-
Verrichtung zur Messung der Geschwindigkeit Die Erfindung bezieht
sich auf eine Vorrichtung zur Messuny der Geschwindigkeit v)n Material mit einer
diffus reflektierenden Oberfläche, wobei zweigeteilte, von beidseitig elnes senkrechten
Messabstandes etwa gel welch beabstandeten Stellen ausgehende Laserstrahlen auf
eine Stelle der Oberfläche dts ZU messenden Materials gerichtet werden, und wobei
die als Modulationsfrequenz nachweisbare Frequenzverschlebung der sich überlagernden
Wellen optoelektronisch als Maß der Geschwindigkeit des Materials ausgewertet wird.
-
Es ist nach dournal of Applied Mechanies, Vol. 34;, 1967, Seiten 813
bis 818, bekannt, die Geschwindigkeit von Strömungen über die Frequenzverschiebung
des an bewegten Teil= chen gestreuten Lichtes zu messen, wobei zwei von einem
Laser
ausgesandte Strahlen unter verschiedenen Winkeln auf die gleiche Stelle innerhalb
der Strömung treffen. In diesem Falle wird di Frquenzverschiebuny als Modulationsfrequenz
der sich überlagernden Wellen nachgewiesen. Die Laserstrahlen werden dabei auf ein
möglichst kleines Volumen an der Stelle ihres Auftreffens auf die bewegten Teilchen
fokussiert.
-
Eine derartige Folussierung wird für festes Material im Hinblick auf
eine Justierung als zu schwierig angesehen.
-
Gemäß der DT-OS 19 61 612 ist deshalb vorgesehen, zur Messung der
Geschwindigkeit bei Festkörpern die Laserstrahlen ohne zusätzliche Optik auf das
ObJekt zu richten, da inan bei einem nicht fokussierten Strahl leichter die erforderliche
überdeckung der beiden Strahlenbündel auf dem Objekt erzielen kann. Sofern nach
der DT-OS 19 61 612 überhaupt eine Fokussierung stattfinden soll, erfolgt diese
durch den Einsatz einer Zylinderlinse, die so angeordnet Ist, daß der Strahl in
Längsrichtung der Bewegung unfokussiert bleibt, und daß lediglich quer zur Bewegungsrichtung
ein schmaleres Bild entsteht. Ein wesentlicher Einfluß kommt dieser Maßnahme jedoch
nicht zu.
-
Die bekannten Vorrichtungen arbeiten indes nur dann genau, wenn 5
Ich cler Messabstand, also die Entfernung zwlschen Laser und der Oberfläche des
Materials, nicht ändert. Dies Ist auf die Beziehung V0 # $sinα zurückzuführen,
wobei 1 fD die Mudulat ionsfrequenz, VO die Geschwindigkeit des sich beweyenden
Materials, A die Wellenlänge des eingesetzten Lichtes und α der
Differenzwinkel
zwischen den beiden eintalle@den Laserstrahlen ist. Diesen Differenzwinkel geht
@@@@ in from seiner Sinus@funktion in die obengemannte besiehung ein.
-
Da die Laserstrahlen eine bigendive@genz von etwa 10-³ haben, wobei
sich also der Druchmesser des Strahls je m Abstand um I mm vergrößert, wird der
Wert für den Winkel α vom senkrechten Messabstand abhängig. Bei einem sowohl
für den beschriebenen Stand der Technik als auch für die vorliegende Lrfindung maßgeblichen
Sollwert des Tangens des genannten Winkels zwischen 10-² bis 10-¹ ergibt sich daher
bei den bekannten Vorrichtungen eine Abweichung des Messwertes vom tatsächlichen
Wert zwischen # 1% bis # 10%. Wenn der Messabstand schwankt, führt dies zu Fehlern
der Größenordnung von etwa 10/00 je mm Änderung des Messabstandes. Hinzu kommt,
daß die für die Auswertung nutzbare Signalstärke in vielen fällen so schwach ist,
daß dies zu einer zusätzlichen Verminderung der verwertbaren Messergebnisse führt.
-
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfinduny die Aufgabe
zugrunde, eine vorrichtung der einleitend beschrIebenen Art dahingehend weiterzuentwickeln,
daß Änderungen des Messabstandes ohne Einfluss auf das Messergebnls bleiben, und
daß weiterhin auch eine hinreichende Signalgröße zur Verfügung stcht. Vor allem
soll auf diese Welse die Geschwindigkeit von durch Walzen verarbeiteten Elsenwerkstoffen
ermittelt werden können, wobei der Messabstand in der Größenordnung von dem bis
m liegt.
