Diskussion:Laser-Doppler-Anemometrie

Hallo, kann irgendwie ein besserer Link auf Particle Image Velocimetry eingebaut werden? Ich bin nicht vom Fach und habe es als "siehe auch" hinzufügen weil die beiden Verfahren (anscheinend) irgendetwas gemein haben. Aber ich denke doch, dass ein Zusammenhang besteht der sich bedeutend besser darstellen lässt. Vielleicht wäre auch eine Kategorie dieser Meßverfahren nicht unangebracht. Viele Grüße --Saibo (Δ) 10:20, 18. Mai 2006 (CEST)

Vermischung zweier LDA-Verfahren

Der Artikel hat eine große Schwäche: zwei verschiedene LDA-Verfahren werden einfach durcheinandergeworfen.

• Beim ersten Verfahren, der klassischen Laser-Doppler-Anemometrie, wird tatsächlich der Doppler-Shift des Streulichts gemessen und daran die Geschwindigkeit berechnet, daher auch der Name.

• Beim zweiten Verfahren, wird ebenfalls als Laser-Doppler-Anemometrie bezeichnet, manchmal zur Abgrenzung auch als Laser-Doppler-Interferometrie. Hierbei wird die Frequenz des Doppler-Bursts gemessen und daraus die Geschwindigkeit errechnet. Der relativistische Doppler-Effekt bzw. Doppler-Shift spielt überhaupt keine Rolle.

Der Artikel beschreibt im wesentlichen die Laser-Doppler-Interferometrie, so beziehen sich z.B. alle Formeln auf die Geschwindigkeitsbestimmung über die Frequenz des Doppler-Bursts. Im ersten Absatz wird jedoch auf den relativistischen Doppler-Effekt und den Doppler-Shift verwiesen, ohne abzugrenzen, dass es sich dabei um ein andere Spielart der Laser-Doppler-Anemometrie handelt. Ich denke, man sollte den Artikel neu gliedern und sorgfältig zwischen beiden Verfahren unterscheiden.

Der englische Artikel [1] ist zwar sonst nicht sonderlich gut, trifft aber diese Unterscheidung. Gruß, PP, 3. Dezember 2008

Leider hat sich an diesem Missstand bis heute nichts geändert. Vielleicht bin ich in den nächsten Tagen mutig und trenne die beiden Verfahren deutlicher, eventuell durch eine Aufteilung in zwei Artikel.---<(kmk)>- 00:32, 28. Apr. 2010 (CEST)

Die Unterscheidung ist nicht notwendig. Stets wird die Differenzfrequenz zwischen zwei Strahlen durch optisches Mischen (Heterodyne Detektion) signalwirksam. Beim Einstrahlsystem ist die Streuwelle nur eines Strahls Doppler-verschoben (f1) und wird mit der ursprünglichen Frequenz (f0) gemischt (Ein-Strahl-LDA oder Referenzstrahl-LDA). Problem ist, dass die Signalfrequenz (Differenzfrequenz f0-f1) abhängig von der Beobachtungsrichtung ist. Beim Zwei-Strahl-LDA werden beide Strahlen unterschiedlich Doppler-verschoben (f1, f2). Die Differenzfrequenz (f1-f2) ist jedoch nur noch von einer Geschwindigkeitskomponente abhängig und unabhängig von der Beobachtungsrichtung. Dies ist ein großer Vorteil des Zwei-Strahl-Systems und daher werden diese meistens eingesetzt. Die Beschreibungen über Doppler-Effekt und über Interferenzstreifen sind äquivalent zueinander. Die Doppler-Beschreibung hat den Vorteil, dass auch die Signalgenerierung bei größeren Partikel verständlich wird --Dw10 18:26, 19. Jul. 2010 (CEST).

1. Du verwechselst "mischen" mit "überlagern"
2. Die Überlagerung erfolgt im ersten Fall auf dem Photodetektor, im zweiten Fall ("Differenz-Doppler") jedoch auf den mitschwimmenden Partikeln.
3. Bei der Doppler Anemomentrie wird die Geschwindigkeit parallel zum Laserstrahl gemessen, beim Differenz-Doppler senkrecht zum Strahl (Genaugenommen senkrecht zur Ebene der Winkelhalbierenden).
4. Bei der Doppler Anemomentrie wird ein Strahls gestreut, beim Differenz-Doppler beide.
5. Die detektierte Frequenz hängt bei der Doppler Anemometrie nicht vom Winkel zwischen Streulicht und Referenzstrahl ab. Beim Differenz-Doppler geht dagegen der Winkel in die Frequenz des Bursts ein.
6. Der Dopplereffekt im eigentlichen Sinn, also die Frequenzverschiebung durch Bewegung auf eine Strahlquelle zu oder von ihr weg, wird bei Differenz-Doppler nicht gemessen.

