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velocimetría láser Doppler

La velocimetría láser Doppler , también conocida como anemometría láser Doppler , es una técnica que utiliza el efecto Doppler de un haz láser para medir la velocidad en flujos ...

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La velocimetría láser Doppler , también conocida como anemometría láser Doppler , es una técnica que utiliza el efecto Doppler de un haz láser para medir la velocidad en flujos de fluidos transparentes o semitransparentes, o el movimiento lineal o vibratorio de superficies opacas y reflectantes. La medición con anemometría láser Doppler es absoluta y lineal con la velocidad, y no requiere calibración previa.

Instalación de anemometría láser Doppler en funcionamiento en el Laboratorio de Tecnología de Gases ( Universidad Tecnológica de Poznań ).

Origen de la tecnología

El desarrollo del láser de helio-neón (He-Ne) en 1962 en los Laboratorios Bell Telephone proporcionó a la comunidad óptica una fuente de radiación electromagnética de onda continua altamente concentrada en una longitud de onda de 632,8 nanómetros (nm) en la porción roja del espectro visible . [ 1 ] Se descubrió que se podían realizar mediciones de flujo de fluidos utilizando el efecto Doppler en un haz de He-Ne dispersado por pequeñas esferas de poliestireno en el fluido. [ 2 ]

En los laboratorios de investigación de Brown Engineering Company (más tarde Teledyne Brown Engineering), este fenómeno se utilizó para desarrollar el primer caudalímetro láser Doppler mediante procesamiento de señal heterodina. [ 3 ] Este instrumento se conoció como velocímetro láser Doppler y la técnica se denominó velocimetría láser Doppler. También se la conoce como anemometría láser Doppler.

Las primeras aplicaciones de la velocimetría láser Doppler incluyeron la medición y el mapeo de los gases de escape de motores de cohetes con velocidades de hasta 1000  m/s, así como la determinación del flujo en una arteria sanguínea cercana a la superficie. También se desarrollaron instrumentos similares para el monitoreo de superficies sólidas, con aplicaciones que abarcan desde la medición de velocidades de productos en líneas de producción de fábricas de papel y acero hasta la medición de la frecuencia y amplitud de vibración de superficies. [ 4 ]

Principios de funcionamiento

En su forma más simple y actualmente más utilizada, la velocimetría láser Doppler cruza dos haces de luz láser colimada , monocromática y coherente en el flujo del fluido que se está midiendo. Los dos haces se obtienen generalmente dividiendo un solo haz, lo que garantiza la coherencia entre ambos.  Se suelen utilizar láseres con longitudes de onda en el espectro visible (390–750 nm); estos son típicamente He-Ne, iones de argón o diodos láser , lo que permite observar la trayectoria del haz. Un sistema de óptica de transmisión enfoca los haces para que se crucen en sus puntos de máxima interferencia (el punto focal de un haz láser), donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. A medida que las partículas (ya sean naturales o inducidas) arrastradas por el fluido pasan a través de las franjas, dispersan la luz que luego es recogida por una óptica de recepción y enfocada en un fotodetector (típicamente un fotodiodo de avalancha ).

La luz dispersa fluctúa en intensidad, cuya frecuencia es equivalente al desplazamiento Doppler entre la luz incidente y la dispersa, y por lo tanto es proporcional a la componente de la velocidad de la partícula que se encuentra en el plano de los dos haces 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. Al combinar tres dispositivos (por ejemplo, He-Ne, iones de argón y diodo láser) con diferentes longitudes de onda, se pueden medir simultáneamente las tres componentes de la velocidad del flujo. [ 5 ]

