레이저 도플러 벨로시메트리

Laser Doppler velocimetry

레이저 도플러 측정법이라고도 하는 레이저 도플러 벨로시메트리는 레이저 빔의 도플러 시프트를 사용하여 투명 또는 반투명 유체 흐름에서의 속도나 불투명한 표면의 선형 또는 진동 운동을 측정하는 기법이다. 레이저 도플러 측정에 의한 측정은 절대적이고 속도에 따라 선형적이며 사전 교정이 필요하지 않다.

가스 기술 연구소(Poznań Technology University of Technology)에서 운영하는 레이저 도플러 측정 시설.

기술 기원

1962년 벨 전화 연구소에서 헬륨-네온 레이저(He-Ne)가 개발되면서 광학계는 가시 스펙트럼의 적색 부분에 632.8나노미터(nm)의 파장에서 고도로 집중된 연속파 전자기 방사원을 이용할 수 있었다.[1] 그것은 곧 액체에 갇힌 매우 작은 폴리스티렌 구에 의해 산란된 헤네 빔에 대한 도플러 효과로부터 유체 흐름 측정이 이루어질 수 있다는 것을 보여주었다.[2]

브라운엔지니어링 컴퍼니 연구실(Later Telidyne Brown Engineering)에서 이 현상은 헤테로디네 신호 처리를 이용한 최초의 레이저 도플러 유량계를 개발하는 데 사용되었다.[3]

이 기구는 곧 레이저 도플러 벨로시미터(Laser Doppler velocimety)와 레이저 도플러 벨로시메트리(Laser Doppler velocimetry)라고 불리게 되었다 또 다른 응용 프로그램 이름은 레이저 도플러 측광법이다. 초기 레이저 도플러 벨로시메트리 애플리케이션은 최대 1000m/s의 속도로 로켓 엔진의 배기가스를 측정하고 매핑하는 것에서부터 표면 가까운 혈동맥의 흐름을 결정하는 것까지 다양했다. 종이와 제철소의 생산 라인에서 제품 속도를 측정하는 것에서부터 표면의 진동수 및 진폭 측정에 이르기까지 다양한 유사 계측기가 고체 표면 모니터링을 위해 개발되었다.[4]

작동 원리

가장 단순하고 현재 가장 많이 사용되는 형태에서 레이저 도플러 벨로시메트리는 측정되는 액체의 흐름에서 시준, 단색, 일관성이 있는 레이저 광선의 두 빔을 교차한다. 두 빔은 보통 단일 빔을 분할하여 얻으므로 두 빔 간의 일관성이 보장된다. 가시 스펙트럼(390~750nm)에 파장을 가진 레이저가 일반적으로 사용된다. 이들은 일반적으로 He-Ne, Argon 이온 또는 레이저 다이오드로서 빔 경로를 관측할 수 있다. 전송 광학 장치는 빔이 웨이스트(레이저 빔의 초점)에서 교차하도록 초점을 맞추고, 여기서 빔이 간섭하고 일련의 직선 프링들을 생성한다. 유체 내에 들어간 입자(자연적으로 발생하거나 유도된)가 프링거를 통과함에 따라, 이들은 수신 광학기에 의해 수집되고 광검출기(일반적으로 눈사태 광다이오드)에 집중되는 빛을 반사한다.

반사된 빛은 강도로 변동하는데, 그 빈도는 입사광과 산란광 사이의 도플러 이동에 해당하며, 따라서 두 개의 레이저 빔의 평면에 있는 입자 속도의 구성요소에 비례한다. 프링글이 흐름 방향에 수직이 되도록 센서가 흐름에 맞춰 정렬되면 광검출기에서 나오는 전기 신호는 최대 입자 속도에 비례한다. 파장이 다른 3개의 장치(예: He-Ne, Argon 이온, 레이저 다이오드)를 결합하면 3개의 유속 성분을 모두 동시에 측정할 수 있다.[5]