Angesichts dieser doch recht deutlichen Unterschiede ist eine Unterscheidung im Artikel durchaus notwendig. Die beiden Messverfahren haben neben der Tatsache, dass sie beide mit Laserstrahlen arbeirten, recht wenig miteinander gemein.---<)kmk(>- 20:11, 25. Jul. 2010 (CEST)

Anmerkungen zu den Diskussionspunkten

Zu 1. Nein, keine Verwechslung: Die beiden Streuwellen (E-Felder E1(x,y,z) und E2(z,y,z)) der beiden gestreuten Laserstrahlen überlagern sich in jedem Raumpunkt und zu jedem Zeitpunkt linear (Überlagerung). Da kein Detektor die Lichtfrequenz (oberes THz) aufgrund seiner Trägheit auflösen kann erfolgt eine Integration über das Quadrat der Feldstärke bei der optisch-elektronischen-Wandlung im Detektor.

$\mathbf {E} ^{2}=\mathbf {E} \cdot \mathbf {E} =(\mathbf {E} _{1}+\mathbf {E} _{2})\cdot (\mathbf {E} _{1}+\mathbf {E} _{2})=\mathbf {E} _{1}^{2}+\mathbf {E} _{2}^{2}+2\mathbf {E} _{1}\cdot \mathbf {E} _{2}$

$I={\frac {\varepsilon \,c}{2}}\left\langle \mathbf {E} ^{2}\right\rangle _{\text{T}}$

$\left\langle f\left(t\right)\right\rangle _{T}={\frac {1}{T}}\int \limits _{t}^{t+T}{f\left({{t}'}\right)}\ {\text{d}}t$

Diese Mittelung über die nichtlineare Quadrierung des E-Feldes ist eine Mischung der beiden Streuwellen in derem Ergebnis die Differenzfrequenz der beiden Wellen (Schwebung) entsteht. Diese wird als Laser-Doppler Signal im Detektor wahrgenommen. Da kein optischer Detektor die Dopplerverschiebung direkt wahrnehmen kann (Ausnahme Doppler-Global-Velocimetry mit Jod-Zelle, z.B. http://www.holomap.com/dgv.htm) muss jedes Doppler-verschobene Streulichtsignal mit einer Trägerfrequenz zurückgemischt werden (Albrecht et. al. Eq. (2-15) bis (2-21)). Ob diese dann dann die ursprüngliche Frequenz des Laserstrahls hat ("Doppler Anemometrie" Albrecht et al. Abb. 2.3) oder ebenfalls Doppler-verschoben ist ("Differenz-Doppler" Albrecht et al. Abb. 2.4) tut nichts zur Sache.

Zu 2: Die (lineare) Überlagerung der Wellen erfolgt im gesamten Raum. Die Wellen sind ja überall vorhanden. Die eigentliche Signalentstehung des Laser-Doppler Systems erfolgt aber grundsätzlich auf dem Detektor durch die beschriebene (nichtlineare) Mischung. Die Signalentstehung kann allgemein wie in Abb. 2.7. Albrecht et al. interpretiert werden. Nur bei sehr kleinen Partikel rücken die Wechselwirkungspunkte auf der Oberfläche sehr eng zusammen und das Modell des Interferenzstreifensystems ist anwendbar. Die Interpretation mit Interferenzstreifen ist nur eine Näherung für kleine Partikel. Die Doppler-Beschreibung ist umfassender. Würde die Signalentstehung auf dem Partikel erfolgen, würde das Signal bei Partikelgrößen die gleich dem Interferenzstreifenabstand sind verschwinden. Zu beobachten ist jedoch, dass die Modulationstiefe des Laser-Doppler-Signals von der Apertur abhängt (Albrecht et al. Abb. 5.28, S.218) und nicht vom Abstand der Interferenzstreifen.

Zu 3/4: richtig

Zu 5: Beim Ein-Streustrahlsystem geht der Winkel zwischen Beleuchtungsstrahl (nicht Referenzstrahl) und Streustrahl, und damit die Beobachtungsrichtung ein (Albrecht et al. Gl. 2.3). Der Winkel zwsichen Streulicht und (eventuell umgelenktem Referenzstrahl) ist nicht bedeutend. Beim Zwei-Strahlsystem ist das Signal unabhängig von der Beobachtungsrichtung aber abhängig vom Schnittwinkel der Strahlen.

