DE1961612A1

DE1961612A1 - Beruehrungsloser Bewegungs-Messfuehler

Info

Publication number: DE1961612A1
Application number: DE19691961612
Authority: DE
Inventors: Henry Hurwitz Jun; Penney Carl Murray
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-12-27
Filing date: 1969-12-09
Publication date: 1970-07-09
Also published as: GB1249540A; SE369447B; ES374972A1; NL6919315A; CH512743A; FR2027244A1; US3604804A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Bewegung einer Oberfläche. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Messfühlervorrichtung und eine Methode zur Messung einer Geschwindigkeitskonponente eines Teiles einer bewegten Oberfläche unter Verwendung der Unterschiede in der Dopplerverschiebung von elektromagnetischen oder akustischen Wellen, die unter verschiedenen Winkeln an dem Oberflächenteil gestreut werden.

Berührungslose Geschwindigkeitsmessfühler sind erwünscht in den Situationen, wo Messfühler mit Berührung auf einer Oberfläche rutschen oder die Oberfläche beschädigen oder ändern

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können, in den Fällen, in denen die Bewegung genügend heftig ist, so dass es unmöglich ist, eine Berührung aufrechtzuerhalten oder, wie in Stahlwalzwerken, immer dann, wo die Möglichkeit besteht, dass in der Nähe angeordnete Instrumente durch ein unerwartetes aber nicht selten auftretendes Ereignis zerstört zu werden.

Um diese und andere Probleme zu überwinden, sind berührungslose Messfühler entwickelt worden. Verschiedene kürzlich entwickelte berührungslose Messfühler beinhalten die Proj izierung eines Lichtstrahls auf eine bewegte Oberfläche, die Messung einer Komponente des reflektierten, gestreuten oder sonst durch die bewegte Oberfläche modifizierten Strahls und die Analyse der Einwirkung der Oberflächenbewegung auf die gemessene Komponente des Strahls.

Eine solche Methode, die nachstehend als Methode der bewegten Muster bezeichnet wird, nutzt einen Strahl kohärenten Lichtes von einem Laser aus. Ein solcher Strahl bildet, wenn er an einer nicht-polierten Oberfläche gestreut wird, auf einen Beobachtungsschirm ein körniges Muster, das sich mit einer Geschwindigkeit zu bewegen scheint, die in Beziehung zu der Geschwindigkeit der bewegten unpolierten Oberfläche steht. Die Bewegung des Musters kann dadurch gemessen werden, dass es durch ein Gitternetz läuft, das aus senkrecht zur Bewegungsrichtung des Musters angeordneten abwechselnden, undurchsichtigen und durchlässigen parallelen Streifen gebildet ist. Das durch das Gitternetz durchgelassene Licht schwankt mit einer Frequenz, welche proportional der Geschwindigkeit der Bewegung des Musters ist. Diese Frequenz kann durch Verwendung eines lichtempfindlichen Empfängers und geeigneter Elektronik gemessen werden. Die entsprechende Geschwindigkeitskomponente der Oberfläche kann dann berechnet werden, vorausgesetzt, dass die Gesamtsituation genügend gut kontrolliert wird, so dass die Beziehung zwischen der Bewegung der Oberfläche und des Musters bekannt ist.

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Obwohl diese Methode des bewegten Musters die Probleme der Berührung durch Messfühler vermeidet und u. a. eine bequeme Messung der Geschwindigkeitskomponenten parallel zu einer beobachteten ebenen Oberfläche liefert, welche in einer konstanten Orientierung gehalten wird, hat sie einen Nachteil, der dadurch entsteht, dass die Beziehung zwischen der Oberflächenbewegung und der Bewegung des Musters sehr empfindlich gegenüber jeglicher Änderung der Orientierung der Oberfläche ist. Ein Durchhängen, Aufwölben oder Vibrieren eines Streifens wird veranlassen, dass die Orien- Λ tierung der Flächenelemente auf ihrer Oberfläche sich mit der Zeit ändert. Als Ergebnis werden in eine Messung der Geschwindigkeit des sich bewegenden Musters Fehler eingeführt, welche in erster Näherung dem Produkt der Änderungsgeschwindigkeit der Orientierung und der Entfernung zwischen dem beleuchteten Fleck auf der Oberfläche und dem Gitter proportional sind. Solche Fehlerquellen erster Ordnung können recht unerwünscht sein bei Situationen, bei denen präzise Messungen gefordert werden.

