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1 Misure Ottiche Corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecom. e Fisica Vl Velocimetri tiotticii Cesare Svelto Politecnico di Milano 1/20

2 Sommario Principi di misura e applicazioni Effetto Doppler (su fasci laser) Metodo eterodina per velocimetria (laser Doppler) Misure di velocità di fluidi LDV (Laser Doppler Velocimetry) PIV (Particle Image Velocimetry) Autovelox - a barriera ottica - telelaser (tempo di volo) LIDAR (LIght Detection ti And Ranging) ) 2/20

3 Effetto Doppler (su fasci laser) ν = LASER c λ OGGETO v ν v obs = 1 ν c La frequenza ottica osservata (ν obs ) è minore di quella emessa dal laser (ν ) se l oggetto si allontana (maggiore se si avvicina) Considerando velocità v<<c, lo spostamento Doppler Δν = (ν -ν obs ) = (v/c) ν << ν risulta molto piccolo rispetto alla frequenza ottica [per λ=0.6 μm (ν =500 THz) e v=1 m/s Δν 1.7 MHz e Δν/ν ppb!] 3/20

4 Metodo Eterodina per velocimetria 633 nm v Per rivelare Δf di qualche MHz sul fascio ottico a 500THz non si usa un monocromatore o un OSA ma è assai meglio (essendo Δf/f 0 =Δν/ν <<1) misurare il battimento t eterodina con un fascio laser di riferimento 4/20

5 Laser Doppler Velocimetry (LDV) LDV fu inventata nel 1964 ed è ancora oggi un grande successo delle misure ottiche, per rivelare senza contatto una ampia dinamica di velocità in fluidi in movimento Le tecniche LDV sono impiegate i per misure di velocità di fluidi (liquidi/gas) che trasportano particelle diffondenti, naturalmente presenti nel fluido o artificialmente "inseminate" La diffusione, o scattering, dovuta all'interazione tra il campo e.m. e le particelle può essere di due tipi: - Raileigh ( r << λ ) α s r/λ 4 f(θ ) circa costante con l'angolo - Mie ( r > λ ) α s cost. f(θ ) max. per θ =0 (forward scatt.) Il segnale di misura può essere interpretato come: - attraversamento di frange - effetto Doppler -sfasamento interferometrico 5/20

6 LDV: set-up di misura Interferometro a due fasci v f I due fasci collimati incidono fuori-asse sulla lente e vengono focalizzati a distanza f dalla lente in una regione di interferenza esempio: R=0.5cm e f=250mm θ 20mrad=1.15 1deg 6/20

7 LDV: frange di interferenza y x ΔΦ (O A) =[Φ 2 -Φ 1 ] (O) -[Φ 2 -Φ 1 ] (A) =2π zoom fasci collimati fronti d'onda circa piani con largh. std. ±w 0 la zona di interazione è larga circa ΔX=±2w 0 cosθ ΔY=±2w 0 sinθ spaziatura D tra frange luce/buio Da O ad A: ΔΦ 2 =Φ 2(O C) +Φ 2(C A) e ΔΦ 1 =Φ 1(O B) +Φ 1(B A) ΔΦ 2 =(0+k 2 CA)=+(2π/λ)Dsinθ e ΔΦ 1 =(0-k 1 BA)=-(2π/λ)Dsinθ ΔΦ (O A) =ΔΦ 2 -ΔΦ 1 =2 (2π/λ)Dsinθ =2π D = λ 2sinθ 7/20

8 T D è il periodo di ripetizione dei picchi di luce T D 1 / v D / LDV: legame velocità frequenza Lo spessore della zona attraversata t varia con la posizione della linea di attraversamento (nella zona illuminata) ma la distanza tra luce-buio rimane costante e pari a D in direzione ortogonale alla zona di interferenza. Su un asse dei tempi la distanza tra i picchi di luce dipende da v e.g. al centro del tubo ( e.g. ai bordi del tubo Il profilo del fascio ottico, attraversato dalle particelle, è di tipo gaussiano e dunque l'intensità della luce diffusa varia con la posizione. Ad ogni modo la frequenza dell'alternanza luce-buio dipende solo dalla distanza tra le frange e dalla velocità f D v 8/20

