Новые поступления лазерные доплеровские измерительные системы  прецизионный бесконтактный инструмент в руках ученого и инженера (история создания и применений)


В номере:

Лазерные доплеровские измерительные системы прецизионный бесконтактный инструмент в руках ученого и инженера
В.С.Соболев

«OptecNet Deutschland e.v.»  сеть распространения компетентности в оптических технологиях (перевод)

ХРОНИКА. Организация Уральского регио-нального центра Лазерной ассоциации.
Научно-практическая конференция «Лазерная медицина XXI века»

ИНТЕРНЕТ-НОВОСТИ

БИБЛИОТЕКА ЛАС  НОВЫЕ ПОСТУПЛЕНИЯ


Лазерные доплеровские измерительные системы 
прецизионный бесконтактный инструмент
в руках ученого и инженера

(история создания и применений)*

В.С.Соболев, Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск

Р

ождение и развитие лазерных доплеровских измерительных систем связано с острейшей проблемой механики середины прошлого века – проблемой гидродинамической турбулентности. Как известно, явления турбулентности ограничивают движения жидкостей и газов в трубопроводах, влияют на скорости самолетов, судов и подводных лодок, и в этом плане потребовались усилия многих научных коллективов, чтобы внести ясность в понимание статистики и механизмов зарождения турбулентности. Об актуальности решения этой проблемы хорошо сказал автор известных Фейнмановских лекций по физике: «Однажды нам понадобится рассчитать поток воды, брызжущей из шланга, а мы это не. умеем».

В 60-е годы прошлого столетия моя лаборатория в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР в тесном сотрудничестве с коллективами Института гидродинамики СО АН СССР и Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР была занята поисками методов исследования турбулентных движений в жидкостях. По аналогии с воздушными потоками, где турбулентность изучалась методами термоанемометрии с чувствительным элементом в виде тонкой нагретой проволочки, меняющей свое сопротивление под действием набегающего потока, мы пытались применить эту методику к жидкостям. Но проволочка не выдерживала напора жидкости и рвалась с увеличением скорости. Тогда мы изготовили датчик в виде тонкой металлической пленки, напыленной на клиновидную стеклянную подложку. Это был прорыв, такой датчик заработал, но с крупным недостатком – он сильно искажал исследуемый поток. Мы тщетно пытались найти выход из этого тупика, и вдруг наткнулись на статью известных американских спектроскопистов Йе и Камминса, которые показали, что когерентное излучение лазера, рассеянное случайным ансамблем взвешенных в потоке частиц, сохраняет частичную когерентность и несет информацию об их скорости в виде доплеровского смещения частоты исходного излучения.

Все существовавшие (в долазерную эпоху) типы источников света представляли собой устройства, которые радиоинженеры обычно называют генераторами шума, и все тонкие и оригинальные методы оптических измерений имели дело, по существу, с использованием шума. Изобретение лазера сразу же опрокинуло этот барьер. Это позволяет надеяться, что в будущем мы сможем управлять электромагнитными полями, генерируемыми на оптических и более высоких частотах, с той же самой точностью и с тем же разнообразием методов, которые стали обычными в радиотехнике.

1964 г. - Р. Глаубер, лауреат Нобелевской премии по физике 2005 г.

Работы по использованию этого явления для исследования турбулентности были начаты в 1968г. совместно с лабораторией когерентной оптики ИАиЭ СО АН СССР, возглавляемой известным специалистом в области когерентной оптики В.П.Коронкевичем, и уже в 1969 году журнал “Автометрия” опубликовал результаты экспериментальных исследований созданного нами первого в СССР лазерного доплеровского измерителя скорости потоков жидкостей (ЛДИС).

Рис.1 Лазерный доплеровский анемометр ЛАДО-1.

Следует отметить, что ЛДИС представляет собой довольно сложный оптикоэлектронный комплекс, состоящий из лазера, формирующей оптики и нетривиальной электроники, выдающей информацию о скорости. В оптической части прибора создаются зондирующие пучки, которые направляются в исследуемую точку потока. Рассеянный взвешенными в потоке микрочастицами свет собирается приемным объективом и подается на катод фотодетектора. Вследствие эффекта Доплера рассеянное излучение от каждого из зондирующих пучков приобретает смещение частоты, определяемое соотношением , где  волновые вектора рассеянного и зондирующего пучков соответственно, а  вектор измеряемой скорости. Эти рассеянные пучки интерферируют между собой, в результате чего на выходе фотоприемника возникает электрический сигнал, частота которого пропорциональна проекции скорости на направление разностного волнового вектора зондирующих пучков. Полученный сигнал по своей природе   процесс случайный и сопровождается достаточно интенсивными шумами. С учетом этого система его электронной обработки включает в себя узлы следящей фильтрации и оптимальной демодуляции.

