DE102012201949A1 - Method for determining speed of flowing medium, involves irradiating measuring plane in flowing medium with laser light, so that scattered light is fed to Fabry-Perot interferometer by fiber optic array - Google Patents

Method for determining speed of flowing medium, involves irradiating measuring plane in flowing medium with laser light, so that scattered light is fed to Fabry-Perot interferometer by fiber optic array Download PDF

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Abstract

The method involves irradiating a measuring plane in flowing medium with laser light, so that scattered light is fed to a Fabry-Perot interferometer (FPI) by a fiber optic array such that the light of each fiber optics of the fiber optics array enters into the FPI at the same angle towards an optical axis. The light signal emitted from the FPI is led to a camera or a photodetector array after frequency-intensity-conversion in the FPI. A calibration takes place before measurement for each fiber of the fiber optic array. An independent claim is included for an arrangement for determining speed of a flowing medium.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines bewegten Fluids unter Einsatz eines Fabry-Pérot-Interferometers (FPI) sowie mit Laserfrequenzmodulation. Weiterhin wird eine geeignete Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgestellt.The invention relates to methods for determining the velocity of a moving fluid using a Fabry-Pérot interferometer (FPI) and with laser frequency modulation. Furthermore, a suitable arrangement for carrying out such a method is presented.

In der Technik stellt sich häufig die Aufgabe, die Bewegungsgeschwindigkeit strömender Fluide berührungslos zu messen. Typische Anwendungsfelder sind die Optimierung von Verbrennungsmotoren oder von Turbomaschinen. In the art often arises the task to measure the movement speed of flowing fluids without contact. Typical fields of application are the optimization of internal combustion engines or turbomachinery.

Vorteilhaft wird dazu der Dopplereffekt ausgenutzt, der unter anderem beschreibt, welche Frequenzverschiebung eine Welle bei der Streuung bzw. Reflexion an einem bewegten Objekt erfährt. Advantageously, the Doppler effect is exploited, which among other things describes which frequency shift a wave undergoes during scattering or reflection on a moving object.

Es existiert eine Reihe von technischen Lösungen, die auf der Grundlage des Dopplereffekts Strömungsgeschwindigkeiten von Fluiden messen. Genutzt werde beispielsweise Doppler-Global-Velozimeter (DGV). Diese weisen einen Laserstrahl auf, der in einer Richtung aufgeweitet (Laserlichtschnitt) und auf das strömende Fluid gerichtet ist. Das gestreute Laserlicht wird in einer Beobachtungsrichtung einer Frequenz-zu-Intensitätskonversion (bevorzugt mittels einer Absorptionszelle) unterzogen und auf ein Photodetektorarray oder eine Kamera oder eine andere geeignete Erfassungs- und/oder Aufzeichnungsvorrichtung geleitet. Andere Verfahrensweisen sehen die Überlagerung des gestreuten und des ungestreuten Lichts vor, um daraus die Frequenzverschiebung zu bestimmenThere are a number of technical solutions that measure flow rates of fluids based on the Doppler effect. For example, Doppler Global Velocimeter (DGV) is used. These have a laser beam which widens in one direction (laser light section) and is directed to the flowing fluid. The scattered laser light is subjected to a frequency-to-intensity conversion (preferably by means of an absorption cell) in an observation direction and directed to a photodetector array or camera or other suitable detection and / or recording device. Other techniques provide for the superposition of the scattered and the unscattered light to determine the frequency shift therefrom

Das strömende Fluid enthält vorteilhaft kleine Streupartikel. Die Streupartikel können in dem Fluid natürlich vorkommen (z. B. Staub) oder aber künstlich zugesetzt werden. Die Streupartikel sind bevorzugt so klein, dass sie die Strömung des Fluids derart mitmachen, dass die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Streupartikel und umgebenden Fluid möglichst gering, bevorzugt Null ist. The flowing fluid advantageously contains small scattering particles. The scattering particles may be naturally occurring in the fluid (eg dust) or artificially added. The scattering particles are preferably so small that they participate in the flow of the fluid in such a way that the speed difference between the scattering particle and the surrounding fluid is as low as possible, preferably zero.

Das Laserlicht wird an den Streupartikeln gestreut und bspw. in einem Laser-Velozimeter aufgefangen und einer Auswertung zur Bestimmung der Dopplerverschiebung der Frequenz des Laserlichtes und daraus der Geschwindigkeit des strömenden Fluides, zugeführt.The laser light is scattered at the scattering particles and, for example, collected in a laser velocimeter and fed to an evaluation for determining the Doppler shift of the frequency of the laser light and hence the velocity of the flowing fluid.

Die Frequenz des Streulichts ist direkt proportional zu der zu messenden Strömungsgeschwindigkeit und zur Doppler-Frequenz

Figure 00010001
verschoben. Hierbei ist v → die Strömungsgeschwindigkeit, i→ die Lichteinfallsrichtung, o → die Beobachtungsrichtung, fL die Laserfrequenz (vor der Lichtstreuung) und c die Lichtgeschwindigkeit.The frequency of the scattered light is directly proportional to the flow velocity to be measured and the Doppler frequency
Figure 00010001
postponed. Here, v → the flow velocity, i → the direction of light incidence, o → the observation direction, f L the laser frequency (before the light scattering) and c the speed of light.

Herkömmliche Verfahren sehen vor, das gestreute Licht einer Frequenz-Intensitäts-Konversion zu unterziehen. Auf diese Weise kann anschließend die Frequenz des gestreuten Lichts bestimmt werden. Für die Frequenz-Intensitäts-Konversion kommen verbreitet molekulare Absorptionszellen zum Einsatz. Conventional methods are to subject the scattered light to frequency-intensity conversion. In this way, subsequently the frequency of the scattered light can be determined. For the frequency-intensity conversion widespread molecular absorption cells are used.

Nachteilig ist die geringe Empfindlichkeit solcher Messsysteme, die die erreichbare Messunsicherheit limitiert. Man benötigt hingegen Messsysteme mit höherer Empfindlichkeit, um z.B. akustische Untersuchungen in Strömungsmaschinen durchführen zu können. A disadvantage is the low sensitivity of such measuring systems, which limits the achievable measurement uncertainty. On the other hand, higher sensitivity measuring systems are needed, e.g. to carry out acoustic investigations in turbomachinery.

Die Empfindlichkeit des Messystems wird ganz wesentlich durch die Flankensteilheit der Transmissionskennlinie bei der Frequenz-Intensitäts-Konversion bestimmt.The sensitivity of the measuring system is essentially determined by the slope of the transmission characteristic in the frequency-intensity conversion.

Zur Steigerung der Empfindlichkeit werden in Systemen mit Absorptionszellen vorrangig leistungsstarke Laser bzw. optische Verstärker zur Steigerung der Laserleistung eingesetzt. Dies sind teure Lösungen, die nur bedingt zu einer Verbesserung der Empfindlichkeit führen. Auch kann bislang nicht jede Laserwellenlänge genutzt werden, was die Wahl eines günstigen, leistungsstarken Lasers einschränkt. Der Grund hierfür ist, das die zur Frequenz-Intensitätskonversion eingesetzte molekulare Absorptionszelle Absorbergas (z.B. Cäsium, Rubidium, Jod) nutzt, das nur bei wenigen Wellenlängen eine für die Messung nutzbare atomare Resonanz aufweist. Zum anderen kann mittels der Absorptionszelle die Empfindlichkeit des Messsystems nur durch eine Erhöhung der Gaskonzentration und der Absorptionszellentemperatur gesteigert werden. Den stärkeren Einfluss hat die Gaskonzentration, die nach der Herstellung bzw. dem Befüllen der Absorptionszelle nicht weiter verändert werden kann. Die Temperatur des Gases kann durch eine Heizung der Absorptionszelle gesteigert werden, was im Rahmen der praktisch erreichbaren Temperaturen jedoch nur eine geringe Steigerung der Empfindlichkeit zulässt. In order to increase the sensitivity, in systems with absorption cells, primarily high-performance lasers or optical amplifiers are used to increase the laser power. These are expensive solutions that only partially lead to an improvement in sensitivity. Also, not every laser wavelength can be used so far, which limits the choice of a low-cost, high-performance laser. The reason for this is that the absorber gas (eg cesium, rubidium, iodine) molecular absorption cell used for frequency-intensity conversion uses only an atomic resonance usable for the measurement at a few wavelengths. On the other hand, by means of the absorption cell, the sensitivity of the measuring system can only be increased by increasing the gas concentration and the absorption cell temperature. The stronger ones Influence has the gas concentration, which can not be further changed after the production or the filling of the absorption cell. The temperature of the gas can be increased by heating the absorption cell, which, however, within the limits of the practically achievable temperatures allows only a slight increase in sensitivity.

Daher werden Alternativen zu der Absorptionszelle gesucht. Hier bietet sich ein Fabry-Pérot -Interferometer (FPI) an, womit zum einen signifikant höhere Empfindlichkeiten und somit geringere Messunsicherheiten prinzipiell erreichbar sind. Zum anderen treten beim FPI die Resonanzen über einen weiten Spektralbereich periodisch auf und es lassen sich FPIs für nahezu jedwede Wellenlängen aufbauen, so dass die Auswahl eines Lasers nicht mehr limitiert ist. Problematisch ist jedoch, dass bislang keine flächigen Messungen mit einem FPI gelungen sind.Therefore, alternatives to the absorption cell are sought. Here, a Fabry-Pérot Interferometer (FPI) is available, which on the one hand achieves significantly higher sensitivities and thus lower measurement uncertainties in principle. On the other hand, in the FPI the resonances occur periodically over a wide spectral range and FPIs can be built up for almost any wavelength, so that the selection of a laser is no longer limited. The problem, however, is that so far no two-dimensional measurements have been achieved with an FPI.

Die Funktionsweise eines FPIs ist in 2 dargestellt. Das einfallende Licht wird mehrfach zwischen zwei planparallelen Spiegeln M1, M2 reflektiert. Bei jeder Reflexion wird auch ein Teil des Lichtes transmittiert. Die einzelnen transmittierten Strahlen haben wegen der unterschiedlichen optischen Wege einen Phasenversatz und interferieren miteinander. Je nach Frequenz des Laserlichts ist die Interferenz konstruktiv oder destruktiv, weshalb bei schmalbandigem Laserlicht eine von der Laserfrequenz abhängige Transmission vorliegt, die in 3 skizziert ist. Im Gegensatz zu Absorptionszellen ist die Transmissionskennlinie periodisch, so dass das FPI den Einsatz beliebiger Laserwellenlängen gestattet.The functionality of an FPI is in 2 shown. The incident light is reflected several times between two plane-parallel mirrors M 1 , M 2 . Each reflection also transmits part of the light. The individual transmitted beams have a phase shift due to the different optical paths and interfere with each other. Depending on the frequency of the laser light, the interference is constructive or destructive, which is why, in the case of narrow-band laser light, there is a transmission which is dependent on the laser frequency and which in 3 outlined. In contrast to absorption cells, the transmission characteristic is periodic, so that the FPI allows the use of arbitrary laser wavelengths.