Zu 6:Wird nur eine Welle durch Streuung Doppler-verschoben ist die Dopplerfrequenz abhängig von der Beobachtungsrichtung (Albrecht et al. Gl. 2.3, Abb. 2.2). Die ersten 1964/1965 realisierten Laser-Doppler Systeme waren übrigens solche Referenzstrahl- oder Ein-Streustrahl-Systeme. (Bei Yeh and Cummins 1964 noch als laser spectrometer bezeichnet und Foreman et al. 1965 haben bereits den Begriff Laser-Doppler verwendet). Ein Spezialfall ist, wenn der Detektor in der Laserstrahlachse angeordnet ist (erster Fall in Punkt 3, e_b=e_pr in Albrecht et al. Gl. 2.3). Für diesen Fall ist die Dopplerverschiebung proportional zur Geschwindigkeitskmponente in Richtung der Laserstrahlachse. Die Differenzstrahl- oder Zwei-Strahlsysteme kamen später auf, da bei diesen die Signalfrequenz nicht mehr von der Bobachtungsrichtung abhängig ist. Zur Mischung wird eine zweite, ebenfalls Doppler-verschobene Streuwelle, verwendet, die des zweiten Laserstrahls. Durch diesen Trick wird das ganze unabhängig von der Beobachtungsrichtung, beide Streuwellen sind aber Doppler-verschoben (Albrecht et al. Gl. 2.8-2.12). Bei der "Differenzstrahl-Methode" werden praktisch zwei Doppler-verschobene Wellen gemischt. Beide Systeme sind Laser-Doppler Systeme und sollten auch mit diesem Namen bezeichnet werden. Eine Unterscheidung ist lediglich im Hinblick auf die verwendete Rückmischfrequenz von Bedeutung. Hier sollte den Angaben in der wissenschaftlichen Literatur gefolgt werden und Zwei-Strahl- und Ein-Strahl-Laser-Dopper verwendet werden. Eine Unterscheidung in Doppler Anemometrie und Differenz-Doppler ist irreführend, da beide Geschwindigkeiten messen (Anemometer) und beide die Differenzfrequenz zwischen zwei Wellen (Streuwelle-Referenzstrahl, Streuwelle1-Streuwelle2) bestimmen. --Dw10 18:25, 29. Jul. 2010 (CEST)

Laserdoppler-Anemometrie -> Laser-Doppler-Anemometrie

Habe den Artikel verschoben. Hierbei wurde lediglich eine kleine Änderung der Notation vorgenommen, die jedoch zur Einheitlichkeit der Darstellung innerhalb des Artikels und innerhalb der Wikipedia beiträgt. Ich hoffe, es ist ok so ... Gruß --Martin Helfer 14:51, 19. Mär. 2007 (CET)

Bilder

Wo sind die bilder...?

Habe derweil sehr viel mit LDA-Messungen zu tun und könnte auch mit Fotos (z.B. [2]) dienen. Nur wäre vielleicht für den Laien eine einfache Skizze (Schnittvolumen, Interferenzstreifen mit durchfliegenden Partikeln) hilfreicher als ein Foto, auf dem nur die sich kreuzenden Laserstrahlen zu sehen sind. Gute Anregungen zum Abzeichnen sind neben den Literaturempfehlungen im Artikel beispielsweise in der gepackten ppt-Präsentation (ca. 3 MByte) eines kommerziellen Herstellers zu finden.--Daniel Romann 23:10, 19. Apr. 2007 (CEST)

Ohne es zu versprechen, setzte ich es mal auf meinen Arbeitsplan. Aber bitter nicht drängeln ;-) -- Dr. Schorsch*?*! 11:05, 20. Apr. 2007 (CEST)

Partikelmessung

Ich kämpfe gerade mit einem Problem, bei dem LDA vielleicht helfen kann. Kann man mit LDA die Verteilung von Partikeln in einer sich bewegenden Flüssigkeit messen, so dass man belagen kann, dass die Suspension einheitlich ist? Besten Dank --Tysstenos 16:29, 15. Apr. 2008 (CEST)