레이저 도플러 벨로시메트리의 또 다른 형태는 특히 초기 기기 개발에 사용되었으며 간섭계와 유사한 접근법이 완전히 다르다. 센서는 또한 레이저 빔을 두 부분으로 분할한다. 하나는 유량에 초점을 맞추고 다른 하나는 유량 바깥을 통과한다. 수신 광학 장치는 작은 볼륨을 형성하면서 측정 빔과 교차하는 경로를 제공한다. 이 볼륨을 통과하는 입자는 도플러 이동으로 측정 빔으로부터 빛을 산란시킨다. 이 빛의 일부는 수신 광학 장치에 의해 수집되어 광검출기로 전달된다. 기준 빔은 광학 헤테로디네인 검출이 도플러 시프트에 비례하는 전기 신호를 생성하는 광 검출기로도 보내지며, 이 신호에 의해 빔의 면에 수직인 입자 속도 성분을 결정할 수 있다.[6]

계측기의 신호 검출 체계는 광학 헤테로디네 검출 원리를 사용하고 있다. 이 원리는 레이저 도플러 진동계 또는 레이저 표면 벨로키미터와 같은 다른 레이저 도플러 기반 기기와 유사하다. 신호에 디지털 기법을 적용하여 광속도의 측정된 비율로 속도를 얻을 수 있으며, 따라서 한 가지 의미에서 레이저 도플러 벨로시메트리는 S에 대해 추적 가능한 특히 근본적인 측정이다.I. 측정 시스템.[7]

적용들

레이저 도플러 벨로시메트리가 처음 도입된 이후 수십 년 동안 다양한 레이저 도플러 센서가 개발, 적용됐다.

흐름 연구

레이저 도플러 벨로시메트리는 장비가 측정되는 흐름의 외부에 있을 수 있기 때문에 흐름의 영향을 받지 않기 때문에 다른 형태의 흐름 측정보다 종종 선택된다. 대표적인 애플리케이션으로는 다음과 같은 것들이 있다.

  • 항공기, 미사일, 자동차, 트럭, 기차, 건물 및 기타 구조물의 공기역학 시험을 위한 풍동 속도 실험
  • 물 흐름에서의 속도 측정(일반 유체역학, 선박 선체 설계, 회전 기계, 배관 흐름, 채널 흐름 등)
  • 엔진 내부 또는 노즐을 통한 속도 측정이 필요한 경우 연료 분사 및 분사 연구
  • 환경 연구(연성 연구, 파도 역학, 해안 공학, 조력 모델링, 하천 수문학 등)[8]

한 가지 단점은 레이저 도플러 벨로시메트리 센서는 범위에 따라 다르다는 것이다. 센서는 미세하게 보정되어야 하며 측정 거리는 정확하게 정의되어야 한다. 이 거리 제한은 최근에 독립된 새 센서로 최소한 부분적으로 극복되었다.[9]

자동화

레이저 도플러 벨로시메트리는 위의 흐름 예를 포함하는 자동화에 유용할 수 있다. 컨베이어 벨트 같은 고체 물체의 속도를 측정하는 데도 사용할 수 있다. 이는 회전식 인코더(또는 다른 기계 속도 측정 장치)를 컨베이어 벨트에 부착하는 것이 불가능하거나 비실용적인 경우에 유용할 수 있다.

의료 응용

레이저 도플러 벨로시메트리(Laser Doppler velocimetry)는 피부나 안구 등 인체조직의 혈류를 부분적으로 정량화하는 기법으로 혈류역학 연구에 사용된다. 임상 환경 내에서 이 기술은 흔히 레이저 도플러 플로우메트리라고 하며, 영상이 만들어지면 레이저 도플러 이미징이라고 한다. 저전력 레이저(대개 레이저 다이오드)의 빔은 적혈구에 의한 도플러 이동으로 산란되어 검출기에 집중될 수 있을 정도로 피부를 충분히 관통한다. 이러한 측정은 미세한 크기의 혈관 부위에 대한 운동, 약물 치료, 환경 또는 물리적 조작의 영향을 모니터링하는 데 유용하다.[10]

레이저 도플러 진동계는 80~100dB 음압 수준의 음 입력에 반응하는 고막(어드럼), 말레우스(망치), 보형물 머리 변위 측정을 위해 임상 이식에 사용되고 있다. 또한 수술실에서 보철물과 스태프(스트루프) 변위 측정을 수행하는 데 사용할 수 있다.[11]

