Techniques optiques de mesure de vitesse

Techniques optiques de mesure de vitesse

Vélocimétrie laser Doppler (LDV)

La vélocimétrie laser Doppler conventionnelle (ou LDV pour Laser Doppler Velocimetry), aussi connue sous le nom d’anémométrie laser Doppler (ou LDA pour Laser Doppler Anemometry), est une technique optique interférométrique basée sur l’effet Doppler. La LDV a été appliquée la première fois dans les années 60 pour mesurer localement la vitesse d’écoulement d’un fluide [1]–[4], et est devenue la première technique optique mature de mesure de vitesse de fluide. Dès lors, la LDV a connu un développement stable et croissant, et est devenue aujourd’hui une technique bien établie et commercialisée qui permet de mesurer la vitesse (d’un objet solide ou d’un fluide) de manière précise.

Quand un faisceau laser illumine une particule en mouvement, la fréquence reçue par la particule est décalée par rapport à la fréquence d’émission du laser ν0 dû à l’effet Doppler. Ensuite, la fréquence diffusée νobs par la particule (en mouvement) vers un observateur immobile est aussi décalée par effet Doppler.

Montage à faisceau de référence

C’est historiquement le premier montage de vélocimètre laser. Il a été proposé par Yeh et Cummins en 1964 [1]. Des montages équivalents ont été aussi proposés par Foremen et al. en 1966 [2] et Goldstein et Kreid en 1967 [3]. Le faisceau du laser est divisé en deux faisceaux. L’un sert de référence et l’autre éclaire une particule ou objet en mouvement. La lumière diffusée par la particule est décalée en fréquence par double effet Doppler.

Spectromètre

La fréquence νobs est mesurée optiquement à l’aide d’un interféromètre optique FabryPerot [7] ou Michelson [8]. Dans ce dernier cas, une grande différence de marche optique Δs est introduite entre les deux bras de l’interféromètre (en plaçant un bloc de verre dans un des bras de l’interféromètre). Cette grande valeur de Δs conduit à créer une très grande sensibilité de la figure d’interférence aux changements de longueur d’onde dλ dus aux variations de vitesse. La tension délivrée par le photodétecteur varie proportionnellement au décalage Doppler dλ et permet donc une mesure instantanée de la vitesse ; la résolution temporelle d’un tel système est de l’ordre de 1 μs [6]. Avec des différences de marche Δs atteignant 7 m, une résolution dλ/λ 10⁻¹⁰ est atteinte. Ce type de vélocimètre basé sur un spectromètre est bien adapté pour sonder des vitesses très élevées (de manière à obtenir une différence significative entre ν0 et νobs) dont la durée est brève (comme dans les tubes à choc), mais l’ensemencement doit être important dans le cas de mesure sur des écoulements fluidiques [6].

Vélocimétrie par images de particules (PIV)

La vélocimétrie par images de particule (PIV pour Particle Image Velocimetry) [16] est la technique la plus avancée de mesure du vecteur vitesse précise et instantanée dans un milieu fluidique. L’idée de base de cette technique est d’enregistrer à deux instants distincts deux images à haute définition d’un fluide ensemencé de particules, le déplacement d’une particule durant un temps connu est calculé et le vecteur vitesse correspondant est alors déduit. La PIV est de nos jours l’outil standard d’étude des écoulements fluidiques dans les laboratoires d’étude de mécanique des fluides, et fournit jusqu’à présent la plus haute résolution spatiale.

