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Laser-Anemometrie
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LDA - Laser-Doppler-Anemometrie
(auch LDV - Laser-Doppler-Velocimetry bezeichnet)
(Laseroptisches Meßverfahren zur berührungslosen Messung von
Strömungsgeschwindigkeiten)
Ein Laser-Doppler-Anemometer besteht i. A. aus einer Laserlichtquelle, der Sende- und der
Empfangsoptik. Die Leistungsklasse der eingesetzten Laser liegt üblicherweise im
Milliwatt- bis wenigen Watt-Lichtleistungsbereich. Laser, wie sie in der Meßtechnik
eingesetzt werden, arbeiten vorwiegend in einem Grundmode, der als TEM00-Mode
(Transversal-Elektro-Magnetisch) bezeichnet wird und der durch eine Gaußverteilung der
Intensität über den Strahlquerschnitt charakterisiert wird. Das Prinzip der
Laser-Doppler-Anemometrie beruht auf der Gegebenheit, daß kohärente Lichtwellen, die von
bewegten Phasengrenzflächen gestreut werden, eine Doppler-Frequenzverschiebung aufweisen
und somit Geschwindigkeitsinformationen enthalten. Im Fall eines Fluides können
suspendierte Teilchen, Tröpfchen, natürliche Verunreinigungen etc. für das
Meßverfahren als Streuteilchen ausgenützt werden. Kann vorausgesetzt werden, daß die
Streuzentren hinreichend klein sind und keine Eigendynamik im Strömungsraum entwickeln,
so kann ihre lokale Geschwindigkeit als lokale Geschwindigkeit des Fluides angesehen
werden.
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Abb. 1: Grundprinzip der LDA-Technik
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Bei der Laser-Doppler-Anemometrie wird der
Lichtstrahl eines Lasers durch eine geeignete Strahlteilungsoptik in zwei Partialstrahlen
aufgespalten, siehe Abbildung 1. Die beiden Partialstrahlen werden mit einer Konvexlinse
fokussiert und am Brennpunkt der Linse zum Schnitt gebracht. Der Schnittpunkt der beiden
Laserstrahlen stellt den Meßort dar, an dem die Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt
werden. Die beiden Laserstrahlen bilden am Ort ihrer Überlagerung ein Schnittvolumen, das
als Meßvolumen bezeichnet wird. Dieses Meßvolumen muß in die zu messende Strömung
positioniert werden. Durch die Verwendung zweier Laserstrahlen nimmt ein Detektor
gleichzeitig die Überlagerung zweier Doppler-verschobener Lichtfrequenzen wahr. Die sich
ergebende Welle kann aufgefaßt werden als eine hochfrequente Signalwelle, die von einer
niederfrequenten Schwebung Df = fD1 - fD2 moduliert wird. Diese real detektierbare und
diskretisierbare Schwebungsfrequenz liegt in einem leicht auflösbaren Frequenzbereich und
zeigt keine Abhängigkeit mehr von der Detektionsrichtung. In der
Laser-Doppler-Anemometrie wird die Schwebungsfrequenz Df als Signalfrequenz oder auch
"Doppler-Frequenz" bezeichnet.
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