CN103282738A - 用于对运动的固体的位置和形状进行非增量式测量的设备 - Google Patents

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CN103282738A CN2011800574886A CN201180057488A CN103282738A CN 103282738 A CN103282738 A CN 103282738A CN 2011800574886 A CN2011800574886 A CN 2011800574886A CN 201180057488 A CN201180057488 A CN 201180057488A CN 103282738 A CN103282738 A CN 103282738A
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L·比特纳
J·恰尔斯克
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Abstract

本发明涉及一种用于对运动的固体（7）的位置和形状进行非增量式测量的设备（1），该设备含有激光多普勒测距传感器（10）。测头构造成微型测头（30），该测头将由发射光纤（24）发射的双色的激光光束（37）借助分束的光栅（26）分别分裂成两个分光束（27，28），这些分光束借助两个下游的偏转元件（29，40）投影到用于叠加的位置区域内。在分束的光栅（26）之前如此设置有透镜（32），即，用于一个波长（λ1）的射束腰（33）位于测量容积（31）之前而用于另外的波长（λ2）的射束腰（34）位于测量容积（31）之后。

Description

用于对运动的固体的位置和形状进行非增量式测量的设备
技术领域
本发明涉及一种用于过程测量技术用的对运动的固体的位置和形状进行非增量式测量的设备，其中，该设备含有波长多路复用技术方面的激光多普勒测距传感器，该激光多普勒测距传感器包括至少两个不同的波长λ1、λ2并且在它的传感器结构中包括模块化的纤维光学测头，
其中，激光多普勒测距传感器的传感器结构含有另外两个模块，这两个模块与测头处于纤维光学的连接：
光源单元和探测单元，
其中，在光源单元中，不同波长λ1、λ2的两个激光光束至少耦合到一个玻璃光纤中，
其中，在探测单元中，双色的散光被分裂成与两个测量信道相应的不同的波长λ1、λ2并且随后借助两个光电探测器被分开探测，而且
其中，探测单元与分析处理单元相连接，在该分析处理单元中，为了测定固体的位置、速度和形状而根据激光多普勒测距传感器的原理实施信号分析处理。
背景技术
对运动的固体的位置和形状进行精密的、无接触的和绝对的测量特别在涡轮机的监控中是存在的重要问题。马达和涡轮机，诸如电动机、飞机发动机、发电机或燃气和蒸汽轮机的运行可靠性、使用寿命和特别是能量效率的提高特别从生态学的观点来看也具有重大的意义。在这种情况下，为了能够使损失和磨损最小化，对转子动力学（Rotordynamik）的掌握或者认识具有决定性的意义。由于极端的环境条件（高温、压力波动、振动、电磁场）和出现的高达超音速范围内的高速度，迄今为止当然几乎没有合适的测量方法，利用这些方法能够精密地和以必要的高时间分辨率来在测量技术方面捕获运行中的动态的转子形变和叶片振动。此外，此处需要尽可能小的微型传感器，这些微型传感器同时必须坚固耐用或者耐温度变化。
为了测量涡轮机中的间隙宽度和振动，按照标准应用电容式传感器或电感式传感器，在下述印刷品中对这些传感器进行了描述：A.G.Sheard，S.G.O’Donnell，J.F.Stringfellow：“High TemperatureProximity Measurement in Aero and Industrial Turbomachinery”,《Journal of Engineering Gas Turbines and Power》，121，167－173页，1999；T.Fabian，F.B.Prinz，G.Brasseur：“Capacitive sensorfor active tip clearance control in a palm-sized gas turbine generator”,《IEEE Trans.Instrum.Meas.》，54，1133－43页，2005；A.Steiner：“Techniques for blade tip clearance measurements with capacitiveprobes”，《Meas.Sci.Technolo.》，11，865－9页，2000；C.Roeseler，A.Flotow和P.Tappert：“Monitoring blade passage inturbomachinery through the engine case(no holes)”，《Proc.IEEEAerospace Conf.》，Vol6，6－3125－29页，2002和C.P.Lawson，P.C.Ivey：“Turbomachinery Blade Vibration AmplitudeMeasurement through Tip Timing with Capacitance Tip ClearanceProbes”，《Sensor and Actuators A》，Vol118，14－24页，2005，但是这些传感器实际上以（50…100）μm而具有较大的测量不可靠性并且因此不适合于主动的间隙宽度调节，如在印刷品A.G.Sheard，S.G.O’Donnell，J.F.Stringfellow：“High Temperature ProximityMeasurement in Aero and Industrial Turbomachinery”，《Journal ofEngineering Gas Turbines and Power》，121，167－173页，1999以及S.B.Lattime，B.M.Steinetz：“High－Pressure－Turbine ClearanceControl Systems：Current Practices and Future Directions”，《Journalof Propulsion and Power》，20，302－311页，2004中所描述的那样。
另外，这种传感器同样与涡流传感器一样由于电磁干扰影响而在很多情况中不能使用。另外，在电容式间隙传感器的情况下校准费用很高。此外，在非金属的测量对象、诸如由陶瓷、塑料或纤维复合材料制成的新型涡轮叶片的情况下，不管是电容式和电感式传感器还是涡流传感器都不起作用。
常常将应变计（DMS）用于对变形和振动进行动态的测量，如在下述印刷品中所描述的那样：A.Kempe，S.Schlamp，T.Roesgen：“Low－coherence interferometric tip-clearance probe”，《Opt.Lett.》，28，1323－5页，2003；A.Kempe，S.Schlamp，T.Roesgen，K.Haffner：“Spatial and Temporal High－Resolution Optical Tip-ClearanceProbe for Harsh Environments”，《Proc.13th Int.Symp.onApplications of Laser Techniques to Fluid Mechanics》（Lisbon，Portugal，26－29，2006年6月），文献号1155，2006和R.G.Dorsch，G.Haeusler和J.M.Herrmann：“Laser triangulation：fundamentaluncertainty in distance measurement”，《Appl.Opt.》，33，1306－1314页，1994，其中，所述应变计的耐久性、应用性以及从旋转的系统中的信号传递伴随着昂贵的费用和很大的难度。