Der Stand der Technik kennt Versuche, Fabry-Pérot-Interferometer für DGV-Messysteme einzusetzen. The prior art knows attempts to use Fabry-Pérot interferometers for DGV measurement systems.

Bereits 1970 setzten Jackson und Paul (Jackson, D. A., Paul, D. M., 1970: Measurement of hypersonic velocities and turbulence by direct spectral analysis of Doppler shifted laser light, Physics Letters 32A(2):77–78) ein FPI zur Strömungsmessung ein. Allerdings handelt es sich hier um ein punktförmiges Messsystem und das FPI wurde im scannenden Betrieb verwendet, was mit dem DGV-Messprinzip nicht kompatibel ist. Die nachfolgend beschriebene Erfindung ist hingegen für Mehrpunktmessungen geeignet und benötigt keinen scannenden Betrieb des FPIs. As early as 1970, Jackson and Paul (Jackson, DA, Paul, DM, 1970: Measurement of hypersonic velocities and turbulence by direct spectral analysis of Doppler shifted laser light, Physics Letters 32A (2): 77-78). an FPI for flow measurement. However, this is a punctiform measuring system and the FPI was used in scanning operation, which is not compatible with the DGV measuring principle. By contrast, the invention described below is suitable for multipoint measurements and does not require any scanning operation of the FPI.

Kentischer et al. 1998 (Kentischer, T. J., Schmidt, W., Sigwarth, M., v. Uexküll, M., 1998: TESOS, a double Fabry-Pérot instrument for solar spectroscopy, Astronomy & Astrophysics 340:569–578) zeigen bildgebende Strömungsmessungen der Sonnencorona unter Verwendung eines scannenden FPIs mit planparallelen Spiegeln. Dieses Messverfahren unterscheidet sich vom DGV-Verfahren dadurch, dass keine Beleuchtung der Strömung erfolgt (da die Sonnencorona selbst leuchtet), dass die Transmissionskennlinie durch das Scanning während der Messung verschoben wird und dass die einfallenden Lichtstrahlen wegen der großen Entfernung zur Sonne auf der Erde quasi-parallel eintreffen. Der Abstand zwischen Messobjekt und Messsystem wird nachfolgend Arbeitsabstand genannt. Bei kürzeren (irdischen) Arbeitsabständen sind die Strahlen von unterschiedlichen Messpunkten nicht mehr parallel. Kentischer weist 1998 bereits darauf hin, dass dann die Empfindlichkeit seines Messsystems stark abnimmt. Dadurch sind die Steilheiten der Flanken der Transmissionskennlinien zu gering. Deswegen eignet sich das Messsystem von Kentischer et al. nicht für irdische Strömungsmessungen. Die nachfolgend beschriebene Erfindung ist hingegen für Mehrpunktmessungen auch bei kürzeren Arbeitsabständen geeignet und benötigt keinen scannenden Betrieb des FPIs. Kentischer et al. 1998 (Kentischer, TJ, Schmidt, W., Sigwarth, M., v. Uexkull, M., 1998: TESOS, a double Fabry-Pérot instrument for solar spectroscopy, Astronomy & Astrophysics 340: 569-578) show imaging flow measurements of the solar corona using a scanning FPI with plane-parallel mirrors. This measuring method differs from the DGV method in that no illumination of the flow takes place (since the solar corona itself shines), that the transmission characteristic is shifted by the scanning during the measurement and that the incident light rays quasi because of the large distance to the sun on the earth arrive in parallel. The distance between the test object and the measuring system is referred to below as the working distance. For shorter (terrestrial) working distances, the rays from different measuring points are no longer parallel. Kentischer already points out in 1998 that then the sensitivity of his measuring system decreases sharply. As a result, the slopes of the flanks of the transmission characteristics are too low. Therefore, the measuring system of Kentischer et al. not for terrestrial flow measurements. The invention described below, however, is suitable for multipoint measurements even at shorter working distances and requires no scanning operation of the FPI.

Seasholtz et al. 1997 (Seasholtz, R. G., Buggele, A. E., Reeder, M. F., 1997: Measurements Based on Rayleigh Scattering and Fabry-Pérot Interferometer, Optics and Lasers in Engineering 27:543–570) hat erstmals ein FPI im nicht-scannenden Betrieb für Strömungsmessungen eingesetzt. Jedoch gelten bei seinem Aufbau unterschiedliche Einfallswinkel für die verschiedene Messpunkte in der Messebene, so dass sich unterschiedliche Transmissionskennlinien für die verschiedenen Messpunkte ergeben. Aufgrund der ersten Linse des Aufbaus, deren Brennpunkt in der Objektebene liegt, gilt zwischen der Messposition (d.h. dem Abstand r zur optischen Achse in der Objektebene) und dem Winkel φ mit dem die Lichtstrahlen in das FPI eintreten der Zusammenhang:

Figure 00040001
Seasholtz et al. 1997 (Seasholtz, RG, Buggele, AE, Reeder, MF, 1997: Measurements Based on Rayleigh Scattering and Fabry-Pérot Interferometer, Optics and Lasers in Engineering 27: 543-570) has used an FPI in non-scanning operation for flow measurements for the first time. However, different angles of incidence for the different measuring points in the measuring plane apply in its design, so that different transmission characteristics for the different measuring points result. Due to the first lens of the construction whose focal point lies in the object plane, the relationship between the measurement position (ie the distance r to the optical axis in the object plane) and the angle φ with which the light rays enter the FPI is the following:
Figure 00040001

Für die verschiedenen Winkel φ(r) gilt gemäß der Gleichung (aus Hecht 2002)

Figure 00040002
eine unterschiedliche Transmissionskennlinie des FPIs, wobei f die Laserfrequenz, n der Brechungsindex des Mediums zwischen den Spiegeln, d der Spiegelabstand und c die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum sind. Zudem wird ein Messpunkt (Objektpunkt) mit dem Abstand r zur optischen Achse gemäß der Abbildungsvorschrift
Figure 00040003
in der Bildebene abgebildet, wobei r‘ der Abstand des Bildpunkts zur optischen Achse ist. Die Positionen der Messpunkte werden demnach skaliert in der Bildebene abgebildet. For the different angles φ (r), according to the equation (from Hecht 2002)
Figure 00040002
a different transmission characteristic of the FPI, where f is the laser frequency, n is the refractive index of the medium between the mirrors, d is the mirror distance and c is the speed of light in vacuum. In addition, a measuring point (object point) with the distance r to the optical axis according to the mapping rule
Figure 00040003
in the image plane, where r 'is the distance of the pixel from the optical axis. The positions of the measuring points are therefore displayed scaled in the image plane.

Im Ergebnis ergibt sich so ein Ringsystem in der Bildebene, weil für die Messpositionen mit identischem Abstand zur optischen Achse gleiche Transmissionen vorliegen. The result is a ring system in the image plane, because there are the same transmissions for the measurement positions with an identical distance to the optical axis.

Diese Charakteristik des Aufbaus von Seasholtz hat zwei Konsequenzen:

  • a) An Messpositionen mit unterschiedlichem Abstand zur optischen Achse ist die Transmissionskennlinie des FPIs verschieden. Dies erfordert eine Kalibrierung des Messgeräts für jeden Messpunkt. Die Empfindlichkeit des Messsystems (Flankensteilheit der Transmissionskennlinie) ist zudem für die verschiedenen Messpositionen unterschiedlich.
  • b) Man kann nicht gleichzeitig an allen Positionen messen. Der Laser wird bei DGV-Verfahren auf eine Resonanzlinie stabilisiert. Da die Resonanzlinien von verschiedenen Messpositionen sich aber bei unterschiedlichen Lichtfrequenzen befinden, kann nicht gleichzeitig an allen Positionen gemessen werden. Dies ist im Ringsystem in der Bildebene zu erkennen. Die hellen Ringe stellen die Messpositionen dar, bei denen eine Resonanz vorliegt. Zwischen den Ringen liegt keine Resonanz vor und deshalb kann an diesen Positionen nicht gemessen werden. Seasholtz schlägt vor, den Spiegelabstand des FPIs zu variieren und dadurch die Radien der Ringe zu verändern und nacheinander an den verschiedenen Positionen zu messen. Dies ist zeitaufwendig und erfordert eine hohe Präzision bei der Verstellung der Spiegel.
This characteristic of the construction of Seasholtz has two consequences:
  • a) At measuring positions with different distances to the optical axis, the transmission characteristic of the FPI is different. This requires a calibration of the meter for each measurement point. The sensitivity of the measuring system (slope of the transmission characteristic curve) is also different for the different measuring positions.
  • b) You can not measure at all positions at the same time. The laser is stabilized to a resonance line by DGV methods. However, since the resonance lines of different measurement positions are at different light frequencies, it is not possible to measure simultaneously at all positions. This can be seen in the ring system in the image plane. The bright rings represent the measurement positions where resonance is present. There is no resonance between the rings and therefore can not be measured at these positions. Seasholtz proposes to vary the mirror spacing of the FPI, thereby changing the radii of the rings and measuring them successively at the different positions. This is time consuming and requires high precision in the adjustment of the mirrors.

Es stellt sich somit die Aufgabe, eine Doppler-Global-Velozimeter-Messsystem (DGV-Messsystem) zu realisieren, das flächige Messungen im strömenden Medium gestattet, jedoch ein Fabry-Pérot-Interferometer anstelle einer Absorptionszelle zur Frequenz-Intensitäts-Konversion nutzt.Thus, the object is to realize a Doppler Global Velocimeter (DGV) measuring system that allows areal measurements in the flowing medium, but uses a Fabry-Pérot interferometer instead of an absorption cell for frequency-intensity conversion.

Erfindungsgemäß wird ein Laserstrahl so aufgeweitet, dass er die gesamte zu untersuchende Fläche des Mediums (die Messebene) bestrahlt. Im Medium findet eine Streuung des Laserlichts statt. Als Medium sind flüssige oder gasförmige Stoffe möglich, die vom Laserlicht bzw. dem gestreuten Laserlicht durchdrungen werden können. Dieses gestreute Laserlicht wird nunmehr dem FPI zugeleitet.According to the invention, a laser beam is widened so that it irradiates the entire surface of the medium to be examined (the measurement plane). In the medium, a scattering of the laser light takes place. As a medium liquid or gaseous substances are possible, which can be penetrated by the laser light or the scattered laser light. This scattered laser light is now fed to the FPI.

