Đo vận tốc dòng chảy bằng laser doppler

Đến nay, đa số các loại laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn,…trên toàn bộ các dải sóng đều đã được chế tạo ở quy mô công nghiệp và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học, công nghệ và

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS HUỲNH QUANG LINH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 11 tháng 09 năm 2010

Tp HCM, ngày 11 tháng 09 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: CHU BÁ LONG Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 13 – 01 – 1980 Nơi sinh: Bắc Giang

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

MSHV: 01206270

1 - TÊN ĐỀ TÀI: ĐO VẬN TỐC DÕNG CHẢY BẰNG LASER DOPPLER

2 - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Trong khuôn khổ thực hiện đề tài này chúng tôi tập trung vào những nhiệm vụ chính như sau:

Khảo sát lý thuyết về kỹ thuật Laser Doppler

Bước đầu thiết kế hệ thống LDV - hệ đo quang học cơ bản để đo vận tốc dòng chất lỏng, trong đề tài này chất lỏng được dùng là nước có pha thêm các hạt bụi phấn

3 - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010

4 - NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/08/2010

5 - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HUỲNH QUANG LINH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô tại Khoa Khoa học Ứng dụng trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và Phòng Thí nghiệm Trọng điểm quốc gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống

Trước hết, em xin chân thành cảm ơn đến quí thầy cô Khoa Khoa học Ứng dụng, đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Kỹ thuật Y sinh đã tận tình dạy bảo cho em suốt thời gian học tập tại trường

Lời đầu tiên, em xin được cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Thái Thị Thu Hà và Lãnh đạo Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đã tạo điều kiện cho em tiến hành các thí nghiệm trong thời gian thời gian thực hiện luận văn

Đồng thời, tôi xin cảm ơn Thạc sĩ Đậu Sỹ Hiếu cùng các thành viên trong Phòng đo lường thuộc Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia điều khiển số và kỹ thuật hệ thống đã nhiệt tình giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong quá trình khảo sát và thực hiện các thí nghiệm để tìm

ra kết quả tối ưu nhất

Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình, tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những đóng góp quí báu của quí thầy cô và các bạn

Trân trọng cảm ơn

Chu Bá Long

LDV) là phương pháp kết hợp đo đạc từ xa và không can thiệp một thành phần vector vận tốc tại một điểm được xác định chính xác trong không gian Ứng dụng rộng rãi nhất của

kỹ thuật này là lĩnh vực đo dòng chảy lưu chất bằng một hay nhiều hệ thống quang học kết hợp với nhau để tạo ra một hệ thống đo được đồng thời cả 3 thành phần vector vận tốc Thiết bị thương mại theo nguyên lý LDV được ứng dụng để đo dòng lưu ứng dụng trong công nghiệp, dòng chảy trong ứng dụng y sinh v.v… nhưng phần lớn là các thiết bị chuyên dụng và có giá thành cao Về phương diện đào tạo kỹ thuật, thí nghiệm LDV là một trong những bài thí nghiệm cơ sở về ứng dụng quang học công nghệ cao trong kỹ thuật đo lường, thể hiện kỹ năng vận dụng các nguyên lý đo lường quang học ứng dụng trong điều kiện thực tiễn Những thiết bị đo lường quang học thí nghiệm và thương mại loại này ở Việt nam rất ít và giá thành khá cao kể cả đối với các hệ thống rất đơn giản Do vậy, mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế một hệ thống LDV nhằm phục vụ đào tạo, nghiên cứu và chuyển giao công nghệ vẫn có tính thời sự cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn cao

Kết quả đề tài đã thiết kế được một hệ thống thí nghiệm LDV cơ bản, qua đó khảo sát và đưa ra những nhận định tối ưu về thông số thiết kế thí nghiệm (cấu hình quang học, mạch thu nhận xử lý dữ liệu v.v ), thực hiện những phép đo ban đầu phù hợp với kết quả

dự đoán từ phép đo trực tiếp Kết quả đề tài sẽ là những cơ sở thực nghiệm cần thiết để tiến đến thiết kế chế tạo thiết bị LDV hoàn chỉnh để ứng dụng trong thực tiễn

Họ và tên: CHU BÁ LONG

Ngày, tháng, năm sinh: 13/01/1980 Nơi sinh: Tỉnh Bắc Giang

Địa chỉ 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 CÔNG TÁC

Từ năm 2005 – 2006: Công tác tại Công ty TNHH Công nghệ MYA

Từ năm 2006 – 2007: Công tác tại Công ty TNHH Kỹ thuật Top Opto

Từ năm 2007 – nay: Công tác tại Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 5

2.1 Sơ lược nghiên cứu ứng dụng LDV trong nước và ngoài nước 6

2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDV trong nước 6

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDV trên thế giới 7

2.1.3 Một số sản phẩm hiện đang có mặt trên thị trường: 9

2.2 Giới thiệu chung về laser 14

2.2.1.Nguyên lý chung của laser 14

2.2.2.Cấu tạo của laser 15

2.2.3.Tính chất của 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 bước sóng 20

