Vélocimètre laser de surface

L'effet Doppler est un phénomène bien connu de tous. Il se cache derrière le bruit de la sirène du camion de pompier qui nous parait différent au fur et à mesure qu'il s'approche de nous puis s'éloigne. La fréquence perçue change alors et l’on a cette impression de glissement d’un son aigu à un son plus grave.

À l'intérieur de la tête de mesure du vélocimètre, le laser, de fréquence optique f est divisé en deux faisceaux de même énergie grâce à une cellule de Bragg (modulateur acousto-optique). En même temps un des deux faisceaux est décalé en fréquence Fb = 40 MHz. Les deux faisceaux laser se croisent à la distance de travail spécifiée sous un angle ${\displaystyle \alpha }$ par rapport à l'axe optique. La lumière rétro-diffusée par l'objet est collectée par l'optique et focalisée sur le photodétecteur. Le signal de ce détecteur est ensuite analysé de manière électronique.

Les vélocimètre laser de surface fonctionnent selon le principe de différences Doppler. Ici deux faisceaux laser sont superposés et génèrent un motif de franges d'interférence sur la surface de l'objet à mesurer.

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  Constitution tête laser
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  Fonctionnement Doppler

À l'intersection des deux faisceaux laser, les interférences produisent des franges brillantes et sombres sur la surface de l'objet avec un intervalle entre les franges appelé ${\displaystyle \delta S}$ qui peut être déterminé à partir de l'angle ${\displaystyle \alpha }$ et de la longueur d'onde du laser ${\displaystyle \lambda }$ :

${\displaystyle \delta S={\frac {\lambda }{2sin\alpha }}}$

Lorsqu'une particule sur la surface de l'objet traverse la zone d'interférences, elle réfléchit la lumière en passant à travers les franges claires. Le détecteur reçoit alors une modulation d'intensité lumineuse composée d'une fréquence Doppler Fd qui multipliée par l'interfrange ${\displaystyle \delta S}$ donne la vitesse de la surface Vp.

${\displaystyle Vp=\delta S.Fd}$

L'interfrange, reste constant même lorsque la distance de travail varie (à l'intérieur du volume de mesure). La longueur est calculée par une intégration ultra précise en temps réel de la vitesse instantanée.

Le signal résultant de la mesure est un signal de fréquence instantanée Fm qui est composée de la fréquence de la cellule de Bragg Fb = 40 MHz et de la fréquence Doppler Fd (détection hétérodyne).

${\displaystyle Fm=40(MHz)+/-Fd}$

Le procédé hétérodyne permet ainsi au vélocimètre laser de surface de mesurer le signe de la vitesse et de réaliser des mesures à très basse vitesse jusqu'à une vitesse nulle. Une autre caractéristique du procédé est la très haute précision des mesures qui ne sont pas du tout dépendantes des conditions de mesures (ambiance, température, couleur du produit…) car l'interfrange ${\displaystyle \delta S}$ ne dépend que de l'angle ${\displaystyle \alpha }$ et de la longueur d'onde du laser ${\displaystyle \lambda }$.

Ainsi : À zero, le pic de fréquence se situe à 40 MHz. C'est ce qui explique qu'il est possible de mesurer à très basse vitesse jusqu'à une vitesse nulle. Les fréquences < 40 MHz = vitesse nulle Les fréquences > à 40 MHz = vitesse positive Le maximum mesurable avec la technique du Doppler = ±4,8 MHz.

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• Principe de fonctionnement des vélocimètres laser de surface