Отметим, что эта сложность окупается такими неоценимыми, с точки зрения специалистов в области гидро- и аэродинамики, возможностями, как полное отсутствие возмущений исследуемого потока. Введение дополнительных зондирующих лучей позволяет получать информацию обо всех трех компонентах вектора скорости при высоком быстродействии. И ко всем этим преимуществам добавляется еще достаточно высокая точность измерений. Так, например, при времени осреднения 10 мс погрешность измерений мо-жет составлять всего 0,1 %.

Наши специалисты методами фурье-оптики проанализировали основные оптические схемы ЛДИС и получили математические модели доплеровского сигнала. На основании этих результатов стало возможным рассчитать и построить оптическую схему ЛДИС, удовлетворяющую всем специфическим требованиям гидроаэродинамического эксперимента. Исследования электрического доплеровского сигнала позволили установить фундаментальное соотношение неопределенности между желаемой точностью измерений и пространственным разрешением: чем выше желаемая точность, тем худшим будет пространственное разрешение. На основании анализа статистических характеристик получаемого сигнала определена потенциальная точность ЛДИС и построены алгоритмы оптимальных оценок скорости по критерию достижения максимума функции правдоподобия.

Уже в 1975г. нами была издана монография, посвященная доплеровской анемометрии. Как выяснилось позже, она стала «первой ласточкой» в этой области не только в СССР, но и в мире, и только через год в свет вышло сразу несколько книг зарубежных авторов по этой тематике.

Наши результаты вызвали интерес как в СССР, так и за рубежом. Государственный оптический институт (Ленинград) предложил сотрудничество в области исследования турбулентности Мирового океана, а известная немецкая фирма «Карл Цейс Йена»   контракт на совместную разработку ЛДИС для научных исследований. В результате в 1980г. на Международной Лейпцигской ярмарке был продемонстрирован универсальный лазерный доплеровский измеритель скорости ЛАДО-1 (рис.1), который произвел сильное впечатление на Западе. Дело в том, что, в отличие от имеющихся на рынке полулабораторных образцов ЛДИС, он представлял собой рабочее место исследователя-гидродинамика со всеми компонентами необходимого сервиса. Вскоре появилась и его следующая двухкомпонентная модификация ЛАДО-2.

а б

Рис.2 Течение Куэтта:
а – вихри Тэйлора, первая колебательная мода,
б – переход к турбулентному течению

Рис.3 Эволюция формы спектральных линий
течения Куэтта с ростом числа Рейнольдса

Несмотря на определенные успехи, директор ИАиЭ академик Ю.Е.Нестерихин постоянно упрекал нас в том, что мы, по его выражению, “точим топор, но не рубим”. По его инициативе в Институте была сформирована группа с заданием разобраться с основным неясным вопросом: как и каким образом зарождается турбулентность? Дело в том, что к этому времени (1976-1982гг.) теоретические основы развитой турбулентности были уже построены, и именно проблема зарождения турбулентных флуктуаций оставалась «белым пятном». В группу были привлечены физики В.С.Львов и А.А.Предтеченский, а от наших двух лабораторий в работе принимали участие В.С.Соболев, В.П.Коронкевич, Ю.Н.Дубнищев, Ю.Г.Василенко, Е.Н.Уткин, Ф.А.Журавель, З.Б.Кругляк. В качестве объекта исследований было использовано течение Куэтта, которое образуется в зазоре между двумя цилиндрами, когда внутренний цилиндр вращается, а внешний находится в состоянии покоя. Тонкости эксперимента требовали совершенной геометрии цилиндров, отсутствия биений, сверхточного поддержания скорости вращения внутреннего цилиндра. Усилиями выдающегося конструктора ИАиЭ СО РАН С.А.Кузнецова стенд был спроектирован и изготовлен (хоть и не без труда) при активном участии начальника мастерских И.Г.Митюхина. Началась его наладка совместно с ЛДИС. В отличие от американских ученых, которые также были заняты аналогичными исследованиями, мы пустили пучки вдоль цилиндров, увеличив зазор между ними и тем самым расширив зону перехода к турбулентности по диапазону скоростей, что позволило, как выяснилось позже, более детально исследовать процесс ее зарождения.

