DE102010034972A1

DE102010034972A1 - Optische Messung von Bewegungen

Info

Publication number: DE102010034972A1
Application number: DE201010034972
Authority: DE
Inventors: Armin Wagner
Original assignee: ELOVIS GmbH
Current assignee: ELOVIS GmbH
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2030-08-21
Also published as: DE102010034972B4

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächengeschwindigkeit von bewegten Materialien unterschiedlicher Oberflächeneigenschaft mittels optischer Strahlung vorzugsweise mit Laserbestrahlung und der Bildung von Interferenzmustern im Messvolumen und der digital elektronischen Auswertung der veränderlichen Streuintensität während der Bewegung des zu vermessenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten zwei zueinander kohärente oder partiell kohärente Strahlen im Messvolumen zur Interferenz gebracht werden und dass wenigstens einer dieser kohärenten Messstrahlen durch einen Aktor angeregt wird, wobei die Anregung in seiner relativen optischen Weglänge (Phasenmodulation) oder in der Modulation der Strahlposition auf dem Messgut erfolgt und dass die Modulation näherungsweise periodisch und achsensymmetrisch, vorzugsweise in Sinus Form also sowohl durch eine abwechselnde vorzugsweise nicht konstante Frequenzerhöhung und Frequenzerniedrigung erfolgt und dass bei der Signalauswertung die detektierten Messwerte synchron zur Anregung in wenigstens zwei zeitlichen Abschnitten vorzugsweise den Abschnitten der Frequenzerhöhung und -erniedrigung in wenigstens einem ersten Verarbeitungsschritt getrennt verarbeitet werden und die Zwischenergebnisse in einem der Folgeschritte zum...

