Bachelor's Thesis

Laser Doppler anemometer – Do it yourself

Final Thesis 3.1 MB Appendix 3.98 MB

Author of thesis: David Čech

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Pech, Ph.D.

Abstract:

Laser Doppler anemometry represents an accurate non-contact method for measuring fluid flow velocity based on the Doppler effect and the scattering of laser radiation by particles carried within the flow. A major disadvantage of commercially available systems is their high acquisition cost. However, the use of widely available optical, electronic, and mechanical components enables the implementation of a simple low-cost solution suitable for demonstration and educational purposes. The physical principles of the method, possibilities of technical implementation, and different system configurations are described. Emphasis is placed on the selection of affordable components, simplicity of construction, and the possibility of experimental verification of the device functionality during flow velocity measurements. The proposed device was constructed and tested under several simple measurement conditions.

Keywords:

LDA, LDV, laser doppler anemometry, low-cost measuring system, velocity measuring, Doppler signal.

Date of defence

08.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil zkušební komisi s průběhem řešení, výsledky a závěry své závěrečné práce. Student zodpověděl všechny dotazy oponenta. Doc. Lízal se ptal na Dopplerův jev a původ Dopplerovské frekvence. Student vysvětloval princip na svém laserovém anemometru. Diskuze se rozvinula u výkladu pohybu částice skrz interferenční roviny a dále u zdrojů nejistot měření, kde student upřesnil, že skutečným zdrojem nejistoty může být například smítko prachu. Problémy se světelným šumem byly vyřešeny změnou pozice přijímací optiky, šum elektroniky byl identifikován jako oblast k dalšímu doladění. Doc. Katolický se ptal na 3D tisk použitý v konstrukci zařízení. Student uvedl, že hlavním problémem jsou velké vůle, a jako vhodnější alternativu navrhl masivnější konstrukci z hliníku. Ostatní 3D tištěné části (odstínění) jsou vyhovující. Dr. Hejčík se ptal na elektroniku uvnitř zařízení - student uvedl, že komponenty jsou kupované.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

doc. Ing. Pavel Charvát, Ph.D. (člen)
Ing. Vladimír Krejčí, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Katolický, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. František Lízal, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Hejčík, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Jan Jedelský, Ph.D.

Student zpracoval multidisciplinární téma zaměřené na návrh a praktickou realizaci nízkonákladového laserového Dopplerovského anemometru. Téma vyžadovalo dodatečné studium optiky, měřicí techniky, elektroniky, zpracování signálu, 3D tisku a základů experimentální mechaniky tekutin. Student se v problematice poměrně rychle zorientoval, nastudoval nezbytné teoretické principy a věnoval značné úsilí praktickému návrhu, sestavení a postupnému zdokonalování zařízení.

Za hlavní přínos práce považuji vlastní realizaci funkčního LDA. Ta byla náročná a vyžadovala praktické řešení řady problémů, zejména optického uspořádání, kvality laserového paprsku, polarizace svazků, potlačení nežádoucích odrazů a detekce slabého optického signálu. Práce ukazuje, že i s levnými komponentami lze vytvořit zařízení schopné zachytit měřitelný dopplerovský signál. V tomto směru práce vytváří dobrý základ pro další vývoj zařízení a pokračování v rámci diplomové práce.

Rešeršní část je řešena spíše v omezenějším rozsahu; srovnání existujících DIY a nízkonákladových řešení, komerčních zařízení i jednotlivých komponent mohlo být hlubší, systematičtější a kvantitativnější. Závěry jsou formulovány přiměřeně opatrně a správně uvádějí, že výsledky mají orientační charakter a nebyly ověřeny referenčním profesionálním LDA systémem.

Student je prakticky orientovaný a při realizaci zařízení pracoval se zájmem a zápalem. Naopak příprava textové části, přenos vlastních úvah do odborného textu, systematické plánování práce a časový management ve vztahu k dalším studijním povinnostem byly problematičtější. To se projevilo zejména menší informační hustotou některých částí, formálními nedostatky a ne tolik propracovanými body 1-4. Práce obsahuje hodnotné informace a funkční praktický výsledek. Doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Pech, Ph.D.

Cílem předložené bakalářské práce bylo provést rešerši dostupné literatury a otevřených DIY projektů využívajících laserovou Dopplerovskou anemometrii (LDA), navrhnout co nejjednodušší a cenově nejdostupnější variantu zařízení, provést její fyzickou realizaci a experimentálně ověřit funkčnost navrženého systému na jednoduchém experimentu proudění.

Práce má 54 stran, je členěna do 8 hlavních kapitol. Úvodní kapitoly popisují základní rozdělení anemometrů a detailně vysvětluje fyzikální princip funkce LDA, včetně Dopplerova jevu, geometrie měřicího objemu a interferenčních rovin. Třetí kapitola se věnuje popisu jednotlivých částí LDA a možnostem zpracování signálu. Následuje literární rešerše alternativních low-cost systémů a přehled předních komerčních výrobců s orientačními cenami jejich zařízení.

V praktické části práce autor navrhl a sestavil vlastní jednorozměrnou měřicí aparaturu. Postupně prošel třemi vývojovými iteracemi mechanické konstrukce vyrobené pomocí technologie 3D tisku, přičemž modifikoval uspořádání
z konfigurace zpětného rozptylu (back scatter) na boční rozptyl (side scatter), čímž úspěšně eliminoval vliv vnitřních odrazů v optické soustavě. Do soustavy také integroval polarizační filtry pro zvýšení kontrastu interferenčních rovin.
Pro vyhodnocení zaznamenaného signálu z osciloskopu vytvořil program v prostředí MATLAB využívající Fourierovu transformaci a frekvenční filtraci. Funkčnost realizovaného LDA systému experimentálně ověřil měřením rychlosti částic z nosního spreje, dýmu nad svíčkou a deodorantu z různých vzdáleností (které nebyly úplně konstantní). Autor již nestihl měření porovnat s daty z profesionálního přístroje LDA, což byla nepovinná součást zadání.
Pro porovnání naměřené rychlosti aerosolu deodorantu využil alespoň exponenciální vztah útlumu rychlosti, který
je sice pro popis reálného vícefázového turbulentního proudění značně zjednodušený, což sám autor v textu zmiňuje, ale i tak má shodný trend jako měření.

Grafické zpracování práce je na dobré úrovni, jednotlivé části na sebe logicky navazují, a obsahuje pouze malé množství překlepů.

Bakalářská práce pana Čecha splňuje všechny náležitosti kladené na závěrečnou práci, povinná část zadání byla splněna v plném rozsahu včetně většiny nepovinných částí, a proto ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Jak přesně byla určena ohnisková vzdálenost čočky měřením metrem a jaká je odhadovaná nejistota této metody? Jak velkou chybu ve výpočtu rychlosti způsobí odchylka ohniska např. o ±5 mm?
  2. Jak by bylo možné konstrukčně upravit experiment, aby se stabilizovala poloha a vzdálenost zdroje aerosolu (deodorantu/spreje) vůči měřicímu objemu a snížila se tak variabilita naměřených výsledků v tabulce 6?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová