DE2922873C2 - Verfahren und Anordnung zur berührungslosen fotoelektrischen Geschwindigkeitsmessung in mindestens einer Meßkoordinate an Oberflächen von starren oder deformierbaren Meßobjekten - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur berührungslosen fotoelektrischen Geschwindigkeitsmessung in mindestens einer Meßkoordinate an Oberflächen von starren oder deformierbaren MeßobjektenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen fotoelektrischen Geschwindigkeitsmessung
in mindestens einer Meßkoordinate an Oberflächen von starren oder deformierbaren Meßobjekten
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 16.
In der Prozeßmeßtechnik benötigt man oft die Information
über Objektbewegungen in unterschiedlichen Freiheitsgraden, deren berührungslose Messung bisher
dadurch erschwert wird, daß die zu beherrschenden großen Signalbandbreiten bzw. Signalfrequenzverhältnisse
nur mit erheblichem elektronischem Aufwand bewältigt werden können oder daß bei Verwendung von
kohärentem Licht die Meßunsicherheit durch Störlichtinterferenz besonders in der Form von Specklemodulation
zu groß wird (z. B. Verfahren nach DE-PS
16 73403).
Durch die US-PS 3860342 ist ein Laser- Doppler-Anemometer
bekannt, bei dem die Laserstrahlung zweier Wellenlängen in zwei je einer Wellenlänge zugeordnete,
zueinander senkrechte Strahlungspaare mit parallelen interferenzfähigen Teilstrahlen aufgespalten wird.
Die Teilstrahlen werden durch eine optische Anordnung unter fester Winkelbeziehung auf einen gemeinsamen
Punkt eines Test-Volumenstromes fokussiert, wo die Teilstrahlen jedes Paares interferieren. Die gestreuten
Strahlenteile werden durch die gleiche optische Anordnung gesammelt und auf Fotodioden geführt, deren
elektrische Wechselsignale zur Ermittlung der Geschwindigkeitskomponenten ausgewertet werden. Diese
Druckschrift bezieht sich also nicht auf eine Geschwindigkeitsmessung an Oberflächen von starren
oder deformierbaren Meßobjekten, sondern auf Strömungsmessung mittels an kleinen Streupai akeln oder
infolge von Relaisstrahlung an den unter der Wellenlänge liegenden statischen Dichteschwankungen von Gasen
oder Flüssigkeiten gestreutem Licht innerhalb eines Testvolumens, in dem ein Interferenzstreifensystem erzeugt
wird. Beim Gegenstand dieser Druckschrift werden die Strahlenpaare und Interferenzstreifensysteme
durch zwei Wellenlängen so gekennzeichnet, daß diese nach der Wechselwirkung mit den Streupartikeln unterschiedlichen
Empfängern zugeordnet und getrennt werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht d?rin,
ein Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens der eingangs genannten Art so
auszubilden, daß eine sehr genaue, von Störungen unbeeinflußbare Messung der lateralen Geschwindigkeitskomponenten eines Flächenelementes von starren oder
deformierbaren Meßobjekten ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 16 angegeben.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Wirkungsweise und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend kurz erläutert werden.
Die Erfindung stellt eine fotoelektrische Bewegungsmessung dar, bei der zwei oder vier Laserstrahlen mit
fester Winkelbeziehung auf ein Objekt gerichtet werden. Das am Objekt gebeugte oder gestreute Licht enthält
über eine Frequenzverschiebung die Information über die Objektgeschwindigkeit. Die Erfindung gestattet
eine sehr genaue und praktisch störungsfreie Messung der Bewegung von Flächenelementen von starren
oder deformierbaren Körpern in den zwei lateralen Koordinaten.
Die lateralen Geschwindigkeitskomponenten des Objektes, das ein statistisches Gitter darstellt, bewirken
geschwindigkeitsabhängige Wirkungen auf die Frequenz des gebeugten Lichtes (Doppler-Effekt). Nachgewiesen
wird dieser Doppler-Effekt durch die Schwebung zweier definiert frequenzverschobener phasenkorrelierter
Lichtflüsse.