光学方法运行快速且无接触并且原则上由于激光波长小而提供高分辨率。然而在大部分光学测距传感器中的测量率（Messrate）或者由于根据下述印刷品所述的机械扫描过程（TD－OCT，自动聚焦传感器）而限制在小的kHZ上：A.Kempe，S.Schlamp，T.Roesgen：“Low－coherence interferometric tip－clearance probe”，《Opt.Lett.》，28，1323－5页，2003和A.Kempe，S.Schlamp，T.Roesgen，K.Haffner：“Spatial and Temporal High－Resolution Optical Tip－ClearanceProbe for Harsh Environment”，《Proc.13th Int.Symp.onApplications of Laser Techniques to Fluid Mechanics》（Lisbon，Portugal，26－29，2006年6月），文献号1155，2006，或者由于根据下述印刷品所述的所应用的探测器（FD－OCT，三角测量，条纹投影，彩色共焦传感器）的读取时间和最大帧频而限制在小的kHZ上：R.G.Dorsch，G.Haeusler和J.M.Herrmann：“Laser triangulation：fundamental uncertainty in distance measurement”，《Appl.Opt.》，33，1306－1314页，1994；J.P.Barranger，M.J.Ford，1981：“Laser－optical blade tip clearance measurement System”，《J.Eng.Power》，103，457－60页，1981；Y.Matsuda，T.Tagashira：“Optical blade－tip clearance sensor for non－metal gas turbine blade”，《J.GasTurbine Soc.Japan》（GTSJ），29，479－84页，2001和E.Shafir和G.Berkovic：“Expanding the realm of fiber optic confocal sensing forprobing position，displacement，and velocity”，《Appl.Opt.》，45，7772－7777页，2006，从而不可能在快速旋转的转子上进行精密的动态测量。如在印刷品A.J.Oberholster，P.S.Heyns：“Online conditionmonitoring of axial－flow turbomachinery blade-s using rotor－axialEulerian laser Doppler vibrometry”，《Mechanical Systems and SignalProcessing》，Vol.23，1634－1643页，2009所描述的激光多普勒测振计，由于其增量式测量方式而同样不能应用，这是因为这种激光多普勒测振计在物距跳跃突变的情况下或在表面形状大于光波波长的一半的情况下（例如在粗糙的表面的情况下或从一个涡轮叶片到下一个涡轮叶片的情况下）不再提供明确的结果。
用代表传统的激光多普勒测速仪（LDV）的改进方案的和在印刷品T.Pfister：“Untersuchung neuartiger Laser－Doppler－Verfahrenzur Positions－und Formvermessung bewegterFestkoerperoberflaechen”，Shaker出版社，亚琛，2008；T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske：“Laser Doppler profile sensor withsubmicrometre position resolution for velocity and absolute radiusmeasurements of rotating objects”，《Meas.Sci.Technol.》，16，627－641页，2005；J.Czarske，L.Buettner,T.Pfister：“Laser－Doppler－Distanzsensor und seine Anwendungen”，《Photonik》，5/2008，44－47页；T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske，H.Kran，R.Schodl：“Turbo machine tip clearance and vibration measurements using afibre optic laser Doppler position sensor”，《Meas.Sci.Technol.》，17，1693－1705页，2006和在DE10 2004 025 801A1中所描述的激光多普勒测距传感器能够克服传统的传感器的这些问题。激光多普勒测距传感器的重要特征在于：这种传感器同时提供高的时间分辨率或者测量率和微米级精密度（Mikrometerpraezision），这是因为与其它测距传感器不同，这种传感器的测量不可靠性原则上与对象速度无关。因此也可以在快速运动或旋转的对象上进行精密测量。激光多普勒测距传感器也已经在转子和涡轮机上试验成功。
然而结构尺寸和耐温度变化性至今是个难题。在迄今为止的在涡轮机上的测量中，为了防止高温而用水对传感器进行冷却，然而这在实际中由于费用问题而是不期望的并且部分地甚至是不可能的。另外，激光多普勒测距传感器的迄今为止的实施形式的结构尺寸太大，因此迄今为止形式的传感器不能整合到涡轮机的壳体内。
基于激光多普勒测距传感器的实施形式，该激光多普勒测距传感器的工作原理在印刷品T.Pfister：“Untersuchung neuartiger Laser－Doppler－Verfahren zur Positions－und Formvermessung bewegterFestkoerperoberflaechen”，Shaker出版社，亚琛，2008；T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske：“Laser Doppler profile sensor with sub－micrometre position resolution for velocity and absolute radiusmeasurements of rotating objects”，《Meas.Sci.Technol.》，16，627－641页，2005；J.Czarske，L.Buettner，T.Pfister：“Laser－Doppler－Distanzsensor und seine Anwendungen”，《Photonik》,5/2008，44－47页和T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske，H.Krain，R.Schodl：“Turbo machine tip clearance and vibration measurements using afibre optic laser Doppler position sensor”，《Meas.Sci.Technol.》，17，1693－1705页，2006以及在DE10 2004 025 801A1内得以描述，而且该激光多普勒测距传感器以形成两个在一个共同的测量容积（Messvolumen）内叠加的干涉条纹系统（Interferenzstreifensystem）为基础，这些干涉条纹系统中的至少一个干涉条纹系统是扇形的。理想情况下是两个相反定向的扇形：一个如图1b所示的会聚的条纹系统，在该会聚的条纹系统中，条纹间距沿z轴线（相当于光轴线）连续减小；和一个如图1a所示的发散的条纹系统，在该发散的条纹系统中，干涉条纹间距相应地连续增加。
