DE1962551A1

DE1962551A1 - Laser-Doppler-Stroemungssonde mit ?rosser raeumlicher Aufloesung

Info

Publication number: DE1962551A1
Application number: DE19691962551
Authority: DE
Inventors: Iten Paul D
Original assignee: AKTIENGESELLSCHALT BROWN BOVER
Current assignee: AKTIENGESELLSCHALT BROWN BOVER
Priority date: 1969-11-21
Filing date: 1969-12-13
Publication date: 1971-06-09
Also published as: GB1307438A; US3709599A; CH508884A; FR2073399B1; FR2073399A1; CA923324A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Laser-Doppler-Ströinungssonde mit grosser räumlicher Auflösung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikroskopischen Messimgder Geschwindig3ί(eiieB-iΏΓ-S-fcroInungsfeidern Doppler-Sonde.

Laser-Doppler-Ströraungssonden dienen zur mikroskopischen Untersuchung von Geschwind!gkeitsfeidern, beispielsweise bei Grenzschichtmessungen, in Windkanäien oder bei Strömungen von Gasen oder Flüssigkeiten. Sie zeichnen sich gegenüber den klassischen Messgeräten, wie Pitot-Rohr und dergleichen, dadurch aus, dass sie kontaktfrei und damit ohne Störung des Geschwindigkeitsfeldes messen, und ausserdem die örtliche Geschwindigkeitsverteilung „in mikroskopischen Bereichen festzustellen vermögen.

Das einer Laser-Doppler-Sonde zugrunde liegende Prinzip ist wie folgt:

Auf den zu untersuchenden Bereich des Strömungsfeldes wird der Lichtstrahl eines Dauerstrich-Lasers fokussiert. Durch die sich bewegenden Teilchen des Strömungsbereiches erleidet dann das gestreute Laser-Licht eine Doppler-Prequenz-Verschiebung, die

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der Vakuum-Wellenlänge des Laser-Lichtes umgekehrt und dem optischen Brechungsindex des strömenden Mediums und dem Betrag und dem Richtungs-Cosinus der Geschwindigkeit des streuenden Teilchens direkt proportional ist. Zur Messung dieser Frequenz-Verschiebung werden der nicht_gestreute und ein gestreuter Strahl über Spiegel gemeins^m^ayiL_e=i=nen Punkt eines Lichtdetektors, bei-

die Photokathode eines Phot omul ti pliers oder eine .. Photodiode fokussiert, wodurch sich ein Differenz-Mischsignal —kleiner und-damit elektronisch verarbeitbarer Frequenz ("Heterodyn-Signal") ergibt. Die Frequenz des Heterodyn-Signals liegt je nach Strömungsgeschwindigkeit im kHz- oder MHz-Bereich« Nähere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele sind beispielsweise in IEEE J. of Quantum Electronics, 1966, 260-266, beschrieben.

Die räumliche Auflösung einer Doppler-Strömungs-Sonde, d.h. der —Jcleinste Raumbereich des Strömungsfeldes, der noch gesondert messbar ist, ist im wesentlichen durch die Abmessungen des Volumens gegeben., in welchem sich der Laserstrahl fokussieren lässt. Dieses ergibt sich nach den Gesetzen der Optik (z.B. Born-Wolf "Principles of Optics", Pergamon Press, 3rd ed. / p. 439-441,oder E. Rolfe et al., "Laser Doppler Velocity Instrument", NASA Contractor Report, NASA CR- 1199» 2.13-1 bis 2.13-4) in Abhängigkeit von der Wellenlänge de"s Laserlichtes und der Oeffnungszahl der Messoptik und kann bei Grössenordnungen von 10" mm liegen. Alle Strömungsteilchen, die dieses Volumen (Messvolumen) durchlaufen, streuen während ihrer Verweilzeit einen Dopplerimpuls in die

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Messeinrichtung.

Es vmrde nun bei den bisher bekannten Messeinrichtungen als unabänderlich angesehen, dass die räumliche Auflösung über das vorstehend definierte, als Messvolumen wirkende Fokussierungsvolumen hinaus, nichts veriLO^sevT^eraen kann. Als einzige Möglichkeit zur Verkleinerung des _MessvbTrtsnejis__j5ah man eine Verkleinerung des optischen Fokussierungsvolumens an. ——.