2.4 Laser khí 20

2.4.1.Tính chất của 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 của laser HeNe 27

2.6 Sơ lược về nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng 27

2.6.1.Khối lượng riêng và áp suất là hai đại lượng vật lý cơ bản của lưu chất 28

2.6.2.Các phương trình chuyển động của cơ lưu chất 28

2.7 Hiệu ứng Doppler 30

2.7.1.Nguyên lý hiệu ứng Doppler 30

2.7.2.Hiệu ứng Doppler đối với sóng âm 32

2.7.3.Hiệu ứng Doppler với những tốc độ thấp 32

2.7.4.Hiệu ứng Doppler đối với ánh sáng 33

2.8 Giao thoa ánh sáng 34

2.9 Tán xạ ánh sáng 36

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT LASER DOPPLER 38

3.1 Khảo sát chung 39

3.2 Kỹ thuật Laser Doppler 42

3.2.1.Mô hình Doppler 43

3.2.2.Mô hình vân giao thoa 47

3.3 Khảo sát và cấu tạo hệ quang học 50

3.3.1.Khảo sát các thông số của hệ đo 50

3.3.2.Cấu tạo hệ quang học 52

3.4 Bố trí và thực hiện thí nghiệm 57

3.5 Sai số 58

3.6 Phần mềm phân tích phổ và xử lý tín hiệu 59

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 60

4.1 Thiết kế hệ thống LDV 61

4.2 Nhận xét về cấu hình thí nghiệm 65

4.3 Kết quả đo 67

4.4 Bàn luận 72

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 73

5.1 Kết luận 74

5.2 Những hướng 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) 6

Hình.2.1.2: NTT Microsystem Integration Laboratories 7

Hình 2.1.3: Sơ đồ nguyên lý laser Doppler do Cummins và Yeh đưa ra năm 1964 8 Hình 2.1.4: Mô hình hệ đo 3D với 5 chùm tia đang hoạt động 9

Hình 2.1.5: Mô hình ứng dụng và giả lập của AUR 9

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 năng lượng của laser 14

Hình 2.2.2: Cấu tạo chung của một laser: 16

Hình 2.3.1: Laser khí thương mại trên thị trường 17

Hình 2.3.2: Phổ điện từ và bước sóng hoạt động của các loại laser 19

Hình 2.5.1: Sơ đồ mức năng lượng của laser HeNe [9] 25

Hình 2.5.2: Cấu trúc bên trong của một laser HeNe 26

Hình 2.5.3: Cấu tạo laser HeNe 26

Hình 2.5.4: Phổ của laser HeNe 27

Hình 2.7.1: Dịch chuyển đỏ của các đường quang phổ 31

Hình 2.7.2: Sự thay đổi của tần số khi nguồn phát và máy dò cùng di chuyển 34

Hình 2.8.1: Giao thoa sóng 35

Hình 2.8.2: Cấu trúc giao thoa ở cánh bướm 36

Hình 3.1.1: Phân loại các kỹ thuật đo quang học 39

Hình 3.1.2: Tổng quan về các kỹ thuật đo vận tốc dòng chảy bằng laser 41

Hình 3.2.1: Minh họa hiệu ứng Doppler dùng trong kỹ thuật laser Doppler 44

Hình 3.2.2: Cấu trúc lưỡng chùm 45

Hình 3.2.3: Mô hình vector xác định tần số Doppler 46

Hình 3.2.4: Phần tử giao thoa trong thể tích đo của mẫu vân 46

Hình 3.2.5: Đo tần số của hạt di chuyển qua vùng đo theo hướng dương (A) và

hướng âm (B) của x khi không có thay đổi tần số (a) và 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 của beam splitter 53

Hình 3.3.2: Beam splitter sử dụng trong đề tài 53

Hình 3.3.3: Thấu kính hội tụ được sử dụng trong đề tài 55

Hình 3.3.4: Biểu diễn phân bố cường độ tán xạ theo các hướng khác nhau 55

Hình 3.4.1: Mô hình kỹ thuật LDV với hai tia giao thoa hội tụ bởi thấu kính 58

Hình 4.1.2: Hệ thống thiết bị dùng trong thí nghiệm 62

Hình 4.1.3: Mô hình thí nghiệm (nhìn phía sau laser) 63

Hình 4.1.4: Mô hình thí nghiệm (nhìn phía trước laser) 63

Hình 4.1.5: Tia laser khi thí nghiệm trong phòng tối 64

Hình 4.1.6: Mô hình đo dùng thấu kính hội tụ hai chùm tia tới tại vùng giao thoa64 Hình 4.1.7: Mô hình đo có vị trí của Photodiode đặt phía sau dòng nước 65

Hình 4.2.1: Vùng giao thoa 68

Hình 4.2.2: Phân bố cường độ sáng của 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

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.1: Thông số kỹ thuật của một thiết bị Công ty AUR 10