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet einer kontaktlosen optischen Geschwindigkeits- und Translationsmessung von Licht streuenden festen Oberflächen oder auch von Fluid Strömungen mit Licht streuenden Teilchen. Die Bewegungen können eindimensional (linear) oder auch zweidimensional sein.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verschiedene optische Verfahren zur Messung der Relativgeschwindigkeit und/oder -bewegung eines Gegenstandes in Bezug zu einem Messsystem sind bekannt. Die vorliegende Erfindung benutzt den Doppler Effekt von gestreutem Laserlicht. Laserdoppler Messsysteme bestehen aus kohärenten Lichtquellen, einem Strahlteiler, der das Licht gewöhnlich in zwei Teilstrahlen aufspaltet, einem Photodetektor, der das Licht der beiden zur Inteferenz gebrachten Teilstrahlen in ein digital elektronisches Signal wandelt und mittels einer digitalen elektronischen Auswerteeinheit wird die Frequenz der Intensitätsvariation ermittelt, die zur Geschwindigkeit des bewegten Mediums proportional ist.
Bei den Laser Doppler Messystemen werden solche nach dem Homodyn und dem Heterodyn Verfahren unterschieden. Bei den Homodyn Verfahren wird das bewegte Medium mit zwei Strahlen der gleichen Frequenz aber unterschiedlicher Richtung beleuchtet. Durch die unterschiedliche Neigung der Teilstrahlen zum bewegten Medium erhalten die gestreuten Strahlen unterschiedliche Frequenzverschiebungen, die durch Interferenz auf dem Photodetektor eine detektierbare niedefrequente Differenzfrequenz erzeugen. Ein System nach diesem Verfahren wurde bspw. in der EP 0 614 086 beschrieben. Nachteil des homodynen Verfahrens ist die Proportionalität der Doppler Frequenz zur Geschwindigkeit, da bei geringen Geschwindigkeiten die Frequenz sehr klein wird und damit die Messgenauigkeit abnimmt, und dass damit eine Erkennung der Bewegungsrichtung nicht möglich ist.
Dieser Nachteil wird durch das Heterodyn Verfahren kompensiert. Bei diesem Verfahren wird einer der beiden kohärenten Teilstrahlen mit Hilfe eines Phasenmodulators in seiner Frequenz zu höheren oder niedrigeren Frequenzen zeitlich konstant verschoben. Interferieren verschobener und unverschobener Strahl so erzeugt die Interferenz und Detektion die Differenzfrequenz beider Strahlen, die bei still stehendem Medium gerade dem Betrag der Frequenzverschiebung entspricht. Dadurch kann ein stillstehendes Medium sicher erkannt werden. Ein weiterer Vorteil ist die Richtungserkennung des Hetrodynverfahrens. Bewegt sich ein Medium vorwärts wird die Modulationsfrequenz um die Dopplerfrequenz erhöht. Bewegt sich das Medium rückwärts wird die Modulationsfrequenz um die Dopplerfrequenz reduziert.
Das US-Patent 5,587,785 an Kato et al. beschreibt ein solches System. Die Frequenzverschiebung wird realisiert, indem man einen schnellen linearen Frequenzshift auf einem der Teilstrahlen bspw. mit Hilfe eines akustooptischen Modulators realisiert. Nachteil der Heterodynverfahren ist die Notwendigkeit einen Frequenzschieber verwenden zu müssen, der je nach Geschwindigkeitsbereich Frequenzverschiebungen im Bereich von mehreren 10 MHz erlaubt. Dies wird bspw. durch akustooptische Modulatoren oder durch integriert optische Phasenschieber möglich. Diese Systeme sind teuer und von der Baugröße her unhandlich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Laser-Doppler Längen- und Geschwindigkeitsmesssystem zu schaffen, das Bewegungen vorwärts und rückwärts sowie den Stillstand sicher erkennen kann, ohne aufwändige integriert optische Bauelemente oder akustooptische Frequenz verschiebende Modulatoren verwenden zu müssen. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 1 gelöst.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Für die sichere Erkennung der Geschwindigkeit Null und des Vorzeichens der Bewegungsrichtung sind bei der Verwendung von optischen Einzeldetektoren Aktorelemente notwendig, die das Interferenzmuster im Messvolumen zeitlich variieren.