Dem Stand der Technik ist zu entnehmen, dass eine Unschärfe zwischen der Flankensteilheit des FPIs und der Größe des Bildbereichs bei gegebenem Arbeitsabstand besteht. Um sowohl eine hohe Flankensteilheit (hohe Empfindlichkeit des Messsystems) als auch einen großen Bildbereich zu erreichen, werden erfindungsgemäß die beiden Konsequenzen aus dem Aufbau von Seasholtz (hohe Empfindlichkeit sowie Bildgebung) getrennt berücksichtigt und so entkoppelt und auf diese Weise die Probleme nacheinander gelöst.It can be seen from the prior art that there is a blurring between the slope of the FPI and the size of the image area at a given working distance. In order to achieve both a high edge steepness (high sensitivity of the measuring system) and a large image area, according to the invention, the two consequences from the construction of Seasholtz (high sensitivity and imaging) are taken into account separately and thus decoupled and in this way the problems are solved successively.

In einem ersten Schritt wird das Streulicht von verschiedenen Messpunkten in verschiedene Fasern (erstes Lichtleitfaserarray) eingekoppelt und dadurch separiert. Im zweiten Schritt erfolgt für das in die Fasern eingekoppelte Streulicht eine Frequenz-Intensitäts-Konversion mittels eines FPIs mit hoher Flankensteilheit. Hierbei wird das aus den Faserenden austretende Licht so durch ein FPI geführt, dass sich für alle Messpunkte identische spektrale Transmissionskennlinien ergeben. In einem dritten Schritt werden die Messpunkte variiert, bis die gesamte Messebene in der benötigten Genauigkeit abgetastet ist. Alternativ wird das Sterulicht direkt in das FPI eingekoppelt und die Abtastung der Messpunkte des Messfeldes erfolgt mittels einer Änderung der Lasermittenfrequenz. neben der Änderung der Lasermittenfrequenz erfolgt eine parallele Überlagerung der Laserfrequenz mit einer periodischen, bevorzugt sinusoidalen, Modulation.In a first step, the scattered light from different measuring points is coupled into different fibers (first optical fiber array) and thereby separated. In the second step, for the scattered light coupled into the fibers, frequency-intensity conversion takes place by means of an FPI with high edge steepness. In this case, the light emerging from the fiber ends is guided through an FPI in such a way that identical spectral transmission characteristic curves result for all measuring points. In a third step, the measuring points are varied until the entire measuring plane is scanned to the required accuracy. Alternatively, the sterilized light is coupled directly into the FPI and the sampling of the measuring points of the measuring field takes place by means of a change in the laser center frequency. In addition to the change in the laser center frequency is a parallel superposition of the laser frequency with a periodic, preferably sinusoidal, modulation.

Ausführungsformen mit Lichtleitereinsatz Embodiments with fiber optic insert

Das in der Messebene des strömenden Fluids gestreute Licht wird durch eine Abbildungsoptik, bevorzugt eine Sammellinse, geführt, die es in einem ebenen Abbild der Messebene konzentriert. Bevorzugt in diesem ebenen Abbild wird das Licht von den Fasern des ersten Lichtleitfaserarrays aufgenommen. Dazu befinden sich die Faserenden in der Ebene des Abbilds und die Fasern sind dort senkrecht zur Bildebene ausgerichtet. Bevorzugt handelt es sich bei den Fasern um Multimode-Lichtleiterfasern nach dem Stand der Technik. Diese Multimode-Lichtleiterfasern bestehen bevorzugt aus Glas oder Kunststoff (bspw. PMMA Durch die Anordnung der Faserenden in dem Abbild der Messebene können die Messpunkte vorteilhaft frei festgelegt werden. Das in die Fasern eingekoppelte Licht steht somit für jeden Messkanal (jede Faser) für eine separate Weiterverarbeitung zur Verfügung.The light scattered in the measuring plane of the flowing fluid is passed through imaging optics, preferably a converging lens, which concentrates it in a flat image of the measuring plane. Preferably, in this planar image, the light is received by the fibers of the first optical fiber array. For this purpose, the fiber ends are in the plane of the image and the fibers are aligned there perpendicular to the image plane. Preferably, the fibers are multimode optical fibers of the prior art. The arrangement of the fiber ends in the image of the measurement plane makes it possible to freely determine the measurement points, so the light coupled into the fibers stands for a separate one for each measurement channel (each fiber) Further processing available.

Die Lichtleiterfasern leiten das Licht nunmehr zum FPI weiter, in welchem eine Frequenz-Intensitäts-Wandlung vorgenommen wird.The optical fiber fibers now pass the light to the FPI, in which a frequency-intensity conversion is performed.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird das aus den Fasern des ersten Lichtleitfaserarrays austretende Licht durch ein Linsenarray kollimiert, wobei jedem Faserende genau eine Linse nachgeordnet ist. Die Fasern verlaufen beim Lichtaustritt bevorzugt parallel, so dass die austretenden Strahlen aller Fasern unter dem gleichen Winkel in das nachfolgend angeordnete FPI eintreten. Dieser Winkel beträgt bevorzugt 90° zur Ebene des Spiegels, durch den das Licht in das FPI eintritt. Die kollimierten Strahlen werden dann durch das FPI mit planparallelen Spiegeln geführt. Das transmittierte Licht wird schließlich mit einer Kamera oder durch ein angekoppeltes Detektorarray gemessen. Die Ankopplung von Kamera oder Detektorarray erfolgt optional über ein zweites Lichtleitfaserarray. Da die Lichtstrahlen aller Messkanäle die gleiche Richtung haben (z.B. parallel zur optischen Achse verlaufen), ergibt sich für alle Messkanäle die gleiche spektrale Transmissionskennlinie. In a first preferred embodiment, the light emerging from the fibers of the first optical fiber array is collimated by a lens array, with each fiber end having just one lens located downstream. The fibers are preferably parallel when the light emerges, so that the exiting rays of all fibers enter the subsequently arranged FPI at the same angle. This angle is preferably 90 ° to the plane of the mirror through which the light enters the FPI. The collimated rays are then passed through the FPI with plane-parallel mirrors. The transmitted light is finally measured by a camera or by a coupled detector array. The coupling of camera or detector array is optionally via a second optical fiber array. Since the light beams of all measuring channels have the same direction (for example, parallel to the optical axis), the same spectral transmission characteristic results for all measuring channels.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform werden die Faserenden des ersten Lichtleitfaserarrays ringförmig und in ihrer Achse parallel um die optische Achse positioniert und das Licht wird aus den Fasern durch eine gemeinsame Linse geführt. Die Abbildung mittels einer Sammellinse vor und einer Sammellinse nach dem FPI ergibt eine Abbildung der Messpunkte auf einen Ring um die optische Achse hinter dem FPI, welche mit mit einer Kamera oder einem angekoppelten Detektorarray gemessen werden. Die Ankopplung von Kamera oder Detektorarray erfolgt optional über ein zweites Lichtleitfaserarray.Aufgrund der Symmetrie der Anordnung um die optische Achse gilt für jeden Messkanal der gleiche Abstand zur optischen Achse. Somit verhalten sich die Lichtstrahlen im FPI ebenfalls gleich (s. Gl. (2) und (2)). D.h. für jeden Messkanal gilt die gleiche spektrale Transmissionskennlinie. In a second preferred embodiment, the fiber ends of the first optical fiber array are annular and positioned in parallel about the optical axis and the light is guided from the fibers through a common lens. The imaging by means of a converging lens in front of and a condensing lens according to the FPI results in an image of the measuring points on a ring around the optical axis behind the FPI, which are measured with a camera or a coupled detector array. The coupling of the camera or detector array is optionally carried out via a second optical fiber array. Due to the symmetry of the arrangement about the optical axis, the same distance from the optical axis applies to each measuring channel. Thus, the light rays in the FPI also behave the same (see Eqs. (2) and (2)). That The same spectral transmission characteristic applies for each measuring channel.

Eine dritte bevorzugte Ausführungsform sieht ein FPI für jeden der Lichtleitfaserstränge vor. Nach dem Austritt aus dem in die Fasern integrierten FPI wird das Licht aller Faserstränge in eine gemeinsame Sammellinse geleitet oder jeder Faserstrang enthält auch eine eigene Sammellinse. Hinter der bzw. den Sammellinsen wird das Licht zur Detektierung einer einer Kamera oder einem angekoppelten Detektorarray zugeleitet. Die Ankopplung von Kamera oder Detektorarray erfolgt optional über ein zweites Lichtleitfaserarray.. A third preferred embodiment provides an FPI for each of the optical fiber strands. After emerging from the integrated into the fibers FPI the light of all fiber strands is directed into a common converging lens or each fiber strand also contains its own converging lens. Behind the collecting lens (s), the light is supplied to detect a camera or a coupled detector array. The coupling of camera or detector array is optionally carried out via a second optical fiber array.

Für die erste bis dritte Ausführungsform wird die Mittenfrequenz des Laserlichts so eingestellt, dass sie einen Arbeitspunkt auf einer Flanke der Transmissionskurve des FPI einnimmt. Die eigentlichen Messungen werden dann durchgeführt, ohne die Mittenfrequenz des Laserlichts zu verändern.For the first to third embodiments, the center frequency of the laser light is set to occupy an operating point on an edge of the transmission curve of the FPI. The actual measurements are then performed without changing the center frequency of the laser light.

Ausführungsform ohne LichtleitereinsatzEmbodiment without fiber optic insert

Eine vierte bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das gestreute Licht von einer Sammellinse direkt auf den Eingangsspiegel des FPI gelenkt wird. Von dem FPI wird das Licht über eine weitere Sammellinse zur Detektierung mittels einer Kamera oder eines Detektorarrays geleitet. Dies erfolgt direkt oder optional über ein zweites Lichtleitfaserarray. Bei dieser Ausführungsform entfällt der kollimierende Effekt, der durch den Einsatz paralleler Lichtleitfaserbündel vor dem FPI erreicht wird. Es ist daher notwendig, für jeden Pixel der zur Detektierung eingesetzten Vorrichtung eine eigene Kalibrierung durchzuführen. A fourth preferred embodiment provides that the scattered light is directed by a condenser lens directly onto the input mirror of the FPI. The light is guided by the FPI via another collecting lens for detection by means of a camera or a detector array. This is done directly or optionally via a second optical fiber array. In this embodiment eliminates the collimating effect, which is achieved by the use of parallel optical fiber bundles before the FPI. It is therefore necessary to perform a separate calibration for each pixel of the device used for detection.

