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Laser-Doppler-AnemometrieDr. Andreas Behrendt
Ein laseroptisches Messverfahren zur
Dr. Andreas Behrendt SoSe 2008 Laser-Doppler-Anemometrie
Messverfahren zur berührungslosen
Messung von Strömungs-
geschwindigkeiten
LaserfernerkundungBeispiel: LIDARLIght Detection And Ranging
siehe www.uni-hohenheim.de/www120
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-AnemometrieSoSe 2008
Hohenheimer TemperaturlidarAerosole Temperatur
LaserfernerkundungBeispiel: LIDARLIght Detection And Ranging
siehe www.uni-hohenheim.de/www120
Hohenheimer Wasserdampflidar
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-AnemometrieSoSe 2008
Wasserdampfmischungsverhältnis
Strömungsfeld um ein Schiffsmodell in einem Windkanal
Fortsetzung LDA:
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-AnemometrieSoSe 2008
Anemometer – Windmesser (anemos – griechisch: Wind)
� Erfunden von Yeh und Cummins im Jahr 1964
� Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden (Gasen, Flüssigkeiten), in
denen Streupartikel vorhanden sind
� Berührungslose Messung
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
� Absolute Messtechnik, keine Kalibrierung erforderlich
� Sehr hohe Messgenauigkeit
� Sehr hohe räumliche Auflösung der Messung, da kleines Messvolumen
SoSe 2008
Anwendungen:
� Geschwindigkeitsmessungen von Partikeln (Windmessung, Fließgeschwindigkeit des
Blutes,...)
� Untersuchung laminarer oder turbulenter Strömungen oder von Überschall-
Strömungen (Aerodynamic bzw. Hydrodynamic von Turbinen, Autos, Flugzeugen,
Schiffen,...)
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
� Untersuchung von Oberflächenbewegungen und -schwingungen
� Messungen z.B. in heißer Umgebung (Flammen, Plasma)
� ...... etc, etc, etc.
SoSe 2008
Luftströmungen um ein Helikopter-rotormodell in einem Windkanal
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-AnemometrieSoSe 2008
Strömungsfeld um ein Automodell in einem Windkanal
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
(1:5)
SoSe 2008
Messanordnung, Übersicht
f0
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
f0
f0
f0 und f‘
Detektor
SoSe 2008
Messprinzip 1: Dopplereffekt
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
Messprinzip 2: Schwebung
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
SoSe 2008
Messprinzip 1: Dopplereffekt
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
Christian Doppler, 1803 - 1853
Der Doppler-Effekt wurde nach dem österreichischen Physiker und Mathematiker Christian Doppler benannt, der ihn 1842 voraussagte. Doppler wollte die unterschiedlichen Farben der Sterne durch ihre Eigenbewegung erklären. Auch wenn er damit falsch lag - die Farben entstehen durch unterschiedliche Oberflächentemperatur der Sterne - war seine Berechnung im Prinzip richtig.
(Quelle: Wikipedia)
SoSe 2008
Messprinzip 1: Dopplereffekt
Ein Experiment zum Doppler-Effekt mit Schallwellen wurde 1845 vom Physiker Christoph Buys Ballot durchgeführt. Er postierte dazu mehrere Trompeter sowohl auf einem fahrenden Eisenbahnzug als auch neben der Bahnstrecke. Beim Vorbeifahren sollte jeweils einer von ihnen ein G spielen und die anderen die gehörte Tonhöhe bestimmen. Trotz Schwierigkeiten bei der Durchführung - das Geräusch der Lokomotive war sehr laut, die Musiker waren manchmal unaufmerksam - gelang es
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
Lokomotive war sehr laut, die Musiker waren manchmal unaufmerksam - gelang es Buys Ballot, den Doppler-Effekt zu bestätigen.
Hippolyte Fizeau entdeckte den Doppler-Effekt für elektromagnetische Wellen im Jahre 1848.
(Quelle: Wikipedia)
SoSe 2008
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
www.jgiesen.de/astro/stars/DopplerEffekt/DopplerApp let/index.htm
SoSe 2008
Dopplereffektformel
2 1 2
1
1
vcf fv
±=
±
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
±=cv
ff 112
1vc ±
Näherung für v << c
SoSe 2008
0
0.5
1-2π -π 0 π 2π
y
Sin x
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
-2π -π 0 π 2π-1
-0.5
0
x
y
Cos x
SoSe 2008
Messprinzip 2: Schwebung
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
y1= Sin x
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
y2=Sin (1,1 x)
SoSe 2008
Schwebung
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
Sin(x)
Sin(1,1 x)
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
Sin(1,1 x)Sin(x)
Sin(0,1 x)
.SoSe 2008
Schwebung
12f ff∆ = −Schwebungsfrequenz
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
-100 -50 0 50 100-1
-0.5
0
0.5
1
Sin(1,1 x)Sin(x)
Sin(0,1 x)
.SoSe 2008
Messanordnung, Übersicht
f0
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
f0
f0
f0 und f‘
SoSe 2008
2x Dopplereffektformel
+=c
vff S0P 1
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
−=′c
vff EP 1
SoSe 2008
Messanordnung, Detail
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
( )
ϕφλ
=∆2
sincos2
P0
vf
SoSe 2008
Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der
Laserstrahlen 1 und 2
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-AnemometrieSoSe 2008
Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der Laserstrahlen 1 und 2
0
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
d (bekannt)
( ) ( ) ( ) mm 5,32sin22cos2tan2
00 =ϕ
λ=ϕϕ
λ=d µm
aa
SoSe 2008
Berücksichtigung der Gauß-förmigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlen 1 und 2
C"
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
C'
SoSe 2008
Messanordnung, Übersicht
f0
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
f0
f0
f0 und f‘
Detektor
SoSe 2008
Der Metallbügel sitzt auf einem y-t-Schreiber, der von verschiedenen Spannungen eines Funktions-
generators angetrieben wird.Wir variieren Frequenz und Amplitude der Spannungen
S
S
Dr. Andreas Behrendt Laser-Doppler-Anemometrie
S S
S
S
SoSe 2008
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