所述干涉条纹系统分别通过一个条纹间距函数d1（z）和d2（z）来表示。
通过充分利用激光射束的波面曲率来实现各干涉条纹的会聚或发散。为此，为了产生发散的条纹系统，将高斯射线的射束腰安置在测量容积前。相反，由对射束腰的校正而在所述测量容积后产生会聚的条纹系统。
两个条纹系统在物理学上必须是可区分的，这例如可以通过不同的激光波长（波长多路复用）、载频（频率多路复用）等等得以实现。
如果散射体（Streuobjekt）横穿测量容积，那么散光可以与两个条纹系统分离并被配置给这些条纹系统，因此可以求得两个多普勒频率f1和f2。这两个多普勒频率的商
q ( z ) = f 2 ( v x , z ) f 1 ( v x , z ) = v x ( z ) / d 2 ( z ) v x ( z ) / d 1 ( z ) = d 1 ( z ) d 2 ( z ) - - - ( I )
不再与散射体速度vx相关并且因此可以用作用来确定散射体在测量容积内部的轴向位置z的校准函数。这显示出相对传统的LDV的进步。借助散射体穿过测量容积的已知的通过位置z，然后可以从通过以前的传感器校准已知的条纹间距曲线中求得实时的条纹间距d1（z）和d2（z）。于是与两个多普勒频率共同得出散射体速度为：
v x ( z ) = f 1 ( v x , z ) d 1 ( z ) = f 2 ( v x , z ) d 2 ( z ) . - - - ( II )
图2示意性概括了激光多普勒测距传感器的工作原理并且阐明如何能够从测得的多普勒频率f1和f2中绝对地并且与附加测得的横向的对象速度vx无关地确定轴向的对象位置z。
因为由此在旋转的对象中与圆周角相关地同时获得对象表面的切向速度和径向位置，所以根据DE10 2004 025 801A1利用激光多普勒测距传感器可以绝对地并且以亚微米分辨率来确定旋转的固体的二维形状。根据非增量式测量原理，即使在半径跳跃式变化的情况下，如它们例如在安装了叶片的转子中在各个转子叶片之间出现的那样，也可以对位置和形状进行绝对测量。
激光多普勒测距传感器的主要特征在于：与传统的测距传感器不同，激光多普勒测距传感器的测量不可靠性原则上与对象速度无关，这样能够同时实现直至MHz范围内的高测量率和直至亚微米范围内的高位置分辨率。因此激光多普勒测距传感器被预定为用于对快速旋转构件（旋转件、轴、马达和涡轮机的转子）的形变和振动进行精密的和时间分辨的测量。如在印刷品T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske，H.Krain，R.Schodl：“Turbo machine tip clearance and vibrationmeasurements using a fibre optic laser Doppler position sensor”，《Meas.Sci.Technol.》，17，1693－1705页，2006；L.Buettner，T.Pfister，J.Czarske：“Fiber optic laser Doppler turbine tip clearanceprobe”，《Optics Letters》，31，1217－1219页，2006和P.Guenther，F.Dreier，T.Pfister，J.Czarske，T.Haupt，W.Hufenbach：“Measurement of radial expansion and tumbling motion of a high－speed rotor using an optical sensor System”，《Mechanical Systemsand Signal Processing》，article in press，doi：10.1016/j.ymssp.2010.08.005，2010所描述的那样，这一点已经借助在德国航空航天中心（DLR）的超音速离心压缩机上进行转速至50000转/分钟且圆周速度至600米/秒的实验测量而得到成功演示。
复用技术对于在物理学上区分两个干涉条纹系统是必要的，其中，不仅波长多路复用而且还有频率和分时多路复用都已经得到成功应用。相应的复用技术要求具有或多或少的微型化潜力的不同的传感器结构。
迄今为止已知三种结构实施形式。
第一结构实施形式
也可以应用在商用LDV－传感器上的第一结构实施形式尤其用在具有频率多路复用的传感器结构中。其中采用具有四个发射光纤的纤维光学测头用于激光多普勒测距传感器的总共两个干涉条纹系统的四个分射束，这些分射束借助单独的光学系统来准直并且然后指向一个共同的交叉点。这可以借助一个共同的前透镜或借助用于四个发射射束的单独的光学系统来实施。散光探测还附加地需要另一玻璃光纤或光学系统，这样总共五个单独的玻璃光纤必须引向测头。
这样的测头原则上可以用于所有已知的复用技术（波长多路复用、极化多路复用、频率多路复用和分时多路复用），而且还具有使这种测头微型化的可能性。但是困难之处在于：特别是四个发射光学系统不但在射束方向方面而且在射束腰的位置方面必须相对彼此很精密地定向和校正，这在机械方面是很昂贵的并且使微型化受到限制。另外在这样的测头中，机械方面的干扰影响和特别是温度变化是很大的问题，这是因为四个发射光学系统相对彼此的定向由此发生改变，使得四个发射射束在最糟糕的情况中完全不再相交，由此使测量变得完全不可能。因此在这种结构实施形式中，不只微型化受到限制，而且特别是在高温中或在恶劣的环境条件中，应用是完全不可能的或只有用高的技术费用才可能。
但是对于借助频率多路复用的激光多普勒测距传感器的构造来说，除了具有五个单独的光路（光纤耦合的或非光纤耦合的）的这种结构实施形式之外没有别的备选。图3所示的是在印刷品T.Pfister，L.Buettner，K.Shirai，J.Czarske：“Monochromatic heterodyne fiber－optic profile sensor for spatially resolved velocity measurementswith frequency division multiplexing”，《Applied Optics》，Vol.44，No.13，2501－2510页，2005中所描述的、合成的整个测量设备。其中激光射束通过声光调制器（AOMs）和立方体分束器（Strahlteilerwuerfel）分成四个具有0至120MHz的频率偏移的分射束并且通过准直透镜耦合到单模光纤中。在纤维光学测头中，各个分射束通过单独的光学系统来准直并且在此通过一个共同的前透镜来在测量容积内相交。为了探测测量对象的散光设置有另一具有多模光纤的光学系统，该光学系统可以整合在测头内并且将散光投影到光电探测器上。该光电探测器的电输出信号由功率分配器来分配并且用两个测量信道的载频来缩混到基带中。为了防止混淆效果和去除不期望的频率部分，两个合成的基带信号通过低通滤波器来滤波。
如上面已经述及的那样，在采用的测头中，校正是费用昂贵的，而且此外抗震动或抗温度梯度的坚固性也是有问题的。作为备选，也可以不使用纤维光学系统而将整个发射光学系统连同AOMs整合到测头内，但是这使得整体更加复杂。因此将频率多路复用用于激光多普勒测距传感器用的坚固的微型测头的构造不是一个正确的选择。
第二结构实施形式
图4所示的根据印刷品T.Pfister：“Untersuchung neuartigerLaser－Doppler－Verfahren zur Positions－und Formvermessungbewegter Festkoerperoberflaechen”，Shaker出版社，亚琛，2008和T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske：“Laser Doppler profile sensorwith sub－micrometre position resolution for velocity and absoluteradius measurements of rotating objects”，《Meas.Sci.Technol.》，16，627－641页，2005所述的具有波长多路复用的第二结构实施形式包括具有不同的发射波长的两个激光二极管，它们的光场借助二向色镜来叠加并且聚焦到光学的透射式衍射光栅上。光栅的﹢1衍射级和﹣1衍射级分别构成用于激光多普勒测距传感器的两个干涉条纹系统的两个分射束并且借助开普勒望远物镜（Kepplerteleskop）来投影到测量容积内。散光沿反向被探测并且由第二二向色镜再次分配到两个波长λ1和λ2中而且被单独探测。通过采用用于分束的光栅自动实现了比第一结构实施形式更高的坚固性，这是因为各分射束即使在失调的情况下也总是自动地在测量容积内相交。另外，在一个其内激光光源和探测器可选地也可以纤维光学地连接到测头上的纤维光学的构造中，三个玻璃光纤足够。另外，为了实现测量容积内所期望的腰的位置，此处仅还需要单独对光栅之前的、用于两个不同波长λ1和λ2的两个光学系统进行校正。然而这依然还是比较昂贵的，这限制了可微型化和坚固性。
第三结构实施形式
如在印刷品T.Pfister，L.Buettner，J.Czarske，H.Krain，R.Schodl：“Turbo machine tip clearance and vibration measurementsusing a fibre optic laser Doppler position sensor”，《Meas.Sci.Technol.》，17，1693－1705页，2006；L.Buettner，J.Czarske，H.Knuppertz：“Laser Doppler velocity profile sensor with sub－micrometer spatial resolution employing fiber－optics and adiffractive lens”，《Appl.Opt.》，44，No.12，2274－2280页，2005和T.Pfister：“Untersuchung neuartiger Laser－Doppler－Verfahrenzur Positions－und Formvermessung bewegterFestkoerperoberflaechen”，Shaker出版社，亚琛，2008中所描述的那样，第三结构实施形式是第二结构形式在更强的坚固性和更少的复杂性方面的改进方案。
如图5所示的那样，涉及的是激光多普勒测距传感器10的模块化结构，该结构分成三个通过光波导体相互连接的单元：一个光源单元2，其包括两个具有不同波长λ1和λ2的、光纤耦合的、横向单模的激光二极管21、22，这两个激光二极管的光场通过光纤熔合耦合器（Faserschmelzkoppler）23而归并成一个单模光纤24；一个纯被动的光纤耦合测头3和一个用于与波长相关地对散光6进行分离和探测的探测单元4，其中，测头3和探测单元4为了传输散光6而通过探测光纤5相连接。
特别之处在于：与第二结构实施形式的不同之处只在于还需要发射光纤24，在该发射光纤内两个波长λ1和λ2被引向测头3。这可以通过采用衍射透镜25（DOE）来实现，所述衍射透镜的色散在原则上比根据下述印刷品所述的折射透镜强约30倍：L.Buettner，J.Czarske，H.Knuppertz：“Laser Doppler velocity profile sensor with sub－micrometer spatial resolution employing fiber－optics and adiffractive lens”，《Appl.Opt.》，44，No.12，2274－2280页，2005。因此可以通过衍射透镜25有针对性地实现射束腰在两个波长λ1和λ2之间的固定移动，从而仅仅还需要发射光学系统，这大大降低了校正费用。这与采用用于分束的光栅26共同使得激光多普勒测距传感器10坚固耐用和比较耐震动。
已经成功地在运动的固体7、涡轮机上对这样的传感器结构进行了试验，其中，通过测头3的底板中的水冷实现了耐温度变化性。然而这实际上是不期望的或经常是不可能的。另外，此处由于大量的光学部件而且由于需要两个开普勒望远物镜而使微型化也受到限制。另外，大量必要的光学部件还致使无主动冷却的、用于高温的测头的结构极端昂贵。例如因为消色差透镜的粘结层和必要的玻璃类型只经受得住最高约至300℃或500℃的温度，所以只允许具有很小的色散的第二开普勒望远物镜的结构在高温下是很困难的直到是不可能的。
但是总之第三实施形式清楚地表明应用衍射光学系统带来什么样的优点和其中蕴藏着什么样的潜力。
所述及的衍射光学系统的潜力已经在具有仅仅一个测量信道、即具有仅仅一个干涉条纹系统的标准LDV－传感器中得到深入的应用。在此，将整个发射光学系统整合到一个衍射的显微光学元件内，该显微光学元件含有用于将激光射束分成两个分射束的子元件（例如光栅）以及用于使所述分射束紧接着叠加的、随后的两个偏转元件。根据下述印刷品的图6和7示出对此的例子：W.Stork，A.Wagner，C.Kunze：“Laser－doppler sensor system for speed and length measurementsat moving surfaces”，《Proc.SPIE》，Vol.4398，106，2001和D.Modarress et al.，“Measurement Science Enterprise Inc.”（Pasadena，CA，USA）与VioSense Corporation（2400Lincoln Ave.，Altadena，California91001，USA)合作。
图6示出的是一种具有衍射的显微光学元件的微型激光多普勒测速仪（LDV）而图7示出的是一种具有平面整合的微型分束器和两个用于射束汇合的聚焦衍射元件的、平面整合的微型激光多普勒测速仪（LDV）。
在此，衍射结构可以安置在不同的基体上或安置在仅仅一个玻璃基体上，其中，按照图6所示也可以利用该玻璃基体的正面和背面。另外，按照图7所示还可以借助衍射结构来实现聚焦元件。
但是这种衍射实施形式迄今为止仅仅应用在具有仅仅一个测量信道、即具有仅仅一个干涉条纹系统的标准LDV－传感器中，其中，仅仅重要的是实现对一个波长的正确的光路和正确的腰的位置。迄今为止这种类型的微型化和整合未曾与激光多普勒测距传感器相关联地应用，在该激光多普勒测距传感器中实现了具有不同的射束腰的位置的两个叠加的干涉条纹系统以一个光学系统同时（波长多路复用）地或时间错开地（分时多路复用）地实现。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于对运动的固体的位置和形状进行非增量式测量的设备，该设备如此适当地构造，使得该设备可以如此程度地微型化，即，该设备能够以与电容式传感器相同的方式整合到涡轮机的壳体内，而且该设备允许激光多普勒测距传感器在不必进行主动冷却的情况下经受住数百摄氏度的高温。
这个目的通过权利要求1的特征得以实现。
用于对运动的固体的位置和形状进行非增量式测量的设备含有波长多路复用技术方面的激光多普勒测距传感器，该激光多普勒测距传感器包括至少两个不同的波长λ1和λ2并且在它的传感器结构中包括模块化的纤维光学测头，
其中，激光多普勒测距传感器的传感器结构含有另外两个模块：光源单元和探测单元，这两个模块与测头进行纤维光学的连接，
其中，在光源单元中，不同波长λ1和λ2的两个激光光束至少耦合到一个玻璃光纤中，
其中，在探测单元中，双色的散光被分裂成与两个测量信道相应的不同的波长λ1和λ2并且随后借助两个光电探测器被分开探测，而且
探测单元与分析处理单元相连接，在该分析处理单元中，为了测定固体的位置、速度和形状而根据激光多普勒测距传感器的原理来实施信号分析处理，
其中，根据权利要求1的特征部分，
测头构造成模块化的、被动的、纤维光学的衍射微型测头，
该衍射微型测头将由发射光纤发射的双色的激光光束借助分束的光栅分别分裂成﹢1衍射级和﹣1衍射级的两个分光束，这些分光束借助两个下游的偏转元件引到用于叠加的位置区域内，该位置区域代表共同的测量容积，并且在分束的光栅之前设置有透镜，该透镜将由发射光纤发射的激光光束聚焦到所述测量容积的周围，其中，通过所述透镜的色差（色散）使得射束腰沿z方向如下地分开，即，用于一个波长λ1的射束腰位于测量容积之前而用于另外的波长λ2的射束腰位于测量容积之后。
所述透镜可以是衍射透镜或折射透镜，优选非球面透镜。
所述分束的光栅可以是反射光栅或透射式衍射光栅，该光栅优选偏重调节﹢1衍射级的和﹣1衍射级的分光束。
所述偏转元件可以是衍射光栅，其光栅常数小于分束的光栅的光栅常数，而且这些偏转元件优选致力于分别构造仅仅一个衍射级（﹢1或﹣1）的分光束。
分束的光栅和两个偏转元件可以设置在基体的正面和背面上。
所述设备具有下面的参数：
－激光波长λ1和λ2；
－透镜的焦距和色散；
－分束的光栅的光栅周期；
－偏转元件的偏转角度；
－发射光纤至透镜的距离、透镜至光栅的距离和光栅至偏转元件的距离，
这些参数在色散管理的范围内如此选择并且相互协调，使得同时满足下列条件：
－将用于两个不同波长λ1和λ2的激光光束的射束腰足够大幅地增大至测量容积周围的腰半径w0.1或w0.2，使得由干涉条纹系统沿z方向合成的延伸获得所期望的测量范围长度lz,i=2√2·W0，1/sinθ(i=1，2)，并且在测量容积内存在足够大量的干涉条纹（典型地≥10），其中，角度θ是在测量容积内交叉的分光束之间的交叉角度的一半；
－用于一个波长λ1的射束腰位于测量容积之前而用于另外的波长λ2的射束腰位于测量容积之后，并且优选分别与测量容积内的交叉点距离约1至2倍的瑞利长度。
可以沿侧向或沿反向进行散光探测。
散光可以耦合到探测光纤（多模光纤MMF）中，该探测光纤优选平行于发射光纤（单模光纤SMF）设置。
散光为了耦合到探测光纤内，多模光纤MMF，可以借助为了不干扰发射射束而被穿孔的偏转元件、优选楔角棱镜来略微向侧向偏转并且然后借助已经存在于发射光学系统内的透镜来聚焦到探测光纤的接收散光的端面上。
可以如下地对探测光学系统进行校正，即，通过借助移动/旋转装置沿光轴线方向（z方向）来移动棱镜而对散光聚光点的径向位置进行校正，而且能够借助所述移动/旋转装置通过旋转所述楔角棱镜而使散光聚光点的方位角位置可改变，其中，作为备选通过探测光纤的（方位角的，径向的）位置而可实现对探测光学系统的校正。
所述探测光纤可以位于由发射光场的分光束展开的平面之外。
为了使散光偏转和聚焦到探测光纤上，作为备选也可以应用衍射元件来代替楔角棱镜和单独设置的发射透镜，这些衍射元件在分束器－光栅的或偏转元件的周围整合到至少一个基体内。
分束的光栅之前的透镜可以整合在基体内。
位于基体内的分束的光栅可以是反射光栅，并且在所述基体内可以具有用于将分光束引向偏转元件的转向元件。
代替发射光纤和探测光纤，也可以为发射光光束和散光探测应用一个唯一的玻璃光纤，该玻璃光纤例如也可以构造成多普勒芯光纤，通过该多普勒芯光纤的SMF芯将双色的发射光引向测头而该多普勒芯光纤的MMF芯用于引出散光。
发射光学系统的和接收光学系统的多个或全部光学元件可以整合在一个基体上，其中，必要时需要附加的转向元件，而且光路也是折叠的。
透镜的效果也可以通过衍射的或全息的方式整合到光栅、转向元件或偏转元件内。
所有的光学元件可以设计成透射的或反射的。
衍射元件也可以实施成全息的。
也可以借助光波导技术（Lichtwellenleitertechnik）来实现光学元件在基体内部的整合或在基体内部的光导，为此也可以应用光子的晶体结构。
为所有的光学元件，优选透镜、楔角棱镜，以及为衍射元件的基体，优选分束的光栅和偏转元件都可以应用耐温度变化的石英玻璃。
可以应用高温光纤作为玻璃光纤。
在应用石英玻璃光学系统、高温光纤和用于壳体的可以是微晶玻璃（Zerodur）、陶瓷或高温钢的特殊材料的情况下，整个测头可以设计得适合于高的环境温度，而无需主动冷却。
作为备选，还可以借助分时多路复用（TDM）来实现所述设备，其中，同时在测头内整合有适应性光学系统。
因此所述设备可以设有与纤维光学系统组合的衍射光栅光学系统以及特殊的色散管理单元，通过该色散管理单元所述设备能够很容易地微型化，其中，只需要很小数量的光学部件。另外，所述设备可以根据结构情况在应用石英玻璃光学系统、高温光纤和用于壳体的特殊材料的情况下以清楚的费用构造得适合于高的环境温度，而无需主动冷却。
在此，三个对标准LDV－传感器来说已经是以知的衍射光栅首次与特殊的色散管理相组合用于实现激光多普勒测距传感器。
根据本发明的设备由于少量必要的光学部件而首次实现了大幅度微型化的、光纤耦合的激光多普勒测距传感器结构，该结构另外需要仅仅一个纤维光学的进入通路用于与外部的连接。此外，所有光学系统都能够比较容易地由上述石英玻璃制成，而且校正费用低。
改进方案和有利的设计结构在更多的从属权利要求中得以阐述。
附图说明
参照实施例借助附图对本发明进行阐述。
附图中：
图1为按照现有技术的发散的（左边）干涉条纹系统－图1a－和会聚的（右边）干涉条纹系统－图1b－，其中，不同的光波长λ1和λ2的两个条纹系统在一个测量领域内叠加并且通过对合成的两个多普勒频率进行测量既能够确定散射体的轴向位置z也能够确定散射体的速度（x分量）；
图2为按照现有技术的激光多普勒测距传感器的用于借助所测得的多普勒频率f1和f2来同时确定速度vx和位置z的函数图，
左边：校准函数q（z），
右边：与位置z相关的干涉条纹间距d1（z）和d2（z）；
图3为具有频率多路复用和纤维光学测头的激光多普勒测距传感器结构，其中，根据现有技术为了清楚起见沿正向示出散光探测，而实际上沿反向发生；
图4为根据现有技术的具有光栅和二向色镜的激光多普勒测距传感器的WDM结构；
图5为根据现有技术的激光多普勒测距传感器的模块式结构实施形式，其包括在采用带有衍射透镜（DOE）的、纯被动的、光纤耦合的光学测头的波长多路复用；
图6为根据现有技术的具有衍射显微光学元件的微型激光多普勒测速仪（LDV）；
图7为根据现有技术的平面整合的微型激光多普勒测速仪（LDV），其包括一个平面整合的微型分束器和两个用于光束汇合的聚焦的衍射元件；
图8为根据本发明的光纤耦合的微型测头，其中：
图8a示出的是用于两个不同的波长λ1或者λ2的发射光场的光路，它们的腰的位置由十字标出，以及
图8b示出的是一个散光锥，该散光锥通过棱镜偏转并且通过透镜（非球面透镜）聚焦到多模光纤（MMF）上；
