Đo vận tốc dòng chảy bằng laser doppler

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHU BÁ LONG ĐO VẬN TỐC DÕNG CHẢY BẰNG LASER DOPPLER CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, 09/2010 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH QUANG LINH ThS ĐẬU SỸ HIẾU Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 11 tháng 09 năm 2010 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo - Tp HCM, ngày 11 tháng 09 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: CHU BÁ LONG Phái: Ngày, tháng, năm sinh: 13 – 01 – 1980 Nơi sinh: Bắc Giang Nam Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật MSHV: 01206270 - TÊN ĐỀ TÀI: ĐO VẬN TỐC DÕNG CHẢY BẰNG LASER DOPPLER - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Trong khuôn khổ thực đề tài tập trung vào nhiệm vụ sau: Khảo sát lý thuyết kỹ thuật Laser Doppler Bước đầu thiết kế hệ thống LDV - hệ đo quang học để đo vận tốc dòng chất lỏng, đề tài chất lỏng dùng nước có pha thêm hạt bụi phấn - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010 - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/08/2010 - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH QUANG LINH ThS ĐẬU SỸ HIẾU Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành chương trình cao học viết luận văn này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy Khoa Khoa học Ứng dụng trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Phịng Thí nghiệm Trọng điểm quốc gia điều khiển số kỹ thuật hệ thống Trước hết, em xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô Khoa Khoa học Ứng dụng, đặc biệt thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Y sinh tận tình dạy bảo cho em suốt thời gian học tập trường Lời đầu tiên, em xin cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Thái Thị Thu Hà Lãnh đạo Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia điều khiển số kỹ thuật hệ thống tạo điều kiện cho em tiến hành thí nghiệm thời gian thời gian thực luận văn Đồng thời, xin cảm ơn Thạc sĩ Đậu Sỹ Hiếu thành viên Phòng đo lường thuộc Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia điều khiển số kỹ thuật hệ thống nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ tơi q trình khảo sát thực thí nghiệm để tìm kết tối ưu Mặc dù có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn tất nhiệt tình lực mình, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Trân trọng cảm ơn Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2010 Chu Bá Long TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Kỹ thuật đo vận tốc hiệu ứng Laser Doppler (Laser Doppler Velocimeter LDV) phương pháp kết hợp đo đạc từ xa không can thiệp thành phần vector vận tốc điểm xác định xác khơng gian Ứng dụng rộng rãi kỹ thuật lĩnh vực đo dòng chảy lưu chất hay nhiều hệ thống quang học kết hợp với để tạo hệ thống đo đồng thời thành phần vector vận tốc Thiết bị thương mại theo nguyên lý LDV ứng dụng để đo dòng lưu ứng dụng cơng nghiệp, dịng chảy ứng dụng y sinh v.v… phần lớn thiết bị chuyên dụng có giá thành cao Về phương diện đào tạo kỹ thuật, thí nghiệm LDV thí nghiệm sở ứng dụng quang học công nghệ cao kỹ thuật đo lường, thể kỹ vận dụng nguyên lý đo lường quang học ứng dụng điều kiện thực tiễn Những thiết bị đo lường quang học thí nghiệm thương mại loại Việt nam giá thành cao kể hệ thống đơn giản Do vậy, mục tiêu luận văn nghiên cứu thiết kế hệ thống LDV nhằm phục vụ đào