항법

나사의 '모페우스 프로젝트' 달 착륙선에 탑재된 '자율 착륙 위험 회피 기술'에는 차량의 고도와 속도를 자동으로 측정하는 리다르 도플러 벨로시미터가 들어 있다.[12] AGM-129 ACM 순항미사일은 레이저 도플러 벨로시계를 이용해 정확한 단자 유도 방식을 사용한다.[13]

교정 및 측정

레이저 도플러 벨로시메트리는 MEMS 기기의 진동 분석에 사용되며, 종종 가속도계 온어칩과 같은 장치의 성능을 이론적(계산된) 진동 모드와 비교하기 위해 사용된다. 레이저 도플러 벨로시메트리의 고유한 특징이 중요한 특정한 예로서, MEMS 와트 밸런스 장치의[14] 속도 측정은 이 속도 대 빛의 속도의 비율을 직접 측정함으로써 이전에 가능했던 것보다 더 큰 정확도를 허용했다. 이것은 이제 S에 대한 작은 힘의 추적성을 허용하는 근본적이고 추적 가능한 측정이다.I. 시스템.

참고 항목

참조

  1. ^ 화이트, A. D., J. D. 리그든, "보이는 곳에서 연속 가스 마저 작동" Proc IRE, vol. 50, 페이지 1697: 1962년 7월, 페이지 1697. 미국 특허 3,242,439.
  2. ^ Yeh, Y.; Cummins, H. Z. (1964). "Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer". Applied Physics Letters. 4 (10): 176. Bibcode:1964ApPhL...4..176Y. doi:10.1063/1.1753925.
  3. ^ Foreman, J. W.; George, E. W.; Lewis, R. D. (1965). "Measurement of Localized Flow Velocities in Gases with a Laser Doppler Flowmeter". Applied Physics Letters. 7 (4): 77. Bibcode:1965ApPhL...7...77F. doi:10.1063/1.1754319.
  4. ^ Watson, R. C., Jr., Lewis, R. D. and Watson, H. J. (1969). "Instruments for Motion Measurement Using Laser Doppler Heterodyning Techniques". ISA Trans. 8 (1): 20–28.{{cite journal}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  5. ^ 배수구, L. E. (1980) 레이저 도플러 기법, 존 와일리 & 선스, ISBN 0-471-27627-8
  6. ^ 더스트, F; 멜링, A.와 화이트리스트, J. H. (1976) 레이저 도플러 측정의 원리 및 실행, 런던 학술지, ISBN 0-12-225250-0
  7. ^ Portoles, Jose F.; Cumpson, Peter J.; Allen, Stephanie; Williams, Phillip M.; Tendler, Saul J. B. (2006). "Accurate velocity measurements of AFM-cantilever vibrations by Doppler interferometry". Journal of Experimental Nanoscience. 1: 51–62. doi:10.1080/17458080500411999.
  8. ^ Dantec Dynamics, ”Laser Doppler Anemometry”.
  9. ^ Moir, Christopher I (2009). "<title>Miniature laser doppler velocimetry systems</title>". In Baldini, Francesco; Homola, Jiri; Lieberman, Robert A (eds.). Optical Sensors 2009. Optical Sensors 2009. Vol. 7356. pp. 73560I. doi:10.1117/12.819324.
  10. ^ Stern, Michael D. (1985). "Laser Doppler velocimetry in blood and multiply scattering fluids: Theory". 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). "Laser Doppler vibrometer (LDV)--a new clinical tool for the otologist". The American Journal of Otology. 17 (6): 813–22. PMID 8915406.
  12. ^ "ALHAT Detects Landing Hazards on the Surface". Research News, Langley Research Center. NASA. Retrieved February 8, 2013.
  13. ^ "AGM-129 Advanced Cruise Missile [ACM]". GlobalSecurity.org. 2011-07-24. Retrieved 2015-01-30.
  14. ^ Cumpson, Peter J.; Hedley, John (2003). "Accurate analytical measurements in the atomic force microscope: a microfabricated spring constant standard potentially traceable to the SI". Nanotechnology. 14 (12): 1279–1288. doi:10.1088/0957-4484/14/12/009. PMID 21444981.

외부 링크