Лазерная доплеровская анемометрия - это бесконтактный метод измерения скоростей. Его принцип основан на явлении доплеровского сдвига частоты (лазерного) света, рассеянного движущимися частицами. Этот сдвиг частоты напрямую связан со скоростью частиц, и, следовательно, лазерная доплеровская анемометрия является абсолютным методом измерения, который не требует какой-либо калибровки. Техническое применение лазерного доплеровского анемометра (LDA) - это измерение скорости потока, например, в аэродинамических трубах, или управление скоростью движущихся поверхностей, например, при производстве бумаги.

Целью этого экспериментального набора является демонстрация принципа работы LDA. Два когерентных лазерных луча пересекаются в месте измерения, в котором расположен вращающийся акриловый диск с небольшими искажениями. Искажения, проходящие через точку пересечения лучей, генерируют рассеянный свет. Частота этого рассеянного света - доплеровский сдвиг вверх и вниз, вызывающий биение низкочастотного сигнала. Это биение пропорционально скорости искажений в месте измерения. Рассеянный свет собирается линзой и фокусируется на фотодетекторе. С помощью быстрого преобразования Фурье можно извлечь частоту и определить скорость частиц. Эта скорость сравнивается со скоростью вращения диска на стадии вращения. Кроме того, будет проверено влияние различных углов пересечения на доплеровский сигнал.

Для захвата и анализа сигналов в блок контроллера LDA встроен USB-осциллограф.

Образовательные цели исследования

• доплеровский сдвиг
• Лучевая помеха
• Рассеяние света
• Велоциметрия
• Преобразование Фурье
• Размер частиц

Настройка и компоненты

1 плоский рельс 800 мм со шкалой

2 диодных лазера в θ/ϕ регулировочном держателе на держателе

3 Лазерный блок питания и сигнальный контроллер со встроенным USB-прицелом LDAC 1000

4 Фильтр с переменным ослаблением луча в держателе на держателе

5 Распределитель луча и оптика на руле

6 Фокусирующая линза в держателе на держателе шестерни

7 Моторизованная ступень вращения с акриловыми рассеивающими дисками на носителе

8 контроллер вращения

9 Коллимирующая линза в держателе на держателе

10 Фотодетектор в держателе и отверстие на держателе

11 Нетбук для сбора данных

12 Неотражающий суппорт

13 2 BNC-кабеля (не показаны)

14 Комплект соединительных кабелей (не показаны)

15 Руководство пользователя (не показано)

Измерения и обработка

Некоторые из возможных измерений представлены в следующем списке:

Обнаружение сигнала LDA

Если на ступени вращения установлен матовый диск, обнаружение постоянных колебаний сигнала LDA возможно при условии правильной юстировки оптической системы. Сигнал с довольно хорошим отношением сигнал / шум может выглядеть так, как показано на скане. Цель состоит в том, чтобы выровнять систему для сигнала с контрастом модуляции как можно выше.

• Определение доплеровской частоты

Однако даже в случае худших сигналов частота биений LDA может быть определена либо путем измерения временного расстояния между полосами, либо с помощью функции быстрого преобразования Фурье осциллографа, как показано на рисунке.

• Обнаружение разрыва LDA

При замене матового диска на диск с мелкими радиальными царапинами могут генерироваться и обнаруживаться единичные всплески LDA. При сканировании, показанном в стороне, сигнал LDA одного искажения показывает почти максимальную глубину модуляции. Для такого высокого контраста необходимо выполнить точную настройку фокусирующей оптики. Сигнал принимается в режиме постоянного тока осциллографа, линия 0 В находится внизу графика.

• Влияние фокусного расстояния объектива

Поскольку система поставляется с двумя фокусирующими линзами с разным фокусным расстоянием, все измерения могут быть выполнены с использованием одного или другого фокусного расстояния. Два всплеска представлены здесь в качестве примера влияния различных линз на одну и ту же скорость вращения. Левое сканирование записывается с использованием объектива f = 150 мм, а правое сканирование - с объективом f = 80 мм. Увеличение частоты LDA и уменьшение ширины пакета для более короткого фокусного расстояния может быть ясно видно.