VELOCITY MEASUREMENT BY LASER INTERFEROMETRY

Abstract

Traditional velocity measurement processes are based on measuring the time interval associated with the distance travelled by a mobile. When velocities are extremely high and measurement times are very short, in order of microseconds or less, it is natural for there to be significant errors in the velocity measurement value. Laser interferometry is a way to measure instantaneous velocity with a reduced error. The characterization of the motion of animated projectiles with high velocity (>100 m/s) can be done based on laser interferometry. This technique can be used in several areas, such as measuring the velocity of surfaces triggered by the expansion of reaction products associated with the detonation of an explosive, for example explosive welding.The objective of this work is to assemble a velocity measurement system called Heterodyne Velocimeter (HetV), also known as Photon Doppler Velocimetry (PDV), which is based on the Doppler effect. This system is an easy-to-use fiber optic interferometer for both low and high-speed applications. This assembly uses commercially available components for the telecommunications industry, such as laser diodes, optical circulators, couplers, optical splitters, detectors, digitizers with high bandwidth and optical fiber.During the realization of this work, the 3D design and manufacture of a set of supports for the assembly of the components and the preparation of software for processing results was carried out. The projection of said supports was done using Solidworks, CAD (computer aided design) software that uses the principle of parametric design with three types of files: part, assembly, and drawing. After the projection of the supports, 3D printing was done using the Prusa Original Prusa i3 MK3 by Josef Prusa. In the analysis of data, the method used was Fast Fourier Transforms (FFT) with the help of MATLAB, a programming and numerical computing platform.

Os processos de medida de velocidade tradicionais assentam na medida do intervalo de tempo associado à distância percorrida por um móvel. Quando as velocidades são muito elevadas e os tempos de medida são muito pequenos, da ordem de microssegundo ou inferior, é natural a existência de erros significativos no valor da medida da velocidade. A interferometria laser é uma forma de medir a velocidade instantânea com um erro reduzido. A caraterização do movimento de projéteis animados com elevada velocidade (>100 m/s) pode ser feita com base em interferometria laser. Esta técnica pode ser usada em diversas áreas, como na medição da velocidade de superfícies acionadas pela expansão dos produtos da reação associados à detonação de um explosivo, como por exemplo na soldadura por explosão.O objetivo deste trabalho consiste na montagem de um sistema de medição da velocidade designado Heterodyne Velocimeter (HetV) também conhecido por Photon Doppler Velocimetry (PDV), que é baseado no efeito Doppler. Este sistema é um interferómetro de fibra óptica de fácil uso para aplicações de baixa e alta velocidade. Nesta montagem serão utilizados componentes comercialmente disponíveis para a indústria de telecomunicações, tais como díodos lasers, circuladores ópticos, acopladores, divisores ópticos, detetores, digitalizadores com elevada largura de banda e fibra óptica. Na realização deste trabalho foi feito o projeto e fabricação 3D de um conjunto de suportes para a montagem dos componentes e a preparação de software para o tratamento de resultados. A projeção de ditos suportes foi feita no Solidworks, sofware CAD (computer aided design) que usa o princípio de design paramétrico com três tipos de ficheiros: part, assembly e drawing. Após a projeção dos suportes foi feita a impressão 3D destes através da impressora Original Prusa i3 MK3 por Josef Prusa. Na análise de dados foi utilizada o método da transformada rápida de Fourier (FFT) com o auxílio do MATLAB, plataforma de programação e computação numérica.