ANEMOMETRIA LASER DOPPLER. Svolgimento della presentazione Principi di funzionamento: –ADL Laser...

ANEMOMETRIA LASER DOPPLER

Svolgimento della presentazione

• Principi di funzionamento:– ADL

• Laser• Effetto doppler• fotomoltiplicatore

• Configurazioni dell’ ADL• Caratteristiche del segnale• Vantaggi & Svantaggi• Applicazioni

Svolgimento della presentazione



• Configurazioni dell’ADL• Caratteristiche del segnale• Vantaggi & Svantaggi• Applicazioni

Principi di funzionamento: ADL

Un raggio laser incide sulle particelle di una piccola porzione di un fluido; dallo

spostamento di frequenza, dovuto all’effetto doppler, del raggio rifratto rispetto a quello

incidente si ricava la velocità della particella stessa

Principi di funzionamento

• Il laser

• L’effetto Doppler

• Il fotomoltiplicatore

Principi di funzionamento: Il Laser

Emissione stimolata di fotoni • Gli elettroni di un qualsiasi materiale possono

trovarsi in stati ad alta o bassa energia• Utilizzando varie tecniche (es. pompaggio), si

controllano le popolazioni di stati ad alta e bassa energia

• Se il numero di stati eccitati e superiore al numero di stati a bassa energia …

Si ha una “inversione di popolazione”

• Così detta perché è il contrario di quanto succede all’equilibrio

• La radiazione emessa è più intensa di quella assorbita

• Sfruttando una controreazione positiva (il fascio emesso a sua volta stimola), il fascio di luce diventa…

…un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,

appunto)

Caratteristiche del laser

• Direzionalità (limitata dalla diffrazione)• Monocromaticità• Coerenza (spaziale e temporale)• Brillanza (molto importante per

l’applicazione presente)

La frequenza percepita di un’onda cambia per un osservatore in moto relativo rispetto all’onda.

Dall’invarianza della velocità della luce, è indifferente dove si centra il riferimento

Principi di funzionamento: Effetto Doppler

O

VOcos

S

VS

VO

Effetto Doppler

cos)cos(1 V

Vc

La variazione relativa di frequenza è dunque (se

ad es. )

78

10103

100coscos

oo

c

VV

Nell’ipotesi che V<<c:

Principi di funzionamento: il fotomoltiplicatore

• Filtro in cui entra la luce rifratta e esce grandezza elettrica proporzionale alla luce incidente

• Composto di una cascata di superfici fotoemissive, dette dinodi, interposte tra anodo e catodo (al contrario del fototubo)

• Ogni superficie e mantenuta ad un potenziale maggiore della precedente, per accentuare l’emissione di elettroni


- +


Specifiche tipiche di un fotomoltiplicatore:

•Lunghezze d’onda apprezzabili: 110-1100 nm

•Numero di elettroni uscenti dal catodo/numero di fotoni incidenti sull’anodo 1-10%

•Tempo di transito 2-20 ns (che implica una larghezza di banda dai 10 ai 100 MHz circa)



• Configurazioni dell’ ADL• Caratteristiche del segnale• Vantaggi & Svantaggi• Applicazioni

Configurazioni dell’ADL

•Con fascio di riferimento

•Raggio singolo

•Raggio doppio

•Differenziale

Configurazioni dell’ADL: Con riferimento, a Raggio singolo

Configurazioni dell’ADL: Raggio doppio con rifrazione di riferimento

Configurazioni dell’ADL: ADL a raggio di riferimento

In questo caso la relazione tra frequenza misurata e velocità è:

coscos SD

Vf

Essendo:

: Angolo tra vettore velocità della particella e raggio

: Angolo tra raggio di riferimento e raggio riflesso dalla particella

La frequenza Doppller dipende dall’ angolo !!!!