图9示出的是根据本发明的光纤耦合的微型测头，在该微型测头中衍射光学系统整合在一个基体上，其中：
图9a示出的是用于两个不同波长λ1或者λ2的发射光场的光路，它们的腰的位置由十字标出，以及
图9b示出的是一个散光锥，该散光锥通过棱镜偏转并且通过透镜（非球面透镜）聚焦到多模光纤（MMF）上；
图10示意性示出的是根据本发明的光纤耦合的微型测头，在该微型测头中全部光学元件整合在一个基体上并且采用双芯光纤，其中：
图10a示出的是用于两个不同的波长λ1或者λ2的发射光场的光路，它们的腰的位置由十字标出，以及
图10b为了使得用于散光的光路清晰可见而示出的是旋转90°的剖视图。
具体实施方式
图8所示的用于对运动的固体7的位置和形状进行非增量式测量的设备1含有波长多路复用技术方面的激光多普勒测距传感器10，该激光多普勒测距传感器包括至少两个不同的波长λ1和λ2并且在该激光多普勒测距传感器的传感器结构中包括模块化的纤维光学测头30，
其中，激光多普勒测距传感器10的传感器结构含有另外两个模块：一个光源单元2和一个探测单元4，这另外两个模块与测头30纤维光学地连接，
其中，在光源单元2内，不同波长λ1和λ2的两个激光光束37至少耦合到一根玻璃光纤（单模光纤－SMF）24内，
其中，在探测单元4内，双色的散光被分裂成与两个测量信道41、42相应的不同的波长λ1和λ2并且随后借助两个光电探测器43、44被分开探测，而且
探测单元4与分析处理单元8相连接，在该分析处理单元内为了测定固体7的位置、速度和形状而根据激光多普勒测距传感器10的原理来实施信号分析处理。
根据本发明，所述测头构造成模块式的、被动的、纤维光学的、衍射的、具有色散管理的微型测头30，该微型测头将由发射光纤（SMF）24发射的双色的激光光束37借助分束的光栅26分别分裂成﹢1衍射级和﹣1衍射级的分光束27、28，这些分光束借助两个下游的偏转元件29、40而引到一个用于叠加的位置区域中，该位置区域代表共同的测量容积31，而且在分束的光栅26之前设置有透镜32，该透镜将由发射光纤SMF24发射的激光光束37聚焦到测量容积31周围，其中，通过透镜32的色差（色散），射束腰33、34沿z方向如下地分开，即，用于一个波长λ1的射束腰33位于测量容积31之前而用于另外的波长λ2的射束腰34位于测量容积31之后。
透镜32是衍射透镜或折射透镜，优选是非球面透镜。
分束的光栅26是反射光栅或透射式衍射光栅，该光栅优选偏重调节﹢1衍射级的和﹣1衍射级的分光束。
偏转元件29、40代表衍射光栅，它们的光栅常数小于分束的光栅26的光栅常数，而且这些偏转元件优选致力于分别构造仅仅一个衍射级（﹢1或﹣1）。
分束的光栅26和两个偏转元件29、40可以设置在基体47的正面11和背面12上。
在设备1中具有下列参数:
－激光波长λ1和λ2；
－衍射的透镜32的焦距和色散；
－分束的光栅26的光栅周期；
－偏转元件29、40的偏转角度；
－发射光纤24至透镜32的距离、透镜32至光栅26的距离和光栅26至偏转元件29、40的距离，
这些参数在色散管理的范围内如此选择并且相互协调，使得同时满足下列条件：
－将用于两个不同波长λ1和λ2的激光光束27、28的射束腰33、34足够大幅地增大至测量容积31周围的腰半径w0.1或w0.2，使得由干涉条纹系统沿z方向合成的延伸获得所期望的测量范围长度lz，i=2√2·W0，1/sinθ(i=1，2)，并且在测量容积31内存在足够大量的干涉条纹（典型地≥10），其中，角度θ是在测量容积31内交叉的分光束27、28之间的交叉角度的一半；
－用于一个波长λ1的射束腰33位于测量容积31之前而用于另外的波长λ2的射束腰34位于测量容积31之后，并且优选分别与测量容积31内的交叉点35距离约1至2倍的瑞利长度。
可以沿侧向或沿反向进行散光探测。
散光6耦合到探测光纤（多模光纤MMF）5内，该探测光纤优选平行于单模光纤SMF24设置。
散光6为了耦合到探测光纤5内而可以借助为了不干扰发射光束37而设有中心孔9的偏转元件36、优选楔角棱镜来略微向侧向偏转并且然后借助已经存在于发射光学系统内的透镜32聚焦到探测光纤5的端面13上。
如下地对探测光学系统36、32、5进行校正，即，通过借助移动/旋转装置38来使棱镜36沿光轴线方向（z方向）进行移动而对散光聚光点39的径向位置进行校正，其中，散光聚光点39的方位角位置可以借助所述移动/旋转装置38、通过旋转楔角棱镜36而改变，其中作为备选，可以通过探测光纤（MMF）5的（方位角的，径向的）位置来实现对探测光学系统36、32、5的校正。
探测光纤5位于由发射光场的分光束27、28展开的平面之外。
为了使散光6偏转和聚焦到探测光纤5上，作为备选也可以应用衍射元件45、46来代替楔角棱镜36和单独设置的发射透镜32，这些衍射元件在分束器－光栅26的或偏转元件29、40的周围整合到至少一个基体47内。
分束的光栅26之前的透镜32也可以整合到基体47内。
位于基体47内的分束的光栅26是反射光栅，并且在所述基体47内具有用于将分光束27、28引向偏转元件29、40的转向元件51、52。
代替发射光纤SMF24和探测光纤，也可以为发射光光束37和散光探测应用一个唯一的玻璃光纤48，该玻璃光纤例如构造成多普勒芯光纤，通过该多普勒芯光纤的SMF芯49将双色的发射光束37引向测头30而该多普勒芯光纤的MMF芯50用于引出散光6。
发射光学系统的和接收光学系统的多个或全部光学元件可以整合在一个基体47上，其中，必要时需要附加的转向元件51、52，而且光路也是折叠的。
透镜32的效果也可以通过衍射的或全息的方式整合到光栅26、转向元件51、52或偏转元件29、40内。
所有的光学元件可以设计成透射的或反射的。
衍射元件45、46也可以实施成全息的。
也可以借助光波导技术来实现光学元件在基体47内部的整合或在基体内部的光导，为此也可以应用光子的晶体结构。
为所有的光学元件，优选透镜32、楔角棱镜36，以及为衍射元件的基体47，优选分束的光栅26和偏转元件29、40都可以应用耐温度变化的石英玻璃。
可以应用高温光纤作为玻璃光纤48。
在应用石英玻璃光学系统、高温光纤和用于壳体的特殊材料、例如微晶玻璃、陶瓷或高温钢的情况下，整个测头30可以设计得适合于高的环境温度，而无需主动冷却。
作为备选，还可以借助分时多路复用（TDM）来实现所述设备1，其中，同时在测头30内整合有适应性光学系统。
根据本发明，在图8、8a、8b中示出的激光多普勒测距传感器10的测头30不再如迄今为止的那样借助根据图5所示的两个望远装置来构造，而是取而代之地只有一个设置在光栅26之前的单个的色散透镜32，该色散透镜承担着激光光束27、28的聚焦和腰的分离，并且根据图8所示在分束的光栅26之后借助两个衍射的偏转元件29、40产生射束汇合。由此发射光学系统仅仅还包括三个部件：透镜32、用于分束的分束的光栅26和一个或者两个用于射束汇合的衍射元件29、40。
可以对图8、8a、8b所示的根据本发明的光纤耦合微型测头30的结构的作用原理进行如下描述：测头30上的单模光纤－SMF－24的光纤端部上的两个激光波长λ1和λ2的叠加的射束腰33、34借助特选的色散透镜32、例如非球面透镜投影到测量容积31内。在色散透镜32与测量容积31之间，不同的波长λ1和λ2的光场被分束的光栅26分裂（其中，使用﹢1衍射级和﹣1衍射级），并且根据图8a，每个分光束27、28分别通过一个偏转元件29、40在测量容积中心处交叉。偏转元件29、40可以实施成光栅，这些光栅的光栅周期必须小于分束的光栅26的光栅周期。
根据本发明的色散管理设定：对下列的参数：
－激光波长λ1和λ2；
－色散透镜32的焦距；
－透镜32的色散（焦距与波长的相关性）；
－分束的光栅26的光栅周期；
