La velocimetría láser Doppler , también conocida como anemometría láser Doppler , es una técnica que utiliza el desplazamiento Doppler de un haz láser para medir la velocidad en flujos de fluidos transparentes o semitransparentes o el movimiento lineal o vibratorio de superficies opacas y reflectantes. 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 que estaba altamente concentrada en una longitud de onda de 632,8 nanómetros (nm) en la porción roja del espectro visible . [1] Se descubrió que las mediciones del flujo de fluidos se podían realizar 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 (posteriormente Teledyne Brown Engineering), este fenómeno se utilizó para desarrollar el primer caudalímetro láser Doppler que utilizaba procesamiento de señales heterodinas. [3] Este instrumento pasó a conocerse como velocímetro láser Doppler y la técnica se denominó velocimetría láser Doppler. También se la conoce como anemometría láser Doppler.
Las primeras aplicaciones de la velocimetría láser Doppler incluyeron la medición y el mapeo de los gases de escape de los motores de cohetes con velocidades de hasta 1000 m/s, así como la determinación del flujo en una arteria sanguínea cercana a la superficie. También se desarrollaron instrumentos similares para el monitoreo de superficies sólidas, con aplicaciones que abarcaban desde la medición de las velocidades de los productos en las líneas de producción de papel y acero hasta la medición de la frecuencia y amplitud de las vibraciones de las superficies. [4]
En su forma más simple y más utilizada actualmente, la velocimetría láser Doppler cruza dos haces de luz láser colimada , monocromática y coherente en el flujo del fluido que se está midiendo. Los dos haces generalmente se obtienen dividiendo un solo haz, lo que garantiza la coherencia entre los dos. Los láseres con longitudes de onda en el espectro visible (390-750 nm) se utilizan comúnmente; estos son típicamente He-Ne, ion argón o diodo láser , lo que permite observar la trayectoria del haz. Un sistema óptico de transmisión enfoca los haces para que se crucen en sus cinturas (el punto focal de un haz láser), donde interfieren y generan un conjunto de franjas rectas. A medida que las partículas (ya sea naturales o inducidas) arrastradas en el fluido pasan a través de las franjas, dispersan la luz que luego es recolectada por una óptica receptora y enfocada en un fotodetector (generalmente un fotodiodo de avalancha ).
La intensidad de la luz dispersa fluctúa, cuya frecuencia es equivalente al desplazamiento Doppler entre la luz incidente y la dispersa, y por lo tanto es proporcional al componente de la velocidad de la partícula que se encuentra en el plano de dos rayos láser. Si el sensor está alineado con el flujo de tal 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. Al combinar tres dispositivos (por ejemplo, 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, particularmente utilizada en los primeros desarrollos de dispositivos, tiene un enfoque completamente diferente, similar a un interferómetro . El sensor también divide el haz láser en dos partes; una (el haz de medición) se enfoca en el flujo y la segunda (el haz de referencia) pasa fuera del flujo. Una óptica receptora proporciona un camino que intersecta 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 heterodina óptica produce una señal eléctrica proporcional al desplazamiento Doppler, por la cual se puede determinar el componente de velocidad de la partícula perpendicular al plano de los haces. [6]
El esquema de detección de señales del instrumento utiliza el principio de detección heterodina óptica. 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 que se puede rastrear hasta el sistema de medición SI. [7]
En las décadas transcurridas desde que se introdujo por primera vez la velocimetría láser Doppler, se han desarrollado y aplicado una amplia variedad de sensores láser Doppler.
La velocimetría láser Doppler suele elegirse en lugar de otras formas de medición de flujo porque el equipo puede estar fuera del flujo que se está midiendo y, por lo tanto, no tiene efecto sobre él. Algunas aplicaciones típicas incluyen las siguientes:
Una desventaja de los sensores de velocimetría láser Doppler es que dependen del alcance; deben calibrarse minuciosamente y las distancias que 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 ser útil en la automatización, lo que incluye los ejemplos de flujo anteriores. También se puede utilizar para medir la velocidad de objetos sólidos, como cintas transportadoras . Esto puede ser útil en situaciones en las que conectar un codificador rotatorio (u otro dispositivo mecánico de medición de velocidad) a la cinta transportadora es imposible o poco práctico.
La velocimetría láser Doppler se utiliza en la investigación hemodinámica como una técnica para cuantificar parcialmente el flujo sanguíneo en tejidos humanos como la piel o el fondo del ojo. En el entorno clínico, la tecnología se conoce a menudo como flujometría láser Doppler; cuando se crean imágenes, se denomina imagen láser Doppler . El haz de un láser de baja potencia (normalmente un diodo láser ) penetra la piel lo suficiente como para que los glóbulos rojos lo dispersen con un desplazamiento Doppler y vuelvan a concentrarse en un detector. Estas mediciones son útiles para controlar el efecto del ejercicio, los tratamientos farmacológicos, las manipulaciones ambientales o físicas en áreas vasculares de tamaño microscópico específicas . [10]
El vibrómetro láser Doppler se utiliza en otología clínica para medir el desplazamiento de la membrana timpánica (tímpano), el 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 un uso potencial en el quirófano para realizar mediciones del desplazamiento de la prótesis y el estribo . [11]
La tecnología de prevención de riesgos de aterrizaje autónomo utilizada en el módulo de aterrizaje lunar Proyecto Morpheus de la NASA para encontrar automáticamente un lugar de aterrizaje seguro contiene un velocímetro Doppler lidar 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 los dispositivos MEMS , a menudo para comparar el rendimiento de dispositivos como los acelerómetros en un chip con sus modos teóricos (calculados) de vibración. 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 pequeñas fuerzas de lo que era posible anteriormente, a través de la medición directa de la relación entre esta velocidad y la velocidad de la luz. Esta es una medición fundamental y rastreable que ahora permite la trazabilidad de pequeñas fuerzas al Sistema Internacional.
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