La PIV est née sous le nom de « Laser Speckle Velocimetry (LSV) » ou « Laser Speckle Photography (LSP) ». Le phénomène de speckle apparaît sous la forme de grains alternativement sombres et brillants repartis dans l’espace de manière aléatoire. Une surface rugueuse éclairée par un faisceau laser (lumière cohérente) peut être considérée comme un ensemble infini de points émetteurs de lumière cohérente. Les ondes provenant des différents points de la cible interfèrent dans tout l’espace. Ainsi, l’intensité de la lumière résultante varie de façon aléatoire. L’intensité résultante en un point donné sur l’image capturée est déterminée par l’addition algébrique de toutes les amplitudes d’ondes arrivant au niveau de ce point. Si l’amplitude résultante est nulle, un grain sombre apparaît, tandis que si toutes les ondes arrivent en phase, un grain brillant est observé. En 1977, Barker et Fourney [17], Dudderar et Simpkins [18], et Grousson et Mallick [19] ont démontré que la vélocimétrie laser par speckle LSV, initialement développée pour des applications en mécanique des solides [20], pouvait être appliquée à la mesure de champs de vitesse dans un écoulement fluidique et ce, en mesurant le profil de vitesse parabolique d’un écoulement laminaire dans un tube. En 1983 Meynart [21] effectua des mesures dans des écoulements laminaires et turbulents à partir de photographies doublement exposées d’une section éclairée par une nappe de lumière provenant d’un laser à double impulsion et par dépouillement des franges d’Young d’interférences. En effet, un enregistrement photographique de deux figures de speckle (de la lumière diffusée) identiques mais décalées entre elles, donne lieu à des franges parallèles d’Young . L’espacement et l’orientation de ces franges permet de remonter au déplacement et ainsi à la vitesse d’écoulement. En 1984 Adrian [22], puis Pickering et Halliwell [23] soulevèrent les premiers l’influence du nombre de particules dans les écoulements ; ils différencièrent la PIV de la LSV par une densité de particules plus faible qui permet de visualiser les traceurs, introduits ou inhérents au fluide, de façon individuelle. La vélocimétrie par imagerie de particules venait d’apparaitre. Cette technique présentant un grand intérêt : obtenir dans une section complète d’un écoulement laminaire, instationnaire ou turbulent, les deux composantes de vitesse à un instant t, de nombreux chercheurs participèrent alors à son développement.

Principe de la PIV

Un dispositif standard de la PIV est composé d’une source laser (un des lasers les plus utilisés en PIV est le laser impulsionnel Nd-Yag), d’une optique d’émission (lentilles, miroirs, lentille cylindrique) permettant de générer une nappe laser fine dans l’écoulement et d’une caméra CCD ou CMOS permettant d’acquérir des images de l’écoulement ensemencé de particules .

La vélocimétrie par imagerie de particules peut être décrite comme suit :
1. Le laser délivre deux impulsions espacées d’un intervalle de temps ∆t connu. A chaque impulsion, l’objectif d’enregistrement (caméra CCD) capte une image numérique des particules (introduites ou inhérentes au fluide) dans le champ d’écoulement.
2. Les images numériques sont divisées en un ensemble de sous-images appelées encore cellules ou fenêtres d’interrogation.
3. Chaque cellule de la deuxième image est comparée avec plusieurs cellules de la première image, en utilisant les techniques d’intercorrélation.
4. Le déplacement relatif à une particule ou à un groupe de particules est trouvé et correspond aux deux cellules présentant le maximum de corrélation.
5. L’intervalle de temps ∆t entre les deux images étant connu, la vitesse du fluide dans le plan d’éclairage est déduite à partir du déplacement des particules. On parle alors de mesures 2C2D : deux composantes (2C) de la vitesse dans un plan de l’écoulement (2D).