Otra forma de velocimetría láser Doppler, utilizada particularmente en el desarrollo inicial de dispositivos, emplea un enfoque completamente diferente, similar al de un interferómetro . El sensor también divide el haz láser en dos partes: una (el haz de medición) se enfoca en el flujo y la segunda (el haz de referencia) pasa fuera del flujo. Una óptica receptora proporciona una trayectoria que intersecta el haz de medición, formando un pequeño volumen. Las partículas que atraviesan este volumen dispersan la luz del haz de medición con un desplazamiento Doppler; una parte de esta luz es captada por la óptica receptora y transferida al fotodetector. El haz de referencia también se envía al fotodetector, donde la detección heterodina óptica produce una señal eléctrica proporcional al desplazamiento Doppler, mediante la cual se puede determinar la componente de velocidad de la partícula perpendicular al plano de los haces. [ 6 ]

El esquema de detección de señal del instrumento utiliza el principio de detección heterodina óptica. Este principio es similar al de otros instrumentos basados ​​en el efecto Doppler láser, como el vibrómetro Doppler láser o el velocímetro de superficie láser . Es posible aplicar técnicas digitales a la señal para obtener la velocidad como una fracción medida de la velocidad de la luz ; por lo tanto, en cierto sentido, la velocimetría Doppler láser es una medición fundamental trazable al Sistema Internacional de Unidades (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 se suele elegir frente a otras formas de medición de caudal porque el equipo puede ubicarse fuera del flujo que se está midiendo y, por lo tanto, no afecta al mismo. Algunas aplicaciones típicas incluyen las siguientes:

  • Experimentos de velocidad en túnel de viento para probar la aerodinámica de aeronaves, misiles, automóviles, camiones, trenes, edificios y otras estructuras.
  • Mediciones de velocidad en flujos de agua (investigación en hidrodinámica general, diseño de cascos de barcos, maquinaria rotativa, flujos en tuberías, flujos en canales, etc.)
  • Investigación sobre inyección y pulverización de combustible donde es necesario medir velocidades dentro de los motores o a través de boquillas.
  • Investigación ambiental (investigación sobre combustión, dinámica de olas, ingeniería costera , modelado de mareas, hidrología fluvial, etc.). [ 8 ]

Una desventaja ha sido que los sensores de velocimetría láser Doppler dependen del alcance; deben calibrarse minuciosamente y las distancias que miden deben definirse con precisión. Esta limitación de distancia se ha superado recientemente, al menos parcialmente, con un nuevo sensor independiente del alcance. [ 9 ]

Automatización

La velocimetría láser Doppler puede ser útil en la automatización, incluyendo los ejemplos de flujo mencionados anteriormente. También se puede utilizar para medir la velocidad de objetos sólidos, como cintas transportadoras . Esto resulta útil en situaciones donde acoplar un codificador rotatorio (u otro dispositivo mecánico de medición de velocidad) a la cinta transportadora es imposible o poco práctico.

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. En el ámbito clínico, esta tecnología se conoce como flujometría láser Doppler; cuando se obtienen imágenes, se denomina imagen láser Doppler . El haz de un láser de baja potencia (generalmente un diodo láser ) penetra la piel lo suficiente como para dispersarse con un efecto Doppler por los glóbulos rojos y regresar para concentrarse en un detector. Estas mediciones son útiles para monitorizar el efecto del ejercicio, los tratamientos farmacológicos, las manipulaciones ambientales o físicas en áreas vasculares microscópicas específicas . [ 10 ]

El vibrómetro láser Doppler se utiliza en otología clínica para medir el desplazamiento de la membrana timpánica (tímpano), el martillo y la cabeza de la prótesis en respuesta a estímulos sonoros con niveles de presión sonora de 80 a 100 dB . También tiene potencial uso en el quirófano para medir el desplazamiento de la prótesis y el estribo . [ 11 ]

La tecnología de evitación de peligros de aterrizaje autónomo utilizada en el módulo lunar del Proyecto Morpheus de la NASA para encontrar automáticamente un lugar de aterrizaje seguro contiene un velocímetro Doppler lidar 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 terminal precisa. [ 13 ]

Calibración y medición

La velocimetría láser Doppler se utiliza en el análisis de vibraciones de dispositivos MEMS , a menudo para comparar el rendimiento de dispositivos como los acelerómetros en un chip con sus modos de vibración teóricos (calculados). Como ejemplo específico donde las características únicas de la velocimetría láser Doppler son importantes, la medición de la velocidad de un dispositivo de balanza de vatios MEMS [ 14 ] ha permitido una mayor precisión en la medición de fuerzas pequeñas que la que era posible anteriormente, al medir directamente la relación entre esta velocidad y la velocidad de la luz. Esta es una medición fundamental y trazable que ahora permite la trazabilidad de fuerzas pequeñas al Sistema Internacional de Unidades (SI).