Es kann dabei nicht in der gesamten Bildebene gemessen werden, weil für eine gegebene Lasermittenfrequenz die Maxima (mit den dazugehörigen Flanken) der Transmissionskennlinie des FPIs ringförmig um die Bildmitte angeordnet sind und zwischen diesen Ringen Leerräume existieren. In den Zwischenräumen dieser Ringe kann nicht gemessen werden, weill dort die Transmissionskennlinie keine Flanken aufweist. Um dennoch alle in der Messebene auftretenden Geschwindigkeiten messen zu können, ist es notwendig die radiale Position dieser Ringe zu verändern, so dass nacheinander alle Messpunkte erfasst werden. Dies geschieht über die Veränderung der Lasermittenfrequenz. Erfindungsgemäß wird dazu die Lasermittenfrequenz moduliert bzw. durchgescannt. Das Durchscannen der Lasermittenfrequenz lässt sich mit einem frequenzmodulierbaren Laser erreichen, z.B. mit einem Diodenlaser und der Modulation des Diodenstroms.It can not be measured in the entire image plane, because for a given laser center frequency, the maxima (with the associated flanks) of the transmission characteristic of the FPI are arranged annularly around the center of the image and exist between these rings voids. In the interstices of these rings can not be measured, weill there the transmission characteristic has no edges. Nevertheless, in order to be able to measure all speeds occurring at the measuring level, it is necessary to To change the radial position of these rings, so that all measurement points are sequentially detected. This is done by changing the laser center frequency. According to the invention, the laser center frequency is modulated or scanned. The scanning of the laser center frequency can be achieved with a frequency-modulated laser, for example with a diode laser and the modulation of the diode current.

Zwei bevorzugte Möglichkeiten zur Laserfrequenzmodulationen (FM) werden realisiert, indem die Modulation der Lasermittenfrequenz zusätzlich mit einer sinusförmigen Laserfrequenzmodulation wie bei einem FM-DGV-Verfahren überlagert ist. Two preferred possibilities for laser frequency modulation (FM) are realized by the modulation of the laser center frequency is additionally superimposed with a sinusoidal laser frequency modulation as in an FM-DGV method.

Näheres zum DGV-Verfahren mit Laserfrequenzmodulation (FM-DGV-Verfahren) findet sich z. B. in Müller, H., Eggert, M., Czarske, J., Büttner, L., Fischer, A., 2007: “Single-camera Doppler global velocimetry based on frequency modulation techniques“, Experiments in Fluids, 43:223–232 oder A. Fischer, L. Büttner, J. Czarske, M. Eggert, G. Grosche, H. Müller: Investigation of time-resolved single detector Doppler global velocimetry using sinusoidal laser frequency modulation, Measurement Science and Technology 18:2529–2545, 2007 .More about the DGV-method with laser frequency modulation (FM-DGV-method) can be found eg. In Müller, H., Eggert, M., Czarske, J., Büttner, L., Fischer, A., 2007: Single-camera Doppler Global Velocimetry Based on Frequency Modulation Techniques, Experiments in Fluids, 43: 223-232 or A. Fischer, L. Büttner, J. Czarske, M. Eggert, G. Grosche, H. Muller: Investigation of time-resolved single detector Doppler global velocimetry using sinusoidal laser frequency modulation, Measurement Science and Technology 18: 2529-2545, 2007 ,

Die erste bevorzugte Möglichkeit, der Laserfrequenzmodulation sieht vor, die Lasermittenfrequenz kontinuierlich zu erhöhen und zeitgleich mit einer bevorzugt sinusoidalen Laserfrequenzmodulation zu überlagern.The first preferred possibility of the laser frequency modulation provides to increase the laser center frequency continuously and to superimpose simultaneously with a preferably sinusoidal laser frequency modulation.

Die zweite bevorzugte Möglichkeit, der Laserfrequenzmodulation sieht vor, die Lasermittenfrequenz stufenweise zu erhöhen und auf jeder Stufe mit einer bevorzugt sinusoidalen Laserfrequenzmodulation zu überlagern.The second preferred possibility of the laser frequency modulation provides to gradually increase the laser center frequency and superimpose at each stage with a preferably sinusoidal laser frequency modulation.

So wird nacheinander an verschiedenen Messpositionen gemessen, bis die gesamte Messebene erfasst ist. Damit dies bei DGV-Verfahren mit Laserfrequenzmodulation funktioniert, muss die Modulation der Lasermittenfrequenz langsamer als die Modulationsperiode der überlagerten Laserfrequenzmodulation sein. This is measured successively at different measuring positions until the entire measuring level is recorded. For this to work with laser frequency modulation DGV techniques, the modulation of the laser center frequency must be slower than the modulation period of the superimposed laser frequency modulation.

Bei dem beschriebenen Verfahren kommt ein Laser mit einer durchscannbaren (im Sinne eines Durchstimmens) Frequenz zum Einsatz, wobei der Durchstimmbereich dem freien spektralen Bereich entspricht, d.h. dem Frequenzabstand zweier aufeinanderfolgender Maxima in der spektralen Transmissionskennlinie des FPIs. Letzterer ist typischerweise einige Gigahertz. In the described method, a laser is used with a scan-through (in the sense of tuning) frequency, the tuning range corresponding to the free spectral range, i. the frequency spacing of two consecutive maxima in the spectral transmission characteristic of the FPI. The latter is typically a few gigahertz.

Die Frequenzsteigerung bei der kontinuierlichen Erhöhung der Lasermittenfrequenz beträgt dabei bevorzugt einige Gigahertz pro Sekunde, was jedoch in Abhängigkeit der Stationarität der zu vermessenden Strömungen auch langsamer oder schneller erfolgen kann. Zeitgleich wird diese Erhöhung mit einer sinusoidalen Frequenzmodulation aus dem Bereich von zum Beispiel 10 Hz bis 1 MHz überlagert, wobei vorzugsweise eine Frequenzmodulation von 100 kHz eingesetzt wird. Letztere gestattet zur Untersuchung der meisten Strömungsphänomene eine ausreichend hohe Messrate (bevorzugt 100 kHz) und die resultierenden Transmissionssignale sind mit hoch sensisitiven Photodetektoren noch zeitlich auflösbar. Mit höherer Detektorbandbreite steigt im Allgemeinen die Rauschleistungsdichte, so dass sich bei höheren Modulationsfrequenzen die Messunsicherheit unnötig erhöht.The increase in frequency in the continuous increase of the laser center frequency is preferably a few gigahertz per second, but this can also be done slower or faster depending on the stationarity of the flows to be measured. At the same time, this increase is superimposed with a sinusoidal frequency modulation from the range of, for example, 10 Hz to 1 MHz, whereby preferably a frequency modulation of 100 kHz is used. The latter allows a sufficiently high measuring rate (preferably 100 kHz) to examine most of the flow phenomena, and the resulting transmission signals can still be resolved in time with highly sensitive photodetectors. With higher detector bandwidth, the noise power density generally increases, so that the measurement uncertainty increases unnecessarily at higher modulation frequencies.

Bei der stufenweisen Steigerung der Lasermittenfrequenz wird diese bevorzugt aller 1 ms (was bei einer Modulationsfrequenz von 100 kHz 100 Modulationsperioden entspricht) um beispielsweise 1/100 des freien spektralen Bereichs des FPIs erhöht. Die überlagernde sinusoidalen Frequenzmodulation hat typischerweise eine Amplitude, die der Hälfte der Linienbreite (Hälfte der Halbwertsbreite) des FPIs entspricht. In the stepwise increase of the laser center frequency, this is preferably increased every 1 ms (which corresponds to 100 modulation periods at a modulation frequency of 100 kHz) by, for example, 1/100 of the free spectral range of the FPI. The superimposed sinusoidal frequency modulation typically has an amplitude which is half the line width (half of the half width) of the FPI.

Bevorzugt weist die sinusförmige (sinusoidale) Modulation des Laserstrahls eine Amplitude auf, die der halben Halbwertsbreite der Transmissionskennlinie des FPIs entspricht. Die Abweichung davon beträgt bevorzugt weniger als 50%, besonders bevorzugt weniger als 20% und ganz besonders bevorzugt weniger als 5%. Der Durchstimmbereich beim Durchscannen (kontinuierlich oder stufenweise) entspricht bevorzugt dem freien Spektralbereich (FSR, free spectral range) des FPIs..Preferably, the sinusoidal (sinusoidal) modulation of the laser beam has an amplitude which corresponds to half the half-width of the transmission characteristic of the FPI. The deviation thereof is preferably less than 50%, more preferably less than 20% and most preferably less than 5%. The scanning through range (continuous or stepwise) preferably corresponds to the free spectral range (FSR) of the FPI.

Neben der bevorzugten sinusoidalen Frequenzmodulation ist prinzipiell auch eine rechteckige, dreieckige oder sägezahnartige Modulation oder andere periodische Modulationsform möglich.In addition to the preferred sinusoidal frequency modulation is in principle also a rectangular, triangular or sawtooth modulation or other periodic modulation form possible.

Nach dem Durchtritt durch das FPI wird das Licht mit einer Kamera erfasst. Vorzugsweise wird eine Digitalkamera eingesetzt, die das Bild einer weiteren digitalen Datenverarbeitung zur Verfügung stellt. Das Bild zeigt Ringmuster, mit hellen und dunklen konzentrischen Bereichen. Messungen sind in den hellen Bereichen möglich. Das Durchscannen der Lasermittenfrequenz sorgt dafür, dass sich die Ringe verschieben und bei verschiedenen Radien auftreten. Da nur bei den hellen Ringen (den Resonanzen) gemessen werden kann, kann folglich im Zuge des Durchscannens an verschiedenen Positionen gemessen werden. Somit ermöglicht ein Durchscannen der Lasermittenfrequenz eine DGV-Messung in der gesamten Messebene.After passing through the FPI, the light is detected with a camera. Preferably, a digital camera is used, which provides the image of another digital data processing available. The picture shows ring patterns, with light and dark concentric areas. Measurements are possible in the bright areas. Scanning the laser center frequency causes the rings to move and to move different radii occur. Since it is only possible to measure with the light rings (the resonances), it is therefore possible to measure at different positions during scanning. Thus, a scanning of the laser center frequency allows a DGV measurement in the entire measurement plane.

Zur Bestimmung der tatsächlichen Geschwindigkeiten ist im Vorfeld der Messungen eine Kalibrierung für die verschiedenen Ringe je Lasermittenfrequenz (d. h. für den Abstand jedes Rings vom Zentrum) notwendig. Kalibriert wird bevorzugt an einem Kalibrierobjekt. Das kann bevorzugt eine rotierende Glasscheibe sein, wobei man aufgrund der vorgegebenen Drehrate das Geschwindigkeitsfeld kennt und somit eine Relation zwischen Geschwindigkeit und der mit dem Messsystem gemessenen Größe herstellen kann (Kalibrierung). Eine andere bevorzugte Verfahrensweise sieht vor, eine Düsenströmung einzusetzen, die man mit einem anderen Messverfahren vermessen hat (z.B. LDA, mittels Druckmessungen).To determine the actual speeds, a calibration for the different rings per laser center frequency (i.e., the distance of each ring from the center) is necessary in advance of the measurements. Calibration is preferably performed on a calibration object. This can preferably be a rotating glass pane, where the speed field is known on the basis of the given rotation rate and can thus establish a relation between speed and the variable measured with the measuring system (calibration). Another preferred mode is to use a nozzle flow that has been measured by another method of measurement (e.g., LDA, by pressure measurements).