Quindi siccome le lenti hanno apertura finita, questo implica un errore…

Configurazioni dell’ADL: ADL differenziale (forward o backward)

Caratteristiche del segnale: ADL Differenziale (forward o backward)

•La frequenza misurata stavolta è indipendente da chi osserva; detto l’angolo tra i raggi, infatti, si ha:

2

2

sinV

f SD

•Si mette il fotomoltiplicatore davanti (rispetto al laser) o dietro;



• Configurazioni dell’ ADL

• Caratteristiche del segnale• Vantaggi & Svantaggi• Applicazioni

Caratteristiche del segnale

Il campo elettrico incidente sul fotomoltiplicatore (al cui quadrato è proporzionale la tensione in uscita) è la sovrapposizione delle componenti riflesse e rifratte (che si eterodinano):

2121212121

22

22

11

21

221

2

2222

1111

22cos22cos

1)24cos(2

124cos2

...

2cos

2cos

ttttEE

tE

tE

tEtEtE

tEE

tEE


In frequenza quindi si hanno cinque impulsi, di cui uno nell’origine e gli altri dovuti a sinusoidi, piazzati alle frequenze:

212121 ,,2,2 ffff

Tutti dell’ordine di 1014 Hz, eccetto l’ultimo…


• E’ quindi necessario rendere trascurabile il piedistallo massimizzando il prodotto E1 E2 , ovvero facendo sì che E1 = E2

• Questi risultati valgono solo se la misura avviene con continuità; se invece c’è il passaggio di un numero finito di particelle (come avviene in realtà) ad ogni istante, certamente bisognerà utilizzare una gaussiana…


Y

Z

X

Volume di misura

Volume di misura

Distribuzione di intensità

0 1/e 2

1

z

x

y X

Z

Y

Il fascio viene investito dalle particelle. Poiché il fascio ha una distribuzione di potenza nello spazio Gaussiana…


…tale andamento viene modulato in ampiezza, come segue:

burst


L’andamento osservato a seguito del passaggio di più particelle è del seguente tipo:

Caratteristiche del segnale: Il modello a frange d’interferenza

Il volume di misura, con i due raggi, è così schematizzabile:

R1

R2

Vol. di misura

Quindi…

2

v

s

2sen2s

DDf

1

con

cosV

sD

In definitiva:

cos2sen2cosV

s

Vf D

•Fronti d’onda piani, ortogonali alla direzione del raggio loro associato

•Interferenza costruttiva nel piano di intersezione

•Motivo di strisce/piani chiari/e, attraverso cui passano le particelle

Il modello a frange d’Interferenza



• Configurazioni dell’ ADL• Caratteristiche del segnale

• Vantaggi & Svantaggi• Applicazioni

Vantaggi

• Non intrusività• Misura della velocità in componente e segno

(attraverso l’utilizzo di una cella di Bragg)• Lineare• Elevata risoluzione (dovuta al piccolo volume di

misura)• Adatto a flussi ad elevato livello di turbolenza

Svantaggi

• Risposta in frequenza peggiore rispetto ad altri metodi intrusivi

• Elevato costo• Per i flussi di gas, è necessaria la

inseminazione del flusso con particelle solide

• Indatto a misure in presenza di basse turbolenze



• Configurazioni dell’ ADL• Caratteristiche del segnale• Vantaggi & Svantaggi

• Applicazioni

• Flussi laminari e turbolenti• Indagini aerodinamiche (es. flussi supersonici)• Turbine• Misure di velocità di superficie e di vibrazioni• Ambienti “estremi” (fuoco, plasma…)

Applicazioni

Misura del flusso aereo attorno ai rotori di un elicottero (in scala)

Misura del flusso dell’acqua in un modello di pompa

Photo courtesy of Grundfos A/S, DK

Misura del campo fluidodinamico

Photo courtesy of Mercedes-Benz, Germany

Camera di rimorchio

Photo courtesy of Marin, the Netherlands

Misura del flusso aereo attorno ad un modellino di nave

Photo courtesy of University of Bristol, UK

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