Bảng 2.1.2: Bảng giá của các thiết bị của Applied University Research, Inc. 11

Bảng 2.1.3: Thông số kỹ thuật của LSV 1000. 12

Bảng 2.1.4: Thông số kỹ thuật của thiết bị LSV 6000 13

Bảng 2.4.1: Các loại laser và thông số cơ bản 22

Bảng 2.5.1: Một số bước sóng của laser HeNe 23

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của hạt của Công ty TSI, Mỹ 40

Bảng 4.1: Bảng kết quả đo tần số của hệ thống LDV 71

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

Laser là một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20 Từ phát minh ra lý thuyết bức xạ kích thích của Einstein năm 1917, đến quan sát được bằng bức xạ kích thích của Fabricant, giáo sư trường đại học năng lượng Moskva năm

1940, đã là cơ sở để Townes, nhà vật lý học người Mỹ phát minh ra máy khuếch đại sóng điện từ bằng bức xạ kích thích

Năm 1960, chiếc laser Ruby đầu tiên trên thế giới ra đời đã dấy lên một cao trào nghiên cứu chế tạo và ứng dụng laser Đến nay, đa số các loại laser rắn, lỏng, khí, bán dẫn,…trên toàn bộ các dải sóng đều đã được chế tạo ở quy mô công nghiệp

và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học, công nghệ và y tế

Trong rất nhiều ứng dụng của laser, ứng dụng của laser để đo và xác định vận tốc của dòng chất lưu là một trong những ứng dụng quan trọng nhất về mặt đo lường của laser trong các thập kỷ qua và ngày càng được cải tiến hoàn thiện hơn

Hơn hai thế kỷ qua, các nhà khoa học trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu

và tiến hành thử nghiệm để hiểu rõ thêm về dòng chảy của chất lưu trong tự nhiên

và vật thể khí động học Tại thời điểm đó, các thiết bị đo lường có tính can thiệp như ống Pitot và các dây dẫn đun nóng (hot-wire) đã được dùng để đo đạc áp suất động, vận tốc dòng chảy và các tính chất khác của dòng chảy

Sự xuất hiện của laser vào những năm 1960 đã có một tác động rất lớn đến nhiều ngành kỹ thuật Điều này thể hiện rõ nhất và không thể phủ nhận được trong lĩnh vực ứng dụng cơ học, trong đó công nghệ laser đã tạo nên một cuộc cách mạng trong nghiên cứu các dòng chảy, các thông tin về vị trí và vận tốc của các hạt nhỏ trong dòng chất lỏng có thể được xác định thông qua ánh sáng tán xạ từ chính các dòng hạt này Sử dụng một nguồn laser có tính kết hợp và mật độ công suất cao cho phép xác định được từ xa không tiếp xúc một cách định lượng tính chất dòng chất lỏng cần nghiên cứu [5]

Luận văn này đề cập đến phương pháp đo vận tốc bằng laser sử dụng trong lĩnh vực động học chất lỏng Kỹ thuật đo vận tốc bằng laser dựa vào hiệu ứng Doppler là phép đo vận tốc chất lỏng với khả năng phân giải theo thời gian thực tại một điểm trong dòng chảy Cấu hình quang học của các thiết bị này giải quyết các vấn đề về độ phân giải không gian và hiệu suất thu nhận ánh sáng Các kỹ thuật

phân tích và xử lý tín hiệu bằng máy tính có thể làm việc với tín hiệu Doppler tạo

ra bởi dòng hạt ở cả mật độ thấp và mật độ cao Đối với các thiết bị đo vận tốc bằng xung laser, hình ảnh quang được dùng để ghi nhận vị trí của hai hoặc nhiều hạt cùng lúc và cho thông tin tức thời về cấu trúc trường của dòng hạt

Song song với sự phát triển của laser, quang điện tử, máy tính và công nghệ

xử lý tín hiệu số, các kỹ thuật và thiết bị đo dòng chất lỏng đã được phát triển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học về dòng chất lưu hay các dòng nhiệt như khảo sát quá trình dẫn thuốc cho bệnh nhân, bơm thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, khí động học trong các động cơ nổ, động học mạch máu trong con người đến các nghiên cứu khí động học của ngành hàng không v.v , cho thấy lợi ích khi dùng kỹ thuật đo dòng này là vô cùng lớn Tuy nhiên, các kỹ thuật đo dòng chất lỏng trong các đường ống hiện nay lại chưa đạt được hiệu quả lớn từ kỹ thuật mới này [3, 4, 29]

Thiết bị thương mại theo nguyên lý LDV (đã có mặc dù không nhiều) được ứng dụng để đo dòng lưu chuyển khí trong các động cơ đốt trong, các dòng chảy rối, dòng chảy đa tầng ứng dụng trong công nghiệp; dùng để đo dòng chảy của máu

và dịch sinh học trong ứng dụng y sinh v.v… nhưng phần lớn là các thiết bị chuyên dụng và có giá thành cao

Trên thị trường nước ngoài hiện có một số công ty sản xuất và cung cấp thiết

bị ứng dụng phương pháp LDV đo vận tốc bề mặt, vận tốc quay của động cơ, đo đạc và điều khiển các quy trình cắt công nghiệp và có lợi thế lớn về mặt đo không tiếp xúc, khoảng đo lớn, sai số nhỏ

