La velocimetría láser Doppler , también conocida como anemometría láser Doppler , es la técnica que utiliza el desplazamiento Doppler en un rayo láser para medir la velocidad en flujos de fluidos transparentes o semitransparentes o el movimiento lineal o vibratorio de superficies reflectantes opacas. La medición con anemometría láser Doppler es absoluta y lineal con la velocidad y no requiere calibración previa.
El desarrollo del láser de helio-neón (He-Ne) en 1962 en los Laboratorios Bell Telephone proporcionó a la comunidad óptica una fuente de radiación electromagnética de onda continua altamente concentrada en una longitud de onda de 632,8 nanómetros (nm) en la porción roja de la espectro visible . [1] Se descubrió que se podían realizar mediciones del flujo de fluidos utilizando el efecto Doppler en un haz de He-Ne dispersado por pequeñas esferas de poliestireno en el fluido. [2]
En los Laboratorios de Investigación de Brown Engineering Company (más tarde Teledyne Brown Engineering), este fenómeno se utilizó para desarrollar el primer caudalímetro láser Doppler que utiliza procesamiento de señales heterodinas. [3] Este instrumento se conoció como velocímetro láser Doppler y la técnica se llamó velocimetría láser Doppler. También se conoce como anemometría láser Doppler.
Las primeras aplicaciones de velocimetría láser Doppler incluían medir y mapear los gases de escape de motores de cohetes con velocidades de hasta 1000 m/s, así como determinar el flujo en una arteria sanguínea cercana a la superficie. También se desarrollaron instrumentos similares para el monitoreo de superficies sólidas, con aplicaciones que van desde medir la velocidad del producto en líneas de producción de papel y acerías hasta medir la frecuencia de vibración y la amplitud de las superficies. [4]
En su forma más simple y utilizada actualmente, la velocimetría láser Doppler cruza dos haces de luz láser colimada , monocromática y coherente en el flujo del fluido que se mide. Los dos haces normalmente se obtienen dividiendo un solo haz, asegurando así la coherencia entre los dos. Generalmente se utilizan láseres con longitudes de onda en el espectro visible (390 a 750 nm); Estos suelen ser He-Ne, iones de argón o diodos láser , lo que permite observar la trayectoria del haz. Un sistema óptico transmisor enfoca los rayos para que se crucen en sus cinturas (el punto focal de un rayo láser), donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. A medida que las partículas (ya sean naturales o inducidas) arrastradas en el fluido pasan a través de las franjas, dispersan la luz que luego es recogida por una óptica receptora y enfocada en un fotodetector (normalmente un fotodiodo de avalancha ).
La luz dispersada varía en intensidad, cuya frecuencia equivale al desplazamiento Doppler entre la luz incidente y la dispersa y, por tanto, es proporcional a la componente de la velocidad de las partículas que se encuentra en el plano de dos rayos láser. Si el sensor está alineado con el flujo de manera que las franjas sean perpendiculares a la dirección del flujo, la señal eléctrica del fotodetector será proporcional a la velocidad total de la partícula. Combinando tres dispositivos (p. ej., He-Ne, ion argón y diodo láser) con diferentes longitudes de onda, se pueden medir simultáneamente los tres componentes de la velocidad del flujo. [5]
Otra forma de velocimetría láser Doppler, utilizada particularmente en los primeros desarrollos de dispositivos, tiene un enfoque completamente diferente, similar a un interferómetro . El sensor también divide el rayo láser en dos partes; uno (el haz de medición) se enfoca hacia el flujo y el segundo (el haz de referencia) pasa fuera del flujo. Una óptica receptora proporciona un camino que cruza el haz de medición, formando un pequeño volumen. Las partículas que pasan a través de este volumen dispersarán la luz del haz de medición con un desplazamiento Doppler; una parte de esta luz es recogida por la óptica receptora y transferida al fotodetector. El haz de referencia también se envía al fotodetector donde la detección óptica heterodina produce una señal eléctrica proporcional al desplazamiento Doppler, mediante la cual se puede determinar el componente de velocidad de las partículas perpendicular al plano de los haces. [6]
El esquema de detección de señales del instrumento utiliza el principio de detección óptica heterodina. Este principio es similar al de otros instrumentos basados en láser Doppler, como el vibrómetro láser Doppler o el velocímetro láser de superficie . Es posible aplicar técnicas digitales a la señal para obtener la velocidad como una fracción medida de la velocidad de la luz y, por lo tanto, en cierto sentido, la velocimetría láser Doppler es una medición particularmente fundamental rastreable al sistema de medición SI. [7]
En las décadas transcurridas desde que se introdujo por primera vez la velocimetría láser Doppler, se ha desarrollado y aplicado una amplia variedad de sensores láser Doppler.