-
Den in der Praxi, auftretenden Abstandsschwankungen zwischen 90 und
110 % des mittleren Messatandes soll dadurch so gut entsprochen werden, daß selbst
noch bei Abstandsänderungen im cm-Bereich eine Meßsicherheit von 10/00 gewährleistet
wird.
-
In einfachster Weise wird die vorbèschriebene Aufgabenstellung erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in den Strahlengang des Laserstrahls ein Teleskop von 2 bis
10-facher Vergrößerung eingeschaltet ist, auf dessen kurzbrennwertige , mit größerem
Durchmesser als der Laserstrahl ausgeführte Llnse der Laserstrahl einfällt, und
welches auf eine im Verhältiiis zum Messabstand große Entfernung konverglerend eingestellt
ist.
-
Für diese Anordnung findet ein herkömmlicher Laser, insbesondere ein
He-Ne-Laser mit einem Strahldurchmeser von etwa 1 mm Verwendung. Überraschenderweise
erhält man hierbei Im Bereich des mittleren Messabstandes, der bevorzugt zwischen
50 bis 70 cm 1 legt, ein nahezu paralleles Strahlenbündel, dessen Parallelität nur
wellenoptisch aus der Kaustik des vorgeschlagenen optischen Systenis folgt.
-
Dank dleser Parallelität ist es im Gegensatz zu den bisher bekannten
Anordnungen gleichgültig, ob als Schnittwinkel oQ derjenige zugrunde gelegt wird,
der zwischen den bei den mittleren, achsialen Strahlen der beiden Laserstrahlen
besteht, oder aber ob ein Schnittwinkel o< zugrunde gelegt wird, wie er sich
zwischen einem achslalen Strahl und den Randstrahlen oder aber zwischen den Randstrahlen
untere 1 ander ergibt. Aus diesem Grunde spielt in dem Betelch, in weichem die genannte
Parallelltät hergestellt wurde, der Messabstand für die trmittlung der Modulationsfrequenz
als Grunddlage der Geschwindigkeitsmessung keine Rolle mehr.
-
Von erheblichem Vortell ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung, daß
sie der Bedingungen des wegen der Anwendung des differenz-Doppler-Prinzips vorgegebenen
Abstandes der beiden Laserstrahlen durch die Begrenzung der Aufweitung
der
Laserstrahlen mit t dem Teleskop noch gcit Kechnung t rgen kann. Der Abstand der
beiden Laserstrahlen soll bei dem Differenz-Doppler-Prinzip nämlich nur etwa 5 bis
50 mm betragen, wobei der- kleinere Wert den hohelo Materialgeschwindigkeiten zuzuordnen
ist. Wenn man die Eigendivergenz, die der Wellenlänge des eingesetzten Laser ichtes
proportional und dem Durchmesser des Laserstrahl 5 umgekehrt proportional ist, lediglich
durch Aufweitung des Laserstrahis auf optischem Wege verringern wollte, müßte lelan,
um eine Eigendivergenz von eier als 10 5 zu erreichen, den Laserstrahl sonst auf
den etwa 100-fachen Durchmesser aufwelten. bei einem ursprünglichen Durchmesser
des Laserstrahls von 1 mm würde dies zur Folge haben, daß selbst der höchstzulässige,
ohnehin nur für langsame Materialgeschwindigkeiten geeignete Strahlenabstand noch
urn das Doppelte überschritten würde. Hinzu kommt, daß eine der artige Vergrößerung
der überstrahlten Fläche die Bestrahlungsdichte auf der Oberfläche des sich bewegenden
Materials erheblich @erabsetzen würde, so daß auch die Signalgröße des Meßsignals
wesentlich geringer wäre.
-
Eine besonders gute Parallelität der Strahlen im Bereich des Messabstandes
ergibt si cli dann, wenn s Te @ Teleskop auf eine 50 bis 150 mal größere Entfernung
als der Messabstand einstellbar ist. Die Einstellbarkeit ertaubt es, durch einige
Probemessungen in dem erwarteten Streubereich des Messabstandes die jeweillige ge@@e
konvergenzent fernung e i nzuste 1 1 en.
-
Die Einschaltung des Toeskops erfolgt zweckmäßig in den noch nicht
der Zweilellung unterzogenen laserstrahl. Man kann auf diese Weise gleichfalls den
Abstand der beiden Strahlen sehr klein voneinander halten, da sich die Zweiteilung
mittels raumsparender aprlsmen bzw. würfel vornehmen läßt.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird im Anschluß an das Teleskop
eine Zylinderlinse in einer derartlgen Anordnung vorgesehen, daß sie den aufgeweiteten
Lichtstrahl In Form eines schmalen Rechteckes auf der Mdterialoberfläche abbildet,
wobei sich die längere Rechteckseite in der Bewegungsrichtung des Materials erstreckt.
