Принцип LDA измерений

Введение

Лазерная доплеровская анемометрия или LDA является широко используемым инструментом для исследований динамики текучих сред в газах и жидкостях, который применяется уже более тридцати лет. Эта зарекомендовавшая себя методика дает информацию о скорости потока.

Неинтрузивный принцип и направленная чувствительность делают данную методику очень подходящей для применений с опрокидыванием потока, химическими реакциями или высокотемпературными средами и вращающимся машинным оборудованием, при которых сложно или невозможно использовать физические датчики. Для данной методики необходимо наличие в потоке частиц формирователя следа.

Особые преимущества метода: неинтрузивное измерение, высокая разрешающая способность по пространству и времени, отсутствие необходимости в калибровке и возможность измерений при опрокидывании потоков.

Принципы

Базовая конфигурация LDA системы включает:

  • лазер непрерывного излучения;
  • передающая оптика, включая расщепитель пучка и фокусирующую линзу;
  • принимающая оптика, включая фокусирующую линзу, интерференционный фильтр и фотодетектор;
  • преобразователь сигнала и устройство обработки сигнала.

Усовершенствованные системы могут включать системы перемещения и преобразователи углового положения в код. В качестве расщепителя пучка часто используется ячейка Брэгга. Она представляет собой стеклянный кристалл с закрепленным на нем вибрирующим пьезокристаллом. Вибрация создает акустические волны, действующими как оптическая решетка.

Ячейка Брэгга, используемая в качестве расщепителя пучка.

На выходе из ячейки Брэгга получается два пучка одинаковой интенсивности с частотами f0 и fсдвиг. Они фокусируются на оптических волокнах, которые передают пучки на датчик.
В датчике параллельно входящие из волокон пучки фокусируются линзой и пересекаются в пространстве датчика.

Объем области измерения

Датчик и пространство датчика.

Размер области измерения, как правило, составляет несколько миллиметров в длину. Интенсивность света подвергается модуляции из-за интерференции между лазерными пучками. Это приводит к образованию параллельных плоскостей света высокой интенсивности, так называемых интерференционных полос. Расстояние между интерференционными полосами df зависит от длины волны лазерного излучения и угла между пучками:
https://www.dantecdynamics.com/images/content/support-and-download/research-and-education/measurement-principles/lda_formel1.jpg

Прохождение каждой частицы рассеивает свет пропорционально локальной интенсивности света.

Информацию о скорости потока получают на основе света, рассеиваемого при прохождении через область измерения мельчайших «наполняющих» частиц, переносимых текучей средой. Рассеянный свет характеризуется доплеровским сдвигом, доплеровской частотой fD, пропорциональной компоненте скорости, перпендикулярной биссектрисе двух лазерных пучков, соответствующей оси x, показанной в объеме датчика.

Рассеянный свет собирается принимающей линзой и фокусируется на фотодетекторе. Интерференционный фильтр, установленный перед фотодетектором, пропускает только нужную длину волны в фотодетектор. Таким образом устраняется шум от паразитной засветки и других длин волн.

Обработка сигнала

Фотодетектор преобразует флуктуирующую интенсивность света в электрический сигнал – доплеровский импульс, имеющий форму синусоиды с гауссовой огибающей, обусловленной профилем интенсивности лазерных пучков.
Доплеровские импульсы фильтруются и усиливаются в устройстве обработки сигналов, которое определяет fD для каждой частицы, часто на основе частотного анализа с использованием устойчивого алгоритма быстрого преобразования Фурье.
Расстояние между интерференционными полосами df дает информацию о расстоянии, пройденном частицей.
Доплеровская частота fD дает информацию о времени: t = 1/fD
Поскольку скорость равна расстоянию, деленному на время, то выражение для скорости принимает вид: Скорость V = df* fD

Определение знака направления потока

Функция преобразования доплеровской частоты в скорость для частоты, сдвигаемой системой LDA.

Сдвиг частоты, получаемый с помощью ячейки Брэгга, приводит к перемещению интерференционных полос с постоянной скоростью. Неподвижные частицы дадут сигнал частоты сдвига fсдвиг. Скорости Vпол. и Vотр. дадут частоты сигнала fпол. и fотр., соответственно.
Системы LDA без сдвига частоты не могут различать положительные и отрицательные направления потока или измерять нулевую скорость.
Системы LDA могут определять направление потока и измерять нулевую скорость.

Измерения двух и трех компонент

Для измерения двух компонент скорости в оптическую схему в плоскость, перпендикулярную плоскости первых пучков, можно добавить два дополнительных пучка.
Все три компоненты скорости можно измерить с помощью двух отдельных датчиков, измеряющих одну и две компоненты, с пересечением всех пучков в общем пространстве, как показано на рисунке ниже. Для разделения измеряемых компонент используются разные длины волн. Для регистрации рассеянного света трех длин волн используется три фотодетектора с соответствующими интерференционными фильтрами.

Оптика LDA для измерения трех компонент скорости.

В современных системах LDA используются компактные передающие блоки, состоящие из ячейки Брэгга и цветовых расщепителей пучка для получения до 6 пучков: пучки трех цветов со сдвигом и без сдвига частоты. Эти пучки пропускаются к датчикам через оптические волокна.

Наполняющие частицы

Жидкости часто содержат достаточное количество естественных наполняющих частиц, в то время как для газов в большинстве случаев требуется добавление таких частиц.
В идеальном случае частицы должны быть достаточно маленькими, чтобы они могли переноситься потоком, но довольно большими для рассеяния достаточного количества света для получения хорошего соотношения «сигнал/шум» на выходе фотодетектора.
Как правило, размер частиц находится в диапазоне от 1 мкм до 10 мкм. Материал частиц может быть твердым (порошок) или жидким (капли).