－偏转元件29、40的偏转角度；
－发射光纤SMF24至透镜32的距离、透镜32至光栅26的距离和光栅26至偏转元件29、40的距离，
进行如下选择并且使它们相互协调，即，同时满足下列条件：
－用于两个不同的波长λ1和λ2的激光光束27、28的射束腰33、34被充分大幅地放大至测量容积31周围的腰的半径w0.1或者w0.2，使得由干涉条纹系统沿z方向合成的延伸获得所期望的测量范围长度lz，i=2√2·W0，1/sinθ(i=1，2)，并且在测量容积31内存在足够大量的干涉条纹（典型地为≥10）；
－用于一个波长λ1的射束腰33位于测量容积31之前而用于另外的波长λ2的射束腰34位于测量容积31之后而且优选分别与交叉点35距离约1至2倍的瑞利长度。
为了使得用于两个所采用的激光波长λ1和λ2的射束腰33、34有区别地定位在它们在测量容积31内的交叉点35之前或者之后，有针对性地充分利用透镜32的色差并且通过在投影中的放大来增强该透镜的色差。
可以如图8b所示的那样对散光6进行探测。在这种情况下，使用相同的透镜32来沿反向进行对由固体7的散光6的探测和到探测光纤5（多模光纤－MMF－）上的聚焦，所述透镜还将发射光37投影到测量容积31内。由于探测光纤（MMF）5没有定位在光轴线上，而是略微偏移地定位在发射光纤（单模光纤－SMF－）24的旁边，所以为了将散光6的聚光点39移动到多模的探测光纤5上，在测头30内在透镜32与分束的光栅26之间设置有特殊的楔角棱镜36。另外，楔角棱镜36设有中心孔9，由此使激光光场37不受到损害。通过沿光轴线方向（z方向）移动棱镜36可以校正散光聚光点39的径向位置。例如可以借助移动/旋转装置38通过旋转楔角棱镜36来改变散光聚光点39的方位角位置。作为备选，取而代之地还可以通过探测光纤（MMF）5的（方位角的，径向的）位置来实现对探测光学系统的校正。优选探测光纤5位于由发射光场的分光束27、28展开的平面之外。通过这种方式可以避免固体7上的没有任何信息内容的直接反射被耦合到探测光纤5内。
作为备选，如在图10a、10b中所示出的那样，通过借助衍射元件45、46对散光6进行聚焦也可以实现散光光学系统，这些衍射元件可以整合到用于分束的光栅26的或者用于偏转元件29、40的基体47内。
不仅透镜32和楔角棱镜36，而且分束的光栅26和偏转元件29、40以及玻璃光纤24、5、48都可以由耐温度变化的石英玻璃制成，从而可以在高温下运行。因此能够将这种测头结构在应用石英玻璃光学系统、高温光纤和用于壳体的特殊材料的情况下以清楚的费用构造得适合于高的环境温度，而无需主动冷却。
另外，由于仅仅需要很小数量的光学部件，所以激光多普勒测距传感器10的测头30能够通过根据本发明的实施形式而很容易微型化。
在图9a和9b中，在另一种根据本发明的测头30中通过以下方式来进一步减少部件数量以及机械费用：将两种衍射元件即分束的光栅26和偏转元件29、30设置在基体47的正面11和背面12上，通过这种方式自动完美地相对彼此地校准各元件。
在另一种测头30中，多个或全部光学元件可以整合在基体47上，其中，光学光路还可以折叠，必要时通过应用根据图10a、10b所示出的附加的转向元件51、52。一般情况下，所有的光学元件都可以设计成透射的或反射的。例如在图10a、10b中示出的是不同于图8的、作为反射光栅的分束的光栅26。根据图10a、10b，透镜32也可以实施成衍射透镜。作为备选，透镜效应也可以类似在图7中所示出的那样以衍射的或全息的方式整合到光栅26、转向元件51、52或偏转元件29、40内。另外代替用于发射光37和对散光6进行探测的两个不同的玻璃光纤24、5，也可以应用一个单独的玻璃光纤48，该玻璃光纤如在图10a、10b中所示出的那样可以是双芯光纤。
与现有技术相比的进步之处在于：根据本发明的测头30可以通过仅仅少量的光学部件很紧凑地制成。此外，由于应用高温光纤和由耐温度变化的玻璃（石英玻璃）构成的光学部件，可以在很高的温度下无需主动冷却就进行测量。另外为了校正测头30，原则上只需校正发射光纤24的光纤端部与透镜32之间的距离，该距离能够使两个波长的射束腰33、34同时在分光束27、28的交叉点35周围移动。对楔角棱镜36的校正只需在组装测头30时进行一次。由于微型化的测头30原则上只需要一个用于校正的辅助装置，所以这个设备1相对震动不敏感。
由于这些特性，光纤耦合的、紧凑的和纯光学被动的测头30可以出色地用于测量叶片7的振动以及测量涡轮机内的间隙宽度。通过大的微型化潜力形成了传感器用于涡轮机内所需的紧凑性。由于涡轮机内出现直至超过1000℃的很高的温度，所以测头30必须承受住这些温度。这在设备中通过高温光纤和耐温度变化的光学系统得以实现。此外，由于通过保持按照图5所示出的模块化结构使发射单元2和探测单元4与测头30在空间上分离，使主动的光学部件、诸如激光二极管和光电探测器可以摆脱涡轮机上的恶劣的环境影响。
与现有技术相比，概括起来根据本发明的设备1提供下述优点：
－由于除了玻璃光纤24、5、48之外包括接收光学系统只需要最多四种光学元件，这些光学元件此外还可以完全地或部分地整合在基体47上，所以纯被动的纤维光学测头30可以作为色散管理微型测头来极其紧凑地构造；
－另外，校准费用也极少，特别是当各元件整合在基体47上时。这使得传感器结构极其坚固耐用；
－只需要一个透镜32，对该透镜来说一个单透镜（单镜片）足够了（例如一个非球面透镜）。特别是不需要消色差透镜；
－全部光学元件（透镜、楔角棱镜、衍射元件和玻璃光纤）可以毫无问题地由石英玻璃构成，这原则上具有直到1000℃以上的耐热性。由此根据本发明的设备1首次实现了对用于这种直到1000℃以上的高温的而无需主动冷却的激光多普勒测距传感器10的测头30的设计，而这通过迄今为止已知的测头结构基本上是不可能的。在这种情况下，可以使用具有特殊的耐温度变化的金属涂层的高温纤维作为光导纤维。借助特种钢、微晶玻璃或陶瓷可以实现壳体在这些高温中的稳定构造；
－根据本发明的微型测头30的另一个优点是：发射光纤24和接收光纤5平行延伸，使得两个光纤可以在一根软管中引导并且由此（与图5所示出的结构不同）只需要一根到测头30的接入电缆；
与迄今为止实现的激光多普勒测距传感器10相比，根据本发明的设备1的优点在于：具有仅仅少量的光学部件的非常简单的结构，由此产生大的微型化潜力。另外，所述设备1允许比较简单地为例如在涡轮机内存在的高温配置激光多普勒测距传感器10。
附图标记列表
1    设备
2    光源单元
3    根据现有技术的测头
4    探测单元
5    探测光纤
6    散光
7    固体
8    分析处理单元
9    中心孔
10   根据现有技术的激光多普勒测距传感器
11   正面
12   背面
13   端面
21   第一激光二极管
22   第二激光二极管
23   光纤熔合耦合器
24   发射光纤
25   衍射透镜
26   分束的光栅
27   第一分光束
28   第二分光束
29   第一偏转元件
30   根据本发明的测头
31   测量容积
32   色散透镜
33   第一射束腰
34   第二射束腰
35   交叉点
36   偏转元件
37   发射光束
38   移动/旋转装置
39   散光聚光点
40   第二偏转元件
41   第一测量信道
42   第二测量信道
43   第一光电探测器
44   第二光电探测器
45   第一衍射元件
46   第二衍射元件
47   基体
48   玻璃光纤
49   SMF芯
50   MMF芯
51   第一转向元件
52   第二转向元件

Claims (24)