Man kommt hierdurch zu einem schmalen Rechteck, dessen Querschnitt etwa die Abmessung
0,1mm x 5mm besitzt. AUS abbildungsoptischen Gründen läßt sich der durch das Teleskop
aufgeweitete Laserstrahl erheblich besser zu einem schmalen Strich umformen, als
dies bei einem nicht aufgeweiteten Strahl Infolge dessen erheblich kleinerem Durchmesser
der Fall ist. Eine nahezu konstant bleibende signalamplitude bzw. Signalgröße sowie
eine Schnialbandigkeit des Meßsignals werden dadurch erreicht, daß sich das Strahlenbündel
In der Bewegungsrichtung ausdehnt, wohingegen die Querausdehnung hierauf ohne Einfluss
bleibt. Die vorgeschlagene Verwendung der Zylinderllnse ermöglicht es, die Lichtenergie
In iängsrichtung des Strahlenbündels um den Betrag zu steigern, der sonst der Querausdehnung
zukommen würde. Dabei bleibt der Vorteil, daß die zulässigen Abstanddsänderungen
proportional dem Durchmesser des Strahlenbündels seien, erhalten, da lediglich der
in der Bewegungsrichtung veriaufende Durchmesser des Strahlenbündels ausreichend
ist.
-
Infolge der vorgenommenen Vergrößerung des Austrittsdurchmessers des
strahlenbündels kommt es weiterhin zu einer Verkleinerung der relativen Bandbreite
des Meßslgnals, da diese Bandbreite ungekehrt proportlnal zur Ausdehnung des auf
das Material fallenden Laserstrahlbündels Ist. Da aber die Materialgeschwindigkeit
und die in Bezug hierauf proportionale Messfrequenz um so genauer bestimmbar sind,
Je
kleiner die relative Bandbreite des Meßsignals ist, wird auch aus diese Grunde erfindungsgemäß
i ne beträchtlich gesteigerte Messgenauigkeit erzielt.
-
Nach der DT-OS 19 9 bl 1 612 war bereits bekannt, daß man ein günstiges
Meßsignal erhält, wenn die reflektierten Strahlen glelche Polarisation zeigen. Darüberhinaus
ist es erfindunysgemäß möglich, ZU eineni noch besseren Signal für <lie Messung
zu kommen, wenn die Polarisationsrichtungen der einfallenden Strahlen nicht nur
gleich sind, sondern weiterhin entweder parallel oder senkrecht zur Bewegungsrichtung
verlaufen. In beiden Fällen ergibt sich gegenüber allen anderen Richtungen eine
deutlich erhöhte Signalintensität.
-
Zur welteren Veranschaulichung der Erfindung sei auf ein In der Zeichnung
dargestelltes Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Darin zeigen, jeweils in schematischer
Anordnung, Fig. 1 eine seitliche Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung, während
Fig. 2 eine Draufsicht wiedergibt.
-
Der vom Laser 1 abgegebene Strahl 2 wi rcl durch das auf eine weite
Entfernung Konvergierend ei eingestellte Teleskop 11 aufgeweitet. Schematisch erkennt
man die lage der Linse mit der kleinen soein die lage der Linse mit der großen Brennweite.
Im Anschluß an das Teleskop 11 ist die Zylinder-Linse 10 erkennbar, mittels weicher
es gelingt, den Laserstrahl als ein schmales Rochteck 12 auf der Oberfläche 3
des
sich mit der Geschwindigkeit Vo bewegeiden Materials abzubl ldero.
-
Zuvor treffen die Laserstrahlen jedoch noch auf einen Strahltellungswürfel
6 sowie auf die Prismen 7, 8 und 9, mittels welcher Anordnung es zu der vorgesehenen
Zweiteilung kommt.
-
Auf diese Weise werden die Laserstrahlen 1+ und 5 gebildet, die in
der beschriebenen Form auf die Oberfläche des Materlals einstrahlen.
-
Die von den beiden Laserstrahlen 4 und 5 bestrahlte Stelle der Oberfläche
3 strahlt diffus zurück. Ein Strahlenbündel, begrenzt durch die Randstrahlen 13,
14, fällt auf die Linse 15, mit deren Hilfe die Strahlen auf eine optoelektronische
Einrichtung 16 gelenkt werden, in welcher die Auswertung erfolgt. Die Mlttel zur
Auswertung selbst sowie auch die für die Strahlenzerlegung vorgesehenen Mittel und
schließlich auch der Laser sind jeweils ftir sich Merkmale des Standes der Technik,
die dem Fachmann bekannt sind und mithin einer näheren Beschreibung im Rahmen der
vorliegenden Erfindung nlcht bedürfen.