Table des matières

Introduction
Chapitre I Méthodes optiques de mesures de vitesses
1 Techniques optiques de mesure de vitesse
1.1 Vélocimétrie laser Doppler (LDV)
1.1.1 Montage à faisceau de référence
1.1.2 Spectromètre
1.1.3 Montage à franges
1.2 Vélocimétrie par images de particules (PIV)
1.2.1 Principe de la PIV
1.2.2 Mesure par suivi de particules (PTV)
1.2.3 Évolutions de la PIV
1.3 Vélocimétrie laser Doppler globale (DGV)
1.4 Vélocimétrie laser « deux points » (L2F)
1.5 Radar laser pulsé (Lidar)
1.6 Interférométrie à rétro-injection optique (OFI)
1.7 Comparaison et conclusion
2 Interférométrie à rétro-injection optique
2.1 Principe du self-mixing
2.2 La diode laser seule en espace libre
2.3 La diode laser en présence d’une cible
2.3.1 Modulation de la fréquence d’émission du laser
2.3.2 Modulation de la puissance optique de la diode laser
2.4 Application du phénomène de self-mixing à la mesure de vitesse
2.4.1 Cible en déplacement longitudinal
2.4.2 Cible en déplacement transversal
3 Conclusion
Chapitre II Amélioration de l’architecture du vélocimètre par self-mixing
1 Introduction
2 Vélocimètre self-mixing mono-diode laser
3 Vélocimètre self-mixing à double-tête laser
3.1 Prototype
3.2 Analyses d’incertitude du dispositif de mesure
3.3 Résultats expérimentaux
3.4 Conclusion
4 Détermination de l’erreur due au désalignement des faisceaux laser du vélocimètre à double-tête
4.1 Solide en mouvement de translation
4.2 Solide en mouvement de rotation
4.2.1 Faisceaux laser coplanaires
4.2.1.1 Analyse théorique
4.2.1.2 Résultats expérimentaux
4.2.2 Faisceaux laser non coplanaires
4.2.2.1 Analyse théorique
4.2.2.2 Résultats expérimentaux
5 Conclusion
Chapitre III Traitement du signal vélocimétrique de self-mixing pour les applications mécatroniques
1 Introduction
2 Analyse du signal vélocimétrique de self-mixing
2.1 L’effet speckle
2.1.1 Capteurs à base du phénomène de speckle
2.2 Analyse de l’effet speckle sur le signal de self-mixing
2.3 Modèle du signal vélocimétrique
3 Traitement du signal vélocimétrique
3.1 Analyse spectrale classique : Spectrogramme
3.2 Méthode autorégressive
3.3 Tracking de la vitesse avec un filtre adaptatif
3.4 Comptage de fréquence (Fréquencemètre)
3.4.1 Principe et méthode de mesure
3.4.1.1 Définition
3.4.1.2 Principe de mesure de fréquence dans le domaine temporel
3.4.1.3 Mise en forme du signal (Conversion du signal)
3.4.1.4 Compteurs
3.4.1.4.1 Compteurs conventionnels
3.4.1.4.2 Compteurs réciproques
3.4.2 Application du fréquencemètre aux signaux de self-mixing
3.4.2.1 Simulations
3.4.2.2 Essai sur des signaux expérimentaux
3.4.2.2.1 Expérimentation
3.4.2.2.1.1 Comparaison avec la méthode FFT
3.4.2.2.2 Résultats sur différents types de cible solide
3.4.2.2.2.1 Cuivre
3.4.2.2.2.2 Papier de verre
3.4.2.2.2.3 Verre
3.4.2.2.3 Conclusion
3.4.2.3 Implémentation sur un circuit logique programmable (FPGA) et test sur site
4 Conclusion
Chapitre IV Applications à la fluidique du vélocimètre par self-mixing
1 Introduction
1.1 Diffusion de la lumière par une particule
1.2 Diffusion simple / multiple
2 Dispositif expérimental micro-fluidique
3 Écoulement micro-fluidique en diffusion simple
3.1 Traitement du signal et résultats expérimentaux
3.1.1 Analyse spectrale
3.1.2 Intercorrélation des signaux de tension et de photodiode
3.1.3 Résultats expérimentaux
3.1.4 Conclusion
4 Dispositif double-tête laser appliqué sur un écoulement macro-fluidique
4.1 Prototype et dispositif expérimental
4.2 Résultats expérimentaux
4.3 Conclusion
5 Conclusion
Conclusion

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