Diese beschriebene Vorgehensweise kann vorteilhaft auf alle DGV-Verfahren übertragen werden, indem man die Lasermittenfrequenz während der Messung durchscannt und für jedes Pixel eine eigene Kalibrierung vornimmt.This described procedure can advantageously be transferred to all DGV methods by scanning the laser center frequency during the measurement and carrying out a separate calibration for each pixel.

Bevorzugt erfolgt die Auswertung der Ringmuster, indem diese, nachdem sie direkt oder über eine Lichtleitfaserverbindung zu einer Kamera oder einem Detektorarray geleitet wurden, indem die Signale drahtlos oder drahtgebunden zu einer computergestützten Auswerteeinheit zur Weiterverarbeitung übertragen werden. In einer besonders bevorzugten Vorgehensweise übernimmt die Auswerteeinheit auch die Steuerung des bzw. der Laser (falls mehrere Messanordnungen zum Einsatz kommen), wobei auch hier die Datenübertragung bevorzugt drahtlos oder drahtgebunden erfolgt.The evaluation of the ring patterns preferably takes place in that, after they have been conducted directly or via an optical fiber connection to a camera or a detector array, the signals are transmitted wirelessly or by wire to a computer-aided evaluation unit for further processing. In a particularly preferred procedure, the evaluation unit also takes over the control of the laser or lasers (if several measuring arrangements are used), wherein here too the data transmission preferably takes place wirelessly or by wire.

Das beschriebene Messverfahren ermittelt eine Geschwindigkeitskomponente des strömenden Mediums. Durch die gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Messdurchführung von drei unterschiedlichen Punkten, jedoch bezüglich derselben Messebene sind alle drei Geschwindigkeitskomponenten bestimmbar. The measuring method described determines a velocity component of the flowing medium. By simultaneous or sequential measurement of three different points, but with respect to the same measurement level, all three speed components are determinable.

Durch den Einsatz eines FPIs, bevorzugt mit hoher Finesse kann die Empfindlichkeit des DGV-Messsystems deutlich gesteigert werden. Es kann ein FPI mit hoher Flanksteilheit für Mehrpunktmessungen genutzt werden, um so eine hohe Empfindlichkeit des Messsystems zu erreichenBy using an FPI, preferably with high finesse, the sensitivity of the DGV measuring system can be significantly increased. A high slope FPI can be used for multipoint measurements to achieve high sensitivity of the measurement system

Die Auswahl des eingesetzten Lasers ist nun nicht mehr durch das Vorhandensein einer molekularen Absorptionslinie eingeschränkt.The selection of the laser used is no longer limited by the presence of a molecular absorption line.

Die Transmission durch das FPI ist direkt proportional zur einfallenden Lichtintensität, ein nichtlinearer Sättigungseffekt wie bei den molekularen Absorptionszellen tritt nicht auf. Damit kann das Messverfahren insbesondere bei hohen Streulichtintensitäten zum Einsatz kommen, um hohe Signal-Rausch-Verhältnisse und somit eine geringe Messunsicherheiten zu erreichen.The transmission through the FPI is directly proportional to the incident light intensity, a non-linear saturation effect as in the molecular absorption cells does not occur. Thus, the measuring method can be used in particular at high stray light intensities in order to achieve high signal-to-noise ratios and thus low measurement uncertainties.

Vorteilhaft ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Messsystems sehr einfach. Es ist keine mechanische Bewegung der Spiegel des FPIs notwendig. Aufgrund des Kameraeinsatzes kann eine hohe Anzahl von Messpunkten in kurzer Zeit erfasst werden.Advantageously, the structure of the measuring system according to the invention is very simple. There is no need for any mechanical movement of the mirrors of the FPI. Due to the use of the camera, a large number of measuring points can be detected in a short time.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, einen Laser mit einer Strahlaufweitung nach dem Stand der Technik so anzuordnen, dass er die gesamte zu untersuchende Messebene bestrahlt. Als Lasersystem wird bevorzugt ein Diodenlasersystem genutzt, wo die Frequenzmodulation über eine Modulation des Diodenstroms ohne mechanische Teile rein elektrisch durchgeführt werden kann. Dies gestattet prinzipiell Modulationsfrequenzen bis in den Gigahertz-Bereich. Zudem bietet die Verschaltung mit einem optischen Verstärker die Möglichkeit, hohe Laserleistung bis zu einigen Watt zu erreichen. The device for carrying out the method provides for arranging a laser with a beam widening according to the prior art so that it irradiates the entire measuring plane to be examined. As a laser system, a diode laser system is preferably used, where the frequency modulation via a modulation of the diode current can be performed purely electrically without mechanical parts. This allows in principle modulation frequencies up to the gigahertz range. In addition, the connection with an optical amplifier offers the possibility of achieving high laser power of up to a few watts.

Für die erste bis dritte bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens wird die Lasermittenfrequenz auf eine Frequenz eingestellt, die an der Flanke der Transmissionskennlinie des FPI liegt. Während des folgenden Messvorganges wird die Laserfrequenz nicht mehr verändert oder moduliert.For the first to third preferred embodiments of the method, the laser center frequency is set to a frequency which lies at the edge of the transmission characteristic of the FPI. During the following measuring process, the laser frequency is no longer changed or modulated.

Das aus der Messebene heraus gestreute Laserlicht wird zur Realisierung der ersten bis dritten bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens über eine Sammellinse auf die Faserenden einer oder mehrerer Lichtleiterfasern projiziert, die sich in der abgebildeten Messebene und bevorzugt mit der Faserachse senkrecht zu dieser befinden. Die Lichtleifasern leiten das aufgefangene Licht fort. Bei den Lichtleitfasern handelt es sich um handelsübliche Modelle nach dem Stand der Technik. Die maximale Länge der Lichtleitfasern entspricht somit deren Spezifikation. Die Lichtleitfasern verlaufen bevorzugt parallel zueinander.For the realization of the first to third preferred embodiments of the method, the laser light scattered out of the measuring plane is projected via a condenser lens onto the fiber ends of one or more optical fibers which are perpendicular to the illustrated measuring plane and preferably with the fiber axis. The light-emitting fibers transmit the collected light. The optical fibers are commercially available models according to the prior art. The maximum length of the optical fibers thus corresponds to their specification. The optical fibers preferably run parallel to one another.

In einer ersten Ausführungsform weist jede Faser an ihrem Ende eine eigene Sammellinse auf, so dass ein Array von Einzellinsen entsteht, durch die das Licht in ein gemeinsames FPI eintritt. Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht für jedes Fasernde hinter der Sammellinse auch ein eigenes FPI vor. Bei den eingesetzten FPIs handelt es sich um Ausführungsformen mit planparallelen halbtransparenten Spiegeln, wobei der Raum zwischen den beiden Spiegeln einen konstanten Brechungsindex aufweist. In a first embodiment, each fiber has at its end a separate condenser lens, so that an array of single lenses is formed, through which the light enters a common FPI. A preferred development of this embodiment provides for each fibers behind the convergent lens also has its own FPI. The FPIs used are embodiments with plane-parallel semitransparent mirrors, the space between the two mirrors having a constant refractive index.

In einer zweiten Ausführungsform leiten die Faserenden ihr Licht auf eine gemeinsame Sammellinse, der ein FPI nachgeordnet ist. Die Faserenden sind dabei senkrecht zur Linsenebene und symmetrisch zur optischen Achse der Sammellinse angeordnet, so dass das Licht aller Fasern unter identischem Winkel zur optischen Achse in das FPI eintritt.In a second embodiment, the fiber ends direct their light onto a common condenser lens, which is followed by an FPI. The fiber ends are arranged perpendicular to the lens plane and symmetrical to the optical axis of the converging lens, so that the light of all fibers enters the FPI at an identical angle to the optical axis.

In beiden Ausführungsformen ist dem FPI bzw. den FPIs eine Kamera oder ein bevorzugt fasergekoppeltes Detektorarray nachgeschaltet, dass die Ringstrukturen hinter dem FPI erfasst und einer Auswertung zugänglich macht. Vorzugsweise erfolgt dies, indem die Kamera als CCD-Kamera ausgebildet ist, die die Signale an eine elektronische Datenverarbeitungsanlage weiterleitet. Als geeignete Kamerasysteme haben sich CCD-Kameras erwiesen, wobei die Zahl der notwendigen Megapixel von der angestrebten Auflösung abhängt.In both embodiments, the FPI or the FPIs is followed by a camera or a preferably fiber-coupled detector array, which detects the ring structures behind the FPI and makes them accessible for evaluation. This is preferably done by the camera is designed as a CCD camera, which forwards the signals to an electronic data processing system. CCD cameras have proven to be suitable camera systems, the number of megapixels required depending on the desired resolution.

Die Anordnung zur Realisierung des Verfahrens nach der vierten Ausführungsform sieht vor, dass die Lasermittenfrequenz während der Messung durchgestimmt und mit einer Sinusfrequenz überlagert wird. Zur Modulation der Frequenz des Diodenlasers kommt eine Ansteuerelektronik nach dem Stand der Technik zum Einsatz. The arrangement for implementing the method according to the fourth embodiment provides that the laser center frequency is tuned during the measurement and superimposed with a sinusoidal frequency. To modulate the frequency of the diode laser, a control electronics according to the prior art is used.

Das aus dem Medium gestreute Licht wird bei der Anordnung zur Realisierung des Verfahrens nach der vierten Ausführungsform von einer Sammellinse erfasst und direkt auf das FPI geleitet. Auch hinter dem FPI kommt lediglich optional eine Faseroptik zum Einsatz. Bevorzugt wird das austretende Licht des FPIs von einer weiteren Sammellinse direkt auf die Detektionsvorrichtung (Kamera oder Detektorarray) gerichtet. The scattered light from the medium is detected in the arrangement for implementing the method according to the fourth embodiment of a converging lens and passed directly to the FPI. Also behind the FPI only optional fiber optics is used. The exiting light of the FPI is preferably directed by another collecting lens directly onto the detection device (camera or detector array).

Ausführungsbeispielembodiment

  • 1. Es wird die Erfindung am Beispiel der zweiten Ausführungsform des Verfahrens erläutert.1. The invention will be explained using the example of the second embodiment of the method.

Der eingesetzte Laser hat eine Wellenlänge von 895 nm. Er wird in einem Master-Oscillator-Power-Amplifier-Aufbau (MOPA) eingesetzt, d.h. der Diodenlaser arbeitet als Masteroszillator mit einem nachgeschalteten optischen Verstärker. Die Gesamtausgangsleistung dieses Aufbaus (MOPA) erreicht bis zu 1 W.The laser used has a wavelength of 895 nm. It is used in a Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) setup, i. The diode laser works as a master oscillator with a downstream optical amplifier. The total output power of this setup (MOPA) reaches up to 1 W.