Mặt khác, về phương diện đào tạo kỹ thuật, thí nghiệm LDV là một trong những bài thí nghiệm cơ sở về ứng dụng quang học công nghệ cao của kỹ thuật đo lường, thể hiện kỹ năng vận dụng các nguyên lý đo lường quang học ứng dụng trong điều kiện thực tiễn Ngoài ra, các bộ thí nghiệm chuẩn về LDV còn là những thiết bị không thể thiếu cho những nghiên cứu ứng dụng chuyên sâu hơn trong lĩnh vực quang học, cơ lưu chất, kỹ thuật y sinh và môi trường… Từ những năm 2002-

2003 đến nay, nhiều bài báo được công bố liên tục và đều đặn về LDV và LDA cho

thấy tính thời sự các nghiên cứu ứng dụng của LDV và LDA trong lĩnh vực khoa học khác

Với các luận chứng trên, mục tiêu chung của đề tài nghiên cứu thiết kế một

hệ thống LDV nhằm xác định cơ sở thực nghiệm cần thiết để tiến đến thiết kế thiết

bị LDV hoàn chỉnh ứng dụng trong thực tiễn, đồng thời xây dựng bộ thí nghiệm LDV phục vụ đào tạo chuyên ngành Để thực hiện mục tiêu chung trên, các nhiệm

vụ cụ thể được đề ra cho đề tài như sau:

- Khảo sát tổng quan về cơ sở lý thuyết của phương pháp đo vận tốc chất lưu bằng Laser Doppler, tìm hiểu các thiết bị chuyên dụng về LDV có trên thị trường

- Xây dựng hệ thống thí nghiệm LDV cơ bản, qua đó khảo sát và đưa ra những nhận định tối ưu về các thông số thiết kế thí nghiệm (cấu hình quang học, mạch thu nhận xử lý dữ liệu v.v ) , thực hiện những phép đo ban đầu so sánh với phép đo trực tiếp

- Nhận xét và đưa ra những nhận định về hướng phát triển để thiết kế, chế tạo thiết bị hoàn chỉnh và khả thi

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1 Sơ lược nghiên cứu ứng dụng LDV trong nước và ngoài nước

2.1.1 Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDV trong nước

Các ứng dụng công nghệ laser vào đo lường đã được thực hiện từ nhiều năm dựa trên những ưu điểm của công nghệ này như không trực tiếp tác động vào vật cần đo, tính chính xác, khoảng cách giới hạn phạm vi đo… Kỹ thuật đo vận tốc bằng Laser Doppler (Laser Doppler Velocimeter, Laser Doppler Anemometer - LDV, LDA) là một phương pháp kết hợp đo đạc từ xa và không tiếp xúc, trong đó một thành phần vector vận tốc tại một điểm sẽ được xác định chính xác trong không gian Ứng dụng rộng rãi nhất của kỹ thuật này là lĩnh vực đo dòng chảy lưu chất bằng một hay nhiều hệ thống quang học kết hợp với nhau để tạo ra một hệ thống đo được đồng thời cả 3 thành phần vector vận tốc

Thiết bị LDV thương mại đã có trên thị trường, tuy nhiên giá thành của các thiết bị chuyên biệt này vẫn rất cao Theo bảng 2.1.2 cho thấy một thiết bị đo một chiều đơn giản nhất cũng có giá từ 25.000 USD, vì vậy trong điều kiện của Việt Nam đây vẫn là một thiết bị cao cấp và chưa có nhiều điều kiện đầu tư

Hình 2.1.1: Thiết bị LSV Series 6000 Polytec ( www.polytec.com )

Hình.2.1.2: NTT Microsystem Integration Laboratories

Trên thị trường Việt Nam, theo tìm hiểu của chúng tôi thiết bị ứng dụng phương pháp LDV đo vận tốc dòng chảy lưu chất hiện chưa có công ty nào cung ứng Trên thị trường nước ngoài hiện có một số công ty sản xuất và cung cấp thiết

bị ứng dụng phương pháp LDV đo vận tốc bề mặt, vận tốc quay của động cơ, đo đạc và điều khiển các quy trình cắt công nghiệp (http://polytec.com,

http://www.elovis.de, http://www.usa.canon.com…) Theo đánh giá chung các thiết

bị này có lợi thế lớn về mặt đo không tiếp xúc, khoảng đo lớn ( 0-99999 rpm, 200 –

