Ein laseroptisches Messverfahren zur berührungslosen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten
Laserfernerkundung Beispiel: LIDAR LIght Detection And Ranging siehe www.uni-hohenheim.de/www120 Aerosole Temperatur Hohenheimer Temperaturlidar
Laserfernerkundung Beispiel: LIDAR LIght Detection And Ranging siehe www.uni-hohenheim.de/www120 Hohenheimer Wasserdampflidar Wasserdampfmischungsverhältnis
Fortsetzung LDA: Strömungsfeld um ein Schiffsmodell in einem Windkanal
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 Absolute Messtechnik, keine Kalibrierung erforderlich Sehr hohe Messgenauigkeit Sehr hohe räumliche Auflösung der Messung, da kleines Messvolumen
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.
Luftströmungen um ein Helikopterrotormodell in einem Windkanal
Wirbelfelder um ein Schiffsmodell
Strömungsfeld um ein Automodell in einem Windkanal (1:5)
Strömungsfeld um eine Schiffsschraube
Geschwindigkeitsprofil in einem Wasserrohr
Messanordnung, Übersicht f 0 f 0 f 0 f 0 und f Detektor
Messprinzip 1: Dopplereffekt Messprinzip 2: Schwebung 1 0.5 0-0.5-1 -100-50 0 50 100
Messprinzip 1: Dopplereffekt 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)
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 Buys Ballot, den Doppler-Effekt zu bestätigen. Hippolyte Fizeau entdeckte den Doppler-Effekt für elektromagnetische Wellen im Jahre 1848. (Quelle: Wikipedia)
www.walter-fendt.de/ph11d/doppler.htm
www.jgiesen.de/astro/stars/dopplereffekt/dopplerapplet/index.htm
Dopplereffektformel f = f 2 1 Näherung für v << c 1± v c v 1 ± c 2 v f = f 1 2 1 ± c
1 0.5-2π -π 0 π 2π Sin x y 0-0.5-1 -2π -π 0 π 2π x Cos x
Messprinzip 2: Schwebung 1 0.5 y 1 = Sin x 0-0.5-1 -100-50 0 50 100 1 0.5 y 2 =Sin (1,1 x) 0-0.5-1 -100-50 0 50 100
Schwebung 1 0.5 0-0.5 Sin(x) Sin(1,1 x) -1-100 -50 0 50 100 1 0.5 0-0.5-1 -100-50 0. 50 100 Sin(x) Sin(1,1 x) Sin(0,1 x)
Schwebung Schwebungsfrequenz f = f 2 f 1 1 0.5 0-0.5-1 -100-50 0. 50 100 Sin(x) Sin(1,1 x) Sin(0,1 x)
Messanordnung, Übersicht f 0 f 0 f 0 f 0 und f
2x Dopplereffektformel f v = f0 + c P 1 S f = f P 1 v E c
Messanordnung, Detail f = 2 λ 0 v P cos ϕ 2 ( ) φ sin
Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der Laserstrahlen 1 und 2
Intensitätsverteilung im Überkreuzungspunkt der Laserstrahlen 1 und 2 0 d (bekannt) a a λ0 λ0 d = = = 5,3 mm µm 2 tan ( ϕ 2) cos( ϕ 2) 2 sin( ϕ 2)
Berücksichtigung der Gauß-förmigen Intensitätsverteilung der Laserstrahlen 1 und 2 C" C'
d = 5,3 µm v P cos ( ) φ = 5,3 µ m T
Messanordnung, Übersicht f 0 f 0 f 0 f 0 und f Detektor
Versuchsaufbau v P = 5,3 µ m T
Der Metallbügel sitzt auf einem y-t-schreiber, der von verschiedenen Spannungen eines Funktionsgenerators angetrieben wird. Wir variieren Frequenz und Amplitude der Spannungen S S S S S S