9 LDV: periodo e frequenza del segnale v T D = D / v periodo del segnale di luce diffusa (luce-buio) f D = 1 T D = v D = 2sinθθ v λ v SENSIBILITA' della misura: S f v =Δf/Δv =2sinθ/λ (Hz/ms -1 ) Misura di f D : 1) contatore; 2) AS a FFT; 3) correlazione 9/20

10 LDV: schemi (angle_scatt. e back_scatt.) 10/20

11 LDV: foto sistemi LDV in 3D 11/20

12 LDV: esempio pratico S Δ = f Δv D = 2sinθ λ 12/20

13 LDV: prestazioni v = λ f 2sinθ D λ f 2θ D 2 2 D LDV L T 13/20

14 PIV (solo il "principio" di misura) La misura della velocità delle particelle presenti nel fluido avviene "illuminando" la zona d'indagine, con luce laser o comunque con flash ultrarapidi Si rivelano quindi con un CCD veloce le immagini delle particelle in funzione del tempo, da cui è possibile ricostruire il profilo spaziale (campo) di velocità: v i =Δl i /Δt 14/20

15 Autovelox a barriera ottica (es. 104 C2) barriera ottica D = 0.5 m D v T 1 T 2 v=d/(t 2 -T 1 )=D/τ 21 Es. v=150 km/h τ 21 =12 ms Δτ 21 1 μs Δv=-v/(τ 21 ) 2 Δτ 21 1 km/h Rilevazione con laser NIR (classe 1) Ripresa TARGA con foto/video Non intercettabile/disturbabile 15/20

16 Autovelox a barriera ottica (es. 104 C2) D τ 21,OFF τ T 21,ON 1ON 1,ON v 21,ON =D/τ 21,ON T 2,ON T 1,OFF T 2,OFF v 21,OFF =D/τ 21,OFF t La misura risulta insensibile al profilo del veicolo e la doppia rilevazione (v 21,IN v 21,OFF entro 1 km/h) permette di eliminare false letture ed errori di misura Si rilevano i segnali retrodiffussi dal bersaglio colpito dai laser 16/20

17 Autovelox a barriera ottica (es. 104 C2) E importante la complanarità (θ Orizz. =θ =0) della barriera ottica con la strada e anche la taratura (necessaria ogni anno) dello strumento orizzontale vs. inclinato d =D cosθ < D v d D t 1 t 2 T 1 T 2 Lo strumento orizzontale misura v=v 21 =D/(T 2 -T 1 )=D/τ 21 ma se è inclinato di θ si misura τ * 21 =(t 2 -tt 1 )=d/v<τ 21 e dunque v * = D/τ 21 * = v D/d = v/cosθ > v 1 2 Un disallineamento barriera-strada di 10 comporta un errore (per eccesso!) nella misura pari all 1.5% che corrisponde a 2.3 km/h a 150 km/h Se ben allineato e tarato, lo strumento raggiunge accuratezze inferiori all 1% che ahinoi! - risultano del tutto adeguate per la misura ( tolleranza 5% ) 17/20

18 Telelaser (telemetro TOF) Caratteristiche tecniche: T mis =0.4 s mis Range=610 m λ=904 nm θ div =3 mrad laser class 1 u(l)=15 ( ) cm u(v)=2 km/h 18/20

19 Telelaser (telemetro TOF) LASER L 1 = c/2 T 1 v LASER v L 2 = c/2 T 2 v = (L 2 -L 1 )/T rep = c/2 (T 2 -T 1 )/T rep T rep =T NA =2L NA /c 8 μs (f rep =125 khz) con L max L NA =1200 m Dato il valore elevato di f rep, si possono eseguire misure ripetute di velocità e poi ricavarne la media (ad esempio in s) eliminando gli errori di misura e riducendo l incertezza 19/20

20 FINE del CORSO Grazie per la vs attenzione! 20/20

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