LDAの測定原理

レーザードップラー流速計すなわちLDAは、気体や液体の流体力学的研究用ツールとして広く受け入れられており、30年以上にわたりこれらの用途で使用されてきました。これは、流速に関する情報を提供する十分に確立された手法です。

非侵襲的な原理と方向感受性により、物理的センサーの使用が困難または不可能である逆流、化学反応系媒体や高温媒体、回転機械などの用途に非常に適しています。これには、流れの中にトレーサー粒子が必要となります。

この方法の特に優れた点は、非侵襲的な測定や、高空間分解能・高時間分解能、校正不要、逆流中の測定が可能であることです。

LDAの基本構成は以下のとおりです。

先進システムには、横移動システムおよび角度エンコーダーが含まれる場合があります。ビームスプリッターとしてブラッグセルが、頻繁に使用されます。これは、圧電振動子が取り付けられたガラス結晶です。振動は、光グリッドのように作用する音響波を発生します。

ブラッグセルの出力は、周波数f0とfshiftを有する2本の等価強度のレーザー光です。これらのレーザー光は光ファイバーに集束され、1つのプローブに運ばれます。

このプローブ内で、光ファイバーからの平行出射レーザー光は1つのレンズで集光され、プローブ体積内で交差します。

プローブ体積は通常数ミリの長さです。光強度は、2本のレーザー光との間の干渉により変調されます。これにより、フリンジと呼ばれる、高光強度を有する複数の平行面が生成されます。フリンジ距離dfは、以下のように、レーザー光の波長とレーザー光間の角度によって決定されます。

各粒子経路は、局所的な光強度に比例して光を散乱します。

流れの速度情報は、流体中で運ばれる小さな「種」粒子がプローブ体積内を移動する際に発生する散乱光から得られます。散乱光には、ドップラーシフト、すなわちドップラー周波数fD (プローブ体積内に示されたx軸に対応する2本のレーザ光の二等分線に垂直となる速度成分に比例する) が含まれています。

散乱光は受光レンズで集められ、光検出器に集光されます。光検出器の前に取り付けられた干渉フィルターは、必要な波長のみを光検出器に通過させます。これにより、外乱光や他の波長からのノイズが除去されます。

光検出器は、変調する光強度を、ドップラーバースト (レーザー光の強度プロファイルによってガウス型包絡線を持つ正弦波の電気信号) に変換します。

ドップラーバーストは、各粒子のfDを決定するシグナルプロセッサーでフィルタリング・増幅され、これには強固な高速フーリエ変換アルゴリズムを使用した周波数解析が頻繁に使用されます。

干渉縞間隔dfは、粒子の移動距離に関する情報を提供します。

ドップラー周波数fDは、時間に関する情報、つまりt = 1/fDを提供します。

速度は距離を時間で割ったものなので、速度の式は、速度V = df* fDになります。

ブラッグセルで得られた周波数シフトは、干渉縞を等速で移動させます。移動していない粒子は、シフト周波数fshiftの信号を生成します。速度VposとVnegはそれぞれ、信号周波数fposとfnegを生成します。

周波数シフトのないLDAシステムでは、正負の流れの方向を区別したり、速度0を測定したりすることができません。

周波数シフトのあるLDAシステムでは、流れの方向を区別し、速度0を測定することができます。

2つの速度成分を測定するために、最初のレーザー光に垂直な面内にある光学系に2本の別のレーザー光を追加することができます。

3つの速度成分はすべて、以下に示すように、すべてのビームが共通の体積内で交差している状態で、2つの成分と1つの成分を測定する2つの別々のプローブによって測定することができます。測定された成分を分離するために、異なる波長が使用されます。適切な干渉フィルターを備えた3台の光検出器が、3種類の波長の散乱光を検出するために使用されます。

最新のLDAシステムは、ブラッグセルとカラービームスプリッターで構成されるコンパクトな送信装置を採用しており、最大6本のレーザー光 (異なる3色の非シフトと周波数シフトのレーザー光) を生成します。これらのレーザー光は、光ファイバーを介してプローブに送られます。

液体には十分な自然種が含まれていることが多いですが、気体は種粒子の充填が必要であることがほとんどです。

理想的には、粒子は液体中で流れるために十分に小さく、かつ光検出器の出力で良好なS/N比を得るために十分な光散乱を生じるよう十分な大きさでなければなりません。

通常、粒子径の範囲は1 μｍ～10 μｍです。粒子材料は、固体 (粉体) または液体 (液滴) が可能です。