Лазерная доплеровская велосиметрия: метод измерения расхода жидкости

Введение

Оптический метод измерения расхода жидкости. Лазерная допплеровская ве́лосиметрия, также известная как лазерная допплеровская анемометрия, — это техника, использующая эффект Доплера в лазерном луче для измерения скорости в прозрачных или полупрозрачных потоках жидкости, либо линейного или колебательного движения непрозрачных, отражающих поверхностей. Измерение с помощью лазерной допплеровской анемометрии является абсолютным и линейно зависит от скорости, и не требует предварительной калибровки.

Технологическое происхождение

Разработка гелиево-неонового лазера (He Ne) в 1962 году в Bell Telephone Laboratories предоставила оптическому сообществу источник непрерывного электромагнитного излучения, сильно концентрированного на длине волны 632,8 нанометра (нм) в красной области видимого спектра. Было установлено, что измерения расхода жидкости можно проводить, используя эффект Доплера на луче He Ne, рассеянном мелкими полистирольными сферами в жидкости. В исследовательских лабораториях компании Brown Engineering Company (позже Teledyne Brown Engineering) это явление было использовано для создания первого лазерного доплеровского расходомера с применением гетеродинной обработки сигнала. Этот прибор стал известен как лазерный доплеровский векториметр, а метод получил название лазерной доплеровской велосиметрии. Его также называют лазерной доплеровской анемометрией. Первые применения лазерной доплеровской велосиметрии включали измерение и картирование выхлопных газов ракетных двигателей со скоростями до 1000 м/с, а также определение расхода крови в артерии, расположенной близко к поверхности. Подобные приборы также были разработаны для контроля твердых поверхностей, находя применение в задачах от измерения скорости продукции на производственных линиях бумажных и сталелитейных комбинатов до измерения частоты и амплитуды колебаний поверхностей.

Принципы работы

В своей простейшей и наиболее часто используемой форме лазерная допплеровская велосиметрия пересекает два пучка коллимированного, монохроматического и когерентного лазерного света в потоке измеряемой жидкости. Два луча обычно получают путем разделения единого луча, что обеспечивает их когерентность. Обычно используются лазеры с длинами волн в видимом спектре (390–750 нм); как правило, это He-Ne, аргон-ионные или лазерные диоды, позволяющие наблюдать траекторию луча. Система передающей оптики фокусирует лучи для пересечения в их талии (фокальная точка лазерного луча), где они интерферируют и создают набор прямых интерференционных полос. Когда частицы (естественного происхождения или введенные в поток) проходят через эти полосы, они рассеивают свет, который затем собирается приемной оптикой и фокусируется на фотодетекторе (обычно лавинный фотодиод). Интенсивность рассеянного света изменяется, частота этих изменений эквивалентна доплеровскому сдвигу между падающим и рассеянным светом и, следовательно, пропорциональна компоненте скорости частицы, лежащей в плоскости двух лазерных лучей. Если датчик ориентирован относительно потока таким образом, что интерференционные полосы перпендикулярны направлению потока, то электрический сигнал от фотодетектора будет пропорционален полной скорости частицы. Комбинируя три устройства (например, He-Ne, аргон-ионный лазер и лазерный диод) с различными длинами волн, можно одновременно измерить все три компоненты скорости потока. Другая форма лазерной допплеровской велосиметрии, особенно использовавшаяся на ранних этапах разработки устройств, основана на ином принципе, схожем с принципом работы интерферометра. Датчик также разделяет лазерный луч на две части: одна (измерительный луч) фокусируется в поток, а вторая (опорный луч) проходит вне потока. Приемная оптика обеспечивает пересечение измерительного луча, формируя небольшой объем. Частицы, проходящие через этот объем, рассеивают свет измерительного луча с доплеровским сдвигом; часть этого света собирается приемной оптикой и передается на фотодетектор. Опорный луч также направляется на фотодетектор, где оптическое гетеродинное детектирование создает электрический сигнал, пропорциональный доплеровскому сдвигу, что позволяет определить компоненту скорости частицы, перпендикулярную плоскости лучей. Схема детектирования сигнала прибора использует принцип оптического гетеродинного детектирования. Этот принцип аналогичен другим приборам, основанным на лазерном доплеровском эффекте, таким как лазерный допплеровский виброметр или лазерный поверхностный велосиметр. К сигналу можно применить цифровые методы для определения скорости как доли скорости света, и, следовательно, в определенном смысле лазерная допплеровская велосиметрия является особенно фундаментальным измерением, сопоставимым с системой СИ.

