Wyznaczanie prędkości przepływu cząstek metodą dopplerowskiej anemometrii laserowej
Zagadnienia do opracowania.
- Dopplerowska anemometria laserowa LDA (model dopplerowski, model prążkowy):
- zasada LDA;
- jedno i wielokanałowe systemy LDA;
- obszary zastosowań LDA, zalety i wady.
- Fale elektromagnetyczne i ich opis.
- Zjawiska związane z falową naturą światła:
- dyfrakcja;
- interferencja;
- dudnienia;
- prążki moiré;
- efekt Dopplera.
- Rozpraszanie światła przez cząstki (Mie scattering).
- Mechanika płynów:
- przepływ laminarny, turbulentny;
- liczba Reynoldsa.
- Przetwarzanie i analiza sygnałów:
- analiza widmowa sygnałów:
- transformata Fouriera;
- dyskretna transformata Fouriera;
- widmowa gęstość mocy;
- szybka transformata Fouriera (FFT).
- przetwarzanie analogowo-cyfrowe:
- próbkowanie;
- twierdzenie Shanona–Kotielnikowa;
- aliasing (maskowanie);
- filtry górnoprzepustowe i dolnoprzepustowe;
- kondycjonowanie sygnału.
- analiza widmowa sygnałów:
- Bieg promieni przez układy zwierciadeł i soczewek.
- Budowa i zasada działania lasera He-Ne.
Zestaw przyrządów.
- Płyta główna (podstawa).
- Laser He-Ne, λ=632.8 nm, 5mW.
- Zasilacz i kontroler do lasera.
- Wzmacniacz fotodetektora.
- Interfejs Cobra 3.
- Dwa zwierciadła płaskie.
- Dzielnik wiązki światła 50:50.
- Soczewki o ogniskowych: 20mm, 50mm, 100mm.
- Stolik z kuwetą pomiarową.
- Fotodetektor.
- Przesłona irysowa, przesłona o otworze kołowym 30 µm.
- Dwie butle 1000ml.
- Ekran.
Literatura.
- B. Ziętek – „Lasery”, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2009.
- B. Ziętek – „Optoelektronika”,Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2004.
- A. Dubik – „Zastosowania laserów”, WNT, 1991.
- F. Kaczmarek – „Wstęp do fizyki laserów”, WNT, 1978.
- S. Zator – „Laserowe przepływomierze dopplerowskie”, Politechnika Opolska, 2007.
- J. Izydorczyk, G. Plonka, G.Tyma – „Teoria Sygnałów. Wstęp”, Helion.
- J. Szabatin – „Podstawy teorii Sygnałów”, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2000.
- J.M. Wojciechowski – „Sygnały i systemy”, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2008.
- F.C. Crawford – „Fale”,PWN, Warszawa 1975.
- B. Jaworski, A. Dietłaf – „Kurs fizyki”, Tom 3, PWN, Warszawa 1971.
- H. Szydłowski – „Pracownia fizyczna”, PWN, Warszawa 1980.
- D.Halliday, R.Resnick, J.Walker – „Podstawy fizyki”,Tom 2, PWN, 2005.
- R.Gryboś – „Podstawy mechaniki płynów”, Część 2, PWN, 1998.
- J.Bukowski – „Kurs mechaniki płynów”, PWN, 1980.
- J. W. Elsner – „Turbulencja przepływów”, PWN, 1987.
- Z. Kosma – „Podstawy mechaniki płynów”, Wydawnictwo Politechnika Radomska, 2007.
- Strony internetowe, np.: Dantec Dynamics – firma zajmująca się kompleksowymi rozwiązaniami w zakresie techniki pomiarów przepływów.
- L.E. Drain – “The Laser Doppler Technique”, John Wiley and Sons, 1980.
- F. Durst, M. Zare – “Laser Doppler Measurements in Two-Phase Flows”,LDA-Symposium, Copenhagen, 1975, p. 403-429.
- Y. Yeh, H.Z. Cummings–“Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer”, Appl. Phys. Lett. 4, 176, 1964.
- J. F. Douglas – “Fluid Mechanics”, Harlow, Longman, 1996.
- F. Durst, A. Melling, J. Whitelaw – “Principlesand Practices of Laser Doppler Anemometry”, Academic Press, 1981.
- P.W. Milonni, J.H. Eberly – “Lasers”, John Wiley and Sons, 1988.
- G.F. Lothion – “Optics and its Uses”, VNR, 1975.
- M. Tadeusiewicz – “Signals and Systems”, Technical University of Łódź, 2004.
- A. Reimann – “Physics”, Part1&2, Barnes and Noble, 1971.
- Sears and Zemansky’s –“University Physics with Modern Physics”, Pearson Addison-Wesley, 2008.
- PHYWE Handbook „Laboratory Experiments Physics”.
Determination of a particle’s velocity using laser anemometry
Background theory
- Laser doppler anemometry LDA (Doppler model):
a) LDA principles;
b) single and multi-channel LDA systems;
c) applications of LDA, advantages and disadvantages.
- Electromagnetic waves.
- Phenomena associated with the wave nature of light:
a) diffraction;
b) interference;
c) beats;
d) moiré patterns;
e) Doppler effect.
- Scattering of light by particles (Mie scattering).
- Fluid mechanics:
a) laminar and turbulent flow;
b) Reynolds number.
- Signal processing and analysis:
a) spectral analysis of signals:
- Fourier transform;
- discrete Fourier transform;
- spectral power density;
- fast Fourier transform (FFT).
b) digital-analogue processing:
- sampling;
- Nyquist–Shannon sampling theorem;
- aliasing (masking);
- high and low-pass filters;
- signal conditioning.
- Beam path through a system of lenses and mirrors.
- Construction and operation of He-Ne lasers.
Apparatus
- Base plate.
- He-Ne laser, λ=632.8 nm, 5 mW.
- Laser power supply and controller.
- Photodetector amplifier.
- Cobra 3 interface.
- Two plane mirrors.
- 50:50 Beam splitter.
- Lenses with focal lengths : 20 mm, 50 mm, 100 mm.
- Mounted cuvette.
- Photodetector.
- Iris diaphragm, circular aperture of 30µm.
- Two 1000 ml bottles.
- Screen.
Literature
-
- L.E. Drain – “The Laser Doppler Technique”, John Wiley and Sons, 1980.
- F. Durst, M. Zare – “Laser Doppler Measurements in Two-Phase Flows”, LDA-Symposium, Copenhagen, 1975, p. 403-429.
- Y. Yeh, H.Z. Cummings – “Localized Fluid Flow Measurements with an He-Ne Laser Spectrometer”, Appl. Phys. Lett. 4, 176, 1964.
- J. F. Douglas – “Fluid Mechanics”, Harlow , Longman, 1996.
- F. Durst, A. Melling, J. Whitelaw – “Principles and Practices of Laser Doppler Anemometry”, Academic Press, 1981.
- P.W. Milonni, J.H. Eberly – “Lasers”, John Wiley and Sons, 1988.
- G.F. Lothion – “Optics and its Uses”, VNR, 1975.
- M. Tadeusiewicz – “Signals and Systems”, Technical University of Łódź, 2004.
- A. Reimann – “Physics”, Part 1 & 2, Barnes and Noble, 1971.
- Sears and Zemansky’s – “University Physics with Modern Physics”, Pearson Addison – Wesley, 2008.
Dodaj komentarz
Chcesz się przyłączyć do dyskusji?Feel free to contribute!