2.1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng LDV trên thế giới

Năm 1964, thiết bị laser Doppler đầu tiên đã được giới thiệu bởi nhóm của Cummins, Knable và Yeh và nhóm của Yeh và Cummins với cấu trúc quang học

dạng chùm tia laser quy chiếu (reference – beam), khi đó một chùm tia tán xạ giao

với một chùm tia không tán xạ tại một điểm tạo nên một góc giao thoa

Hình 2.1.3: Sơ đồ nguyên lý laser Doppler do Cummins và Yeh đưa ra năm 1964

Năm 1969, Penny đã giới thiệu hệ thống thiết bị với cấu trúc của lưỡng chùm laser tán xạ, khi đó một chùm tia laser tán xạ này sẽ giao với một chùm tia tán xạ khác tại một điểm tạo nên một góc giao thoa Cũng trong thời gian này, Lehmann (1968) và Vom Stein và Pfeifer (1969) đã được cấp bằng sáng chế khi giới thiệu hệ thống thiết bị lưỡng chùm, trong cấu trúc này hai chùm tia laser tới được hội tụ tại một điểm với một góc giao thoa và hình thành vùng giao thoa, ngoài

ra ánh sáng tán xạ từ chúng được thu nhận bởi một detector Đây chính là cấu trúc thiết bị laser Doppler cải tiến ban đầu cho sự phát triển của các hệ thống thiết bị laser Doppler được sử dụng ngày nay [35,36]

Ngay sau khi được giới thiệu về lợi ích của kỹ thuật laser Doppler ứng dụng đối với các dòng chất lỏng, kỹ thuật laser Doppler đã được cộng đồng nghiên cứu

cơ học chất lỏng rất hoan nghênh và tiếp nhận Kỹ thuật này có các lợi điểm không thể phủ nhận đó là: không xâm lấn môi trường, độ nhạy có định hướng cao, độ phân giải không thời gian cao và độ chính xác cao Do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ quang học, điện tử và máy tính nên kỹ thuật này hứa hẹn sẽ mang lại

những lợi ích to lớn ở cả lĩnh vực khoa học và thương mại, vì vậy chúng nhanh chóng được cải tiến và thương mại hóa

Sự phát triển của thiết bị không chỉ ở mặt kỹ thuật mà còn về lĩnh vực áp dụng, do đó rất nhiều cải tiến phát triển thiết bị nhằm nâng cấp và điều chỉnh thiết

bị phù hợp với các lĩnh vực áp dụng khác nhau, Sự phát triển và cải tiến liên tục của thiết bị này phải kể đến sự phát triển của các loại nguồn laser mới và nhỏ gọn, các bộ tích hợp mới, các thiết bị dựa vào sợi quang học, laser bán dẫn và sự bùng

nổ của khả năng tính toán trong những năm gần đây [20]

2.1.3 Một số sản phẩm hiện đang có mặt trên thị trường:

Thiết bị đo của Applied University Research, Inc [37]

Hình 2.1.4: Mô hình hệ đo 3D với 5 chùm tia đang hoạt động

Hình 2.1.5: Mô hình ứng dụng và giả lập của AUR

Hình 2.1.6: Giao diện chương trình xử lý số liệu

Bảng 2.1.1: Thông số kỹ thuật của một thiết bị Công ty AUR

Bảng 2.1.2: Bảng giá của các thiết bị của Applied University Research, Inc

Thiết bị của Hãng Polytec [38]

Hình 2.1.7: Thiết bị LSV 1000 Bảng 2.1.3: Thông số kỹ thuật của LSV 1000

Hình 2.1.8: Thiết bị LSV 6000

Bảng 2.1.4: Thông số kỹ thuật của thiết bị LSV 6000

2.2 Giới thiệu chung về laser

2.2.1 Nguyên lý chung của laser

Khi hấp thụ năng lượng photon, nguyên tử sẽ chuyển lên trạng thái có mức năng lượng cao hơn (quá trình hấp thụ), hay chuyển xuống trạng thái có mức năng lượng thấp hơn (hiệu ứng bức xạ kích thích) Ngoài ra, khi không có tác động nào

từ bên ngoài vào hệ, thì nguyên tử cũng chỉ tồn tại ở trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn, và ở một thời điểm tuỳ ý nào đó nguyên tử sẽ dịch chuyển xuống trạng thái ứng với mức năng lượng thấp hơn và phát ra một photon, quá trình này gọi là bức xạ tự phát, đó là những hiệu ứng chính quyết định sự ra đời của laser Các thành phần chính của laser gồm: môi trường hoạt tính, hộp cộng hưởng, bơm

Theo quan điểm của cơ học lượng tử thì nội năng của hạt là lượng tử, vì vậy

nó có một loạt các giá trị năng lượng xác định, gián đoạn mà trong vật lý gọi là trạng thái năng lượng hay mức năng lượng Mức năng lượng thấp nhất (nội năng của hạt nhỏ nhất) được gọi là mức cơ bản hay là trạng thái cơ bản, các mức còn lại

gọi là trạng thái kích thích

Hình 2.2.1: Sơ đồ mức năng lượng của laser (a) laser hai mức, (b) và (c) laser ba mức, (d) laser bốn mức Các đường đậm hai đầu mũi tên biểu diễn quá trình bơm, các đường gạch thể hiện xả của laser, các đường đậm giữa

mức hai và mức 1 biễu diễn sự phát xạ kích thích bởi bức xạ laser [10]