In its simplest and most presently used form, laser Doppler velocimetry crosses two beams of collimated, monochromatic, and coherent laser light in the flow of the fluid being measured. The two beams are usually obtained by splitting a single beam, thus ensuring coherence between the two. Lasers with wavelengths in the visible spectrum (390–750 nm) are commonly used; these are typically He Ne, Argon ion, or laser diode, allowing the beam path to be observed. A transmitting optics system focuses the beams to intersect at their waists (the focal point of a laser beam), where they interfere and generate a set of straight fringes. As particles (either naturally occurring or induced) entrained in the fluid pass through the fringes, they scatter light that is then collected by a receiving optics and focused on a photodetector (typically an avalanche photodiode). The scattered light fluctuates in intensity, the frequency of which is equivalent to the Doppler shift between the incident and scattered light, and is thus proportional to the component of particle velocity which lies in the plane of two laser beams. If the sensor is aligned to the flow such that the fringes are perpendicular to the flow direction, the electrical signal from the photodetector will then be proportional to the full particle velocity. By combining three devices (e. g., He Ne, Argon ion, and laser diode) with different wavelengths, all three flow velocity components can be simultaneously measured. Another form of laser Doppler velocimetry, particularly used in early device developments, has a completely different approach akin to an interferometer. The sensor also splits the laser beam into two parts; one (the measurement beam) is focused into the flow and the second (the reference beam) passes outside the flow. A receiving optics provides a path that intersects the measurement beam, forming a small volume. Particles passing through this volume will scatter light from the measurement beam with a Doppler shift; a portion of this light is collected by the receiving optics and transferred to the photodetector. The reference beam is also sent to the photodetector where optical heterodyne detection produces an electrical signal proportional to the Doppler shift, by which the particle velocity component perpendicular to the plane of the beams can be determined. The signal detection scheme of the instrument is using the principle of optical heterodyne detection. This principle is similar to other laser Doppler based instruments such as laser Doppler vibrometer, or laser surface velocimeter. It is possible to apply digital techniques to the signal to obtain the velocity as a measured fraction of the speed of light, and therefore in one sense Laser Doppler velocimetry is a particularly fundamental measurement traceable to the S. I. system of measurement.

Приложения

В течение десятилетий с момента появления лазерной доплеровской анемометрии было разработано и применено множество лазерных доплеровских датчиков.

Автоматизация

Лазерно-допплеровская скоростометрия может быть полезна в автоматизации, включая примеры, связанные с потоками, описанные выше. Она также может использоваться для измерения скорости движущихся твердых объектов, например, конвейерных лент. Это может оказаться полезным в ситуациях, когда установка роторного энкодера (или другого механического устройства измерения скорости) на конвейерную ленту невозможна или непрактична.

Медицинские применения

Лазерная допплеровская велосиметрия используется в исследованиях гемодинамики как метод частичной количественной оценки кровотока в тканях человека, таких как кожа или глазное дно. В клинической практике технология часто называется лазерной допплеровской потокометрией; при получении изображений – лазерной допплеровской визуализацией. Луч от лазера малой мощности (обычно лазерного диода) проникает в кожу достаточно глубоко, чтобы рассеиваться красными кровяными клетками с доплеровским сдвигом и возвращаться для фокусировки на детекторе. Эти измерения полезны для мониторинга влияния физических упражнений, лекарственных препаратов, факторов окружающей среды или физических воздействий на локальные микрососудистые области. Лазерный допплеровский виброметр применяется в клинической отологии для измерения смещения барабанной перепонки, молоточка и головки протеза в ответ на звуковые стимулы в диапазоне от 80 до 100 дБ уровня звукового давления. Также он может быть использован в операционной для измерения смещения протеза и стремени.

Технология автономного обхода препятствий при посадке, используемая в лунном посадочном аппарате NASA Project Morpheus для автоматического определения безопасной площадки для посадки, включает в себя лидарный допплеровский ведометр, измеряющий высоту и скорость аппарата. Крылатая ракета AGM-129 ACM использует лазерный допплеровский ведометр для точного терминального наведения.

Калибровка и измерение

Лазерно-допплеровская скоростометрия используется для анализа вибраций MEMS-устройств, часто для сравнения характеристик таких устройств, как чиповые акселерометры, с их теоретическими (вычисленными) модами колебаний. В качестве конкретного примера, демонстрирующего уникальные возможности лазерно-допплеровской скоростометрии, измерение скорости MEMS-ваттового баланса позволило достичь большей точности при измерении малых сил, чем ранее, благодаря непосредственному измерению отношения этой скорости к скорости света. Это фундаментальное, метрологически прослеживаемое измерение, которое теперь обеспечивает прослеживаемость малых сил к системе СИ.