Laser-Doppler-Anemometrie
Laser-Doppler-Anemometrie
Laser-Doppler-Anemometrie
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<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt<br />
Ein laseroptisches<br />
Messverfahren zur<br />
berührungslosen<br />
Messung von<br />
Strömungsgeschwindigkeiten<br />
SoSe 2008 <strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
<strong>Laser</strong>fernerkundung<br />
Beispiel: LIDAR<br />
LIght Detection And Ranging<br />
siehe www.uni-hohenheim.de/www120<br />
SoSe 2008<br />
Aerosole Temperatur<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Hohenheimer Temperaturlidar<br />
Dr. Andreas Behrendt
<strong>Laser</strong>fernerkundung<br />
Beispiel: LIDAR<br />
LIght Detection And Ranging<br />
siehe www.uni-hohenheim.de/www120<br />
Hohenheimer Wasserdampflidar<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Wasserdampfmischungsverhältnis<br />
Dr. Andreas Behrendt
Fortsetzung LDA:<br />
SoSe 2008<br />
Strömungsfeld um ein Schiffsmodell<br />
in einem Windkanal<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Anemometer – Windmesser (anemos – griechisch: Wind)<br />
Erfunden von Yeh und Cummins im Jahr 1964<br />
Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden (Gasen, Flüssigkeiten), in<br />
denen Streupartikel vorhanden sind<br />
Berührungslose Messung<br />
Absolute Messtechnik, keine Kalibrierung erforderlich<br />
Sehr hohe Messgenauigkeit<br />
Sehr hohe räumliche Auflösung der Messung, da kleines Messvolumen<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Anwendungen:<br />
Geschwindigkeitsmessungen von Partikeln (Windmessung, Fließgeschwindigkeit des<br />
Blutes,...)<br />
Untersuchung laminarer oder turbulenter Strömungen oder von Überschall-<br />
Strömungen (Aerodynamic bzw. Hydrodynamic von Turbinen, Autos, Flugzeugen,<br />
Schiffen,...)<br />
Untersuchung von Oberflächenbewegungen und -schwingungen<br />
Messungen z.B. in heißer Umgebung (Flammen, Plasma)<br />
...... etc, etc, etc.<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Luftströmungen um ein Helikopter-<br />
rotormodell in einem Windkanal<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Wirbelfelder um ein Schiffsmodell<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Strömungsfeld um ein Automodell in<br />
SoSe 2008<br />
einem Windkanal<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt<br />
(1:5)
SoSe 2008<br />
Strömungsfeld<br />
um eine Schiffsschraube<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Geschwindigkeitsprofil<br />
in einem Wasserrohr<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Messanordnung, Übersicht<br />
SoSe 2008<br />
f 0<br />
f 0<br />
f 0<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
f 0 und f‘<br />
Detektor<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Messprinzip 1: <strong>Doppler</strong>effekt<br />
Messprinzip 2: Schwebung<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
-1<br />
-100 -50 0 50 100<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Messprinzip 1: <strong>Doppler</strong>effekt<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Christian <strong>Doppler</strong>, 1803 - 1853<br />
Der <strong>Doppler</strong>-Effekt wurde nach dem österreichischen Physiker und Mathematiker<br />
Christian <strong>Doppler</strong> benannt, der ihn 1842 voraussagte. <strong>Doppler</strong> wollte die<br />
unterschiedlichen Farben der Sterne durch ihre Eigenbewegung erklären. Auch<br />
wenn er damit falsch lag - die Farben entstehen durch unterschiedliche<br />
Oberflächentemperatur der Sterne - war seine Berechnung im Prinzip richtig.<br />
SoSe 2008<br />
(Quelle: Wikipedia)<br />
Dr. Andreas Behrendt
Messprinzip 1: <strong>Doppler</strong>effekt<br />
Ein Experiment zum <strong>Doppler</strong>-Effekt mit Schallwellen wurde 1845 vom Physiker<br />
Christoph Buys Ballot durchgeführt. Er postierte dazu mehrere Trompeter sowohl auf<br />
einem fahrenden Eisenbahnzug als auch neben der Bahnstrecke. Beim Vorbeifahren<br />
sollte jeweils einer von ihnen ein G spielen und die anderen die gehörte Tonhöhe<br />
bestimmen. Trotz Schwierigkeiten bei der Durchführung - das Geräusch der<br />