Die sinusförmige Laserfrequenzmodulation erfolgt über Modulation des Laserdiodenstroms mit 100 kHz Modulationsfrequenz. Die Modulationsamplitude ist dabei angepasst an die Transmissionskennlinie des FPI (Hälfte der Halbwertsbreite). Die Lasermittenfrequenz ist stabilisiert auf Kanal 1 des Faserarrays Nr. 4.The sinusoidal laser frequency modulation takes place via modulation of the laser diode current with 100 kHz modulation frequency. The modulation amplitude is adapted to the transmission characteristic of the FPI (half of the half width). The laser center frequency is stabilized on channel 1 of the fiber array no. 4.

Die Abbildung des beleuchteten Messobjektes erfolgt auf das lineare Faserarray F1 mit dem Maßstab 2,33:1 (zwei Linsen in Kepler-Teleskop-Anordnung 140 mm und 60 mm Brennweite).The illuminated object is imaged onto the linear fiber array F1 with the scale 2.33: 1 (two lenses in Kepler telescope arrangement 140 mm and 60 mm focal length).

Es wird ein FPI gemäß 11 eingesetzt. Das FPI wird mit gestreutem Licht beschickt, das aus der Messebene über ein Faserarray F1 herangeführt wird. Das Faserarray F1 weist 6 auf einem Kreis angeordneten Multimode-Fasern mit einem Kerndurchmesser von 50 µm und einem Außendurchmesser von 120 µm (12) auf. Eine Faser dient als Platzhalter in der Mitte des Arrays. Die optische Achse fällt mit der Achse der Platzhalterfaser (0) zusammen, so dass die Fasern 1–6 einen identischen Abstand zur optischen Achse besitzen.There will be an FPI according to 11 used. The FPI is charged with scattered light, which is brought out of the measuring plane via a fiber array F1. The fiber array F1 has 6 circular multimode fibers with a core diameter of 50 μm and an outside diameter of 120 μm (FIG. 12 ) on. A fiber serves as a placeholder in the middle of the array. The optical axis coincides with the axis of the dummy fiber (0), so that the fibers 1-6 have an identical distance to the optical axis.

Der Abstand zwischen den Faserenden des Faserarrays und der Linse L3 ist gleich der Brennweite der Linse L3. Die Brennweite der Linse L3 beträgt 80 mm, bei einer Apertur von 25 mm.The distance between the fiber ends of the fiber array and the lens L3 is equal to the focal length of the lens L3. The focal length of the lens L3 is 80 mm, with an aperture of 25 mm.

Der Abstand zwischen Linse L3 und dem ersten Spiegel M1 des FPI kann minimal sein und muss keine besondere Abstandsvorschrift befolgen.The distance between the lens L3 and the first mirror M1 of the FPI can be minimal and need not follow a particular distance rule.

Die Spiegel M1 und M2 bilden das FPI, wobei der Spiegelabstand 50 mm, und die Reflektivität der Spiegel 60 % (bei der Laserwellenlänge) beträgt. Die freie Apertur beträgt ca. 20 mm.The mirrors M1 and M2 form the FPI, the mirror spacing being 50 mm, and the reflectivity of the mirrors being 60% (at the laser wavelength). The free aperture is about 20 mm.

Der Abstand zwischen dem zweiten Spiegel M2 des FPI und der Sammellinse L4 kann minimal sein und muss keine besondere Abstandsvorschrift befolgen.The distance between the second mirror M2 of the FPI and the converging lens L4 can be minimal and does not need to follow a particular distance rule.

Die Linse L4 weist ebenfalls eine Brennweise von 80 mm auf, so dass eine 1:1: Abbildung des linken Faserarrays auf das rechte Faserarray realisiert wird. Lens L4 also has a focal length of 80 mm, so that a 1: 1: image of the left fiber array is realized on the right fiber array.

Der Abstand der zweiten Linse L4 zu dem zweiten Faserarray F2 entspricht wiederum der Brennweite der Linse L4 (80 mm).The distance of the second lens L4 to the second fiber array F2 in turn corresponds to the focal length of the lens L4 (80 mm).

Rechtes Faserarray (F2) und linkes Faserarray (F1) sind baugleich. Die Fasern des rechten Faserarrays F2 führen zu jeweils einer Avalanche-Photodiode als Photodetektor zur Messung der Lichtleistung.Right fiber array (F2) and left fiber array (F1) are identical. The fibers of the right fiber array F2 each lead to an avalanche photodiode as a photodetector for measuring the light output.

Die Avalanche-Photodioden haben eine Empfindlichkeit von ca. 2·108 V/W und 3-dB-Bandbreite von 450 kHz, so dass die erste und die zweite Harmonische des Lichtintensitätssignals gemessen werden können. Der Quotient der Amplituden der Harmonischen wird dann gemäß der FM-DGV-Messtechnik ausgewertet und kann mittels einer zuvor erfassten Kalibrierkurve einem Geschwindigkeitswert zugeordnet werden.The avalanche photodiodes have a sensitivity of about 2 x 10 8 V / W and a 3 dB bandwidth of 450 kHz, so that the first and second harmonics of the light intensity signal can be measured. The quotient of the amplitudes of the harmonics is then evaluated according to the FM-DGV measurement technique and can be assigned to a speed value by means of a previously acquired calibration curve.

Die Abtastung der Detektorsignale erfolgt mit einer Abtastrate von 2 MHz. Hier kommen A/D-Messkarten zum Einsatz, womit die Detektorsignale digitalisiert werden und somit dann in einem Rechner (PC) für die weitere Signalauswertung zur Verfügung stehen.The sampling of the detector signals takes place at a sampling rate of 2 MHz. A / D measuring cards are used here, whereby the detector signals are digitized and thus available in a computer (PC) for further signal evaluation.

Die resultierenden Transmissionskennlinien (Theorie und Messung) der einzelnen Kanäle ist für diesen Aufbau in 13 dargestellt

  • 2. Es wird die Erfindung am Beispiel der vierten Ausführungsform des Verfahrens erläutert.
The resulting transmission characteristics (theory and measurement) of the individual channels are for this construction in 13 shown
  • 2. The invention will be explained using the example of the fourth embodiment of the method.

Es wird ein durchstimmbarer Laser mit und einer Periodendauer der Durchstimmung von 100 ms und einer Modulationsfrequenz (sinusförmige Modulation) von 5 kHz eingesetzt. Der Durchstimmbereich entspricht dem freien Spektralbereich des FPI. Frequenzmodulation und -durchstimmung werden durch eine Modulation der Laserdiodenstroms realisiert. Dazu wird an die Lasersteuerung ein entsprechendes Spannungssignal (Modulationssignal) angelegt, welches mittels eines Arbitrary-Generators erzeugt wird. Die erzeugte Signalform entspricht dem in 10a oder 10b dargestellten Verlauf.It uses a tunable laser with and a period of tuning of 100 ms and a modulation frequency (sinusoidal modulation) of 5 kHz. The tuning range corresponds to the free spectral range of the FPI. Frequency modulation and tuning are realized by a modulation of the laser diode current. For this purpose, a corresponding voltage signal (modulation signal) is applied to the laser control, which is generated by means of an arbitrary generator. The generated signal corresponds to the in 10a or 10b illustrated course.

Das gestreute Licht fällt über eine Sammellinse mit einer Brennweite von 140mm auf das FPI. Dieses ist in seinem Aufbau identisch mit dem im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen. Nach dem Austritt aus dem FPI wird das Licht direkt über eine zweite Sammellinse (Brennweite 60mm) auf eine Hochgeschwindigkeitskamera (Bildrate 50 kHz, Bildausschnitt 128 × 128 px2) gelenkt. Die Hochgeschwindigkeitskamera setzt das Licht in ein elektronisches Signal um, dass dann von einem nachgeschalteten Rechner (PC) weiterverarbeitet wird.The scattered light falls over a converging lens with a focal length of 140mm on the FPI. This is identical in construction to that described in the first embodiment. After exiting the FPI, the light is directed directly via a second converging lens (focal length 60mm) to a high-speed camera (frame rate 50 kHz, image section 128 × 128 px 2 ). The high-speed camera converts the light into an electronic signal, which is then processed by a downstream computer (PC).

Figurencharacters

1 zeigt eine Messanordnung für eine DGV.Messung nach dem Stand der Technik. Auch hier werden die in einem Medienstrom mitgeführten Streuteilchen (PA2) mittels eines aufgeweiteten Laserstrahls (Laserlichtschnitt (PA1)) beleuchtet. Das gestreute Licht wird jedoch in einer Absorptionszelle einer Frequenz-Intensitäts-Konversion unterzogen. Die Auswertung erfolgt im Photodetektorarray bzw. der Kamera (PA4). Erfindungsgemäß wird in dieser Anordnung die Absorptionszelle (PA4) durch ein Fabry-Pérot-Interferometer ersetzt und die dabei auftretenden Probleme, die sich aus unterschiedlichen Richtungen, des einfallenden gestreuten Lichtes ergeben, werden durch die Kollimation in der beschriebenen Sammellinsen/Lichtleitfaseranordnung überwunden. 1 shows a measuring arrangement for a DGV.Messung according to the prior art. Here, too, the scattering particles (PA2) entrained in a medium stream are illuminated by means of an expanded laser beam (laser light section (PA1)). However, the scattered light is subjected to frequency-intensity conversion in an absorption cell. The evaluation takes place in the photodetector array or the camera (PA4). According to the invention, in this arrangement, the absorption cell (PA4) is replaced by a Fabry-Pérot interferometer and the problems arising from different directions of the incident scattered light are overcome by the collimation in the described collection lens / optical fiber arrangement.

2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Fabry-Pérot-Interferometers mit planparallelen, halbdurchlässigen Spiegeln (S1, S2), die im Abstand M1M2 angeordnet sind. Der eintretende Lichtstrahl (ES) wird zwischen den Spiegeln (S1, S2) mehrfach reflektiert. Jeder Lichtstrahl wird somit in einen austretenden Teilstrahl (AS1 ... AS6) und einen reflektierten Strahl (RS1, RS2 ...) aufgeteilt. Der eintretende Lichtstrahl (ES) hat im Inneren des FPI einen Winkel (phi) zur optischen Achse (Punktlinie). Auf die Darstellung der Brechungsverhältnisse beim Durchtritt des Lichtstrahls durch das Spiegelglas wurde verzichtet. 2 shows the basic structure of a Fabry-Pérot interferometer with plane-parallel, semitransparent mirrors (S 1 , S 2 ), which are arranged at a distance M 1 M 2 . The incoming light beam (ES) is reflected several times between the mirrors (S 1 , S 2 ). Each light beam is thus divided into an outgoing partial beam (AS 1 ... AS 6 ) and a reflected beam (RS 1 , RS 2 ...). The incoming light beam (ES) has an angle (phi) to the optical axis (dotted line) inside the FPI. The representation of the refraction ratios during the passage of the light beam through the mirror glass has been omitted.