Véase también

Referencias

  1. ↑ White, AD y JD Rigden, "Operación continua de un máser de gas en el visible". Proc IRE , vol. 50, pág. 1697: julio de 1962, pág. 1697. Patente estadounidense 3,242,439 .
  2. ↑ Yeh, Y.; Cummins, HZ (1964). "Mediciones localizadas de flujo de fluidos con un espectrómetro láser de He-Ne". Applied Physics Letters . 4 (10): 176. Bibcode : 1964ApPhL...4..176Y . doi : 10.1063/1.1753925 .
  3. ↑ Foreman, JW; George, EW; Lewis, RD (1965). "Medición de velocidades de flujo localizadas en gases con un caudalímetro láser Doppler". Applied Physics Letters . 7 (4): 77. Bibcode : 1965ApPhL...7...77F . doi : 10.1063/1.1754319 .
  4. ↑ 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.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  5. ^ Drain, LE (1980) La técnica láser Doppler , John Wiley & Sons, ISBN 0-471-27627-8
  6. ↑ Durst, F; Melling, A. y Whitelaw, JH (1976) Principios y práctica de la anemometría láser Doppler , Academic Press, Londres, ISBN 0-12-225250-0
  7. ↑ Portoles, Jose F.; Cumpson, Peter J.; Allen, Stephanie; Williams, Phillip M.; Tendler, Saul JB (2006). "Mediciones precisas de velocidad de vibraciones de voladizos de AFM mediante interferometría Doppler". Journal of Experimental Nanoscience . 1 (1): 51– 62. Bibcode : 2006JENan...1...51P . doi : 10.1080/17458080500411999 . S2CID 136618366 . 
  8. ↑ Dantec Dynamics, “Anemometría láser Doppler” .
  9. ↑ Moir, Christopher I (2009). "<title>Sistemas de velocimetría láser doppler en miniatura</title>". En Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (eds.). Sensores ópticos 2009. Vol. 7356. pp. 73560I. doi : 10.1117/12.819324 . S2CID 123294042 .   
  10. ↑ Stern, Michael D. (1985). "Velocimetría láser Doppler en sangre y fluidos de dispersión múltiple: Teoría". Applied Optics . 24 (13): 1968. Bibcode : 1985ApOpt..24.1968S . doi : 10.1364/AO.24.001968 . PMID 18223825 . 
  11. ↑ Goode, RL; Ball, G; Nishihara, S; Nakamura, K (1996). "Vibrómetro láser Doppler (LDV): una nueva herramienta clínica para el otólogo". The American Journal of Otology . 17 (6): 813– 22. PMID 8915406 . 
  12. ↑ "ALHAT detecta peligros de aterrizaje en la superficie" . Noticias de investigación, Centro de Investigación Langley . NASA . Consultado el 8 de febrero de 2013 .
  13. ↑ "AGM-129 Misil de crucero avanzado [ ACM ] " . GlobalSecurity.org . 24 de julio de 2011. Consultado el 30 de enero de 2015 .
  14. ↑ Cumpson, Peter J.; Hedley, John (2003). "Mediciones analíticas precisas en el microscopio de fuerza atómica: un estándar de constante elástica microfabricado potencialmente trazable al SI". Nanotechnology . 14 (12): 1279– 1288. Bibcode : 2003Nanot..14.1279C . doi : 10.1088/0957-4484/14/12/009 . PMID 21444981 . S2CID 2500055 .