Lokomotive war sehr laut, die Musiker waren manchmal unaufmerksam - gelang es<br />
Buys Ballot, den <strong>Doppler</strong>-Effekt zu bestätigen.<br />
Hippolyte Fizeau entdeckte den <strong>Doppler</strong>-Effekt für elektromagnetische Wellen im<br />
Jahre 1848.<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
(Quelle: Wikipedia)<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
www.walter-fendt.de/ph11d/doppler.htm<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
www.jgiesen.de/astro/stars/<strong>Doppler</strong>Effekt/<strong>Doppler</strong>Applet/index.htm<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
<strong>Doppler</strong>effektformel<br />
f = f<br />
2 1<br />
Näherung für v
y<br />
SoSe 2008<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
-1<br />
-2π -π 0 π 2π<br />
-2π -π 0 π 2π<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
x<br />
Sin x<br />
Dr. Andreas Behrendt<br />
Cos x
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
Messprinzip 2: Schwebung<br />
-1<br />
-100 -50 0 50 100<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
-1<br />
-100 -50 0 50 100<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
y 1= Sin x<br />
y 2=Sin (1,1 x)<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
Schwebung<br />
-1<br />
-100 -50 0 50 100<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
-1<br />
-100 -50 0<br />
.<br />
50 100<br />
Sin(x)<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Sin(1,1 x)<br />
Sin(x)<br />
Sin(1,1 x)<br />
Sin(0,1 x)<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Schwebungsfrequenz<br />
1<br />
0.5<br />
0<br />
-0.5<br />
Schwebung<br />
Δ f = f − f<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
2<br />
1<br />
-1<br />
-100 -50 0<br />
.<br />
50 100<br />
Sin(x)<br />
Sin(1,1 x)<br />
Sin(0,1 x)<br />
Dr. Andreas Behrendt
Messanordnung, Übersicht<br />
SoSe 2008<br />
f 0<br />
f 0<br />
f 0<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
f 0 und f‘<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
2x <strong>Doppler</strong>effektformel<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
f<br />
P<br />
f ′<br />
=<br />
=<br />
f<br />
f<br />
0<br />
⎛ v<br />
⎜1+<br />
⎝ c<br />
⎛ v<br />
⎜ −<br />
⎝ c<br />
P 1<br />
E<br />
S<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Messanordnung, Detail<br />
Δf<br />
=<br />
2<br />
λ<br />
0<br />
v<br />
P<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
( )<br />
⎛ ϕ ⎞<br />
cos φ sin⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Intensitätsverteilung im<br />
Überkreuzungspunkt der<br />
<strong>Laser</strong>strahlen 1 und 2<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Intensitätsverteilung im<br />
Überkreuzungspunkt der<br />
<strong>Laser</strong>strahlen 1 und 2<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
d (bekannt)<br />
λ0<br />
λ0<br />
d =<br />
= = 5,3 mm μm<br />
2 tan<br />
( ϕ 2)<br />
cos(<br />
ϕ 2)<br />
2 sin(<br />
ϕ 2)<br />
0<br />
a<br />
a<br />
Dr. Andreas Behrendt
Berücksichtigung der Gauß-förmigen<br />
Intensitätsverteilung der <strong>Laser</strong>strahlen 1 und 2<br />
SoSe 2008<br />
C'<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
C"<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
d = 5,3 μm<br />
v<br />
P<br />
cos<br />
( )<br />
φ =<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
5,3 μm<br />
T<br />
Dr. Andreas Behrendt
Messanordnung, Übersicht<br />
SoSe 2008<br />
f 0<br />
f 0<br />
f 0<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
f 0 und f‘<br />
Detektor<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
Versuchsaufbau<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
v<br />
P<br />
=<br />
5,3 μm<br />
T<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
Der Metallbügel sitzt auf einem y-t-Schreiber,<br />
der von verschiedenen Spannungen eines Funktionsgenerators<br />
angetrieben wird.<br />
Wir variieren Frequenz und Amplitude der Spannungen<br />
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
Dr. Andreas Behrendt
SoSe 2008<br />
<strong>Laser</strong>-<strong>Doppler</strong>-<strong>Anemometrie</strong><br />
Dr. Andreas Behrendt
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