Eine andere bekannte Methode zur Bestimmung der Oberflächengeschwindigkeit, welche nachstehend als die direkte Dopplermethode bezeichnet wird, beinhaltet die Messung der Frequenzverschiebung, die gewöhnlich als Dopplerverschiebung bekannt ist, welche der ( Lichtstrahl nach seiner Streuung an einem bewegten Objekt erfährt. Die Grosse dieser Verschiebung ist proportional einer Geschwindigkeitskomponente der Oberfläche, an der die Strahlung gestreut wird. Die Verschiebung kann dadurch ermittelt werden, dass man das gestreute Licht dazu ve^r.lscst, sich einer nicht-verschobenen Strahlung aus der gleichen Quelle zu überlagern. Die extreme Monochromatizität und gute Ausrichtung des Lichtes von bestimmten Gaslasern, beispielsweise dem Helium-, Neon-Laser, fördert in hohen Masse die Messung durch optische Überlagerung. Eine Anordnung mit einer Laserquelle, welche diesen Zweck erreicht, kann einen Laser, eine Strahlaufspaltungsvorrichtung,

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eine Vorrichtung zur Projektion eines ersten Teiles des aufgespaltenen Strahles auf eine bewegte Oberfläche und eine Vorrichtung zur Projektion eines zweiten Teils auf einen lichtempfindlichen Empfänger beinhalten. Das gestreute Licht von der bewegten Oberfläche wird ebenfalls auf den lichtempfindlichen Empfänger gerichtet. Die beiden Teilstrahlen überlagern sich am Empfänger und dies führt zur Erzeugung eines Signals, das sich mit einer Frequenz ändert, die gleich der Differenz zwischen den Frequenzen der beiden Strahlen ist, d. h. gleich der Dopplerverschiebung der Frequenz. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, dass man eine wirksame Überlagerung, d. h. die Erzeugung eines starken Signals mit der Differenzfrequenz nur erhält, wenn die Wellenfronten der beiden Strahlen fast die gleiche Krümmung haben und innerhalb eines Winkels ausgerichtet sind, dessen Bogenmass durch das Verhältnis jy bestimmt ist, wobei χ die Wellenlänge der Strahlung und D eine Abmessung der lichtempfindlichen Oberfläche ist. Typischerweise muss die Justierung besser sein als eine Bogenminute, wenn man sichtbares Licht verwendet.

Eine der charakteristischen Eigenschaften der direkten Dopplermethode bei der Anwendung auf die Messung von Geschwindigkeitskomponenten der Bewegung in Richtungen, die parallel zu einer ebenen bewegten Oberfläche liegen, besteht darin, dass bei jeder bequemen Anordnung die Frequenzverschiebung relativ empfindlich gegenüber Bewegungen senkrecht zu der beobachteten Oberfläche ist. Dies ist ein Nachteil bei Situationen, wo man die Geschwindigkeitskomponente parallel zu der Oberfläche messen möchte. Beispielsweise werden das Durchhängen, das Aufwölben oder die Vibration eines bewegten Bandes eine Bewegung senkrecht zu seiner Oberfläche verursachen und dadurch Fehler in die Messung der erwünschten Geschwindigkeitskomponente einführen. Die Fehler sind in erster Närfrung annähernd proportional den Winkeln der Abweichung der Geschwindigkeit von der Richtung

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der voraussichtlichen Bewegung. Wie bereits erwähnt, sind solche Fehlerquellen erster Ordnung höchst unerwünscht, immer dann, wenn präzise Messungen erwünscht sind.

Um solche Fehler auf ein Minimum zu reduzieren, kann die gestreute Strahlung längs einer Linie beobachtet werden, die einen grossen Winkel mit der Richtung der spiegelnden Reflektion bildet. Für viele Oberflächen ist jedoch die gestreute Strahlung in der Nähe der Spiegelungsrichtung konzentriert, so dass die Verwendung der Streustrahlung in einer Richtung, die von der · ™ spiegelnden Richtung weit entfernt ist, einen Verlust an Signalstärke und eine daraus folgende Verringerung des Signal-Rauschverhältnisses mit sich bringt.

Demgemäss ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine berührungslose Vorrichtung zu liefern, durch die eine Geschwindigkeitskomponente einer Oberfläche in einer Richtung tangential zu der Oberfläche im Beobachtungspunkt, unter Vermeidung der schwierig zu beherrschenden Fehlerquellen erster Ordnung, genau gemessen werden kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine beruh- t rungslorce Messtühlervorrichtung für die Messung der Geschwindigkeitskeitskomponente einer bewegten Oberfläche in einer vorgegebenen Richtung zu liefern, welche eine hohe Genauigkeit und ein starkes Signal liefern kann, ohne eine extrem genaue Justierung zu erfordern.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messfühlervorrichtung und Methoden zur Messung der Geschwindigkeit eines bewegten Körpers zu liefern, wobei kohärentes sichtbares Licht verwendet wird und die von einem Paar auftreffender Strahlen gestreute Strahlung eine Anzeige für die Geschwindigkeitskomponente in der gewünschten Richtung liefert.

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Kurz gesagt, enthält gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das berührungslose Geschwindigkeitsmessgerät einen Erzeuger für Strahlungsenergie, wie eine Laservorrichtung, und eine Vorrichtung zur Aufspaltung des erzeugten Strahles in zwei Strahlkomponenten. Diese Strahlkomponenten werden so gerichtet, dass sie auf die bewegte Oberfläche unter verschiedenen Winkeln einfallen und sich an der Oberfläche schneiden. Die durch die Oberfläche aus einem auftreffenden Teilstrahl in eine bestimmte Richtung gestreute Strahlung erfährt dann eine andere Dopplerverschiebung als die Strahlung, die aus dem anderen auftreffenden Strahl in die gleiche Richtung gestreut wird, wegen der Winkelabhängigkeit der Dopplerverschiebung. Die gestreute Strahlung mit den beiden verschiedenen Frequenzen fällt dann auf einen gemeinsamen lichtempfindlichen Empfänger, wo der Überlagerungseffekt ein Signal bei einer Frequenz liefert, die gleich der Differenz zwischen den beiden Dopplerverschiebungen ist. Es ist leicht ersichtlich, dass diese Differenz der Dopplerverschiebung unabhängig von der Richtung der beobachteten Streustrahlung ist und dass sie in Beziehung steht zu der Geschwindigkeitskomponente des beobachteten Oberflächenteils in Richtung senkrecht zur Winkelhalbierenden des von den beiden auftreffenden Strahlen gebildeten Winkels und parallel zu der durch sie definierten Ebene und eine genaue Anzeige dieser Geschwindigkeitskomponente gibt.

Die nachstehende Beschreibung zusammen mit den Abbildungen einer Ausführungsform der Erfindung dient zur Erläuterung der Erfindung und veranschaulicht weitere Ziele und Vorteile.

Figur 1 enthält eine schematische Darstellung des Strahlenganges eines allgemeinen Systems zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente eines bewegten Oberflächenteils gemäss der vorliegenden Erfindung,'

Figur 2 zeigt die bei dem System zur Messung der Geschwindigkeit nach Figur 1 auftretenden Vektorgrössen,"

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Figur 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform eines Messfühlers gemäss der vorliegenden Erfindung, der zur Messung der Geschwindigkeit verwendet wird, mit der ein bewegtes Band aus einem Walzständer austritt;

Figur 4 zeigt eine Komponente des Systems der Figur 3, welche in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann;

Figur P zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Wie bereits erwähnt, besteht ein Bedarf für genaue empfindliche berührungslose Messfühler zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente eines bewegten Oberflächenteils in einer Richtung, die parallel zu diesem Oberflächenteil liegt. Eine ähnliche Notwendigkeit ergibt sich auch bei anderen Anwendungen, beispielsweise der Messung der Geschwindigkeit der Geschwindigkeitsänderung bei der Bestimmung der Beschleunigung, der Messung von Vibration, der Integration einer Geschwindigkeitskomponente über die Zeit zur Längenmessung und der Messung von Winkelgeschwindigkeiten. Ein weiteres Anwendungsgebiet solcher Messfühler, liegt

der
in der Messung/Strömungsgeschwindigkeit fliessfähiger Stoffe und von Turbulenzeigenschaften, bei denen das von den Partikeln in ^ dem strömenden Medium gestreute Licht ausgenutzt wird.

Im Zusammenhang mit der Figur 1 wird nachstehend eine verallgemeinerte Beschreibung des erfindungsgemässen Systems bei seiner Anwendung für die Messung einer G^schwindigkeitskomponente eines Oberflächenteiles eines Gegenstanc.es gegeben. In Figur 1 bewegt sich ein Oberflächenteil 1 eines Gegenstandes in einer Richtung, die durch die Vektorgrösse V gekennzeichnet ist. Diese Vektorgrösse kann als Summe der Vektoren VV, wie in Figur 2 angedeutet, aufgefasst werden. In Figur 2 ist die z-Richtung so gewählt, dass sie parallel zur Winkelhalbierenden des Winkels zwischen e\. und e„ ist und die x-Richtung ist so gewählt, dass sie auf der Winkelhalbierenden senkrecht steht und parallel zu der durch e, und e\,

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-Cv. - f\

definierten Ebene ist. Die. y-Richtung ist so gewählt, dass sie senkrecht zur x-Richtung liegt. Die Figur 2 zeigt ein zweidimensionales Vektordiagramm; Es ist offensichtlich, dass V eine Komponente in einer dritten Richtung, der z-Richtung, haben kann, welche senkrecht zur x- und zur y-Richtung ist. Diese Komponente wird jedoch zur Erleichterung der Beschreibung weggelassen.

Eine Lichtquelle, beispielsweise ein Gaslaser 2, sendet einen Strahl 3 aus, welcher auf einen teilweise durchlässigen und teilweise reflektierenden Strahlteiler 4 trifft, der den Strahl in eine erste Strahlkomponente 5, welche auf einen vorgegebenen Oberflächenteil 1 gerichtet ist und dort auftrifft, und eine zweite Strahlkomponente 6, welche auf einen Reflektor 7 gerichtet ist und von dort auf den gleichen Oberflächenteil 1 wie der Strahl R gerichtet wird, zerlegt. Die Strahlen ρ und 6 sind in dem Bezugssystem, gegenüber dem die Oberflächenbewegung gemessen werden soll, stationär.

Die Komponenten der Lichtstrahlen ρ und 6 werden in der durch den Pfeil 8 (unter anderen Richtungen) dargestellten Richtung gestreut und treffen auf einen lichtempfindlichen Empfänger 9 'auf. Die gestreuten Komponenten jeder der auftreffenden Strahlenbündel P und 6 erleiden eine Dopplerverschiebung infolge der Bewegung eines Oberflächenteils 1 des Gegenstandes. Da jedoch die Streuwinkel von den beiden Strahlen in einer beliebigen Richtung verschieden sind, werden die Dopplerverschiebungen im allgemeinen verschieden sein. In der Vektorschreibweise wird, die Dopplerverschiebung durch Streuung des Strahles P in der Richtung 8 in Frequenzeinheiten durch den Ausdruck — (£ -£..)· V

λ S χ

dargestellt. ~
Dabei ist

λ die Wellenlänge des durch die Strahlungsquelle 2 ausgesandten Lichtes,

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e, ist ein Einheitsvektor in der Fortr^planzungsrichtung des Strahles 5,

e ist ein Einheitsvektor in der Richtung 8 der Fortpflanzung

einer Komponente der gestreuten Strahlung und (e - 'e*-) · V ist das Skalarprodukt der beiden Vektoren (e - e.)

SJ. SX

und V, welches gleich dem Betrag des ersten Vektors multipliziert mit der Komponente des zweiten Vektors in Richtung des ersten ist. ™

In ähnlicher Weise ist die Dopplerverschiebung der durch die Oberfläche gestreuten Strahlung des Strahles 6 gleich — (e - e_o)

"" A ASZ

* V, wo e^ ein Einheitsvektor in Fortpflanzungsrichtung des Strahles 6 ist. Durch Subtraktion der beiden obigen Ausdrücke ergibt sich die Frequenzdifferenz zwischen den Dopplerverschiebungen der ersten und zweiten gestreuten Strahlungskomponente zu - (e - e ) - V
_λ ^e₁ e₂; ν.

Die Zeichnung der Figur 2 zeigt, dass der Vektor («L - &„) in einer Richtung Bßgt, die senkrecht zur Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den Vektoren e,^ und e₂ in Fortpf lanzungs- λ

richtung der beiden auftreffenden Strahlen (Strahlen 5 und 6 in Figur 1) ist und parallel zu der Ebene, die durch die Fortpf lanzungsrichtungsvektoren definiert wird. Demgemäss ist die Differenzfrequenz proportional der Geschwindigkeitskomponente in der x-Richtung, welche in der Figur 2 mit V bezeichnet ist.

Als Ergebnis des Überlagerungsdefektes enthält das Signal des Empfängers 9 eine Komponente, welche die Form einer Sinuswelle besitzt, die mit der Differenzfrequenz schwingt, die jedoch in ihrer Amplitude und Phase moduliert ist. Die durchschnittliche Amplitude dieser Komponente kann auf ein Maximum dadurch gebracht werden, dass die Strahlen 5 und 6 so fokussiert werden,

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BAD ORIGINAL

- ίο -

dass die von ihnen beleuchteten Teile der Oberfläche den kleinsten Querschnitt haben, der mit der Bedingung verträglich ist, dass sich diese Teile im wesentlichen an der Oberfläche überlappen. Eine übermässige Verkürzung der Abmessung der beleuchteten Oberflächenteile in Richtung der Oberflächenbewegung wird jedoch verursachen, dass sich die Amplituden- und Phasenmodulation erhöht und dadurch erhält man eine Verbreiterung der Frequenzverteilung der Signalkomponente, welche einer bestimmten Oberflächengeschwindigkeit entspricht. Eine Folge dieser Verbreiterung besteht darin, dass die genaue Bestimmung der Differenzfrequenz und damit der interessierenden Geschwindigkeitskomponente erschwert wird. Daher ist es bei gewissen Anwendungen zur Optimierung des Überlagerungssignals ratsam, auftreffende Strahlen zu verwenden, die im Idealfalle einen rechteckigen Querschnitt haben, so dass der beleuchtete Teil der Oberfläche ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt hat, wobei die längere Abmessung in Richtung der Oberflächenbewegung liegt. Strahlen mit angenähert rechteckigem Querschnitt können aus den üblicherweise von einem Laser erzeugten Strahlen mit kreisförmigem Querschnitt durch Verwendung von Zylinderlinsen erzeugt werden.

In der Praxis wurden zufriedenstellende Überlagerungssignale von weissem Papier und glänzenden Metalloberflächen erhalten, bei Verwendung von Strahlenbündeln mit kreisförmigem Querschnitt und Durchmessern von 1 bis 2 mm und Abständen zwischen Oberfläche und Lichtquelle bzw. Empfänger bis zu mehreren Metern.

Die Polarisation der Strahlen kann ein wichtiger Faktor sein. Da die Stärke des Überlagerungssignals am grössten ist, wenn bei ' glatten Oberflächen die reflektierten Teile der Strahlen P und 6 gleich polarisiert sind, sollten alle dem Fachmann bekannten Massnahmen angewendet werden, um dieses Ziel zu erreichen.

Wegen der Überlappung der Strahlen P und 6 auf der bewegenden Oberfläche gehen die Wellenfronten des Lichts bei den zwei verschiedenen Frequenzen von gemeinsamen Quellpunkten aus und da-

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- li -

her sind sie automatisch genügend gut gleichgerichtet, um ein starkes Überlagerungssigna1 zu erhalten, das bei der Differenzfrequenz schwingt. Daher wird das schwierige Justierkriterium der direkten Dopplermethode, welche eine optische Strahlung verwendet, durch das Kriterium ersetzt, dass die typischerweise einen Durchmesser von mehreren Millimetern aufweisenden beiden auftreffenden Strahlen sich in der Arbeitsentfernung, typischerweise einige Meter, mindestens teilweise überlappen. Dieses Justierkriterium ist sehr viel weniger streng als das typischerweise bei der optischen Methode der direkten Dopplermessung vorliegende Kriterium. Es ist auch bequemer, da direkte visuelle Untersuchung des beleuchteten Musters auf der sich bewegenden Oberfläche verwendet werden kann, um die Strahlausrichtung zu justieren.

Die Bedingung, dass die beiden auftreffenden Strahlen F und 6 sich im wesentlichen an der bewegten Oberfläche überlappen, gewährleistet eine optimale Ausrichtung des gestreuten Lichtes mit den beiden verschiedenen Frequenzen. Es ist jedoch möglich, dass man in gewissen Fällen ein starkes Uberlagerungssignal sogar dann erhält, wenn die beiden Strahlen sich nicht an der Oberfläche im wesentlichen überlappen, wegen der geringen aber endlichen Toleranz der Überlagerungswirkung gegenüber Fehlausrichtungen, wie sie oben erwähnt sind. Daher sollte die Bedingung der Überlappung als Optimum, aber nicht in jedem Falle als erforderlich betrachtet werden.

Der Ausdruck für die Differenzfrequenz,

stellt sicher, dass diese Frequenz unabhängig von der Richtung ist, in der das gestreute Licht beobachtet wird. Daher kann der Detektor in die bequemste Lage gebracht werden, beispielsweise an den Punkt der grössten Intensität des gestreuten Lichtes und

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das über einen grossen Raumwinkel gestreute Licht kann gesammelt werden, ohne die Frequenzverteilung des Empfängersignals, welche einer bestimmten Geschwindigkeit entspricht, zu verbreitern. Die vorstehende Analyse ist gleichermassen gültig für einen ebenen oder einen gekrümmten Oberflächenteil.

Die obenstehende Beschreibung zusammen mit der in Figur 1 dargestellten gegenseitigen Beziehung der Komponenten gibt eine verallgemeinerte Beschreibung der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Messung von ausgewählten Geschwindigkeitskomponenten einer bewegten Oberfläche. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung kann angewendet werden, um eine Geschwindigkeitskomponente eines bewegten Streifens parallel zu seiner "Durchschnittsabene" zu messen. Zum Zwecke der Erläuterung betrachten wir die beobachtete Oberfläche des Streifens als nominell eben und bezeichnen als "Durchschnittsebene" eine Ebene, die in der Oberfläche liegt und vernachlässigen dabei mikroskopische überflächenunregelmässigkeiten. In gleicher Weise vernachlässigt die "Durchschnittsebene¹¹ ein Durchhängen, Buckeln o. a. nicht be-

deutungsvolle Abweichungen von der ebenen Form. Bei der Messung einer Geschwindigkeitskomponente einer gekrümmten Oberfläche wäre die "Durchschnittsebene" eine Ebene, die an dem beobachteten Oberflächenteil tangential zur Oberfläche liegt. Eine solche Ausführungsiorm einer Messung an einem bewegten Streifen ist in Figur 3 veranschaulicht. Die Geschwindigkeit, mit der ein Streifen 10 zwischen den Arbeitswalzen 12 und 14 eines Walzwerkes 16·austritt, wird durch einen Messfühler gemessen, der eine Strahlungsquelle 18 einschliesst, die über dem Streifen 10 in einer geeigneten Halterung 20 befestigt ist. In einer bevorzugten Ausführung-Storni kann die Strahlungsquelle 18 ein Gaslaser des HeIium-Neοη-Typs sein.

Der von den Laser 1Π ausgesandte Lichtstrahl wird auf einen teilweise reflektierenden Spiegel 22 gerichtet, welcher den Strahl in zwei Strahlkonponenten aufspaltet. Eine erste Strahlkomponente 11

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wird auf den Teil IF der bewegten Oberfläche reflektiert. Die zweite Strahlenkomponente 13 wird auf den vollständig reflektierenden Spiegel 27 gerichtet und von dort auf den Oberflächenteil 15. Der Messfühler enthält auch einen lichtempfindlichen Empfänger 26, der das von dem Oberflächenteil 15 gestreute Licht misst. Der fotoempfindliche Empfänger 26 kann bequemerweise, aber nicht notwendigerweise, in der Winkelhalbierenden 23 angebracht sein.

In der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in der Figur 3 abgebildet wird, sind die Spiegel so angeordnet, dass die Winkelhalbierende der Fortpflanzungsrichtungen der beiden auftreffenden ύ Strahlen 11 und 13 senkrecht zur Durchschnittsebene der beobachteten Oberfläche steht, dass die Richtung der beabsichtigten Bewegung des Streifens in der Ebene liegt, die von den zuvor erwähnten Fortpflanzungsrichtungen definiert wird. Aus der vorstehenden Diskussion und einer Betrachtung der Figur 3 ist es offensichtlich, dass bei dieser Ausführungsform die Signalfrequenzen der Anordnung nur durch die Geschwindigkeitskoraponente in Richtung der beabsichtigten Bewegung des Streifens beeinflusst werden. Daher kann das oft verstärkte gestreute Licht in der Nähe der Spiegelungsrichtung beobachtet werden und man erhält den Vorteil eines stärkeren Signals, ohne den Nachteil äusserster Empfindlichkeit gegenüber der Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu der Oberfläche, wie dies bei der vorbeschriebenen di- " rekten Dopplermethode der Fall ist. Weiterhin kann die Gleichung für die Signalgeschwindigkeit verwendet werden, um zu zeigen, dass der durch eine geringe Justierung der Winkelhalbierenden der auftreffenden Strahlen bezüglich der Normalen zur Oberfläche eingeführte Fehler proportional dem Quadrat des Winkelfehlers der Justierung ist und daher typischerweise viel geringer ist als der durch eine ähnliche Fehljustierung bei der direkten Dopplermethode erzeugte Fehler erster Ordnung. Der Fehler, welcher durch eine unkontrollierte Oberflächenkrümmung erzeugt wird, der beim Aufwölben oder Absacken des Streifens entstehen könnte, ist ebenfalls von zweiter Ordnung und Typischerweise viel kleiner als die

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bei den vorbeschriebenen Methoden des bewegten Musters und der direkten Dopplermethode eingeführten entsprechenden Fehler.

Der Ausdruck für die Differenzfrequenz kann in trigonometrischer Form wiedergegeben werden und -zeigt, dass die Differenzfrequenz gleicn dem Ausdruck

Für kleine Winkel von θ ist dieser Ausdruck etwa gleich χ ,

v/obei θ der Winkel zwischen den beiden auf treffenden Strahlen und 13 ist. Hier bedeutet V die Geschwindigkeitskomponente senkrecht zu der Winkelhalbierenden der Fortpflanzungsvektoren der auftreffenden Strahlen und liegt in der durch die Vektoren bestimmten Ebene. In der Ausführungsform nach Figur 3 stellt V_r die Geschwindigkeit des Streifens dar. Da der Winkel θ und die Wellenlänge χ vorbestimmte bekannte Grossen sind und die Differenzfrequenz durch konventionelle Techniken riessbar ist, ist die Geschwindigkeit V, des Walzbandes IO bestimmbar.

Um die Stabilität des Gerätes zu verbessern, kann es wünschenswert sein, die individuellen Spiegel 22 und 24 durch einen einzigen optischen Keil zn ersetzen, von der Art, wie er in Figur 4 gezeigt ist. Der dort gezeigte optische Keil 28 schliesst eine teilweise reflektierende Oberfläche 30 und eine total reflektierende Oberfläche 40 ein. Ein Strahl 32, der auf die_ teilweise reflektierende Oberfläche 30 auf trifft, wird in einen ersten reflektierten Anteil 34 und einen zweiten durchgelassenen Anteil 3B aufgespalten. Der zweite durchgelassene Anteil 3" wird von der Oberfläche 40 längs der Linie 41 auf eine vordere Oberfläche des Keiles reflektiert und dort längs einer Linie 43 auf eine bewegte Oberfläche 36 gebrochen. Ein Strahlungsempfänger, der nicht gezeigt ist, ist so angebracht, dass er das gestreute Licht der Strahlen 34 und 43 sammelt»

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Die Figur P veranschaulicht eine andere Ausführungsf ortn der vorliegenden Erfindung, die verwendet werden kann, um Geschwindip;-keitskomponenten eines bewegten Objektes zu messen. In dieser Ausführungsform wird ein einziger Strahl 44 auf das bewegte Objekt gerichtet. Eine Komponente 49 der am Objekt gestreuten Strahlung wird durch den Spiegel 48 auf einen Empfänger 54 gespiegelt. Eine zweite gestreute Komponente Fl wird an einem teilweise reflektierenden Spiegel 52 mit der Komponente 49 kombiniert. Die Dopplerverschiebung, die einer Komponente der gestreuten Strahlung zugeführt wird, wird im allgemeinen verschieden sein von der Verschiebung, die der zweiten Komponente erteilt wird, da die beiden Konponenten in verschiedene Richtungen gestreut werden. Die weiter oben erörterte Vektorgleichung für die Dopplerverschiebung kann verwendet werden, un zu zeigen, dass in der Ausführungsform nach Figur 5 die rrequenzdifferenz zwischen den Dopplerverschiebungen der ersten und der zweiten gestreuten Komponenten durch die Gleichung

gegeben wird.

Dabei ist <? , ein Einheitsveki or in Richtung der F ort pi lan/.unn der ersten gesireuten Komponente, c _n ip' ein Einheitsvektor in Ricntung der Fortpflanzung der zweiten frestreuten Komponente und λ und V haben tue zuvor angegebene Bedeutung. Ein beobachtbares Signal bei dieser Differenzfrequenz wird durch den Erpf -"inger M geliefert, vorausgesetzt, dass die beiden Komponenten genügend gut zueinander ausgerichtet sind, un sich wirksam zu überlagern.

Eine Vektorkonstruktion, ähnlich der in Figur 2 gezeigten Konstruktion, nach ι deutlich, dass die DiIferenzfrequenz in der Ausführungsiorn nach Figur 5 proportional der Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Winkelhalbierenden des Winkels ist, v.elcher dui'ch nie Fortpflanzungsriehtungen der beobachteten ge-

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BAD OBiGiNAL

streuten Komponenten gebildet wird und parallel zu der durch sie definierten Ebene ist.

Obwohl die obenbeschriebenen Ausführungsforraen eine optische Strahlungsquelle sowie optische Strahlausrichtungsvorrichtungen und optische Empfänger beinhalten, gibt es offensichtlich noch andere Arten von Strahlungsquellen, die zusammen mit angemessenen Vorrichtungen zi Strahlausrichtungen und angemessenen Empfängervorrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise kann anstelle elektromagnetischer Strahlung, wie der beschriebenen kohärenten Lichtstrahlung oder von Mikrowellen oder von Infrarotstrahlung für die Erfindung auch eine nicht-elektromagnetische Strahlung verwendet werden, beispielsweise eine akustische Strahlung.

Ebenso sollte man erkennen, dass die Erfindung, obwohl sie bezüglich eines von einem stationären Standort aus beobachteten bewegten Objektes beschrieben wurde, auch im allgemeinen auf die Messung relativer Geschwindigkeit anwendbar ist, beispielsweise für die Messung der Geschwindigkeit über dem Boden aus einem bewegten Fahrzeug. Weiterhin ist es nicht erforderlich, dass die beobachteten Objekte ausgedehnte Oberflächen haben. Beispielsweise kann in einer anderen Ausführungsform der Erfindung die Strömungsgeschwindigkeit eines bewegten Stroms eines Strömungsrnittelsßadurch genessen werden, dass man die an einzelnen mikroskopischen Teilchen in dem Strömungsmittel gestreute Strahlung ausnutzt.

