DE2506593C3

DE2506593C3 - Kreuzstrahl-Laser-Doppler-Geschwindigkeitsnießvorrichtung

Info

Publication number: DE2506593C3
Application number: DE19752506593
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.-Ing. 4020 Mettmann Schulz
Original assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Current assignee: BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Priority date: 1975-02-17
Filing date: 1975-02-17
Publication date: 1978-05-03
Also published as: DE2506593A1; DE2506593B2

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Material mit einer diffus reflektierenden Oberfläche, wobei nach dem Kreuzstrahlverfahren von beidseitig eines senkrechten Meßabstandes etwa gleich beabstandeten Stellen ausgehende, geteilte Strahlen eines Lasers auf eine Stelle der Oberfläche des zu messenden Materials gerichtet werden, und wobei die als Schwebungsfrequenz nachweisbare Frequenzverschiebung der sich überlagernden Wellen optoelektrisch als Maß der Geschwindigkeit ausgewertet wird.

Eine Vorrichtung dieser Art findet sich in der DE-OS 21 894 beschrieben, und zwar in bezug auf die Fig. 1 bis 7 dieser Druckschrift Hierbei wird das Meßobjekt durch zwei sich im Meßbereich kreuzende Beleuchtungsstrahlen beleuchtet; die vom Meßobjekt gestreute Strahlung enthält eine Dopplerfrequenzkomponer.ie, die der in der Ebene der beiden Beleuchtungsstrahlen liegenden und senkrecht zur Winkelhalbierenden zwischen den Achsen der fokussierten Beleuchtungsstrahlen verlaufenden Komponente der Geschwindigkeit des Meßobjekts, also zum Beispiel eines von einer Strömung mitgeführten streuenden Staubteilchens entspricht Ebenfalls befaßt sich die Veröffentlichung »journal of Applied Mechanics«, Vol. 34, 1967, Seiten 813 bis 818, mit einer derartigen Messung der Geschwindigkeit von Strömungen. Die Frequenzverschiebung wird als Schwebungsfrequenz 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 Fokussierung wird für festes Material im Hinblick auf eine Justierung als zu schwierig angesehen. Gemäß der DE-OS 19 61612 ist deshalb vorgesehen, zur Messung der Geschwindigkeit bei Festkörpern die Laserstrahlen ohne zusätzliche Optik auf das Objekt zu richten, da man bei einem nicht fokussierten Strahl leichter die erforderliche Überdekkung der beiden Strahlenbündel auf dem Ojekt erzielen kann. Sofern nach der DE-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.

Nach der DE-OS 22 50 618 war weiterhin die Verwendung von Teleskopen im unmittelbaren Anschluß an einen Laser bekannt. Diese Teleskope werden entweder selbst oder mittels einer zusätzlichen Sammellinse stets auf den Meßpunkt fokussiert.

Die bekannten Vorrichtungen arbeiten indes nur dann genau, wenn sich der Meßabstand, also die Entfernung zwischen Laser und der Oberfläche des Materials, nicht ändert. Dies ist auf die Beziehung

zurückzuführen, wobei /d die Modulationsfrequenz, Vo die Geschwindigkeit des sich bewegenden Materials, λ die Wellenlänge des eingesetzten Lichtes und α der Differenzwinkel zwischen den beiden einfallenden Laserstrahlen ist. Dieser Differenzwinkel geht also in Form seiner Sinus-Funktion in die obengenannte Beziehung ein. Da die Laserstrahlen eine Eigendivergenz von etwa IO-³ haben, wobei sich also der Durchmesser des Strahls je m Abstand um 1 mm vergrößert, wird der Wert für den Winkel κ vom senkrechten Meßabstand abhängig. Bei einem sowohl für den beschriebenen Stand der Technik als auch für die vorliegende Erfindung maßgeblichen Sollwert des Tangens des genannten Winkels zwischen 10~² bis 10-' 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 l%o 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 Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der einleitend beschriebenen Art dahingehend weiterzuent-

wickeln, daß Änderungen des Meßabstandes ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleiben, und daß weiterhin auch eine hinreichende Signalgröße zur Verfugung steht Vor allem soll auf diese Weise die Geschwindigkeit von durch Walzen verarbeiteten Eisenwerkstoffen ermittelt werden können, wobei der Meßabstand in der Größenordnung von dm bis m liegt Den in der Praxis auftretenden Abstandsschwankungen zwischen 90 und 110% des mittleren Meßabstandes soll dadurch so gut entsprochen werden, daß selbst noch bei Abstandsänderungen im cm-Bereich eine Meßsicherheit von l%o gewährleistet wird.