Die Signalverarbeitung ist am einfachsten, wenn sich bspw. die Interferenzstreifen in einem Zweistrahl System in oder gegen die Oberflächenbewegung verschieben. Für diese Verschiebung sind Frequenzschieber nötig, die aber die oben beschriebenen Nachteile aufweisen. Eine andere Möglichkeit wäre die Verwendung von rotierenden Gittern als Strahlteiler. Der Durchmesser der Gitter ist für die notwendigen Frequenzverschiebungen aber vergleichsweise groß zu wählen, was für die Miniaturisierung von Nachteil ist.
Vergleichsweise einfach lassen sich periodische Bewegungen durch einfache elektromagnetische oder auf dem Piezoeffekt basierende Lautsprecherantriebe realisieren. Mit so einem Antrieb könnte bspw. ein rotatorisch oszillierender Spiegel oder ein Spiegel mit Hub realisiert werden, der einen periodischen Phasenhub auf einen oder auch mehreren Messstrahlen erzeugt. Der periodische Phasenhub erzeugt eine periodische Bewegung des Interferenzmusters im Messvolumen.
Der rotatorische Spiegel bewegt das Interferenzmuster periodisch im Messvolumen. Auf dem Detektor entstehen dabei im wesentlichen die gleichen Signalverläufe (7, 8). Durch die periodische Bewegung erfährt das Detektorsignal sowohl eine periodische Frequenzerhöhung wie auch eine Frequenzerniedrigung. In der bevorzugten Ausführung wird die Phasenlage der periodischen Bewegung zeitlich synchron mit dem Signal des Photodetektors erfasst bzw. wird aktiv durch den Systemprozessor angesteuert.
Das Detektorsignal I_D ergibt sich dann für allgemeine periodisch achsensymmetrische Modulationsfunktionen zu:
Der Intensitätsverlauf auf dem Detektor im Falle der Sinus-förmigen Modulation (ohne Speckle Effekte) ergibt sich näherungsweise durch folgende Gleichung
Dabei modelliert α die Amplitude des Dopplerpeaks, ω die Winkelgeschwindigkeit der Dopplerfrequenz und Δφ(t) die Modulationsphase. Drückt man Gl.1 durch die e-Funktion aus ergibt sich:
Für die Signalauswertung (Demodulation) wird mit der invers modulierten Phase (Komplexwertige Demodulationsfunktion 9) multipliziert:
Es ergibt sich:
Das resultierende Signal enthält drei Anteile, die mit verschmierter Doppler-Peak, komprimierter Doppler-Peak und verschmierter Nullpeak bezeichnet werden. Der komprimierte Dopplerpeak enthält die Dopplerfrequenz (14–17).
Durch die synchrone Erfassung der Phasenlage des Aktors und des Detektorsignals kann das Messsignal in verschiedene Bereiche (Slots) aufgeteilt werden. Vorzugsweise werden vier sich jeweils halb überlappende Bereiche gewählt (10). Aus diesen Signalabschnitten wird jeweils deren spektrale Dichte bestimmt und miteinander multipliziert. Alternativ kann die Zeitliche Aufteilung in verschiedene Funktionen durch Multiplikation mit vorzugsweise 4 zeitlich variierenden Gewichtungsfunktionen erfolgen (12, 13). Die sich ergebenden vier verschiedenen Spektren enthalten jeweils die gesuchte Dopplerfrequenz plus Störterme. Durch Multiplikation der vier Spektren werden die Störterme reduziert und der Dopplerpeak verstärkt, sofern die Geschwindigkeit des Messguts eine Dopplerfrequenz erzeugt, die kleiner ist als die maximale Frequenzverschiebung durch die Modulation. Übersteigt die Geschwindigkeit des Messguts diesen Wert, dann wird der zentrale Störpeak zunehmend größer, so dass ab diesem Geschwindigkeitsbereich vorzugsweise eine weitere Fallunterscheidung eingeführt wird.
Dazu wird das Produktfrequenzspektrum in drei Abschnitte (Positiv, Zentral, Negativ) eingeteilt. Die Abschnittsgrenzen werden durch die Grenzgeschwindigkeit v_grenz bestimmt, die vorzugsweise kleiner als die maximale Frequenzverschiebung (v_shiftmax) der Modulation ist, und je nach Messanordung vorteilhaft gewählt werden kann. Befinden sich in wenigstens einem der den Bereiche P oder N Dopplerpeaks ausreichend hoher Qualität, dann wird der größere Peak als gültige Messfrequenz angenommen. Befinden sich in den Bereich P und N keine Frequenzpeaks ausreichend hoher Qualität, dann wird der höchste Peak im Zentralbereich als gültige Messfrequenz angenommen. Die Qualität wird dabei durch die Höhe und Frequenz des Frequenzpeaks und oder dem Signal zu Rauschverhältnis des Frequenzpeaks bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0614086 [0003]
US 5587785 [0005]

