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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


Wasserdampfmischungsverhältnis

Strömungsfeld um ein Schiffsmodell in einem Windkanal

Fortsetzung LDA:


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,...)


� 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


Wirbelfelder um ein Schiffsmodell


Strömungsfeld um ein Automodell in einem Windkanal


(1:5)

SoSe 2008

Strömungsfeldum eine Schiffsschraube


Geschwindigkeitsprofilin einem Wasserrohr


Messanordnung, Übersicht

f0


f0

f0

f0 und f‘

Detektor

SoSe 2008

Messprinzip 1: Dopplereffekt


Messprinzip 2: Schwebung

-100 -50 0 50 100-1

-0.5

0

0.5

1

SoSe 2008



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


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


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


www.walter-fendt.de/ph11d/doppler.htm

SoSe 2008


www.jgiesen.de/astro/stars/DopplerEffekt/DopplerApp let/index.htm

SoSe 2008

Dopplereffektformel

2 1 2

1

1

vcf fv

±=

±


±=cv

ff 112

1vc ±

Näherung für v << c

SoSe 2008

0

0.5

1-2π -π 0 π 2π

y

Sin x


-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


-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)


-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


-100 -50 0 50 100-1

-0.5

0

0.5

1

Sin(1,1 x)Sin(x)

Sin(0,1 x)

.SoSe 2008


f0


f0

f0

f0 und f‘

SoSe 2008

2x Dopplereffektformel

+=c

vff S0P 1


−=′c

vff EP 1

SoSe 2008

Messanordnung, Detail


( )

ϕφλ

=∆2

sincos2

P0

vf

SoSe 2008

Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der

Laserstrahlen 1 und 2


Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der Laserstrahlen 1 und 2

0


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"


C'

SoSe 2008


d = 5,3 µm

( )P

5,3 mcosv

Tµφ =

SoSe 2008


f0


f0

f0

f0 und f‘

Detektor

SoSe 2008

Versuchsaufbau


P

5,3 mv

Tµ=

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


S S

S

S

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