Die Erfindung erreicht dengegenüber eine Verkleinerung des wirksamen Hessvolumens, und damit eine erheblich höhere Auflösung,der ßtrömungaraessonde, auf elektronischem. V'tg» '(Jadu-pp-h-^' dass bei der Frequenzanalyse der Heterodyn-Signale mittels olektroniccher Amplituden-Diskriminatian nur die Frequenz der Signale einer bestimmten Amplitudengrösse gemessen v?ird.

Die Erfindung benutzt den Effekt, dass die Intensität des Lichtes im Fokussierungsvolumen vom Zentrum her nach aussen hin stark abfällt. In unmittelbarer Umgebung des Zentrums des Fokussierungsvolumens ist die Intensitätsverteilung eine eindeutige Funktion des Abstandes, Dadurch haben die von den das Volumen durchlaufenden Teilchen gestreuten Doppler-Impulse grossere oder kleinere Amplituden, je nach den», ob das Teilchen mehr das Zentrum oder die Randzone des Messvolumens durch?- läuft. Während bisher bei der Frequenzmessung des Heterodyn-Signäls über alle Amplituden integriert wurde, und der

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Mittelwert der Frequenz für alle Amplitudengrössen bestimmt wurde, werden nun erfindungsgemäss selektiv die zu Amplituden bestimmter Grosse gehörenden Frequenzen gemessen. Dadurch werden nur die Bereiche des Fokussierungsvolumens von der Messung erfasst, denen die jeweilige Amplitudengrösse entspricht.

Es ergibt sich also eine erhebliche Verkleinerung des Messvolumens. Ausserdem kann, wenn die Frequenz in Abhängigkeit von ^ der Arnplitudenverteilung betrachtet wird, noch innerhalb des •Fokussierungsvolumens die örtliche Verteilung des Geschwindigkeitsfeldes untersucht werden. Wählt man das Fokussierungsvolumen bewusst gross, so gäbe dies auch eine Möglichkeit, grössere Raumelemente der Strömung auf die beschriebene Weise abzutasten.

Nach einer zweckmässigen Ausbildung der Erfindung werden nur die Frequenzen der Signale gemessen, deren Amplituden einen fe bestimmten, einstellbaren Pegel überschreiten. Auf diese Weise - erfasst man nur den Zentralbereich des Fokussierungsvolumens, und üwar in einstellbarer Grosse.

Es ist ersichtlich, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren die kleinste Grosse des Messvolumens, also die Auflösung der Laser-Doppler-Strömungssonde, nur noch rein elektronisch dadurch begrenzt wird, dass das empfangene, ausdiskriminierte Signal bezüglich seiner Frequenz noch messbar ist.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigt: Fig. 1 schematisch eine mögliche Messanordnung und

Fig. 2 schematisch links die Darstellung der Intensität des Lichtes irüFokussierungsvolumen und rechts einen beispielsweise mit der Messanordnung gemäss Fig. 1 zu messenden Signalzug eines Heterodjnsignals.

In Fig. 1 ist ein in Richtung ν strömendes Medium 1 dargestellt, welches mit dem Licht eines Dauerstrich-Lasers 2 beleuchtet wird. Eine Blende 3 begrenzt den Laserstrahl und eine Linse ^ fokussiert ihn auf das 'Volumen F innerhalb der Flüssigkeit. Das Volumen F dehnt sich senkrecht zum Laserstrahl in Richtung r aus.

Vom Volumen F tritt ein Teilstrahl ungestreut zur Linse § aus, während ein gestreuter Teilstrahl zur Linse 6 austritt. Die Linsen 5 und 6 fokussieren die Teilstrahlen auf den Detektionsteil einer Photodiode PD, nachdem die Teilstrahlen durch den Teiler 9 gelaufen, bzw. an diesem und den Spiegeln 8,±0 reflektiert worden sind. Ausserdem ist noch eine Blende 7 vorgesehen (für die Begrenzung des Streu-Strahles).