Die Entwicklung trägerfrequenter optoelektronischer Meßverfahren und Geräte bietet den Vorteil der
leichten Signaltrennung bezüglich der zwei Meßkoordinaten. Die Referenzphasenmethode mit Phasenvergleich
der Meßsignale liefert gegenüber Amplitudenvergleichsverfahren einfache, zuverlässige Signalperiodenbruchteilbildung.
Darüber hinaus arbeitet das Verfahren mit hoher Auflösung und bietet bezüglich Drift
und Rauschen Vorteile. Bereits bei der Objektgeschwindigkeit 0 entsteht eine Schwindungsfrequenz, die Trägerfrequenz.
Aus mehreren möglichen Verfahren zur Erzeugung einer Trägerfrequenz sei die Methode mit Hilfe von
schwingenden Gittern herausgegriffen. Ein Gitter für jede Koordinate wird mit Hilfe einer Bimorph- oder
Multimorph-Piezokeramik zum Schwingen angeregt
Der Vorteil dieser Methode ist die relativ einfache Erzeugung einer Trägerfrequenz. Da die Trägerfrequenz
hier aber immer zwischen 0 und einem maximalen Wert schwankt, muß hier für jeweils eine laterale Kooerdinate
ein Lock-in-Verstärker eingesetzt werden. Das Gitter
hat außerdem den Vorteil, daß es auch eine definierte Strahlaufspaltung bewirkt Es werden vier Strahlen erzeugt,
jeweils zwei koplanare für eine Meßkoordinate. Jedes Strahlenpaar muß zur Koordinatentrennung eine
unterschiedliche Trägerfrequenz aufweisen. Sind die beiden Strahlen in einem Paar orthogonal zueinander
polarisiert, so sind die Teillichtflüsse untereinander nicht interferenzfähig, so daß Störreflexe unschädlich bleiben
können. Zusätzlich liefert die Erzwingung der Interferenzfähigkeit durch einen vor den fotoelektrischen
Empfängern angeordneten Analysator aus diesem, falls er zwei Auslässe aufweist Gegentaktsignale. So können
Laserschwankungen, Schwankungen der Durchlässigkeit des Strahlengangs und Specklemuster durch Subtraktion
in einem Differenzverstärker unterdrückt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Eine Strahlungsquelle 1, vorzugsweise ein Laser, erzeugt monochromatisches Licht. Der Laser sendet ein
Strahlenbündel 2 aus, das durch einen Strahlaufweiter mit Linsen 3 und 4 auf einen, an der Gitterkonstante
gemessen, geeigneten Durchmesser gebracht wird Das Linsensystem 5, 9 dient dazu, die vier Strahlenbündel,
von denen jeweils zwei koplanar durch Gitter 24 und Gitter 25 erzeugt werden, und deren koplanare Ebenen
senkrecht aufeinander stehen, in sich parallel zu machen. Der Einfachheit halber ist nur ein Strahlenpaar 6,
7 für eine Meßkoordinate dargestellt. Der Laser liefert linear polarisiertes Licht. Im Strahl 6 wird die lineare
Schwingungsrichtung durch ein A/2-Plättchen 10 um 90° gedreht. Die Position eines Linsenpaares U, 12 zwischen
Linsen 9 und 13 zusammen mit der Position der Gitter zwischen den Linsen 5 und 9 legt den Einstrahlwinkel
auf das Objekt fest. Für verschiedene Objektabstände muß der Einstrahlwinkel variierbar sein. Das
durch die Linsen 13 und 14 gebildete Fernrohr fokussiert die Strahlen 15 und 16 auf ein Objekt 1/, das sich in
zwei Koordinaten lateral zur Geräteachse bewegen kann. Als Objekt sind alle Oberflächen zulässig, die die
Polarisationsrichtung nur wenig beeinflussen, wie z. B. Metall. Das zurückgestreute oder gebeugte Licht wird
wieder durch das Fernrohr gesammelt und läuft auf einen polarisierenden Strahlenteiler 19, dessen Hauptschnitte
45° zu den Hauptschwingungsrichtungen 18 orientiert ist. Aus den beiden Ausgängen erhält man
zwei senkrecht zueinander polarisierte Strahlen 20 und 21, in denen jeweils eine Komponente von Strahl 15 und
16 steckt. Das Licht wird von einer Linse 22 auf Fotodetektoren 23 fokussiert. Bei Bewegung des Objektes 17
b5 erhält man auf den Fotodetektoren ein Gegentaktsignal.