Die Erfindung kann ebenfalls verwendet werden, um die bei einer Vibration auftretenden sich schnell ändernden Geschwindigkeitskomponenten zu analysieren. Aus diesen Messungen können andere Eigenschaften der Vibration bestimmt werden. Weiterhin kann die Beschleunigung und die Grosse einer Verschiebung durch elektronische Differenzierung oder Integration des Geschwindigkeitssignals gemessen v/erden.

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Obwohl die Erfindung vorstehend mit besonderer Berücksichtigung der Messung einer Geschwindigkeitskomponente in einer Richtung tangential zu einer beobachteten Oberfläche an dem Auftreffpunkt der Strahlung beschrieben wird, ist es aus der allgemeinen Erörterung offensichtlich, dass eine solche Messung nur ein Optimum darstellt und wie in Figur 1 veranschaulicht, muss die Messung nicht notwendigerweise längs einer solchen Linie vorgenommen wer den. Tatsächlich können die auftreffenden Strahlen so gerichtet sein, dass ihre Winkelhalbierende an dem Auftreffpunkt der Strahlung fast tangential zur Oberfläche liegt. In diesem Falle wird ™ die erfasste Geschwindigkeitskomponente im wesentlichen senkrecht zur beobachteten Oberfläche stehen.

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Claims

-4S-

Patentansprüche

.yGerät zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente in einer vorgegebenen Richtung an einer bewegten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung (2, 18, 44) zur Erzeugung eines Bündels von Strahlenenergie, eine reflektierende Vorrichtung (4,7,22,24, 28,48,^2), die mindestens einen Teil des Strahlenbündels auf einen Teil einer bewegten Oberfläche richtet, und eine Vorrichtung (9,26,54) im Strahlengang des gespiegelten Strahls zur Weiterverarbeitung von zwei Komponenten dieses Strahlenbündels, welche in verschiedenen Richtungen durch den bewegten Oberflächenteil gestreut werden, enthält, zur Bestimmung einer Differenz in den Dopplerverschiebungen der beiden gestreuten Komponenten.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die reflektierende Vorrichtung eine Vorrichtung (4,7,22,24,4S,F2) zur Aufspaltung des Strahles in zwei Strahlkomponenten und zur Richtung dieser Strahlkomponenten auf im wesentlichen den gleichen Bereich der bewegten Oberfläche enthält und die Vorrichtung (3,26.54) zur Weiterverarbeitung eine Messfühlervori-ichtung ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Strahlerzeugung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahlenbündels elektromagnetischer Strahlung umfasst.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Strahlerzeugung einen Laser umfasst und dass die Vorrichtung zur Aufspaltung und Ausrichtung der Strahlen eine erste teilweise reflektierende Vorichtung (4,22,^2,30) und eine zweite to ta!reflektierende Vorrichtung (7,24,4^,40) umfasst.

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BAD ORißfNAi

*. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Komponenten (11 , 13 ,49, -^Kl, 34,43) unter gleichen Winkeln zur Normalen der durchschnittlichen Ebene der Oberfläche auf die überfläche IO gerichtet werden, um eine Geschwindigkeitskomponente parallel zur Durchschnittsebene der Oberfläche (10) zu messen.

G. Gerät nach Anspruch ^c, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Strahlerzeugung eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Strahles kohärenter/elektromagnetischer Strahlung unfasst.

7. Gerät nach Anspruch F, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Strahlerzeugung einen laser umfasst und dass die Vorrichtung zur Aufteilung und Ausrichtung der Strahlen eine erste +eilweise reflektierende optische Vorrichtung und eine veite totalrefIeI--tierende optische Vorrichtung unfasst.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Strahlaul teilung und Reflektion eine integrale Einheit (!'P) bilden.

9. Gerät nach Anspruch F. da d u r c h gekennzeichnet , dass die Vorrichtung zur Messung (26) längs der Winkelhalbierenden der Ftrahlenkomponenten angebracht ist .

10. Gerät men Anspruch ^c, dadurch g e k e η η ze ic h net , dass die Ko'tponentenstrahlen in einer Ebene parallel zur Richtung der beabsichtigten Bewegung der Oberi1ächc» 1iegen.

11. Gerät nach Anspruch 7, da d u r c h g e k e η η zeich net , dass die totalreflektierende Vorrichtung und die teil reflektierende Vorrichtung so angeordnet sind,

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dass sie die jeweiligen Strahlkomponenten in einem vorgegebenen, auf entgegengesetzten Seiten zur Normalen der Durchschnittsebene der bewegten Oberfläche und in einer Ebene parallel zur Richtung der Bewegung der Oberfläche auf diese richten.

Verwendung eines Gerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 11 Xn einem Stabwalzwerk, wobei die bewegte Oberfläche der bearbeitete Stab ist.

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