Die Anordnung entspricht bis hierher völlig der Messanordnung gemäss IEEE ... a.a.O. Auch der Ausgang der Messanordnung entspricht grundsätzlich der bekannten Anordnung:

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Die an der Photodiode PD entstehenden Heterodyn-signale werden zu einem Frequenzmessgerät mit Messwertanzeige FMG geführt, beispielsweise einem kommerziellen Spetralanalysator oder einem Gerät gemäss Fig. 11 aus IEEE ... a.a.O., und dort bzgl. ihrer Frequenz gemessen.

Im Unterschied zu der bekannten Anordnung laufen die Heterodynsignale zu dem Frequenzmessgerät FMG jedoch über einen Impuishöhen-Analysator bzw. Amplituden-Diskrlminator AD. Solche Amplituden-Diskriminatoren sind bekannt und werden daher nicht näher erläutert. Zwischen dem Photodetektor PD und dem Amplituden-Diskriminator AD sind ausserdem noch ein Verstärker V und ein Bandpassfilter BF angeordnet.

Wählt man als Amplituden-Diskriminator einen sogenannten Integral-Diskriminator, so misst man nur die Signale, deren Amplituden oberhalb eines am Diskriminator einstellbaren Pegels P liegen.

Es ergeben sich dann die in Fig. 2 dargestellten Verhältnisse:

In Fig= 2 links ist die Intensität des Lichts in der Brennebene des Fokusslerungsvolumens F schematisch dargestellt. Es 1st ersichtlich, wie die Intensität mit zunehmendem Abstand r vom Zentrum des Fokussierungsvolumens stark abnimmt. Die Amplituden der an der Photodiode PD (Fig. 1) entstehenden Heterödyn-

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signale sind dann, wie ersichtlich, umso grosser, ,Je kleiner der Abstand r des streuenden Teilchens vom Zentrum des Fokussie rungs volumens ist. Da der Durchlauf streuender Teilchen durch das Fokussierungsvolumen statistisch ist₃ ergeben sich über der Zeit t statistische Amplitudenverteilungen, wie in Fig. 2 rechts gezeigt. Aus der Fig. 2 rechts, die nach einem gemessenen Oszillogramm gezeichnet ist, ergibt sich auch, dass die Frequenzen für Signale kleiner Amplituden verschieden sind von der Frequenz von Signalen mit grosser Amplitude. Dies rührt λ daher, dass die streuenden Teilchen mit grossen Vierten von r bei der Messung eine andere Geschwindigkeit aufweisen als im Zentrum.

Stellt man nun den Diskriminatorpege1 des Gerätes AD auf P~ ein, so gelangen nur die Signale zur Frequenz-Messung in das Gerät FMG, die von Teilchen bewirkt worden sind, die etwa durch ein Zentralgebiet mit der Ausdehnung FL· gelaufen sind.

Dieses Zentralgebiet stellt dann das wirksame Messvolumen dar. ( Stellt man hingegen den Pegel auf P₁ ein, so erfasst man auch Signale von Teilchen, die das Fokussierungsvolumen im Bereich R, durchlaufen haben. Jedesmal wird durch die elektronische Ailplituden-Diskrimination das Messvolumen aber kleiner als das Fokussierungs-Volumen F gemacht.

Man kann auch das Gerät AD als Einkanal- oder Vielkanaldiskriminator ausbilden. Dann kann man Signale bestimmter Ampli-

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tude auswählen und durch die Frequenzmessung der einem Kanal zugeordneten Signale verschiedene Bereiche aus dem Fokussierungsvolumen herausgreifen.

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Claims

Patentansprüche

JÜ Verfahren zur mikroskopischen Messung der Geschwindigkeiten in Strömungsfeidern mittels einer Laser-Doppler-Sonde, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Frequenzanalyse der Heterodyn-Signale, mittels elektronischer Amplituden-Diskrimination nur die Frequenz der Signale bestimmter Amplitudengrösse gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Frequenz der Signale gemessen wird, deren Amplituden einen bestimmten einstellbaren Pegel überschreiten.

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie,

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