La velocimetría láser Doppler , también conocida como anemometría láser Doppler , es la técnica de utilizar el desplazamiento Doppler en un rayo láser para medir la velocidad en flujos de fluidos transparentes o semitransparentes o el movimiento lineal o vibratorio de superficies reflectantes opacas. La medición con anemometría láser Doppler es absoluta y lineal con la velocidad y no requiere precalibración.
Origen de la tecnología
Con el desarrollo del láser de helio-neón (He-Ne) en los Bell Telephone Laboratories en 1962, la comunidad óptica disponía de una fuente de radiación electromagnética de onda continua altamente concentrada en una longitud de onda de 632,8 nanómetros (nm), en la parte roja. del espectro visible . [1] Pronto se demostró que la medición del flujo de fluido se podía realizar a partir del efecto Doppler en un haz de He-Ne dispersado por esferas de poliestireno muy pequeñas arrastradas por el fluido. [2]
En los Laboratorios de Investigación de Brown Engineering Company (más tarde Teledyne Brown Engineering), este fenómeno se utilizó en el desarrollo del primer caudalímetro láser Doppler que utiliza procesamiento de señales heterodinas. [3]
El instrumento pronto se denominó velocímetro láser Doppler y la técnica de velocimetría láser Doppler. Otro nombre de aplicación es anemometría láser Doppler. Las primeras aplicaciones de velocimetría láser Doppler iban desde medir y mapear el escape de motores de cohetes con velocidades de hasta 1000 m / s hasta determinar el flujo en una arteria sanguínea cercana a la superficie. Se desarrolló una variedad de instrumentos similares para el monitoreo de superficies sólidas, con aplicaciones que van desde medir velocidades de productos en líneas de producción de fábricas de papel y acero , hasta medir la frecuencia de vibración y la amplitud de superficies. [4]
Principios de operacion
En su forma más simple y más utilizada en la actualidad, la velocimetría láser Doppler cruza dos haces de luz láser colimada , monocromática y coherente en el flujo del fluido que se mide. Los dos haces generalmente se obtienen dividiendo un solo haz, asegurando así la coherencia entre los dos. Los láseres con longitudes de onda en el espectro visible (390-750 nm) se utilizan comúnmente; estos son típicamente He-Ne, iones de argón o diodos láser , lo que permite observar la trayectoria del haz. Una óptica transmisora enfoca los rayos para que se crucen en sus cinturas (el punto focal de un rayo láser), donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. A medida que las partículas (de origen natural o inducido) arrastradas en el fluido pasan a través de las franjas, reflejan la luz que luego es recogida por una óptica receptora y enfocada en un fotodetector (típicamente un fotodiodo de avalancha ).
La luz reflejada fluctúa en intensidad, cuya frecuencia es equivalente al desplazamiento Doppler entre la luz incidente y la dispersa y, por tanto, es proporcional a la componente de la velocidad de las partículas que se encuentra en el plano de dos rayos láser. Si el sensor está alineado con el flujo de manera que las franjas sean perpendiculares a la dirección del flujo, la señal eléctrica del fotodetector será proporcional a la velocidad total de la partícula. Combinando tres dispositivos (por ejemplo, He-Ne, ion de argón y diodo láser) con diferentes longitudes de onda, los tres componentes de la velocidad de flujo se pueden medir simultáneamente. [5]
Otra forma de velocimetría láser Doppler, particularmente utilizada en los primeros desarrollos de dispositivos, tiene un enfoque completamente diferente similar al de un interferómetro . El sensor también divide el rayo láser en dos partes; uno (el haz de medición) se enfoca en el flujo y el segundo (el haz de referencia) pasa fuera del flujo. Una óptica receptora proporciona un camino que se cruza con el haz de medición, formando un pequeño volumen. Las partículas que atraviesan este volumen dispersarán la luz del haz de medición con un desplazamiento Doppler; una parte de esta luz es recogida por la óptica receptora y transferida al fotodetector. El haz de referencia también se envía al fotodetector donde la detección óptica heterodina produce una señal eléctrica proporcional al desplazamiento Doppler, mediante la cual se puede determinar la componente de velocidad de las partículas perpendicular al plano de los haces. [6]
El esquema de detección de señales del instrumento utiliza el principio de detección óptica heterodina. Este principio es similar a otros instrumentos basados en láser Doppler , como el vibrómetro láser Doppler o el velocímetro láser de superficie . Es posible aplicar técnicas digitales a la señal para obtener la velocidad como una fracción medida de la velocidad de la luz y, por lo tanto, en un sentido, la velocimetría láser Doppler es una medida particularmente fundamental trazable al sistema de medición SI. [7]
Aplicaciones
En las décadas transcurridas desde que se introdujo por primera vez la velocimetría láser Doppler, se ha desarrollado y aplicado una amplia variedad de sensores láser Doppler.
