
^ Дерст, Ф; Меллинг А. и Уайтлоу Дж. Х. (1976) Принципы и практика лазерной допплеровской анемометрии , Academic Press, Лондон, ISBN 0-12-225250-0
^ Портолес, Хосе Ф.; Кампсон, Питер Дж.; Аллен, Стефани; Уильямс, Филип М.; Тендлер, Сол Дж. Б. (2006). «Точные измерения скорости колебаний кантилевера АСМ методом доплеровской интерферометрии». Журнал экспериментальной нанонауки . 1 (1): 51–62. Бибкод : 2006JENan...1...51P . дои : 10.1080/17458080500411999 . S2CID 136618366 .
^ Dantec Dynamics, «Лазерная допплеровская анемометрия» .
^ Мойр, Кристофер I (2009). «<title>Миниатюрные лазерные доплеровские системы измерения скорости</title>». В Бальдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009 . Оптические датчики 2009. Том. 7356. С. 73560И. дои : 10.1117/12.819324 . S2CID 123294042 .
^ Стерн, Майкл Д. (1985). «Лазерная допплеровская велосиметрия в крови и многократно рассеивающих жидкостях: теория». Прикладная оптика . 24 (13): 1968. Бибкод : 1985ApOpt..24.1968S . дои : 10.1364/AO.24.001968 . ПМИД 18223825 .
^ Гуд, РЛ; Болл, Г; Нишихара, С; Накамура, К. (1996). «Лазерный допплеровский виброметр (ЛДВ) — новый клинический инструмент для отолога». Американский журнал отологии . 17 (6): 813–22. ПМИД 8915406 .
^ «ALHAT обнаруживает опасности приземления на поверхность» . Новости исследований, Исследовательский центр Лэнгли . НАСА . Проверено 8 февраля 2013 г.
^ «Усовершенствованная крылатая ракета AGM-129 [ACM]» . GlobalSecurity.org . 24 июля 2011 г. Проверено 30 января 2015 г.
^ Кампсон, Питер Дж.; Хедли, Джон (2003). «Точные аналитические измерения в атомно-силовом микроскопе: микрофабрикат стандарта жесткости пружины, потенциально прослеживаемый до SI». Нанотехнологии . 14 (12): 1279–1288. Бибкод : 2003Nanot..14.1279C . дои : 10.1088/0957-4484/14/12/009 . ПМИД 21444981 . S2CID 2500055 .

Внешние ссылки

[1] Уайт, А.Д. и Дж.Д. Ригден, «Непрерывная работа газового мазера в видимой области». Учебник ИРЭ , вып. 50, с. 1697: июль 1962 г., с. 1697. Патент США 3242439 .

[2] Ага, Ю.; Камминс, Гц (1964). «Локальные измерения расхода жидкости с помощью гелий-неонового лазерного спектрометра». Письма по прикладной физике . 4 (10): 176. Бибкод : 1964АпФЛ...4..176Y . дои : 10.1063/1.1753925 .

[3] Форман, Дж.В.; Джордж, EW; Льюис, Р.Д. (1965). «Измерение локализованных скоростей потока в газах с помощью лазерного доплеровского расходомера». Письма по прикладной физике . 7 (4): 77. Бибкод : 1965ApPhL...7...77F . дои : 10.1063/1.1754319 .

[4] Уотсон, Р.К. младший, Льюис, Р.Д. и Уотсон, Х.Дж. (1969). «Приборы для измерения движения с использованием методов лазерного доплеровского гетеродинирования». ИСА Транс . 8 (1): 20–28. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[5] Drain, LE (1980) Техника лазерного допплера , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-27627-8

[6] Дерст, Ф; Меллинг А. и Уайтлоу Дж. Х. (1976) Принципы и практика лазерной допплеровской анемометрии , Academic Press, Лондон, ISBN 0-12-225250-0

[7] Портолес, Хосе Ф.; Кампсон, Питер Дж.; Аллен, Стефани; Уильямс, Филип М.; Тендлер, Сол Дж. Б. (2006). «Точные измерения скорости колебаний кантилевера АСМ методом доплеровской интерферометрии». Журнал экспериментальной нанонауки . 1 (1): 51–62. Бибкод : 2006JENan...1...51P . дои : 10.1080/17458080500411999 . S2CID 136618366 .

[8] Dantec Dynamics, «Лазерная допплеровская анемометрия» .

[9] Мойр, Кристофер I (2009). «<title>Миниатюрные лазерные доплеровские системы измерения скорости</title>». В Бальдини, Франческо; Хомола, Иржи; Либерман, Роберт А. (ред.). Оптические датчики 2009 . Оптические датчики 2009. Том. 7356. С. 73560И. дои : 10.1117/12.819324 . S2CID 123294042 .

[10] Стерн, Майкл Д. (1985). «Лазерная допплеровская велосиметрия в крови и многократно рассеивающих жидкостях: теория». Прикладная оптика . 24 (13): 1968. Бибкод : 1985ApOpt..24.1968S . дои : 10.1364/AO.24.001968 . ПМИД 18223825 .

[11] Гуд, РЛ; Болл, Г; Нишихара, С; Накамура, К. (1996). «Лазерный допплеровский виброметр (ЛДВ) — новый клинический инструмент для отолога». Американский журнал отологии . 17 (6): 813–22. ПМИД 8915406 .

[12] «ALHAT обнаруживает опасности приземления на поверхность» . Новости исследований, Исследовательский центр Лэнгли . НАСА . Проверено 8 февраля 2013 г.

[13] «Усовершенствованная крылатая ракета AGM-129 [ACM]» . GlobalSecurity.org . 24 июля 2011 г. Проверено 30 января 2015 г.

[14] Кампсон, Питер Дж.; Хедли, Джон (2003). «Точные аналитические измерения в атомно-силовом микроскопе: микрофабрикат стандарта жесткости пружины, потенциально прослеживаемый до SI». Нанотехнологии . 14 (12): 1279–1288. Бибкод : 2003Nanot..14.1279C . дои : 10.1088/0957-4484/14/12/009 . ПМИД 21444981 . S2CID 2500055 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]