Soweit ich weiß kann das der Laser-Doppler-Sensor der Arbeitsgruppe von Jürgen Czarske. Dort mal nachfragen? -- 7Pinguine Mir ist es zu doof, meine Signatur mit Farbe, Bild und/oder Ton zu ändern, es gibt wichtigeres und ich muss nicht um jeden Preis auffallen ;-) 21:03, 19. Jul. 2010 (CEST)

Die Technik zur gleichzeitigen Bestimmung der Geschwindigkeit und Partikelgröße heisst Phasen Doppler Anemometrie - PDA (siehe Albrecht et al. 2003, Springer-Verlag). Mit zusätzlichen Empfängern kann die Größe von homogenen sphärischen Partikel zwischen ca. 1µm bis ca. 200µm mit einer Genauigkeit von ca. 1µm bestimmt werden. Suspensionen haben aber im Allgemeinen zu hohe Partikelkonzentrationen, als dass ein Einzelpartikelbetrieb wie beim LDA oder PDA erreicht werden kann. --Dw10 21:35, 19. Jul. 2010 (CEST)

Änderung Einleitung

Ich beschäftige mich seit vielen Jahren mit Entwicklung und Anwendung von optischen Strömungsmesstechniken, speziell auch Laser-Doppler Systemen. Die Artikel zur Laser-Doppler-Technik und auch zu einigen anderen optischen (Strömungs-)Messtechniken sind bisher nur rudimentät und wirklich von Fehlern und überholten Informationen gespickt. Ich würde gerne versuchen Stück für Stück die Artikel auf eine fundierte und aktuelle wissenschaftliche Basis zu bringen und auch Grafiken einbinden. Daher einige Anmerkungen zu meinen Änderungen der Einleitung vom 19.07.2010 in der Hoffnung, dass der Hintergrund der wieder zurückgenommenen Änderungen damit etwas klarer wird.

• ...…und nicht gleichzeitig in mehreren Interferenz streifen liegen...:

Typische Streifenabstände sind 3-15µm. In vielen Anwendungen sind die Partikel aber größer. Laut der vorhandenen Aussage funktionier die LD-Technik dann nicht. Das ist aber falsch.

• ... punktuell... :

Ganz wichtig zur Abgrenzung zu mehrdimensionalen Strömungsmesstechniken (z.B. PIV, PTV, GDV, GIV etc.). Es werden in der Srömungsmesstechnik 0/1/2/3-dimensionale zur Bestimmung von 1/2/3-Komponenten Techniken mit und ohne Zeitauflösung (TR time resolved) unterschieden. Ein einfaches LD-system ist eine 0D-1C-TR Technik. Klassiches PIV ist z.B. eine 2D-2C Technik ohne Zeitauflösung. Mittlerweile gibt es 3D-3C-TR PIV Systeme.

• ... im Kreuzungsbereich...:

Nur im Kreuzungsbereich (im Messvolumen) wird das Signal generiert. Damit wird bei der Laser-Doppler Messsystem die örtliche Auflösung definiert. Diese ist essentiell bei Turbulenz- und Grenzschichtmessungen

• ...mit idealerweise parallelen äquidistanten Interferenzflächen...:

Nichtparallele und nichtäqudistante Streifen aufgrund der Phasenkrümmungen außerhalb der Lasertaille stellen einen der größten Fehler bei der LD-Technik dar. In der Einleitung sollte zumindest darauf hingewiesen werden, dass ein paralleles Streifensystem immer idealisiert ist

• ...Partikel, welcher sich zusammen mit dem Fluid durch das Interferenzstreifensystem bewegt, generiert ein Streulichtsignal, dessen Frequenz proportional der Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu den Interferenzstreifen ist. Das Streulichtsignal, welches aus der Überlagerung der Streuwellen der beiden Laserstrahlen entsteht, wird von einem Photodetektor erfasst und aus der Signalfrequenz die einkomponentige Partikelgeschwindigkeit abgeschätzt..."

Die grundsätzliche Signalentstehung fehlte bisher in der Einleitung: Partikelbewegung -> Streuung -> Zusammenhang Signalfrequenz und Geschwindigkeitskomponente

• ...Soweit das Fluid keine optischen Inhomógenitäten aufweist...

Problem mit klaren Medien tritt sehr häufig auf ist aber kein Problem wenn Tracerpartikel zugegeben werden können.

• ...Tracerpartikel...

Partikel die einem Fluid zugegeben werden um die Strömungsgeschwindigkeiten sichtbar zu machen heißen Tracer oder Tracerpartikel.

• ...einerseits klein genug sein, damit sie der Strömung möglichst schlupflos...

