Лазерний доплерівський анемометр

Цель лекции - ознакомление студентов с основными принципами лазерной доплеровской анемометрии.

Лазерная доплеровская анемометрия (от греческого "anemos" – ветер, движение) - метод бесконтактного измерения скорости движения газообразных, жидких и твёрдых сред, содержащих светорассеивающие неоднородности. Этот метод в настоящее время широко используется в научных исследованиях и технических приложениях. Лазерные доплеровские анемометры (ЛДА) позволяют решать большой круг задач: от исследования медленных направленных движенний в капиллярах и живых клеткак до дистанционных измерений турбулентной скорости потоков газа в сверхзвуковых трубах и скорости ветра в атмосфере. Величины измеряемых скоростей лежат в диапазоне от нескольких мкм/с до нескольких км/с.

Оптическая схема лазерного Доплеровского анемометра

В лазерной анемометрии для измерения скорости газового потока используется эффект Доплера – изменение частоты излучения, рассеяного оптическими неоднородностями, движущимися вместе с потоком. Движущиеся вместе с газовым потоком частицы рассматриваются как приемники световых волн от неподвижного источника и одновременно как передатчики-ретрансляторы оптического излучения к неподвижному наблюдателю. Частота рассеянного излучения в точке наблюдения равна:

(1)

где ν – частота излучения источника; с – скорость света; u – проекция скорости частицы в направлении на точку наблюдения. Следовательно, Доплеровская частота равна

(2)

учитывая, что |u| << c.

Прямому использованию этого соотношения для измерения скорости газового потока препятствует медленный отклик существующих фотоприемников для световых частот. Поэтому на практике применяется наложение двух рассеяных световых волн, в результате чего на фотоприемнике регистрируется сигнал с частотой, равной разности частот двух рассеянных волн:

(3)

при |u|<<c.

Итак, Доплеровская частота сигнала на выходе фотоприемника зависит от длины волны лазерного излучения, скорости частиц и геометрии оптической системы. Эта формула представляет собой основное уравнение лазерной Доплеровской анемометрии и в принципе является очень точной (ее погрешность составляет менее 10^-5 %), так как ее параметры не зависят от свойств среды (температуры, давления и т.п.) и не требуют градуировки с помощью эталона –достаточно их точно рассчитать. Поэтому суммарная погрешность определения скорости газового потока определяется погрешностью измерения Доплеровской частоты.

Принцип действия лазерного Доплеровского анемометра состоит в том, что в исследуемой точке газового потока направляются два лазерных сфокусированных пучка излучения и в области их пересечения формируется интерференция. Область интерференции образует объем, в котором происходит измерение, в котором частицы рассеивают излучение, которое попадает на фотоприемник. Размер измеряемого объема определяется диаметром перетяжки лазерных пучков, углом их пересечения 2θ и является важным параметром анемометра. В общем случае оптическая схема лазерного анемометра (Рис.1) состоит из лазерного источника света, устройства для расщепления пучка на два зондирующих пучка, узла фокусировки этих пучков, узла для перемещения этих пучков в нужном направлении и устройства для сбора рассеянного в измеряемом объеме излучения в фотоприемник.

Рис.1. Оптическая схема лазерного анемометра.

В измеряемом объеме, образованном наложением двух одинаково поляризованных волн с одинаковыми радиусами перетяжки ω в плоскости xy, возникает интерференция с амплитудным распределением

I( =[A (4)

т. е. имеется низкочастотная подставка, на которой находятся составляющие переменного тока с гауссовой огибающей. Интерференционные полосы направлены вдоль биссектрисы угла пересечения пучков перпендикулярно плоскости падающих лучей. Интервал между интерференционными полосами δt определяется геометрией оптической схемы анемометра и длиной волны лазерного излучения и может быть рассчитана, с высокой точностью.

Рис. 2. Интерференционная модель ЛДА (И – индикатриса рассеяния, О – приемный объектив).