Claims

Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächengeschwindigkeit von bewegten Materialien unterschiedlicher Oberflächeneigenschaft mittels optischer Strahlung vorzugsweise mit Laserbestrahlung und der Bildung von Interferenzmustern im Messvolumen und der digital elektronischen Auswertung der veränderlichen Streuintensität während der Bewegung des zu vermessenden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten zwei zueinander kohärente oder partiell kohärente Strahlen im Messvolumen zur Interferenz gebracht werden und dass wenigstens einer dieser kohärenten Messstrahlen durch einen Aktor angeregt wird, wobei die Anregung in seiner relativen optischen Weglänge (Phasenmodulation) oder in der Modulation der Strahlposition auf dem Messgut erfolgt und dass die Modulation näherungsweise periodisch und achsensymmetrisch, vorzugsweise in Sinus Form also sowohl durch eine abwechselnde vorzugsweise nicht konstante Frequenzerhöhung und Frequenzerniedrigung erfolgt und dass bei der Signalauswertung die detektierten Messwerte synchron zur Anregung in wenigstens zwei zeitlichen Abschnitten vorzugsweise den Abschnitten der Frequenzerhöhung und -erniedrigung in wenigstens einem ersten Verarbeitungsschritt getrennt verarbeitet werden und die Zwischenergebnisse in einem der Folgeschritte zum Endergebnis verarbeitet werden oder dass das Detektorsignal mit wenigstens zwei verschiedenen synchron zur Anregungsfunktion zeitlich variierenden Funktionen gewichtet wird und in wenigstens einem ersten Verarbeitungsschritt getrennt verarbeitet werden und die Zwischenergebnisse in einem der Folgeschritte zum Endergebnis verarbeitet werden
Anspruch 2 nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Winkelablenker in Transmission oder in Reflexion ist und wenigstens zwei der kohärenten Strahlen gemeinsam durch den Winkelablenker periodisch in eine Schwingrichtung verschieden von der Senkrechten zur Bewegungsrichtung des Messguts und vorzugsweise in Bewegungsrichtung abgelenkt werden.
Anspruch 3 nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor die Phase (optische Weglänge) in Ausbreitungsrichtung von wenigstens einem der kohärenten Strahlen näherungsweise periodisch und achsensymmetrisch moduliert.
Anspruch 4 nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor in Form eines im wesentlichen quer zur Strahlausbreitungsrichtung oszillierenden Beugungsgitters in Transmission oder in Reflexion periodisch achsensymmetrisch moduliert wird.
Anspruch 5 nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein paralleler Strahlversetzer in Transmission oder in Reflexion ist und wenigstens zwei der kohärenten Strahlen gemeinsam durch den Strahlversetzer periodisch in eine Strahlversetzung verschieden von der Senkrechten zur Bewegungsrichtung des Messguts und vorzugsweise in Bewegungsrichtung versetzt wird, wobei der Strahlversetzer vorzugsweise eine transparente Planpaltte oder ein Retroreflektor ist.
Anspruch 6 nach 1 gekennzeichnet dadurch, dass das Detektorsignal mit der zur Anregung näherungsweise synchronen Komplexwertigen Demodulationsfunktion multipliziert wird.
Anspruch 7 nach 1 gekennzeichnet dadurch, dass die Signalauswertung der zeitlich aufgespaltenen Signale getrennt durch Frequenzanalyse erfolgt.
Anspruch 8 nach 6 dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Signalabschnitte synchron zur Anregung in vorzugsweise 4, vorzugsweise sich jeweils überlappende Abschnitte aufgeteilt werden und dass von jedem Signalabschnitt die die Power Spectral Density (Spektrum) ermittelt wird und das Produkt aus den Spektren (Produktspektrum) berechnet wird und dass aus der Position des maximalen Peaks in den jeweiligen Spektralabschnitten (F1, F2, F3, F4, Fp) die Dopplerfrequenz und damit die Geschwindigkeit des Messguts ermittelt wird.
Anspruch 9 nach 8 dadurch gekennzeichnet, dass aus der Position des maximalen Frequenzpeaks des Produktspektrums die grobe Position der Dopplerfrequenz bestimmt wird und in einem zweiten Schritt aus den Mittelwerten der Frequenzpeaks in den Einzelspektren in der Umgebung des Peaks im Produktspektrum eine genauere Position der Doppler Frequenz ermittelt wird.
Anspruch 10 nach Anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächengeschwindigkeit Abhängig von der Position der Doppler Frequenz im Produktspektrum und der Signalqualität der Einzelspektren mit verschiedenen Mittelungsformeln berechnet wird.
Anspruch 11 nach 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelung entweder über die Paare F1, F3 oder F2, F4 oder über F1 bis F4 berechnet wird.