La velocimetría láser Doppler a menudo se elige sobre otras formas de medición de flujo porque el equipo puede estar fuera del flujo que se está midiendo y, por lo tanto, no tiene ningún efecto sobre el flujo. Algunas aplicaciones típicas incluyen las siguientes:
Una desventaja ha sido que los sensores de velocimetría láser Doppler dependen del alcance; deben calibrarse minuciosamente y las distancias donde miden deben definirse con precisión. Esta restricción de distancia se ha superado recientemente, al menos parcialmente, con un nuevo sensor que es independiente del alcance. [9]
La velocimetría láser Doppler puede resultar útil en la automatización, que incluye los ejemplos de flujo anteriores. También se puede utilizar para medir la velocidad de objetos sólidos, como cintas transportadoras . Esto puede resultar útil en situaciones en las que es imposible o poco práctico conectar un codificador rotatorio (u otro dispositivo mecánico de medición de velocidad) a la cinta transportadora.
La velocimetría láser Doppler se utiliza en la investigación de hemodinámica como técnica para cuantificar parcialmente el flujo sanguíneo en tejidos humanos como la piel o el fondo del ojo. En el entorno clínico, la tecnología suele denominarse flujometría láser Doppler; cuando se toman imágenes, se denominan imágenes con láser Doppler . El rayo de un láser de baja potencia (normalmente un diodo láser ) penetra la piel lo suficiente como para ser dispersado por los glóbulos rojos con un desplazamiento Doppler y volver a concentrarse en un detector. Estas mediciones son útiles para monitorear el efecto del ejercicio, tratamientos farmacológicos, manipulaciones ambientales o físicas en áreas vasculares de tamaño micro específicas . [10]
El vibrómetro láser Doppler se utiliza en otología clínica para medir el desplazamiento de la membrana timpánica (tímpano), el martillo (martillo) y la cabeza de la prótesis en respuesta a entradas de sonido con un nivel de presión sonora de 80 a 100 dB . También tiene potencial uso en quirófano para realizar mediciones de prótesis y desplazamiento del estribo . [11]
La tecnología autónoma para evitar peligros de aterrizaje utilizada en el módulo de aterrizaje lunar Proyecto Morpheus de la NASA para encontrar automáticamente un lugar de aterrizaje seguro contiene un velocímetro lidar Doppler que mide la altitud y la velocidad del vehículo. [12] El misil de crucero AGM-129 ACM utiliza un velocímetro láser Doppler para una guía terminal precisa. [13]
La velocimetría láser Doppler se utiliza en el análisis de la vibración de dispositivos MEMS , a menudo para comparar el rendimiento de dispositivos como acelerómetros en un chip con sus modos de vibración teóricos (calculados). Como ejemplo específico en el que las características únicas de la velocimetría láser Doppler son importantes, la medición de la velocidad de un dispositivo de equilibrio de vatios MEMS [14] ha permitido una mayor precisión en la medición de fuerzas pequeñas de lo que antes era posible, al medir directamente la relación de esta velocidad a la velocidad de la luz. Esta es una medición fundamental y trazable que ahora permite la trazabilidad de pequeñas fuerzas al Sistema SI.
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