1.用于进行非增量式测量的设备（1），该设备用于对运动的固体（7）的位置和形状进行非增量式测量，该设备含有波长多路复用技术方面的激光多普勒测距传感器（10），该激光多普勒测距传感器具有至少两个不同的波长（λ1，λ2）并且在该激光多普勒测距传感器的传感器结构中具有模块化的纤维光学测头，
其中，所述激光多普勒测距传感器（10）的传感器结构含有另外两个模块：光源单元（2）和探测单元（4），这两个模块与测头进行纤维光学的连接，
其中，在所述光源单元（2）内，不同波长（λ1，λ2）的两个激光光束（37）至少耦合到玻璃光纤（24）内，
其中，在所述探测单元（4）内，双色的散光被分裂成与两个测量信道（41，42）相应的不同的波长（λ1，λ2）并且随后借助两个光电探测器（43，44）被分开探测，而且
所述探测单元（4）与分析处理单元（8）相连接，在该分析处理单元内，为了测定所述固体（7）的位置、速度和形状而根据激光多普勒测距传感器（10）的原理来实施信号分析处理，
其特征在于：
所述测头构造成模块化的、被动的、纤维光学的、衍射的微型测头（30），该测头将由发射光纤（24）发射的双色的激光光束（37）借助分束的光栅（26）分别分裂成﹢1衍射级的和﹣1衍射级的两个分光束（27，28），这些分光束借助两个下游的偏转元件（29，40）投影到用于叠加的位置区域内，该位置区域代表共同的测量容积（31），而且在分束的光栅（26）之前设置有透镜（32），该透镜将由发射光纤（24）发射的激光光束（37）聚焦到测量容积（31）周围，其中，通过透镜（32）的色散使射束腰（33，34）沿z方向如下地分开，即，用于一个波长（λ1）的射束腰（33）位于测量容积（31）之前而用于另外的波长（λ2）的射束腰（34）位于测量容积（31）之后。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述透镜（32）是衍射透镜或折射透镜，优选是非球面透镜。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于：所述分束的光栅（26）是反射光栅或透射式衍射光栅，该光栅优选偏重调节﹢1衍射级的和﹣1衍射级的分光束。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于：所述偏转元件（29，40）是衍射光栅，该衍射光栅的光栅常数小于所述分束的光栅（26）的光栅常数，而且这些偏转元件优选致力于分别构造仅仅一个衍射级（+1或-1）。
5.如权利要求1至4所述的设备，其特征在于：所述分束的光栅（26）和所述两个偏转元件（29，40）设置在基体（47）的正面（11）和背面（12）上。
6.如权利要求1至5所述的设备，其特征在于：对于下列的参数：
－激光波长（λ1，λ2）；
－衍射透镜（32）的焦距和色散；
－分束的光栅（26）的光栅周期；
－偏转元件（29，40）的偏转角；
－发射光纤（24）至透镜（32）的距离、透镜（32）至光栅（26）的距离和光栅（26）至偏转元件（29，40）的距离，在色散管理的范围内如下地进行选择并使之相互协调，即，同时满足下列的条件：
－用于两个不同的波长（λ1，λ2）的激光光束（27，28）的射束腰（33，34）被充分大幅地放大至测量容积（31）周围的腰的半径（w0.1或者w0.2），使得由干涉条纹系统沿z方向合成的延伸得出所期望的测量范围长度lz，i=2√2·W0，1/sinθ(i=1，2），并且在测量容积（31）内存在足够大量的干涉条纹（典型地≥10）；
－用于一个波长（λ1）的射束腰（33）位于测量容积（31）之前而用于另外的波长（λ2）的射束腰（34）位于测量容积（31）之后而且优选分别距离所述测量容积（31）内的交叉点（35）约1至2倍的瑞利长度。
7.如权利要求1至6所述的设备，其特征在于：沿侧向或沿反向来进行散光探测。
8.如权利要求1至7所述的设备，其特征在于：所述散光（6）耦合到探测光纤（5）内，该探测光纤优选平行于发射光纤（24）设置。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于：为了借助偏转元件（36）、优选楔角棱镜耦合到探测光纤（5）内，所述偏转元件为了不干扰发射射束（37）而被穿孔，散光略微向侧向偏转并且然后借助已经存在于发射光学系统内的透镜（32）聚焦到所述探测光纤（5）的入口（13）上。
10.如权利要求1至9所述的设备，其特征在于：如下地对探测光学系统（36，32，5）进行校正，即，通过使棱镜（36）借助移动/旋转装置（38）而沿光轴线方向、z方向移动来对散光聚光点（39）的径向位置进行校正，其中，所述散光聚光点（39）的方位角位置可以借助所述移动/旋转装置（38）通过旋转楔角棱镜（36）而改变，其中作为备选可以通过探测光纤（5）的方位角的和径向的位置来实现对探测光学系统（36，32，5）的校正。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：所述探测光纤（5）位于由发射光场的分光束（27，28）展开的平面之外。
12.如权利要求1至11所述的设备，其特征在于：为了使散光（6）偏转和聚焦到探测光纤（5）上，作为备选也可以应用衍射元件（45，46）来代替楔角棱镜（36）和单独设置的发射透镜（32），这些衍射元件在分束的光栅（26）的或偏转元件（29，40）的周围整合到至少一个基体（47）内。
13.如权利要求1至12所述的设备，其特征在于：所述透镜（32）在分束的光栅（26）之前整合到基体（47）内。
14.如权利要求1至13所述的设备，其特征在于：位于基体内的分束的光栅（26）是反射光栅，而且在基体（47）内具有将分光束（27，28）引向偏转元件（29，40）的转向元件（51，52）。
15.如前述权利要求之任一项所述的设备，其特征在于：代替发射光纤（24）和探测光纤（5），为发射光光束（37）和散光探测仅使用一个唯一的玻璃光纤（48），该玻璃光纤例如构造成多普勒芯光纤，通过该多普勒芯光纤的SMF芯（49）将双色的发射光（37）引向测头（30），而且该多普勒芯光纤的MMF芯（50）用于引出散光（6）。
16.如权利要求1至15所述的设备，其特征在于：发射光学系统的和接收光学系统的多个或全部光学元件整合在基体（47）上，其中，必要时需要附加的转向元件（51，52）并且光路也可以折叠。
17.如前述权利要求之任一项所述的设备，其特征在于：所述透镜（32）的效果还通过衍射的或全息的方式整合到光栅（26）、转向元件（51，52）或偏转元件（29，40）内。
18.如前述权利要求之任一项所述的设备，其特征在于：所有的光学元件设计成透射的或反射的。
19.如权利要求12所述的设备，其特征在于：衍射元件（45，46）也实施成全息的。
20.如前述权利要求之任一项所述的设备，其特征在于：还借助光波导技术实现光学元件在基体（47）内部的整合或该基体内部的光导，为此还应用光子的晶体结构。
21.如前述权利要求之任一项所述的设备，其特征在于：为全部光学元件，优选透镜（32）、楔角棱镜（36）以及为衍射元件的基体（47），特别是分束的光栅（26）和偏转元件（29，40）都应用耐温度变化的石英玻璃。
22.如权利要求1至21所述的设备，其特征在于：高温光纤用作玻璃光纤（24，5，48）。
23.如权利要求1至22所述的设备，其特征在于：在使用石英玻璃光学系统、高温光纤和用于由微晶玻璃、陶瓷或高温钢制成的壳体的特殊材料的情况下，整个测头（30）设计得适合于高的环境温度，而无需主动冷却。
24.如权利要求1所述的设备，其特征在于：作为备选，借助分时多用复用（TDM）来实现所述设备（1），其中，同时在所述测头（30）内整合有自适应光学系统。
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