tạo, nghiên cứu chuyển giao cơng nghệ có tính thời cấp thiết ý nghĩa thực tiễn cao Kết đề tài thiết kế hệ thống thí nghiệm LDV bản, qua khảo sát đưa nhận định tối ưu thơng số thiết kế thí nghiệm (cấu hình quang học, mạch thu nhận xử lý liệu v.v ), thực phép đo ban đầu phù hợp với kết dự đoán từ phép đo trực tiếp Kết đề tài sở thực nghiệm cần thiết để tiến đến thiết kế chế tạo thiết bị LDV hoàn chỉnh để ứng dụng thực tiễn LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: CHU BÁ LONG Ngày, tháng, năm sinh: 13/01/1980 Nơi sinh: Tỉnh Bắc Giang Địa liên lạc: 380/37 Lê Văn Lương, Phường Tân Hưng, Q.7, TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Từ năm 2000 - 2005: Sinh viên khoa Vật lý – Chuyên ngành Vật lý Hạt nhân – Trường Đại học Khoc học Tự nhiên TP.HCM Từ năm 2006 - nay: Học viên khoa Khoa học Ứng dụng – Chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật – Trường Đại học Bách khoa TP.HCM QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC Từ năm 2005 – 2006: Cơng tác Công ty TNHH Công nghệ MYA Từ năm 2006 – 2007: Công tác Công ty TNHH Kỹ thuật Top Opto Từ năm 2007 – nay: Công tác Sở Khoa học Công nghệ TP HCM MỤC LỤC CHƢƠNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 2.1 Sơ lƣợc nghiên cứu ứng dụng LDV nƣớc nƣớc 2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDV nƣớc 2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDV giới 2.1.3 Một số sản phẩm có mặt thị trƣờng: 2.2 Giới thiệu chung laser 14 2.2.1 Nguyên lý chung laser 14 2.2.2 Cấu tạo laser 15 2.2.3 Tính chất laser 16 2.3 Các loại laser 17 2.3.1 Phân loại theo nguồn laser: 17 2.3.2 Phân loại theo chế độ phát tự nhiên 19 2.3.3 Phân loại theo bƣớc sóng 20 2.4 Laser khí 20 2.4.1 Tính chất laser khí: 20 2.4.2 Các loại laser khí 22 2.4.3 Nếu phân loại theo độ hoạt động tự nhiên 22 2.5 Laser HeNe 22 2.5.1 Giới thiệu .22 2.5.2 Nguyên tắc hoạt động 24 2.5.3 Cấu tạo 26 2.5.4 Tính chất laser HeNe 27 2.6 Sơ lƣợc nguyên lý học chất lỏng 27 2.6.1 Khối lƣợng riêng áp suất hai đại lƣợng vật lý lƣu chất 28 2.6.2 Các phƣơng trình chuyển động lƣu chất 28 2.7 Hiệu ứng Doppler 30 2.7.1 Nguyên lý hiệu ứng Doppler 30 2.7.2 Hiệu ứng Doppler sóng âm .32 2.7.3 Hiệu ứng Doppler với tốc độ thấp 32 2.7.4 Hiệu ứng Doppler ánh sáng 33 2.8 Giao thoa ánh sáng 34 2.9 Tán xạ ánh sáng .36 CHƢƠNG KỸ THUẬT LASER DOPPLER 38 3.1 Khảo sát chung 39 3.2 Kỹ thuật Laser Doppler 42 3.2.1 Mơ hình Doppler 43 3.2.2 Mơ hình vân giao thoa 47 3.3 Khảo sát cấu tạo hệ quang học 50 3.3.1 Khảo sát thông số hệ đo 50 3.3.2 Cấu tạo hệ quang học 52 3.4 Bố trí thực thí nghiệm 57 3.5 Sai số .58 3.6 Phần mềm phân tích phổ xử lý tín hiệu 59 CHƢƠNG KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 60 4.1 Thiết kế hệ thống LDV 61 4.2 Nhận xét cấu hình thí nghiệm .65 4.3 Kết đo .67 4.4 Bàn luận 72 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 73 5.1 Kết luận 74 5.2 Những hƣớng đề xuất cho đề tài: 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC LÝ LỊCH TRÍCH NGANG DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1.1: Thiết bị LSV Series 6000 Polytec (www.polytec.com) Hình.2.1.2: NTT Microsystem Integration Laboratories Hình 2.1.3: Sơ đồ nguyên lý laser Doppler Cummins Yeh đưa năm 1964 Hình 2.1.4: Mơ hình hệ đo 3D với chùm tia hoạt động Hình 2.1.5: Mơ hình ứng dụng giả lập AUR Hình 2.1.6: Giao diện chương trình xử lý số liệu 10 Hình 2.1.7: Thiết bị LSV 1000 .12 Hình 2.1.8: Thiết bị LSV 6000 .13 Hình 2.2.1: Sơ đồ mức lượng laser 14 Hình 2.2.2: Cấu tạo chung laser: 16 Hình 2.3.1: Laser khí thương mại thị trường 17 Hình 2.3.2: Phổ điện từ bước sóng hoạt động loại laser 19 Hình 2.5.1: Sơ đồ mức lượng laser HeNe [9] 25 Hình 2.5.2: Cấu trúc bên laser HeNe 26 Hình 2.5.3: Cấu tạo laser HeNe 26 Hình 2.5.4: Phổ laser HeNe .27 Hình 2.7.1: Dịch chuyển đỏ đường quang phổ 31 Hình 2.7.2: Sự thay đổi tần số nguồn phát máy dò di chuyển 34 Hình 2.8.1: Giao thoa sóng .35 Hình 2.8.2: Cấu trúc giao thoa cánh bướm 36 Hình 3.1.1: Phân loại kỹ thuật đo quang học 39 Hình 3.1.2: Tổng quan kỹ thuật đo vận tốc dòng chảy laser .41 Hình 3.2.1: Minh họa hiệu ứng Doppler dùng kỹ thuật laser Doppler 44 Hình 3.2.2: Cấu trúc lưỡng chùm 45 Hình 3.2.3: Mơ hình vector xác định tần số Doppler 46 Hình 3.2.4: Phần tử giao thoa thể tích đo mẫu vân 46 Hình 3.2.5: Đo tần số hạt di chuyển qua vùng đo theo hƣớng dƣơng (A) hƣớng âm (B) x thay đổi tần số (a) có thay đổi tần số (b) 47 Hình 3.2.6: Sự hình thành vùng giao thoa 48 Hình 3.3.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động beam splitter 53 Hình 3.3.2: Beam splitter sử dụng đề tài .53 Hình 3.3.3: Thấu kính hội tụ sử dụng đề tài 55 Hình 3.3.4: Biểu diễn phân bố cƣờng độ tán xạ theo hƣớng khác 55 Hình 3.4.1: Mơ hình kỹ thuật LDV với hai tia giao thoa hội tụ thấu kính 58 Hình 4.1.2: Hệ thống thiết bị dùng thí nghiệm 62 Hình 4.1.3: Mơ hình thí nghiệm (nhìn phía sau laser) 63 Hình 4.1.4: Mơ hình thí nghiệm (nhìn phía trước laser) .63 Hình 4.1.5: Tia laser thí nghiệm phòng tối .64 Hình 4.1.6: Mơ hình đo dùng thấu kính hội tụ hai chùm tia tới vùng giao thoa64 Hình 4.1.7: Mơ hình đo có vị trí Photodiode đặt phía sau dịng nước 65 Hình 4.2.1: Vùng giao thoa .68 Hình 4.2.2: Phân bố cường độ sáng hệ thống vân 68 Hình 4.2.3: Trường hợp vận tốc 0,579 m/s (34,77 kHz) 69 Hình 4.2.4: Trường hợp vận tốc 0,553 m/s (33,18 kHz) 69 Hình 4.2.5: Trường hợp vận tốc 0,499 m/s (30 kHz) 70 Hình 4.2.6: Trường hợp vận tốc 0,409 m/s (24,6 kHz) 70 Hình 4.2.7: Trường hợp vận tốc 0,172 m/s (10,01kHz) .71 67 với vận tốc nhỏ cho tần số Doppler thấp (< 20kHz), tín hiệu thƣờng bị nhiễu lớn nhiều ảnh hƣởng khác Để thiết kế cho thiết bị thành phẩm, đặt chế tạo mạch chuyển đổi với tần số lấy mẫu lên đến 2MHz Hy vọng với chuyển đổi mới, hệ thống đo với khoảng vận tốc lớn e) Hệ thống bơm nƣớc cần phải đƣợc thiết kế để giữ mực nƣớc ổn định nhằm tạo đƣợc độ cao không đổi vận tốc dịng ổn định f) Hạt tán xạ thơng thƣờng phải có kích thƣớc nhỏ bậc vân giao thoa ( 5-50 micron), việc sử dụng loại hạt tán xạ nhƣ hạt có khối lƣợng riêng phù hợp để hạt lơ lửng chất lỏng, hay hạt khói đo vận tốc dịng khí, kích thƣớc tùy thuộc nhiều vào hệ thống quang học thu nhận kết nhƣ thuật toán xử lý số liệu Trong thí nghiệm này, chúng tơi sử dụng bột phấn đỏ với phổ màu gần với vùng bƣớc sóng He-Ne Điều làm tăng đáng kể khả tán xạ laser, góp phần làm rõ ảnh giao thoa g) Hệ thống xử lý số liệu: Chƣơng trình giao diện viết Matlab, với chức loadfile, vẽ phổ nền, phân tích FFT, vẽ phổ sau phân tích Tuy nhiên module xử lý nhiễu, loại trừ đỉnh ký sinh hệ thống xử lý phổ thuật toán lọc thích hợp vấn đề cần cân nhắc thử nghiệm nghiêm túc cho nghiên cứu tới 4.3 Kết đo Do bị giới hạn mặt kĩ thuật tốc độ thu nhận mẫu Cassy 100kS/s, từ tần số lớn phân tích phổ theo FFT 50 kHz, nên phần đo lƣờng so sánh kết phạm vi đề tài bố trí dịng chảy với vận tốc thấp (trong khoảng 0,5 m/s) với góc lệch hai tia laser để tạo giao thoa nhỏ (sin θ/2 = 0,018984) để đảm bảo tần số Doppler thu đƣợc từ việc phân tích FFT tín hiệu nhận đƣợc nằm khoảng giới hạn tần số tối đa 68 Sau xây dựng xong hệ thống quang học, sử dụng phƣơng pháp chụp ảnh qua hệ thống kính hiển vi đo lƣờng để xác thực việc tạo thành hệ thống vân giao thoa không gian hai tia laser tạo thành Với việc chụp đƣợc ảnh so sánh phân bố cƣờng độ sáng qua hệ thống vân giao thoa hệ quang học với phân bố cƣờng độ sáng theo nhƣ lý thuyết ta khẳng định đƣợc tính xác mà hệ thống quang học xây dựng Điều đƣợc mô tả hình 4.2.1 hình 4.2.2 Hình 4.2.1: Vùng giao thoa Hình 4.2.2: Phân bố cường độ sáng hệ thống vân 69 Sau ảnh chụp hình tín hiệu thu nhận đƣợc đồ thị phân tích phổ FFT miền tần số đƣợc thực thuật toán FFT (Fast Fourier Transform) ngơn ngữ Matlab Hình 4.2.3: Trường hợp vận tốc 0,579 m/s (34,77 kHz) Hình 4.2.4: Trường hợp vận tốc 0,553 m/s (33,18 kHz) 70 Hình 4.2.5: Trường hợp vận tốc 0,499 m/s (30 kHz) Hình 4.2.6: Trường hợp vận tốc 0,409 m/s (24,6 kHz) 71 Hình 4.2.7: Trường hợp vận tốc 0,172 m/s (10,01kHz) Từ đồ thị thu đƣợc số kết đo tần số hệ thống LDV đƣợc cho theo bảng 4.1 Đây kết ban đầu dùng kiểm chứng thực tế đo mơ hình thiết bị thực Bảng 4.1: Bảng kết đo tần số hệ thống LDV 72 4.4 Bàn luận  Từ kết cho thấy, hệ thống thí nghiệm đƣợc xây dựng đo đƣợc vận tốc với độ tin cậy chấp nhận (sai số tƣơng đối > 0.006 ) XXX = x - xtb; subplot(4,1,2), plot(t,XX), xlabel('Time (ms)'), ylabel('Voltage'); grid on; % Ve thi X(t) %subplot(3,1,1), plot(t,x), xlabel('Time (ms)'), ylabel('AC Voltage'); %grid on; 5) File phân tích tần số global A X Xtb f P P1 x t X1 X2 a b pp; [t,x]; str1 = get(hEd1,'string'); str2 = get(hEd2,'string'); str3 = get(hEd3,'string'); A = str2num(str1); X1= str2num(str2); X2= str2num(str3); % % Phan tich bang cach su dung FFT % % Dua vao thi x(t), ta thay tin hieu lap lai lan % ==> co chu ky tin hieu Fs = 100000; % (truong hop Fs = 100000) L = Fs; NFFT = 2^nextpow2(L); % Next power of from length of y % truong hop NFFT = 131072 Y = fft(XX,NFFT)/L; % Y (so phuc)la bien doi fourier cua X f = Fs/2*linspace(0,1,NFFT/2); % Day tan so phan tich (f 50000 P = abs(Y(1:NFFT/2));% amplitude spectrum (tin hieu duoc bieu dien mien tan so) P1 = A * P;% khuech dai bien I325k = find(f>=32500& f= X1, 1);% loai bo nhung gia tri tan so f < X1 for i=1:I40k P1(i) = 0; end I40k I45k = find(f >= X2, 1); for i=I45k:NFFT/2 P1(i) = 0; end P1max = max(P1) imax = find(P1 >= P1max, 1); fmax = f(imax) v=fmax*0.635/1000000/2/0.027 % -pp=smooth(P1,0.01,'loess');%mem hoa thi subplot (4,1,3) plot(f,P,'-b',f,P1,'-r');% Plot amplitude spectrum grid on; subplot(4,1,4) plot(f,pp,'-b'); grid on; title('Amplitude Spectrum of x(t)'); xlabel('Frequency (Hz)'); ylabel('|X(f)|'); ... với dịng chảy vận tốc hạt vận tốc dịng vùng đo cụ thể, đo vận tốc hạt ta xác định đƣợc vận tốc dịng chảy vùng Kỹ thuật đo vận tốc laser thu nhận trực tiếp vận tốc pha bị phân tán dòng chảy hai... kỹ thuật đo quang học Đo vận tốc laser bao gồm tất kỹ thuật laser nhằm đo vận tốc nhiều thành phần vận tốc theo hay nhiều chiều khác Lĩnh vực ứng dụng bật phƣơng pháp đo vận tốc dịng chảy lƣu... phƣơng pháp đo vận tốc laser sử dụng lĩnh vực động học chất lỏng Kỹ thuật đo vận tốc laser dựa vào hiệu ứng Doppler phép đo vận tốc chất lỏng với khả phân giải theo thời gian thực điểm dòng chảy Cấu