Werden die beiden Gitter 24 und 25 mit unterschiedlichen Frequenzen V\ und V2, die wesentlich höher als die
den nachzuweisenden Obiektbeweeunpen
den Frequenzen sind, in Schwingungen versetzt, so werden
schon bei unbewegtem Objekt 17 Gegentaktsignale erhalten. Die den Gitterschwingungen zugeordneten SignalFrequenzspektren
werden unter Bezug auf die Gitterbewegungsfrequenzen elektronisch demoduliert. Die 5
durch die Objektbewegung veränderten Signalfrequenzspektren liefern demoduliert die Signale, die die
Objektbewegung beschreiben.
Die erfindungsgemäße Anordnung ISBt folgende Varianten
zu: to
So kann als Strahlungsquelle 1 elektromagnetischer Wellen ein gepumpter quantenoptischer Oszillator, eine
Halbleiter-Strahlungsquelle oder auch eine thermische Strahlungsquelle verwendet werden. Als Strahlenteiler
24,25 eignen sich teiidurchltssige Elemente, wellenbeu- is
gende periodische Strukturen in Verbindung mit Ortsfrequenzfilterung
und polarisationsabhängiger Teiler wie doppelbrechende oder dünnschichtige Elemente sowie
bfindelquerschnittaufspaltende, geometrische Strahlenteiler. Die geteilten Wellen können mit Hilfe
strahlumlenkender optischer Bauelemente 9,11,12,13,
14 wie Linsen, ebene und gekrümmte Spiegel oder Prismen auf das Meßobjekt gelenkt werden. Für den Fall,
daß die Teilwellen zunächst interferenzfähig sind, läßt sich durch zusätzliche Anordnung geeigneter Bauelemente
1:0, wie die Polarisation oder die zeitliche Kohärenz beeinflussende, die Interferenzfähigkeit unterdrükken.
Dieses können z. B. sein: Optisch anisotrope Materialien, bzw. optisch dispergierende Elemente. Zur Erzwingung
der interferenzfähigkeit vor der Umformung in elektrische Wechselsignale sind dann entsprechend
kompensierende bzw. polarisationsanalysierende oder retardierende Bauelemente zu verwenden.
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Claims (16)
1. Verfahren zur berührungslosen fotoelektrischen Geschwindigkeitsmessung in mindestens einer s
Meßkoordinate an Oberflächen von starren oder deformierbaren Meßobjekten, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Strahlungsteile aus einer Quelle elektromagnetischer Strahlung ausgeblendet,
nicht unmittelbar interferenzfahig ge· ίο
macht und aus mindestens zwei Raumwinkelbereichen mit untereinander festen Winkelbeziehungen
auf ein den Raumwinkelbereich gemeinsames Flächenelement des Meßobjektes geführt werden, daß
die am Flächenelement gestreuten oder gebeugten is
Strahlenttile in einen gemeinsamen Raumwinkelbereich
umgelenkt und einander überlagert werden, daß die Interferenzfähigkeit der in den gemeinsamen
Raumwinkelbereich umgelenkten und überlagerten Strahlungsteile erzwungen wird und daß die
Schwebung der interferierenden Strahlungsteile in elektrische Wechselsignale umgeformt wird.
2. Verfahren nach Anspruch t. dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Strahlungsteile gleicher Frequenz auf das Meßobjekt geführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Meßkoordinate ein koplanares
Paar von Strahlungsteilen gleicher Frequenz auf unterschiedliche Teilflächen des Meßobjektes geführt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Meßkoordinate ein Paar koplanarer
Strahlungsteile fester, jedoch paarweise unterschiedlicher Frequenzdifferenz auf das Meßobjekt
geführt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je Meßkoordinate ein Paar koplanarer
Strahlungsteile variabler Frequenz mit bekannter zeitlicher und räumlicher Abhängigkeit der Frequenz
auf das Meßobjekt geführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsteile zueinander paarweise
orthogonal polarisiert werden zur Erzeugung der fehlenden Interferenzfähigkeit.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsteile durch Laufzeitunterschiede
zeitlich inkohärent gemacht werden zur Erzeugung der fehlenden Interferenzfähigkeit.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsteile in zeitlich gegen- so
einander verschobenen Impulsfolgen auf das Objekt geführt werden zur Erzeugung der fehlenden Interferenzfähigkeit.
9. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzfähigkeit der ge- ss
streuten oder gebeugten Strahlenteile durch Beeinflussung der Polarisation erzwungen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzfähigkeit der gestreuten
oder gebeugten Strahlenteile durch Verzö- bo gerung der Laufzeit erzwungen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Signale für die unterschiedlichen Meßkoordinaten
die Strahlenteile nach Teilflächen des Objektes getrennt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3. 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Signale für die unterschiedlichen Meßkoordinaten
die Strahlenteile nach Raumrichtungen getrennt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 1,4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Signale
für die unterschiedlichen Meßkoordinaten die Strahlenteile nach Polarisationszuständen getrennt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 1, 2,3, 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Signale für die unterschiedlichen Meßkoordinaten
die Strahlenteile zeitlich getrennt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 1,4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Unterscheidung der Signale für die unterschiedlichen Meßkoordinaten die Strahlenteile
frequenzbereichsmäßig getrennt werden.
16. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer
Quelle elektromagnetischer Strahlung geeigneter spektraler Leistungsdichteverteilung, mit einem
Strahlenteiler, die die Strahlung der Quelle in wenigstens zwei Strahlungsteile aufspaltet, denen unterschiedliche
Richtungen zugeordnet sind und mit Strahlenführungsmitteln, die die Strahlungsteile mit
fester Winkelbeziehung einander durchdringend in einem Meßobjektraum auf ein gemeinsames Flächenelement
eines Meßobjektes führen und die am Objekt gebeugten bzw. gestreuten Strahlenteile
sammeln und in einen gemeinsamen Raumwinkelbereich umlenken und auf wenigstens einen opto-elektrischen
Umformer führen, dessen Ausgangssignale einer Auswerteelektronik zugeführt werden, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens ein geometrischer oder physikalischer Strahlenteiler (24,25) zur
Erzeugung nichtinterferenzfähiger Strahlungsteile vorgesehen ist, daß die Strahlenführungsmittel (9,
11, 12,13,14) geometrische Strahlenführungsmittel sind, die die Strahlungsteile zumindest paarweise im
Meßobjektraum zusammenführen, daß das Objekt (17) durch seine Struktur oder durch künstlich erzeugte
wellenbeugende bzw. wellenstreuende Eigenschaften die Richtung der Strahlungsteile verändert
und daß ein optisches Bauelement (19) zur Erzwingung der Interferenzfähigkeit der in den gemeinsamen
Raumwinkelbereich umgelenkten Strahlenteile vorgesehen ist zur Demodulation der den
elektromagnetischen Strahlenteilen durch die Objektbewegung aufgeprägten Signale.
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19792922873 DE2922873C2 (de) | 1979-06-06 | 1979-06-06 | Verfahren und Anordnung zur berührungslosen fotoelektrischen Geschwindigkeitsmessung in mindestens einer Meßkoordinate an Oberflächen von starren oder deformierbaren Meßobjekten |
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| EP80102847A EP0021048B1 (de) | 1979-06-06 | 1980-05-22 | Vorrichtung zur berührungslosen fotoelektrischer Messung der Geschwindigkeit von sich in einem Objektraum bewegenden Objekten |
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|---|---|
| DE2922873A1 DE2922873A1 (de) | 1980-12-11 |
| DE2922873C2 true DE2922873C2 (de) | 1984-12-06 |
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| DE3233483C2 (de) * | 1982-09-09 | 1984-09-27 | Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V., 5000 Köln | Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Geschwindigkeitskomponenten mit Hilfe der relativen Laser-Doppler-Anemometrie |
| DE3435423A1 (de) * | 1984-02-21 | 1985-08-22 | Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch den Bundesminister für Wirtschaft, dieser vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, 3300 Braunschweig | Laser-doppler-anemometer |
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