Khi nói hạt chuyển từ một mức năng lượng này sang mức năng lượng khác khi đó nội năng của hạt thay đổi một lượng bằng hiệu năng lượng hai mức năng lượng đó [4]

Có ba quá trình thay đổi trạng thái của hạt như sau:

 Quá trình hấp thụ: nguyên tử chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái

có mức năng lượng cao hơn khi hấp thụ năng lượng photon

 Quá trình bức xạ: nguyên tử chuyển từ trạng thái cơ bản xuống trạng thái

có mức năng lượng thấp hơn khi hấp thụ năng lượng photon

 Quá trình tự phát: nguyên tử tồn tại ở trạng thái kích thích trong một thời gian rất ngắn mặc dù không có sự tác động ở bên ngoài thì nó vẫn chuyển về trạng thái cơ bản

 Các phương pháp tạo nghịch đảo nồng độ hoạt chất

Quá trình kích thích nguyên tử từ mức cơ bản lên mức kích thích của laser gọi là quá trình bơm, các phương pháp bơm chủ yếu như sau:

Phương pháp bơm quang học: Môi trường hoạt tính hấp thụ bức xạ của

nguồn ánh sáng công suất làm cho nguyên tử của môi trường sẽ dịch chuyển lên mức trên Phương pháp này đặc biệt thích hợp với laser rắn và laser lỏng vì phổ hấp thụ ở thể rắn và thể lỏng thường rất rộng, phù hợp với phổ bức xạ của nguồn bơm thông thường là phổ đám, vì vậy những đám này sẽ hấp thụ phần lớn năng lượng bức xạ nguồn bơm.

Phương pháp bơm điện: Bơm điện được thực hiện trực tiếp bằng sự phóng

điện và đặc biệt thuận lợi đối với laser khí và laser bán dẫn, phổ hấp thụ của laser khí rất hẹp nên không dùng bơm quang học

Các phương pháp bơm khác: Ngoài hai phương pháp bơm chủ yêu trên

người ta còn có một số bơm khác như: bơm hóa học – thực hiện nhờ phản ứng hóa học, bơm khí động học thực hiện nhờ sự giãn nở của khí ở vận tốc siêu âm

2.2.2 Cấu tạo của laser

Cấu tạo chung của một laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang gồm gương trong suốt và bán trong suốt Trong

đó, buồng cộng hưởng bộ phận quan trọng nhất của một máy phát laser, cấu tạo của

buồng cộng hưởng thường bao gồm hai mặt phản xạ đặt đối diện với nhau, giữa hai mặt này là môi trường hoạt tính

Hình 2.2.2: Cấu tạo chung của một laser:

1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích), 2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), 3) Gương phản xạ toàn phần, 4) Gương bán trong suốt, 5) Tia laser

2.2.3 Tính chất của laser

Ánh sáng laser có ba đặc điểm duy nhất tạo nên sự khác biệt giữa ánh sáng laser và ánh sáng bình thường đó là:

Tính đơn sắc cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất

Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có

Độ định hướng cao: laser phát ra chùm tia hầu như là chùm song song do đó

có khả năng chiếu rất xa mà không bị phân tán

Tính kết hợp cao: tất cả các sóng riêng biệt trong chùm tia laser di chuyển đồng thời theo không thời gian

Ngoài ra, laser có khả năng phát ra các xung cực ngắn cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

Hình 2.3.1: Laser khí thương mại trên thị trường

 Chất tạp ion hóa – chủ yếu là các ion thuộc nhóm nguyên tố đất hiếm như Sm+2(Samarium), Dy+2(Disprosium), Nd+2(Neodymium)… và Cr+3(Chromium), U+3(Uranium)

 Một số tính chất chung của laser rắn như:

 Sự đảo lộn mật độ rất lớn do nồng độ ion – hoạt hóa trong môi trường rắn rất lớn khi so với nồng độ hạt trong môi trường khí vì vậy môi trường hoạt tính chất rắn được đặc trưng bằng hệ số khuyếch đại lớn;

 Chất rắn có tính đồng nhất rất kém so với môi trường chất khí, do

đó sẽ có sự mất mát nhiều do tán xạ làm giảm độ phẩm chất của

hệ cộng hưởng khi môi trường hoạt tính dài;

 Độ rộng mức năng lượng của hạt lớn do sự tương tác giữa các hạt trong chất rắn;

 Phải dùng bơm quang học để tạo mật độ đảo lộn

2.3.1.4 Laser lỏng (laser màu)

Môi trường hoạt tính của laser lỏng là dung dịch chất màu hữu cơ trong dung môi như nước, rượu etyl (CH3CH2OH) hoặc rượu metyl (CH3OH)

Tính chất điển hình của loại laser này là có thể biến đổi được tần số bằng cách chọn chất màu, khi đó ta có thể nhận được độ dài sóng bất kỳ

trong dải sóng từ miền hồng ngoại gần đến miền cực tím gần của phổ Hệ số khuyếch đại của laser lỏng rất lớn có thể so sánh được với độ khuyếch đại của laser rắn Ngoài ra, laser lỏng có một ưu điểm nữa đó là tạo môi trường hoạt tính rất đơn giản