Investigación de flujo
La velocimetría láser Doppler a menudo se elige sobre otras formas de medición de flujo porque el equipo puede estar fuera del flujo que se está midiendo y, por lo tanto, no tiene ningún efecto sobre el flujo. Algunas aplicaciones típicas incluyen las siguientes:
- Experimentos de velocidad del túnel de viento para probar la aerodinámica de aviones, misiles, automóviles, camiones, trenes y edificios y otras estructuras.
- Mediciones de velocidad en flujos de agua (investigación en hidrodinámica general, diseño de cascos de barcos, maquinaria rotativa, flujos de tuberías, flujo de canales, etc.)
- Investigación de inyección y aspersión de combustible donde es necesario medir velocidades dentro de los motores o a través de boquillas
- Investigación ambiental (investigación de combustión, dinámica de olas, ingeniería costera , modelado de mareas, hidrología de ríos, etc.). [8]
Una desventaja ha sido que los sensores de velocimetría láser Doppler dependen del rango; deben calibrarse minuciosamente y las distancias donde miden deben definirse con precisión. Esta restricción de distancia se ha superado recientemente, al menos parcialmente, con un nuevo sensor que es independiente del rango. [9]
Automatización
La velocimetría láser Doppler puede ser útil en la automatización, que incluye los ejemplos de flujo anteriores. También se puede utilizar para medir la velocidad de objetos sólidos, como cintas transportadoras . Esto puede resultar útil en situaciones en las que es imposible o poco práctico conectar un codificador rotatorio (o un dispositivo mecánico de medición de velocidad diferente) a la cinta transportadora.
Aplicaciones médicas
La velocimetría láser Doppler se utiliza en la investigación hemodinámica como una técnica para cuantificar parcialmente el flujo sanguíneo en tejidos humanos como la piel o el fondo de ojo. Dentro del entorno clínico, la tecnología a menudo se denomina flujometría láser Doppler; cuando se crean imágenes, se denomina imagenología láser Doppler . El rayo de un láser de baja potencia (generalmente un diodo láser ) penetra la piel lo suficiente como para ser dispersado con un desplazamiento Doppler por los glóbulos rojos y volver a concentrarse en un detector. Estas mediciones son útiles para monitorear el efecto del ejercicio, tratamientos farmacológicos, manipulaciones ambientales o físicas en áreas vasculares de tamaño micro específicas . [10]
El vibrómetro láser Doppler se utiliza en otología clínica para medir el desplazamiento de la membrana timpánica (tímpano), martillo (martillo) y la cabeza de la prótesis en respuesta a entradas de sonido de 80 a 100 dB de nivel de presión sonora . También tiene un uso potencial en el quirófano para realizar mediciones de desplazamiento de prótesis y estribo (estribo). [11]
La tecnología de evitación de peligro de aterrizaje autónomo utilizada en el módulo de aterrizaje lunar Project Morpheus de la NASA para encontrar automáticamente un lugar de aterrizaje seguro contiene un velocímetro lidar Doppler que mide la altitud y la velocidad del vehículo. [12] El misil de crucero AGM-129 ACM utiliza un velocímetro láser Doppler para una guía precisa del terminal. [13]
Calibración y medición
La velocimetría láser Doppler se utiliza en el análisis de la vibración de los dispositivos MEMS , a menudo para comparar el rendimiento de dispositivos como acelerómetros en un chip con sus modos teóricos (calculados) de vibración. Como ejemplo específico en el que las características únicas de la velocimetría láser Doppler son importantes, la medición de la velocidad de un dispositivo de balance de vatios MEMS [14] ha permitido una mayor precisión en la medición de fuerzas pequeñas de lo que era posible anteriormente, mediante la medición directa de la relación de este velocidad a la velocidad de la luz. Esta es una medida fundamental y rastreable que ahora permite la rastreabilidad de pequeñas fuerzas al Sistema SI.
