Кіріспе
Сұйық ағынын өлшеудің оптикалық әдісі. Лазерлік Доплерлік жылдамдық өлшегіш, сондай-ақ лазерлік Доплерлік анемометрия деп те аталады, – бұл лазерлік сәуледегі Доплер эффектісін пайдаланып, мөлдір немесе жартылай мөлдір сұйық ағынының жылдамдығын немесе жарық өткізбейтін, жарық шағылысатын беттердің сызықтық немесе дірілдемелі қозғалысын өлшеу техникасы. Лазерлік Доплерлік анемометриямен өлшеу абсолютті және жылдамдыққа пропорционалды, алдын ала калибрлеуді қажет етпейді.
Laser Doppler velocimetry, also known as laser Doppler anemometry, is the technique of using the Doppler shift in a laser beam to measure the velocity in transparent or semi transparent fluid flows or the linear or vibratory motion of opaque, reflecting surfaces. The measurement with laser Doppler anemometry is absolute and linear with velocity and requires no pre calibration.
Технологияның шығу тегі
1962 жылы Белл телефон зертханаларында гелий-неон лазерінің (He Ne) жасалуы оптика қауымдастығын көзге көрінетін спектрдің қызыл бөлігінде 632,8 нанометр (нм) толқын ұзындығында жоғары концентрацияланған, үздіксіз толқынды электромагниттік сәулелену көзімен қамтамасыз етті. Сұйықтықтағы шағын полистирол шарларынан шашыраған He Ne сәулесіне Доплер эффектісін қолдану арқылы сұйықтық ағынын өлшеуге болатыны анықталды. Браун Инженерлік Компаниясының ғылыми-зерттеу зертханаларында (кейін Теледийн Браун Инженерлік) осы құбылыс гетеродиндік сигналды өңдеуді пайдалана отырып, алғашқы лазерлік Доплер ағын өлшегішін жасауға қолданылды. Бұл құрал лазерлік Доплер жылдамдық өлшегіші деп аталды, ал техника лазерлік Доплер жылдамдық өлшеуі деп аталды. Оны лазерлік Доплер анемометриясы деп те атайды. Лазерлік Доплер жылдамдық өлшеуінің алғашқы қолданыстары 1000 м/с жылдамдықпен зымыран қозғалтқыштарынан шығатын газдарды өлшеу және картаға түсіру, сондай-ақ беткі қан тамырындағы ағынды анықтауды қамтыды. Осыған ұқсас құралдар қатты беттерді бақылау үшін де жасалды, олардың қолданылу аясы қағаз және болат заводтарының өндіріс желілеріндегі өнімнің жылдамдығын өлшеуден бастап, беттердің тербеліс жиілігі мен амплитудасын өлшеуге дейін жетеді.
Жұмыс істеу қағидалары
Ең қарапайым және қазіргі кездегі ең көп қолданылатын түрінде лазерлік Допплер жылдамдық өлшеуіш өлшенетін сұйықтық ағынында екі параллель, монохроматикалық және когерентті лазерлік сәулені қиыстырады. Екі сәуле әдетте бір сәулені бөлу арқылы алынады, осылайша олардың арасындағы когеренттілік сақталады. Көрінетін спектрдегі толқын ұзындығы бар лазерлер (390–750 нм) жиі қолданылады; олар әдетте He Ne, аргон ионы немесе лазерлік диод болып табылады, бұл сәуле жолын бақылауға мүмкіндік береді. Сәуле шығару оптикалық жүйесі сәулелерді олардың белдерінде (лазерлік сәуленің фокустық нүктесі) қиылысу үшін шоғырландырады, онда олар интерференцияға түсіп, тік сызықты жиектер жиынтығын жасайды. Сұйықтықтағы бөлшектер (табиғи немесе жасанды түрде енгізілген) жиектер арқылы өтетін кезде, олар жарықты шашыратады, содан кейін қабылдаушы оптика жинап, фотодетекторға (әдетте қар көшкіні фотодиодына) шоғырландырады. Шашыраған жарықтың қарқындылығы өзгереді, оның жиілігі кіріс және шашыраған жарық арасындағы Допплер жылдамдық ауытқуына тең, демек, екі лазерлік сәуле жазықтығындағы бөлшектің жылдамдығының компонентіне пропорционалды. Егер сенсор ағынға перпендикуляр етіп орналасса, онда фотодетектордан алынатын электр сигналы бөлшектің толық жылдамдығына пропорционалды болады. Әртүрлі толқын ұзындығы бар үш құрылғыны (мысалы, He Ne, аргон ионы және лазерлік диодты) біріктіру арқылы ағын жылдамдығының барлық үш компонентін бір мезгілде өлшеуге болады. Лазерлік Допплер жылдамдық өлшеуіштің тағы бір түрі, әсіресе құрылғылардың бастапқы даму кезеңінде қолданылды, ол интерферометрге ұқсас мүлдем басқа тәсілге негізделген. Бұл сенсор да лазерлік сәулені екіге бөледі; біреуі (өлшеу сәулесі) ағынға бағытталады, ал екіншісі (эталондық сәулесі) ағыннан тысқары өтеді. Қабылдаушы оптика өлшеу сәулесімен қиылысатын жолды қамтамасыз етеді, осылайша кішкентай көлем пайда болады. Осы көлем арқылы өтетін бөлшектер өлшеу сәулесінен Допплер жылдамдық ауытқуымен жарықты шашыратады; осы жарықтың бір бөлігі қабылдаушы оптикамен жиналады және фотодетекторға беріледі. Эталондық сәуле де фотодетекторға жіберіледі, онда оптикалық гетеродиндік детекция Допплер жылдамдық ауытқуына пропорционалды электр сигналын тудырады, осы арқылы сәулелер жазықтығына перпендикуляр бөлшектің жылдамдық компонентін анықтауға болады. Аспаптың сигналды анықтау схемасы оптикалық гетеродиндік детекция принципін қолданады. Бұл принцип басқа лазерлік Допплерге негізделген құралдарға ұқсас, мысалы лазерлік Допплер виброметріне немесе лазерлік беттік жылдамдық өлшегішке. Сигналға цифрлық әдістерді қолдану арқылы жылдамдықты жарық жылдамдығының өлшенген үлесі ретінде алуға болады, сондықтан бір жағынан лазерлік Допплер жылдамдық өлшеуіш – бұл SI өлшеу жүйесіне тікелей байланысты аса негізгі өлшеу болып табылады.