2.3.2 Phân loại theo chế độ phát tự nhiên

2.3.2.1 Laser phát sóng liên tục

Laser phát sóng liên tục đầu tiên là laser HeNe phát ở bước sóng 1.153nm, ngay sau đó laser phát ở bước sóng 632,8nm cũng đã ra đời Hiện tại, đã có nhiều loại laser hoạt động ở chế độ phát liên tục đã được phát triển như: các loại laser khí khác, một số loại laser rắn, laser bán dẫn và laser màu [1]

Hình 2.3.2: Phổ điện từ và bước sóng hoạt động của các loại laser

2.3.2.2 Laser phát sóng xung

Laser phát ở chế độ xung là laser phát ánh sáng không phải ở chế độ liên tục mà ở dạng xung quang Thuật ngữ thường được dùng là laser chuyển mạch Q phát ra xung nano giây, có nhiều phương pháp tạo xung và nhiều loại laser phát xung được sử dụng tùy theo thời gian phát xung, năng lượng xung, độ lặp lại của xung và bước sóng cần thiết

Do đặc điểm xung laser nhỏ hơn 10ns, dải rộng của độ lặp xung từ các xung đơn đến hơn 10kHz và phát ra các sóng với nhiều bước sóng: trong

dải cực tím (263 nm, 266 nm, 351 nm, 355 nm), trong dải ánh sáng nhìn thấy (527 nm, 532 nm) và trong dải hồng ngoại (1.053 nm, 1.064 nm) [28]

Một số phương pháp để đạt được điều này như:

 Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

 Phương pháp kiểu khoá (mode locking)

 Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

2.3.3 Phân loại theo bước sóng

 Laser phát ra các sóng trong vùng khả kiến

 Laser phát ra các sóng trong vùng hồng ngoại

 Laser phát ra các sóng trong vùng tử ngoại

 Laser phát ra các sóng trong vùng sóng cực ngắn (sóng vi ba)

 Laser phát ra các sóng trong vùng tia X

 Sự đảo lộn mật độ được tạo thành trên các mức kích thích của các

nguyên tử ion hay phân tử cô lập Trong những điều kiện ấy, sự tương tác giữa các hạt trong môi trường là cực tiểu, vì vậy vạch phổ của các mức năng lượng có độ rộng rất hẹp (10-7 – 10-6 m) Tính chất này cho chúng ta thấy rằng, có vô số sơ đồ dịch chuyển mức năng lượng trong các khí khác nhau để tạo nên môi trường mật độ đảo lộn trong laser khí

 Môi trường khí có tính chất quang học đồng tính lớn, mật độ khí nhỏ nên mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu Điều đó cho phép chúng ta dùng khoảng cách giữa hai gương phản xạ lớn, vì vậy laser khí có chùm bức xạ định hướng cao và độ đơn sắc lớn

 Do mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt trong thể rắn nên chỉ với 1cm3 không thể nhận đủ lượng nguyên tử kích thích để bức xạ ánh sáng như ở thể rắn Vì vậy, laser khí phải có kích thước lớn, đây cũng chính là nhược điểm của laser khí

Hình 2.4.1: Phổ của laser khí [9]

2.4.2 Các loại laser khí

Có nhiều loại laser khí khác nhau hoạt động ở hầu hết các dải sóng và công suất phát theo bảng sau [22, 23]:

Bảng 2.4.1: Các loại laser và thông số cơ bản

2.4.3 Nếu phân loại theo độ hoạt động tự nhiên

 Laser nguyên tử khí trung hòa bao gồm cả laser HeNe và laser bay hơi kim loại đồng

 Laser ion như laser HeCd, laser Argon

 Laser phân tử khí như laser CO2, laser CO, laser N2 và laser Excimer

2.5 Laser HeNe

2.5.1 Giới thiệu

Laser khí đầu tiên được Ali Javan, William R Bennett Jr., and Donald R Herriott chế tạo tại phòng thí nghiệm Bell tháng 12 năm 1960 là laser khí HeNe - laser có bước sóng liên tục đầu tiên (tất cả ba loại laser chế tạo trước đó là laser

phát xung trạng thái rắn), đây là laser khí được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay và đã được sản xuất với quy mô công nghiệp

Laser HeNe ban đầu phát ra ở bước sóng hồng ngoại gần là 1.152nm, bước sóng đỏ 62,8nm đã được phát hiện ra sau đó, mặc dù không mạnh nhưng đóng vai trò cực kỳ quan trọng do mắt người có thể nhận biết được Laser HeNe có công suất vài mW đã được sản xuất với khối lượng lớn và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ thương mại đến công nghiệp

