Laser-Doppler-Anemometrie
(Laseroptisches Meßverfahren zur berührungslosen Messung von Strömungsgeschwindigkeiten)

Ein Laser-Doppler-Anemometer besteht i. A. aus einer Laserlichtquelle, der Sende- und der Empfangsoptik. Die Leistungsklasse der eingesetzten Laser liegt üblicherweise im Milliwatt- bis wenigen Watt-Lichtleistungsbereich. Laser, wie sie in der Meßtechnik eingesetzt werden, arbeiten vorwiegend in einem Grundmode, der als TEM00-Mode (Transversal-Elektro-Magnetisch) bezeichnet wird und der durch eine Gaußverteilung der Intensität über den Strahlquerschnitt charakterisiert wird. Das Prinzip der Laser-Doppler-Anemometrie beruht auf der Gegebenheit, daß kohärente Lichtwellen, die von bewegten Phasengrenzflächen gestreut werden, eine Doppler-Frequenzverschiebung aufweisen und somit Geschwindigkeitsinformationen enthalten. Im Fall eines Fluides können suspendierte Teilchen, Tröpfchen, natürliche Verunreinigungen etc. für das Meßverfahren als Streuteilchen ausgenützt werden. Kann vorausgesetzt werden, daß die Streuzentren hinreichend klein sind und keine Eigendynamik im Strömungsraum entwickeln, so kann ihre lokale Geschwindigkeit als lokale Geschwindigkeit des Fluides angesehen werden.


Abb. 1:  Grundprinzip der LDA-Technik

Bei der Laser-Doppler-Anemometrie wird der Lichtstrahl eines Lasers durch eine geeignete Strahlteilungsoptik in zwei Partialstrahlen aufgespalten, siehe Abbildung 1. Die beiden Partialstrahlen werden mit einer Konvexlinse fokussiert und am Brennpunkt der Linse zum Schnitt gebracht. Der Schnittpunkt der beiden Laserstrahlen stellt den Messort dar, an dem die Geschwindigkeitsmessungen durchgeführt werden. Die beiden Laserstrahlen bilden am Ort ihrer Überlagerung ein Schnittvolumen, das als Messvolumen bezeichnet wird. Dieses Meßvolumen muß in die zu messende Strömung positioniert werden. Durch die Verwendung zweier Laserstrahlen nimmt ein Detektor gleichzeitig die Überlagerung zweier Doppler-verschobener Lichtfrequenzen wahr. Die sich ergebende Welle kann aufgefasst werden als eine hochfrequente Signalwelle, die von einer niederfrequenten Schwebung Df = fD1 - fD2 moduliert wird. Diese real detektierbare und diskretisierbare Schwebungsfrequenz liegt in einem leicht auflösbaren Frequenzbereich und zeigt keine Abhängigkeit mehr von der Detektionsrichtung. In der Laser-Doppler-Anemometrie wird die Schwebungsfrequenz Df als Signalfrequenz oder auch "Doppler-Frequenz" bezeichnet.

zurück