3 zeigt die Transmissionskennlinie eines Fabry-Pérot-Interferometers, bei der die Frequenzen durchgelassen werden, bei denen ein ganzzahliges Vielfaches der korrespondierenden Wellenlänge dem Spiegelabstand (M1 M2) entspricht. 3 shows the transmission characteristic of a Fabry-Pérot interferometer, in which the frequencies are transmitted, in which an integer multiple of the corresponding wavelength corresponds to the mirror spacing (M 1 M 2 ).

4 erläutert den zentralen Erfindungsgedanken, der darin besteht, ein Fabry-Pérot-Interferometer für DGV-Messverfahren nutzbar zu machen, indem die beiden Probleme aus dem Stand der Technik: 1. Begrenzung des einsetzbaren Laserlichts und 2. korrekte Übertragung des Abbildes der Messebene entkoppelt werden. Das erste Problem wird durch die Faseroptische Übertragung mit Kollimation und das zweite Problem durch den Einsatz eines Fabry-Pérot-Interferometers und eines Lasers mit durchstimmbarer Lichtfrequenz und deren sinusoidaler Variation gelöst. 4 illustrates the central idea of the invention, which is to make a Fabry-Pérot interferometer usable for DGV measuring methods by decoupling the two problems of the prior art: 1. limitation of the usable laser light and 2. correct transmission of the image of the measuring plane become. The first problem is solved by the fiber optic transmission with collimation and the second problem by the use of a Fabry-Pérot interferometer and a tunable light frequency laser and their sinusoidal variation.

5 zeigt die erste Ausführungsform der Übertragung des Abbildes der Messebene zum FPI. Das Licht aus dem Abbild der Messebene wird in einem Lichtleitfaserarray (4) bis zum FPI fortgeleitet. Am Ende jeder Lichtleitfaser ist eine zweite Sammellinse 6 angeordnet. Die Lichtleitfasern verlaufen bevorzugt senkrecht in die Sammellinse 6, wobei deren Linsenebene vorzugsweise parallel zum ersten Spiegel S1 des FPI angeordnet ist. Nach dem Austritt aus dem FPI wird das Licht von weiteren Lichtleitfasern (7) aufgenommen, die es zu einer Kamera bzw. einem Detektorarray weiterleiten. 5 shows the first embodiment of the transmission of the image of the measurement plane to the FPI. The light from the image of the measurement plane is displayed in an optical fiber array ( 4 ) forwarded to the FPI. At the end of each optical fiber is a second condenser lens 6 arranged. The optical fibers preferably extend perpendicularly into the converging lens 6 , Whose lens plane is preferably arranged parallel to the first mirror S 1 of the FPI. After exiting the FPI, the light from other optical fibers ( 7 ), which relay it to a camera or a detector array.

6 veranschaulicht die Anordnung der zweiten Sammellinsen (6) an den Lichtleitfaserenden (41) entsprechend der Ausführungsform nach 5. Die Achsen der Lichtleitfaserenden sind bevorzugt in der optischen Achse angeordnet, so dass das Licht für den Eintritt in das FPI gebündelt wird. In der Darstellung erstrecken sich die optischen Achsen der Lichtleitfaserenden (41) und der zweiten Sammellinsen (6) senkrecht zur Zeichenebene. 6 illustrates the arrangement of the second converging lenses ( 6 ) at the optical fiber ends ( 41 ) According to the embodiment according to 5 , The axes of the optical fiber ends are preferably arranged in the optical axis, so that the light is focused for entry into the FPI. In the illustration, the optical axes of the optical fiber ends ( 41 ) and the second converging lenses ( 6 ) perpendicular to the plane of the drawing.

7 zeigt die zweite Ausführungsform zur Umsetzung der Erfindungsidee. Hier verfügen die Enden der Lichtleitfasern (4) nicht über jeweils eine eigene zweite Sammellinse (6) sonder das Licht der Lichtleitfasern (4) wird einer gemeinsamen Sammellinse (6) zugeleitet. Damit der Eintrittswinkel des Lichts in das FPI für alle Lichtstrahlen aus dem Lichtleitfaserarray (4) identisch ist, werden die Enden der Lichtleitfasern (4) symmetrisch um die optische Achse (A) der Sammellinse angeordnet. Bei dieser Ausführungsform fällt die optische Achse der zweiten Sammellinse (6) mit der des FPI und einer weiteren Sammellinse (9) zusammen, die das Licht auf die nachgeschaltete Kamera bzw. das Detektorarray (8) konzentriert. Die Lichtleitfasern sind bevorzugt senkrecht zur Linsenebene der zweiten Sammellinse (6) angeordnet. Wesentlich ist, dass die Lichtleitfasern im Lichtaustritt an ihren Enden parallel verlaufen, damit die austretenden Liichtstrahlen denselben, bevorzugt rechten, Winkel beim Eintritt in das FPI aufweisen. 7 shows the second embodiment for implementing the inventive idea. Here are the ends of the optical fibers ( 4 ) do not have their own second convergent lens ( 6 ) special the light of the optical fibers ( 4 ) is a common converging lens ( 6 ). In order that the angle of entry of the light into the FPI for all light beams from the optical fiber array ( 4 ), the ends of the optical fibers ( 4 ) arranged symmetrically about the optical axis (A) of the converging lens. In this embodiment, the optical axis of the second convergent lens falls ( 6 ) with that of the FPI and another collecting lens ( 9 ), which direct the light onto the downstream camera or the detector array ( 8th ). The optical fibers are preferably perpendicular to the lens plane of the second convergent lens ( 6 ) arranged. It is essential that the optical fibers in the light exit at their ends run parallel, so that the exiting Liichtstrahlen the same, preferably right angles, have on entry into the FPI.

8 erläutert die Anordnung der Enden der Lichtleitfasern für die Ausführungsform nach 7. Die Enden der Lichtleitfasern sind auf einem Kreisbogen (42) um die optische Achse der zweiten Sammellinse (6) herum angeordnet. Aufgrund der rotationssymmetrischen Form der Sammellinse (6) erhalten so alle Lichtstrahlen, die aus den parallel verlaufenden Enden (41) der Lichtleitfasern austreten den selben, bevorzugt rechten, Eintrittswinkel in das FPI. 8th illustrates the arrangement of the ends of the optical fibers for the embodiment according to 7 , The ends of the optical fibers are on a circular arc ( 42 ) about the optical axis of the second convergent lens ( 6 ) arranged around. Due to the rotationally symmetrical shape of the converging lens ( 6 ) receive all light rays coming from the parallel ends ( 41 ) of the optical fibers exit the same, preferably right, entrance angle into the FPI.

9 zeigt die vierte Ausführungsform zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Ausführungsform arbeitet ohne den Einsatz von Faseroptiken, erfordert jedoch für jeden Pixel der nachgeschalteten Kamera bzw. des Detektorarrays eine eigene Kalibrierung. Darüber hinaus wird die gesamte Messebene abgetastet, indem die Lasermittenfrequenz durchgestimmt wird, wobei noch eine Überlagerung mit einer sinusförmigen Modulation erfolgt. Da nur ein ringförmiger Bereich der Messebene durch das FPI abgebildet wird, kann durch die Variation der Lasermittenfrequenz dieser ringförmige Bereich in seinem Radius und damit der Messort in der Messebene variiert werden. Während die sinusförmige Modulation die Variation der Laserfrequenz an einer Flanke der Transmissionskennlinie des FPI realisiert, können nach der Frequenz-Intensitäts-Umsetzung Aussagen über die Geschwindigkeit des Mediums am Messort getroffen werden. Die Kombination der beiden Effekte ermöglicht die Abtastung der gesamten Messebene. 9 shows the fourth embodiment for implementing the method according to the invention. This embodiment operates without the use of fiber optics, but requires a separate calibration for each pixel of the downstream camera or detector array. In addition, the entire measurement plane is scanned by the laser center frequency is tuned, wherein there is still a superposition with a sinusoidal modulation. Since only an annular region of the measuring plane is imaged by the FPI, the variation of the laser center frequency makes it possible to vary this annular region in its radius and thus the measuring location in the measuring plane. While the sinusoidal modulation realizes the variation of the laser frequency at an edge of the transmission characteristic of the FPI, statements about the velocity of the medium at the measuring location can be made after the frequency-intensity conversion. The combination of the two effects makes it possible to scan the entire measurement plane.

10a und 10b erläutern die Modulationsformen der Laserstrahlung für das Frequenzmodulations-DGV-Verfahren. In 9a wird die Frequenz des Laserlichts im Zeitverlauf kontinuierlich erhöht, wobei diese Erhöhung mit einer höherfrequenten sinusoidalen Modulation überlagert wird. Nach 9b erfolgt die Erhöhung der Frequenz des Laserlichts stufenweise, wobei auf jeder Stufe eine höherfrequente sinusoidale Modulation überlagert wird. 10a and 10b explain the modulation forms of the laser radiation for the frequency modulation DGV method. In 9a the frequency of the laser light is continuously increased over time, this increase being superimposed by a higher-frequency sinusoidal modulation. To 9b the increase in the frequency of the laser light is carried out step by step, with a higher-frequency sinusoidal modulation being superimposed on each step.

11 zeigt die Umsetzung der zweiten Ausführungsform des Verfahrens, wie sie im Ausführungsbeispiel erläutert wird. 11 shows the implementation of the second embodiment of the method, as explained in the embodiment.

12 zeigt die Anordnung der Faserenden 1 bis 6 der Umsetzung nach 11, die das Licht aus der Abbildungsebene zur Sammellinse L3 leiten. Die Fasern sind um die Faser 0 herum angeordnet, die in der optischen Achse der Anordnung liegt. So wird eine symmetrische Verteilung der Lichtleitfasern in Bezug auf die optische Achse gewährleistet. 12 shows the arrangement of the fiber ends 1 to 6 of the implementation after 11 , which direct the light from the imaging plane to the converging lens L3. The fibers are disposed about the fiber 0 which lies in the optical axis of the assembly. This ensures a symmetrical distribution of the optical fibers with respect to the optical axis.