Voraussetzung für die richtige Messung sind schlupflos folgende Partikel. Allein die richtige Tracerpartikelwahl ist in der optischen Strömungsmesstechnik eine Wissenschaft für sich. Zumindest diese zwingende Voraussetzung (schlupflos) sollte in der Einleitung angegeben werden. Luftblasen > 20µ in Wasser funktionieren nicht da sie aufsteigen. TiO2 in Luft ist z.B. zu schwer und sinkt ab.

• ...ein auswertbares Signal zu generieren...

Die Partikel werden beim LD-System nicht nur nachgewiesen oder detektiert. Wichtig ist vor allem auch die Frequenzschätzung des Signals. Bei falschen Filter- und Verstärkereinstellungen am System werden Partikel detektiert aber kaum ein Signal validiert. Dies kann soweit führen, dass trotz hoher Partikelkonzentration völlig falsche Geschwindigkeiten gemessen werden. Nicht die Detektion ist relevant sondern das SNR des Signals zur Frequenzschätzung.

• ...Durch Kombination von drei Laser-Doppler-Systemen mit unterschiedlichen Laserwellenlängen können so punktuell alle drei Strömungsgeschwindigkeitskomponenten...

Kommerzielle Systeme können alle drei Geschwindigkeitskomponenten an einem Punkt bestimmen. Dies ist seit vielen Jahren Stand der Technik und ist wichtig für den Einsatz und zur Abrenzung des Systems gegenüber anderen Techniken. Bei der Durchsicht der Einleitung sollte zumindest das Potential der Technik dargestellt werden

• ...mit hoher zeitlichen Auflösung (bis 100kHz) und hoher räumlicher Auflösung (bis 10^-4mm³) erfasst...

Wenn man sich einen schnellen Überlick über das Potential einer Messtechnik verschaffen will sind die örtliche und zeitliche Auflösung entscheidende Kriterien (Was wird wo und wie schnell mit welcher Auflösung und Genauigkeit gemessen).

--Dw10 23:29, 29. Jul. 2010 (CEST)

Hallo Dw10, gerade wollte ich umsetzen, was in der QS vor Monaten herausgekommen war (Link zum Archiv). Bin offenbar zwei Wochen zu spät. Inhaltlich hast Du meine volle Unterstützung. Auch der Abschnitt "Funktionsweise" darf gerne auseinandergenommen werden. In einem Punkt gebe ich KaiMartin recht: Bitte die Einleitung nicht überfrachten. Die richtet sich nicht nur an potenzielle Anwender.

– Rainald62 12:27, 1. Aug. 2010 (CEST)

Hallo, ich hätte noch zwei Wünsche: 1. Könnte man deutlicher zwischen 1-Strahl und 2-Strahl-Verfahren unterscheiden, bei denen ja das Messvolumen, die Signalverarbeitung etc. sehr unterschiedlich sind? Zur Zeit ist es nicht klar erkennbar, welche Aussagen sich nur auf 2-Strahl-Systeme beziehen. 2. Kann man anschaulich erklären, wie das Signal in Abhängigkeit der Partikelgröße verändert wird, wenn die Partikel größer als die Interferenzstreifen werden? Steigt nur die gemessene Grundhelligkeit, während die Schwebungsamplitude gleich bleibt? -- Pewa 20:22, 1. Aug. 2010 (CEST)

Zu 1.: Ja, ist auch wichtig. Ich hatte vor den Beitrag folgerdermaßen zu gliedern: Funktionsweise; Aufbau; Signalverarbeitung; Auflösung, Genauigkeit und Fehlereinflüsse; Anwendungen.

Zu 2.: Die gesamte Streulichtintensität steigt mit dem Partikeldruchmesser an. Die Modulationstiefe hängt beim Zweistrahlverfahren von der Aperturgröße des Empfängers ab. Wenn ein ganzzahliges Vielfaches der gestreuten Interferenzstreifen auf die Empfangsapertur passt geht die Modulation gegen Null. Die Phase des Siganls ändert sich mit der Partikelgröße, kann beim LD aber nicht bestimmt werden, da keine Phasenreferenz zur Verfügung steht. Mit zwei Detektoren kann diese aber bestimmt werden und daraus die Partikelgröße geschätzt werden (Phasen-Doppler-Technik). --Dw10 20:53, 1. Aug. 2010 (CEST)

Abschnitt Mischen/Überlagerung auf die Physik-QS verschoben – Rainald62 12:34, 19. Nov. 2011 (CET)