Ver también
- Anemometría de hilo caliente
- Imágenes láser Doppler
- Vibrómetro láser Doppler
- Velocímetro de superficie láser
- Velocimetría de marcado molecular
- Velocimetría de imagen de partículas
- Velocimetría de seguimiento de partículas
- Velocimetría de fotón Doppler
- Sistema de interferómetro de velocidad para cualquier reflector (VISAR)
Referencias
- ^ White, AD y JD Rigden, "Operación Continuous Gas Maser en lo visible". Proc IRE , vol. 50, pág. 1697: julio de 1962, pág. 1697. Patente de Estados Unidos 3.242.439 .
- ^ Yeh, Y .; Cummins, HZ (1964). "Mediciones de flujo de fluido localizado con un espectrómetro láser He-Ne". Letras de Física Aplicada . 4 (10): 176. Bibcode : 1964ApPhL ... 4..176Y . doi : 10.1063 / 1.1753925 .
- ^ Foreman, JW; George, EW; Lewis, RD (1965). "Medición de velocidades de flujo localizadas en gases con un medidor de flujo láser Doppler". Letras de Física Aplicada . 7 (4): 77. Bibcode : 1965ApPhL ... 7 ... 77F . doi : 10.1063 / 1.1754319 .
- ^ Watson, RC, Jr., Lewis, RD y Watson, HJ (1969). "Instrumentos para la medición del movimiento mediante técnicas de heterodino láser Doppler". ISA Trans . 8 (1): 20-28.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ Drenaje, LE (1980) La técnica láser Doppler , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-27627-8
- ^ Durst, F; Melling, A. y Whitelaw, JH (1976) Principios y práctica de la anemometría láser Doppler , Academic Press, Londres, ISBN 0-12-225250-0
- ^ Portoles, Jose F .; Cumpson, Peter J .; Allen, Stephanie; Williams, Phillip M .; Tendler, Saul JB (2006). "Medidas precisas de velocidad de vibraciones en voladizo AFM por interferometría Doppler". Revista de nanociencia experimental . 1 : 51–62. doi : 10.1080 / 17458080500411999 .
- ^ Dinámica de Dantec, ”Anemometría láser Doppler” .
- ^ Moir, Christopher I (2009). "
Sistemas de velocimetría láser Doppler en miniatura ". En Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (eds.). Sensores ópticos 2009 . Sensores ópticos 2009. 7356 . págs. 73560I. doi : 10.1117 / 12.819324 . - ^ Stern, Michael D. (1985). "Velocimetría láser Doppler en sangre y fluidos de dispersión múltiple: Teoría". Óptica aplicada . 24 (13): 1968. Bibcode : 1985ApOpt..24.1968S . doi : 10.1364 / AO.24.001968 . PMID 18223825 .
- ^ Goode, RL; Ball, G; Nishihara, S; Nakamura, K (1996). "Vibrómetro láser Doppler (LDV) - una nueva herramienta clínica para el otólogo". La Revista Estadounidense de Otología . 17 (6): 813-22. PMID 8915406 .
- ^ "ALHAT detecta peligros de aterrizaje en la superficie" . Research News, Centro de Investigación Langley . NASA . Consultado el 8 de febrero de 2013 .
- ^ "Misil de crucero avanzado AGM-129 [ACM]" . GlobalSecurity.org . 2011-07-24 . Consultado el 30 de enero de 2015 .
- ^ Cumpson, Peter J .; Hedley, John (2003). "Medidas analíticas precisas en el microscopio de fuerza atómica: un estándar constante de resorte microfabricado potencialmente trazable al SI". Nanotecnología . 14 (12): 1279-1288. doi : 10.1088 / 0957-4484 / 14/12/009 . PMID 21444981 .
enlaces externos
- Principio LDA / LDV
- Descripción general de LDV
- Principios básicos de velocimetría
- Video de velocimetría de superficie láser