13 stellt die Messergebnisse der Umsetzung nach 11 dar. Es sind die relativen Intensitäten der durch die Lichtleitfasern 0–6 (Kanäle 0–6) geleiteten Lichtstrahlen abgebildet, wie Sie von der Detektoreinheit erfasst werden. Zum Vergleich ist die theoretisch zu erwartende Kurve eingezeichnet. 13 reproduces the measurement results of the implementation 11 The relative intensities of the light beams directed through the optical fibers 0-6 (channels 0-6) are mapped as they are detected by the detector unit. For comparison, the theoretically expected curve is drawn.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

AA
optische Achse optical axis
AS1–AD6AS1 AD6
austretende Strahlen exiting rays
ESIT
Einfallender Strahl Incident beam
F1F1
erstes Lichtleitfaserbündel first optical fiber bundle
F2F2
zweites Lichtleitfaserbündel second optical fiber bundle
FPIFPI
Fabry-Pérot-Interferometer Fabry-Pérot interferometer
L3, L4L3, L4
Sammellinsen vor bzw. hinter dem FPI Collective lenses in front of or behind the FPI
M1, M2M1, M2
Spiegel des FPI Mirror of the FPI
M1M2M1M2
Abstand der Spiegel  Distance of the mirrors
PA1PA1
Laserlichtschnitt Laser light
PA2PA2
Streuteilchen scattering
PA3PA3
Absorptionszelle absorption cell
PA4PA4
Photodetektorarray/Kamera Photodetector array / camera
phiphi
Neigungswinkel zur optischen Achse des Fabry-Pérot-Interferometers Inclination angle to the optical axis of the Fabry-Pérot interferometer
RS1, RS2, ...RS1, RS2, ...
reflektierte Strahlen  reflected rays
S1, S2S1, S2
halbdurchlässige, planparallele Spiegel des Fabry-Pérot-Interferometers semitransparent, plane-parallel mirrors of the Fabry-Pérot interferometer
11
Messebene measuring plane
22
erste Sammellinse first condensing lens
2121
Ebene der ersten Sammellinse Plane of the first condensing lens
33
Abbildungsebene imaging plane
44
Lichtleitfaserarray The optical fiber
4141
Lichleitfaserenden Lichleitfaserenden
4242
Linie der konzentrisch um die optische Achse angeordneten Lichtleitfaserenden Line of optical fiber ends arranged concentrically about the optical axis
55
FPI-Einheit mit Lichtdetektion FPI unit with light detection
66
zweite Sammellinsen second converging lenses
77
Lichtleitfasern zur Abbildungsweiterleitung vom FPI zur Kamera bzw. dem Detektorarray Optical fibers for image transmission from the FPI to the camera or the detector array
88th
Kamera bzw. Detektorarray Camera or detector array
99
Laser laser
91 91
LaserlichtstrahlLaser Beam

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (15)

Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messebene im strömenden Medium mit Laserlicht bestrahlt und dabei gestreutes Licht über ein erstes Lichtleitfaserarray so einem Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) zugeleitet wird, dass das Licht aller Lichtleitfasern des ersten Lichtleitfaserarrays unter dem selben Winkel zur optischen Achse in das Fabry-Pérot-Interferometer eintritt und das nach einer Frequenz-Intensitäts-Wandlung im Fabry-Pérot-Interferometer das aus dem Fabry-Pérot-Interferometer austretende Lichtsignal einer Kamera oder einem Photodetektorarray zugeleitet wird.Method for measuring the velocity of flowing media, characterized in that a measuring plane in the flowing medium is irradiated with laser light while scattered light via a first optical fiber array so a Fabry-Pérot interferometer (FPI) is fed to the light of all the optical fibers of the first optical fiber array under the enters the Fabry-Pérot interferometer at the same angle to the optical axis and, after a frequency-intensity conversion in the Fabry-Pérot interferometer, the light signal emerging from the Fabry-Pérot interferometer is fed to a camera or a photodetector array. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der ersten Messung für jede Faser des ersten Lichtleitfaserarrays eine Kalibrierung erfolgt.Method for measuring the velocity of flowing media according to one of the preceding claims, characterized in that before the first measurement for each fiber of the first optical fiber array, a calibration is performed. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gestreute Laserlicht der Messebene über eine gemeinsame erste Sammellinse dem ersten Lichtleitfaserarray zugeleitet wird, wobei die Achsen der Lichtleitfasern senkrecht zur Ebene der Sammellinse stehen.Method for measuring the velocity of flowing media according to one of the preceding claims, characterized in that the scattered laser light is fed to the measuring plane via a common first converging lens to the first optical fiber array, wherein the axes of the optical fibers are perpendicular to the plane of the converging lens. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtleitfaser des ersten Lichtleitfaserarrays an ihrem Ende eine zweite Sammellinse aufweist.Method for measuring the velocity of flowing media according to one of Claims 1 or 2, characterized in that each optical fiber of the first optical fiber array has a second converging lens at its end. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtleitfaser des ersten Lichtleitfaserarrays an ihrem Ende hinter der zweiten Sammellinse ein eigenes Fabry-Pérot-Interferometer aufweist, in welchem eine Frequenz-Intensitäts-Wandlung erfolgt.Method for measuring the velocity of flowing media according to claim 4, characterized in that each optical fiber of the first optical fiber array has at its end behind the second converging lens its own Fabry-Pérot interferometer, in which a frequency-intensity conversion takes place. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht aus den Lichtleitfasern des ersten Lichtleitfaserarrays in eine gemeinsame zweite Sammellinse so eingeleitet wird, dass es aus allen Lichtleitfasern unter demselben Winkel und im selben Abstand zur optischen Achse der zweiten Sammellinse in diese eintritt.A method for measuring the velocity of flowing media according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the light from the optical fibers of the first optical fiber array is introduced into a common second converging lens, that it from all optical fibers at the same angle and at the same distance from the optical axis the second condenser lens enters this. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach einem der Ansprüche 1 bis 4 sowie 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht aus den zweiten Sammellinsen bzw. der zweiten Sammellinse in das Fabry-Pérot-Interferometer eingeleitet wird, in welchem eine Frequenz-Intensitäts-Wandlung erfolgt. Method for measuring the velocity of flowing media according to one of claims 1 to 4 and 6, characterized in that the light from the second converging lenses or the second converging lens is introduced into the Fabry-Pérot interferometer, in which a frequency-intensity conversion takes place , Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messebene im strömenden Medium mit Laserlicht bestrahlt und dabei gestreutes Licht einem Fabry-Pérot-Interferometer (FPI) zugeleitet wird, und dass nach einer Frequenz-Intensitäts-Wandlung im Fabry-Pérot-Interferometer das aus dem Fabry-Pérot-Interferometer austretende Lichtsignal einer Kamera oder einem Photodetektorarray zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht zur Bestrahlung der Messebene in seiner Frequenz verändert und parallel dazu mit einer periodischen Modulation überlagert wird.Method for measuring the velocity of flowing media, characterized in that a measuring plane in the flowing medium is irradiated with laser light and thereby scattered light is a Fabry-Pérot interferometer (FPI) supplied, and that after a frequency-intensity conversion in the Fabry-Pérot interferometer the light signal emerging from the Fabry-Pérot interferometer is fed to a camera or a photodetector array, characterized in that the laser light is changed in its frequency for irradiation of the measurement plane and is superposed parallel thereto with a periodic modulation. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das aus den bzw. dem Fabry-Pérot-Interferometer austretende Licht mit einer direkt oder mittels eines zweiten Lichtleitfaserarrays angekoppelten Kamera oder mittels eines direkt oder über ein zweites Lichtleitfaserarray angekoppeltes Detektorarray erfasst wird.Method for measuring the velocity of flowing media according to claim 8, characterized in that the light emerging from the Fabry-Pérot interferometer is detected by a camera coupled directly or by means of a second optical fiber array or by means of a detector array coupled directly or via a second optical fiber array , Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht in seiner Frequenz kontinuierlich oder stufenweise geändert wird.Method for measuring the velocity of flowing media according to claim 8 or 9, characterized in that the laser light is changed in frequency continuously or stepwise. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht während der Frequenzänderung bzw. auf jeder Frequenzstufe mit einer höherfrequenten sinusoidalen Modulation einer Amplitude, die mit einer Abweichung von max. 50% der halben Halbwertsbreite der Transmissionskennlinie des Fabry-Pérot-Interferometers entspricht, überlagert wird.A method for measuring the velocity of flowing media according to claim 10, characterized in that the laser light during the frequency change or at each frequency level with a higher-frequency sinusoidal modulation of an amplitude, with a deviation of max. 50% of half the half width of the transmission characteristic of the Fabry-Pérot interferometer corresponds, is superimposed. Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laserlicht zur Bestrahlung der Messebene mittels Strahlaufweitung eines Laserstrahls gewonnen wird.Method for measuring the velocity of flowing media according to one of the preceding claims, characterized in that the laser light for irradiation of the measuring plane is obtained by means of beam expansion of a laser beam. Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien, dadurch gekennzeichnet, dass diese die folgenden Elemente aufweist: a) einen Laser, der per Strahlaufweitung die Messebene bestrahlt b) eine erste Sammellinse, die ein Abbild des aus der Messebene gestreuten Lichtes erzeugt c) ein erstes Lichtleitfaserarray, das das Abbild aufnimmt und einer oder mehreren zweiten Sammellinsen zuleitet d) ein oder mehrere Fabry-Pérot-Interferometers, wobei jeweils einer zweiten Sammellinse ein Fabry-Pérot-Interferometer zugeordnet ist e) eine oder mehrere Kameras oder Detektorarrays, die das austretende Licht des bzw. der Fabry-Pérot-Interferometers direkt oder über eine zweites Lichtleitfaserarray erfasst und in elektronische Signal umwandelt f) eine oder mehrere Auswerteeinheiten, zu denen die elektronischen Signale drahtlos oder drahtgebunden übermittelt werden. Arrangement for measuring the velocity of flowing media, characterized in that it comprises the following elements: a) a laser which irradiates the measuring plane by beam widening b) a first converging lens which produces an image of the light scattered from the measuring plane c) a first optical fiber array, d) one or more Fabry-Pérot interferometers, wherein in each case a second convergent lens is associated with a Fabry-Pérot interferometer e) one or more cameras or detector arrays which monitor the emergent light of the or the Fabry-Pérot interferometer is detected directly or via a second optical fiber array and converted into an electronic signal f) one or more evaluation units to which the electronic signals are transmitted wirelessly or by wire. Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung von strömenden Medien nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente b) bis e) mehrfach vorhanden sind und dass die Erfassung des gestreuten Lichtes durch die ersten Sammellinsen unter unterschiedlichen Winkeln so ausgestaltet ist, dass sie geeignet ist, verschiedene Geschwindigkeitskomponenten zu erfassen und dass die Auswertung und Steuerung des gemeinsam genutzten Lasers a) durch eine gemeinsame Auswerteeinheit e) erfolgt.Arrangement for measuring the velocity of flowing media according to claim 13, characterized in that the elements b) to e) are present multiple times and that the detection of the scattered light by the first converging lenses at different angles is designed so that it is suitable to different speed components capture and that the evaluation and control of the shared laser a) by a common evaluation unit e) takes place. Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 und/oder einer Anordnungen nach Anspruch 13 oder 14 zur Bestimmung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums.Use of the method according to one or more of claims 1 to 12 and / or of an arrangement according to claim 13 or 14 for determining the velocity of a flowing medium.
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