Laser HeNe được sử dụng hầu hết các ứng dụng cho đến những năm 1980, đây là laser phát sóng trong vùng khả kiến mà mắt người có thể nhận biết thông dụng nhất cho đến những năm 1990 khi laser diode giá rẻ có mặt trên thị trường Laser HeNe với bước sóng đỏ có tính năng trội hơn laser diode có cùng bước sóng

về tính kết hợp, chất lượng chùm tia, độ rộng phổ rất hẹp và ổn định khi sử dụng ở dạng đơn mode, do đó được sử dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau Công suất thông thường của các laser HeNe khoảng vài mW, tuy nhiên một số sản phẩm thương mại

có công suất lên đến vài chục mW

Laser HeNe hoạt động trong một số bước sóng như sau:

Bảng 2.5.1: Một số bước sóng của laser HeNe

Bước sóng 1.152nm rất quan trọng và được sử dụng trong sợi quang học, do đặc tuyến suy hao của sợi quang có ba dải bước sóng có suy hao thấp là 850nm, 1.310nm và 1.550 nm Trong đó bước sóng 1.550nm nằm trong dải có suy hao thấp

nhất nên được sử dụng cho hệ thống ghép bước sóng Hệ thống thông tin quang

thông thường sẽ phát phổ rộng, chọn một trong ba bước sóng trên là bước sóng

trung tâm, còn bộ thu cho phép thu tất cả các băng tần

2.5.2 Nguyên tắc hoạt động

Trên hình 2.5.1 cho thấy các mức năng lượng chính của laser HeNe, laser khí điển hình bao gồm năm phần He và một phần Ne, với nhiều nguyên tử He hơn thì năng lượng tập trung từ điện cực cũng nhiều hơn Ne Trạng thái kích thích của He

bị kích thích bởi các electrons có năng lượng bằng với mức hai của Ne Vì vậy khi các nguyên tử va chạm, nguyên tử He ở trạng thái kích thích chuyển năng lượng của nó về một trong hai mức năng lượng của Ne Các mức năng lượng của Ne là các mức bền nên các nguyên tử của chúng tồn tại trong một thời gian dài

Hình 2.5.1: Sơ đồ mức năng lượng của laser HeNe [9]

Trạng thái kích thích thường được tạo ra bởi sự đảo lộn khi có dịch chuyển của Ne, các dịch chuyển này phụ thuộc vào sự hồi tiếp của buồng cộng hưởng Bước sóng hồng ngoại 1.152 nm rất mạnh nhưng ít khi được sử dụng do không có nhiều ứng dụng, tuy nhiên bước sóng 632,8 nm mạnh nhất trong các bước sóng nhìn thấy của laser HeNe, thông thường các laser thương mại với công suất khoảng 50mW được dùng để phát ra chùm ánh sáng laser ở bước sóng 632,8 nm Các vạch xanh lục, vàng và cam được tạo ra ở công suất chỉ vài mW, tuy nhiên các màu sắc này lại có nhu cầu rất cao trong các ngành giải trí và quảng cáo

Các mức năng lượng thấp là cao so với mức cơ bản và giảm xuống nhanh chóng, thông qua một loạt các mức năng lượng thấp hơn trước khi chúng được tái

kích thích Cấu trúc mức năng lượng này làm cho hiệu suất kết hợp thấp, chỉ vào khoảng 0,01 – 0,1% đối với các laser HeNe chuẩn

Hình 2.5.3: Cấu tạo laser HeNe

Laser HeNe phát ra chùm tia liên tục ở mode TEM00 (Transverse Electric and Magnetic) với đường kính khoảng 1mm và độ phân kỳ vào cỡ 1mrad Chùm tia laser phát ra đủ đơn sắc để có thể ứng dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau

Với buồng cộng hưởng dài, laser HeNe tạo ra chùm tia tinh khiết và đơn mode, được áp dụng trong nhiều thiết bị và phép đo cần chất lượng chùm tia tốt Ví

dụ ứng dụng của laser HeNe trong các thiết bị công nghiệp và các thiết bị y sinh dùng đếm và chọn lựa tế bào

Hình 2.5.4: Phổ của laser HeNe

2.5.4 Tính chất của laser HeNe

 Độ phân kỳ của chùm tia nhỏ do tính đồng nhất quang học rất cao

 Độ kết hợp về không/thời gian của chùm tia cao

 Laser HeNe có thể dùng bộ điều biến tích hợp

 Thời gian sử dụng của ống plasma HeNe dài

 Laser HeNe có thể được sử dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ, độ ẩm, sóc cơ học…

 Giá của laser HeNe tương đối rẻ

2.6 Sơ lược về nguyên lý cơ bản của cơ học chất lỏng

Lưu chất là tên gọi chung của chất lỏng và chất khí, lưu chất được cấu tạo từ các phân tử (hoặc nguyên tử) có lực liên kết rất yếu và chúng chuyển động liên tục trong khối lưu chất Thông thường lưu chất chia làm hai loại: lưu chất lý tưởng và lưu chất thực

2.6.1 Khối lượng riêng và áp suất là hai đại lượng vật lý cơ bản của lưu

u d dp a gr F

Trong trường hợp lưu chất lý tưởng không nén được chúng ta có thêm thành phần

áp suất, phương trình dưới dạng vector khi đó là:

a gr

div d a gr u

dp a gr F

2

2 2

z y