ZASTOSOWANIE LASERÓW W METROLOGII. - miernictwo, nauka o pomiarach. Obejmuje wszystkie teoretyczne i praktyczne problemy zwi zane z pomiarami.

Transkrypt

1 ZASTOSOWANIE LASERÓW W METROLOGII Metrologia - miernictwo, nauka o pomiarach. Obejmuje wszystkie teoretyczne i praktyczne problemy zwi zane z pomiarami. Cechy wi zki wiat a laserowego wykorzystywane w metrologii: - sta o cz stotliwo ci, rz du [lasery (w szczególno ci He-Ne) wykorzystywane s jako wzorce cz stotliwo ci i d ugo ci], - du a spójno i monochromatyczno, - ma a rozbie no i mo liwo ogniskowania, G ówne dziedziny metrologicznych zastosowa laserów: - pomiary wielko ci geometrycznych (d ugo ci, ma ych k tów, b dów kszta tu i po o enia, chropowato ci powierzchni), - pomiary odleg o ci (dalmierze laserowe), - geodezja (instrumenty takie jak teodolity, niwelatory, wska niki kierunku, dalmierze pos uguj si wi zk laserow ), - geodezja satelitarna (precyzyjne pomiary odleg o ci do sztucznych satelitów Ziemi i Ksi yca i na ich podstawie dok adne okre lanie pozycji stacji geodezyjnych, zmian pola grawitacyjnego, ruchu biegunów, obrotu Ziemi, dynamiki oceanów, ich topografii, przyp ywów, odp ywów, pr dów morskich), - orientacja w przestrzeni i nawigacja ( yroskopy laserowe). - pomiary pr dko ci przep ywu i rozmiaru cz stek (anemometria laserowa), Lasery w m etrologii 1

2 Anemometria laserowa (LDA - Laser Doppler Anemometry) Jest to technika wykorzystywana w badaniach do wiadczalnych z mechaniki przep ywów. Wynaleziona przez Yeha i Cumminsa w 1964 r. Pozwala zmierzy lokaln warto pr dko ci w okre lonym punkcie przep ywu i czasie. G ówne zalety anemometrii laserowej: - bezinwazyjno, - ma a obj to próbkowania, - mo liwo ci g ego przesuwania obszaru badanego, - samokalibracja. Zasada pomiaru Opis teoretyczny Podstawowy teoretyczny opis laserowej anemometrii oparty jest na dwóch ró nych zjawiskach fizycznych. Pierwszy oparty jest na dopplerowskim prawie przesuni cia cz sto ci, drugi oparty jest na zjawisku interferencji. Obydwa daj te same relacje ko cowe. Lasery w m etrologii 2

3 Anemometria laserowa - model dopplerowski Ide anemometrii mo emy najkrócej przedstawi jako interferencj pomi dzy dwiema falami wietlnymi o cz sto ciach przesuni tych w wyniku zjawiska Dopplera. Czynnikiem wprowadzaj cym to przesuni cie jest poruszaj ca si cz steczka. Przesuni cie cz sto ci wiat a rozproszonego na poruszaj cej si cz steczce w stosunku do cz sto ci wiat a padaj cego jest dane wzorem - wektor pr dko ci cz stki, - wektor falowy wiat a padaj cego, - kierunek obserwacji wiat a rozproszonego ( ). Je li znamy kierunki wi zki padaj cej i rozproszonej oraz przesuni cie cz sto ci mo emy znale warto pr dko ci cz stek rozpraszaj cych. Cz stka jest o wietlona przez dwie wi zki o cz sto ci i generuje dwie rozproszone fale wietlne z przesuni ciem cz sto ci zgodnie z wzorami Obserwator umieszczony w punkcie x (sta ym) zaobserwuje dudnienia nat enia wiat a w wyniku interferencji fal o dwóch ró nych cz sto ciach Lasery w m etrologii 3

4 Anemometria laserowa - model dopplerowski, cd Pole wypadkowe Obserwowalna amplituda pola elektrycznego jest zmienna w czasie i z dok adno ci do sta ego przesuni cia fazowego mo e by zapisana wyra eniem St d dla nat enia wiat a rozproszonego ( ) otrzymujemy gdzie Cz sto dudnie wynosi Lasery w m etrologii 4

5 Anemometria laserowa - model pr kowy Rozwa my dwie fale rozchodz ce si w kierunkach i. Pola elektryczne pochodz ce odpowiednio od fali 1 i od falo 2 opisane s wzd u kierunku wyra eniami Wypadkowe pole wzd u kierunku Zmiany nat enia wiat a wzd u kierunku opisane s wyra eniem a wzd u kierunku Maksima nat enia wiat a pojawiaj si wzd u kierunku w odst pach Lasery w m etrologii 5

6 Anemometria laserowa - model pr kowy, cd Maksima nat enia wiat a pojawiaj si wzd u kierunku w odst pach Ma e poruszaj ce si cz stki rozpraszaj wiat o za ka dym razem, gdy przechodz przez jasny pr ek. W wyniku tego mo na obserwowa rozb yski z cz sto ci proporcjonaln do pr dko ci i odwrotnie proporcjonaln do odleg o ci mi dzy pr kami. Jest to dok adnie to samo wyra enie, jakie otrzymali my poprzednio dla przesuni cia dopplerowskiego. Zasada dzia ania laserowego anemometru dopplerowskiego Lasery w m etrologii 6

7 Laserowy anemometr dopplerowski firmy DANTEC Pomiar w tunelu aerodynamicznym pola przep ywu wokó modelu samochodu wykonanego w skali 1:5 Lasery w m etrologii 7

8 Laserowe obrazowanie pola pr dko ci cz stek (PIV- particle image velocimetry) Jest to technika pozwalaj ca na natychmiastowy pomiar wektora pr dko ci w ca ym polu przekroju przep ywu cz stek. Zazwyczaj mierzone s dwie sk adowe wektora pr dko ci, chocia stosuj c metody stereoskopowe mo na zapisa wszystkie trzy sk adowych dla ca ego obszaru. Zastosowanie nowoczesnych kamer CCD i specjalnie konstruowanych komputerów pozwala na tworzenie map pr dko ci w czasie rzeczywistym. P rzy badaniu przep ywów wodnych typowymi cz stkami rozpraszaj cymi wiat o s kulki polistyrenu, poliamidu lub wydr onego szk a. Zasada procesu obrazowanie pola pr dko ci cz stek Wektory pr dko ci otrzymuje si mierz c przesuni cia cz stek w odcinku czasu mi dzy dwoma impulsami wiat a. Lasery w m etrologii 8