La vélocimétrie Doppler laser de surface

Les vélocimètres laser de surface fonctionnent selon le principeDoppler appliqué aux lasers ; Ils analysent la lumière laser réfléchie par un objet mobile. Ils se basent sur un procédé sophistiqué appelé détection hétérodyne. Contrairement aux procédés traditionnels et conventionnels, qui mesurent uniquement la valeur absolue de la vitesse, les vélocimètres laser Polytec prennent en compte et mesurent les changements de direction et les arrêts de l'objet. La précision de mesure du capteur ne dépend que de la vitesse, rendant ainsi possible la mesure de petits mouvements avec une grande précision.

 La mesure différentielle Doppler

Afin de réaliser la mesure d’un objet en mouvement il est nécessaire de :

  • Placer le volume de mesure sur la trajectoire/surface de l’objet.
  • Place le système de manière perpendiculaire à la trajectoire/surface de l’objet.

 

Deux faisceaux laser, formant un angle φ par rapport à l'axe optique, sont superposés sur la surface de l’objet. Prenons un point P qui se déplace à la vitesse v à l'intersection de deux faisceaux laser. Les fréquences des deux faisceaux laser sont décalées selon une fréquence Doppler dépendant de v.

Les deux faisceaux laser se superposent dans le volume de mesure et génèrent ainsi dans cet espace un motif d'interférence d'ondes claires et sombres. La distance entre 2 ondes claires (ou sombre), l’interfrange, Δs est une constante qui dépend de la longueur d'onde du laser λ et de l'angle entre les faisceaux de référence 2φ :

Δs = λ/(2 sin φ)

Si une particule se déplace à travers cette figure d’interférence (volume de mesure), l'intensité de la lumière réfléchie par la particule varie. Le récepteur optique, situé dans le capteur, va générer un signal électrique. La fréquence fD est proportionnelle à la vitesse de la surface, selon la formule suivante :

  • fD = vp/Δs = (2vp/λ) sin φ
  • fD = Fréquence Doppler 
  • vp = Vitesse de la surface dans la direction de mesure P
  • Δs = l'interfrange du système

 

La valeur λ/sin φ est un étalon pour la mesure de vitesse et de longueur.

Le processus hétérodyne

Des vélocimètres laser qui fonctionnent sur le mode dit hétérodyne, l'un des faisceaux de référence a une fréquence décallée de 40 MHz. Les ondes du volume de mesure se déplacent donc à une vitesse correspondant à la fréquence d'offset fB. Le sens de mouvement de l'objet de mesure peut donc être identifié et mesuré même pour une vitesse nulle. La fréquence de modulation fmod qui en résulte dans le récepteur optique en mode hétérodyne correspond à la formule suivante :

fmod = fb + vp / Δs = fb + (2vp/λ) sin φ

La fréquence de modulation est déterminée dans l'unité de commande par transformation de Fourier et convertie en valeur de vitesse vp. La mesure de longueur s'effectue par l'intégration du signal de vitesse.

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