Выходной сигнал ЛДИС через АЦП и интерфейс был введен в память ЭВМ «Минск-32». Таким образом, открылась возможность осуществить статистические исследования флуктуаций скорости потока между цилиндрами.

В этот период существовали две гипотезы возникновения турбулентности. Первая принадлежала Л.Д.Ландау и заключалась в том, что турбулентность возникает как бесконечная цепочка бифуркаций мод течения с несоизмеримыми частотами колебаний. Хотя при такой ситуации функция корреляции не должна идти к нулю с ростом задержки, тем не менее, возврат к максимуму должен происходить через очень большие задержки по времени. И такая гипотеза казалась вполне правдоподобной. Вторая, более поздняя, связана с явлениями так называемого «странного аттрактора», т. е. такого фазового портрета движения, когда несколько возбужденных мод образуют в фазовом пространстве подобие многомерного случайного тора.

Вначале мы исследовали эволюцию спектральных плотностей флуктуаций скорости в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Оказалось, что с ростом этого числа сначала возникает одна колебательная мода и ее гармоники. Затем возникает новая колебательная мода на не соизмеримой с первой частоте и ее гармоники. Визуализированное течение Куэтта для трех чисел Рейнольдса показано на рис.2. После нескольких таких бифуркаций спектральные линии мод начинают уширяться, образуя сплошной спектр (рис.3). Это был самый важный момент. Теперь нужно было выяснить причины и природу этого уширения. Путем совместного анализа амплитуд мы выяснили, что они антикоррелируют. Иными словами, если энергия одной моды растет, то амплитуды других падают. Эти переходы энергии возникают в тот момент, когда условия существования каждой моды равновероятны и между ними возникает конкуренция. В результате был сделан вывод о том, что турбулентность сначала развивается в соответствии с гипотезой Ландау, но затем (вследствие конкуренции мод) происходит уширение их спектральных линий, и спектр флуктуаций становится сплошным, что характерно для развитой турбулентности. Таким образом, с помощью ЛДИС была решена фундаментальная задача – выявлен механизм зарождения гидродинамической турбулентности. Следует отметить, что американцы не смогли детально исследовать все стадии перехода к турбулентности, поскольку зазор между цилиндрами в их эксперименте оказался слишком узким, и переход к турбулентности осуществлялся «скачком».

Рис.4 Рис. 8. Течение в траншее.

  1. Основные исследования и разработки (1)

    Документ
    В настоящем Отчете о деятельности Российской академии наук в 2002 году помещен перечень основных законченных в отчетном году исследований и разработок, выполненных научными организациями Академии.
  2. Абакарова Надежда Магомедгаджиевна Средства выражения побудительной модальности в лакском языке : : диссертация кандидата филологических наук : 10. 02. 02

    Диссертация
    Абакарова Надежда Магомедгаджиевна Средства выражения побудительной модальности в лакском языке : : диссертация кандидата филологических наук : 10.02.
  3. Программа фундаментальных исследований Президиума ран фундаментальные науки медицине тезисы докладов конференции и семинары по научным направлениям Программы в 2011 году москва

    Программа
    Фундаментальные науки – медицине. Тезисы докладов на конференциях и семинарах по научным направлениям Программы в 2011 году. М.: Фирма «Слово», 2011. – 340 с.
  4. Е т о деятельности российской академии наук в 2001 году Основные результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук москва 2002 (1)

    Документ
    В 2001 году Российская академия наук осуществляла свою основную деятельность – фундаментальные и прикладные научные исследования в условиях недостаточного ресурсного обеспечения, слабой востребованности результатов исследований и разработок.
  5. Е т о деятельности российской академии наук в 2001 году Основные результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук москва 2002 (2)

    Документ
    В отчетном году научные коллективы Академии, продолжая исследования в рамках программ фундаментальных исследований Российской академии наук, федеральных целевых научно-технических программ, президентских и других программ, получили
  6. Льности российской академии наук в 2002 году Основные результаты в области естественных, технических, гуманитарных и общественных наук москва 2003

    Документ
    В 2002 году ученые и научные коллективы Российской академии наук проводили фундаментальные и прикладные научные исследования в непростых условиях. Ресурсное обеспечение исследований продолжало оставаться недостаточным, хотя бюджетное
  7. Отче т о деятельности российской академии наук в 2003 году

    Реферат
    В 2003 году Российская академия наук, как и ранее, проводила фундаментальные и прикладные исследования в соответствии с Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники и Перечнем критических технологий Российской Федерации,

Другие похожие документы..