Қолданбалар
Лазерлік Доплерлік жылдамдық өлшегіш алғаш пайда болғаннан бергі ондаған жылдар ішінде түрлі лазерлік Доплерлік сенсорлар жасалып, қолданысқа енгізілді.
Автоматтандыру
Лазерлік Допплерлік жылдамдық өлшеуіш автоматтандыруда пайдалы, оған жоғарыда келтірілген ағын мысалдары жатады. Ол қатты денелердің, мысалы конвейерлік ленталардың жылдамдығын өлшеуге де қолданылуы мүмкін. Конвейерлік лентаға ротациялық энкодерді (немесе басқа механикалық жылдамдық өлшеу құралын) орнату мүмкін болмаған немесе ыңғайсыз жағдайларда мұндай өлшем пайдалы болады.
Медициналық қолдану
Лазерлік Допплерлік жылдамдық өлшеуіш әдісі гемодинамика зерттеулерінде тері немесе көздің түпкі қуысы сияқты адам тіндеріндегі қан ағынын ішінара анықтау техникасы ретінде қолданылады. Клиникалық жағдайда бұл технология көбінесе лазерлік Допплерлік ағын өлшегіш деп аталады; егер суреттер түсірілсе, лазерлік Допплерлік бейнелеу деп аталады. Төмен қуатты лазердің (әдетте лазерлік диодтың) сәулесі теріге жеткілікті мөлшерде еніп, қызыл қан жасушаларынан Допплерлік эффектісімен шашырайды және детекторға қайтып шоғырланады. Бұл өлшемдер физикалық жаттығудың, дәрі-дәрмектердің, қоршаған ортаның немесе физикалық әсерлердің шағын тамырлы аймақтарға тигізетін әсерін бақылауға көмектеседі. Лазерлік Допплерлік виброметр клиникалық отологияда 80-100 дБ дыбыс қысымы деңгейіндегі дыбыс әсеріне жауап ретінде барабаншалық мембрананың (құлақ барабанының), маллеус (шекештің) және протез басының орын ауыстыруын өлшеу үшін қолданылады. Сонымен қатар, бұл құрал операциялық бөлмеде протездер мен стapes (қайырма) орын ауыстыруын өлшеу үшін де қолданылуы мүмкін.
Навигация
NASA-ның Project Morpheus айлық қондырғысындағы қауіпсіз қону орнын автоматты түрде табуға арналған Автономды қону қаупін болдырмау технологиясында көліктің биіктігі мен жылдамдығын өлшейтін лидарлық Доплер жылдамдық өлшегіші қолданылады. AGM 129 ACM крейсерлік зымыраны нақты соңғы бағыттау үшін лазерлік Доплер жылдамдық өлшегішін пайдаланады.
Калибрлеу және өлшеу
Лазерлік Допплер жылдамдық өлшеуіші MEMS құрылғыларының дірілдеуін талдау үшін қолданылады, көбінесе чиптегі акселерометрлер сияқты құрылғылардың өнімділігін олардың теориялық (есептелген) дірілдеу режимдерімен салыстыру мақсатында. Лазерлік Допплер жылдамдық өлшеуінің ерекше мүмкіндіктері маңызды болатын нақты мысал ретінде, MEMS ватт теңгерімінің жылдамдығын өлшеу, осы жылдамдықтың жарық жылдамдығына қатынасын тікелей өлшеу арқылы бұрынғыдан гөрі кіші күштерді өлшеуде жоғары дәлдікке қол жеткізуге мүмкіндік берді. Бұл – кіші күштерді S.I. жүйесіне тікелей байланыстыруға мүмкіндік беретін фундаментальды, растамаланған өлшеу.