In einfachster Weiss wird die vorbeschriebene Aufgabenstellung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Strahlengang des Lasers in an sich bekannter Weise vor seiner Teilung ein Teleskop von zwei- bis zehnfacher Vergrößerung eingeschaltet ist auf dessen kurzbrennweitige, mit größerem Durchmesser als der Laserstrahl ausgeführte Linse in gleichfalls an sich bekannter Weise der Laserstrahl fällt und welches auf eine im Verhältnis zum Meßabstand große Entfernung konvergierend eingestellt ist

Für diese Anordnung findet ein herkömmlicher Laser, insbesondere ein He-Ne-Laser mit einem Strahldurchmesser von etwa 1 mm Verwendung. Überraschenderweise erhält man hierbei im Bereich des mittleren Meßabstandes, der bevorzugt zwischen 50 bis ⁷O cm liegt ein nahezu paralleles Strahlenbündel, dessen Parallelität nur wellenoptisch aus der Kaustik des vorgeschlagenen optischen Systems folgt. Dank dieser Parallelität ist es im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen gleichgültig, ob als Schnittwinkel α derjenige zugrunde gelegt wird, der zwischen den beiden mittleren, axialen Strahlen der beiden Laserstrahlen besteht oder aber ob ein Schnittwinkel λ zugrunde gelegt wird, wie er sich zwischen einem axialen Strahl und den Randstrahlen oder aber zwischen den Randstrahlen untereinander ergibt. Aus diesem Grunde spielt in dem Bereich, in welchem die genannte Parallelität hergestellt wurde, der Meßabstand für die Ermittlung der Schwebungsfrequenz als Grundlage der Geschwindigkeitsmessung keine Rolle mehr.

Von erheblichem Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung, daß sie den Bedingungen des wegen der Anwendung des Differenz-Doppler-Prinzips vorgegebenen Abstandes der beiden Laserstrahlen durch die Begrenzung der Aufweitung der Laserstrahlen mit dem Teleskop noch gut Rechnung tragen 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 hohen Materialgeschwindigkeiten zuzuordnen ist. Wenn man die Eigendivergenz, die der Wellenlänge des eingesetzten Lasprlichtes proportional und dem Durchmesser des Laserstrahls umgekehrt proportional ist, lediglich durch Aufweitung des Laserstrahls auf optischem Wege verringern wollte, müßte man, um eine Eigendivergenz von weniger als 10~⁵ zu erreichen, den Laserstrahl sonst auf den etwa lOOfachen Durchmesser aufweiten. 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 um das Doppelte überschritten würde. Hinzu kommt, daß eine derartige Vergrößerung der überstrahlten Fläche die Bestrahlungsdichte auf der Oberfläche des sich bewegenden Materials erheblich herabsetzen würde, so daß auch die Signalgröße des Meßsignals wesentlich geringer wäre.

Eine besonders gute Parallelität der Strahlen im

Bereich des Meßabstandes ergibt sich dadurch, daß das Teleskop auf eine fünfzig- bis hundertfünfzigmal größere Entfernung als der Meßabstand konvergierend eingestellt ist Eine derartige Einstellung der Konvergenzentiernung gelingt leicht dadurch, daß man einige Probemessungen in dem erwarteten Streubereich des Meßabstandes vornimmt.

Die Einschaltung des Teleskops erfolgt in den noch nicht der Zweiteilung unterzogenen Laserstrahl. Man kann auf diese Weise gleichfalls den Abstand der beiden Strahlen sehr klein voneinander halten, da sich die Zweiteilung mittels raumsparender Prismen bzw. Würfel vornehmen läßt

Wie bereits erwähnt war die Verwendung einer Sammellinse im Anschluß an das Teleskop nach der DE-OS 22 50 618 in anderen Zusammenhängen bekannt Bei der Erfindung wird nun eine derartige Sammellinse als Zylinderlinse mit der Maßgabe ausgebildet daß sie den aufgeweiteten Laserstrahl in Form eines schmalen Rechteckes auf der Materialoberfläche abbildet wobei sich die längere Rechteckseite in der Bewegungsrichtung des Materials erstreckt Man kommt hierdurch zu einem schmalen Rechteck, dessen Querschnitt etwa die Abmessung 0,1 mm χ 5 mm 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 kleineren Durchmessers der Fall ist Eine nahezu konstant bleibende Signalamplitude bzw. Signalgröße sowie eine Schmalbandigkeit des Meßsignals werden dadurch erreicht, daß sich das Strahlenbündel in der Bewegungsrichtung ausdehnt, wohingegen die Querausdehnung hierauf ohne Einfluß bleibt Die vorgeschlagene Verwendung der Zylinderlinse ermöglicht es, die Lichtenergie in Längsrichtung des Strahlenbündels um den Betrag zu steigern, der sonst der Querausdehnung zukommen würde. Dabei bleibt der Vorteil, daß die zulässigen Abstandsänderungen proportional dem Durchmesser des Strahlenbündels seien, erhalten, da lediglich der in der Bewegungsrichtung verlaufende Durchmesser des Strahlenbündels ausreichend ist

Infolge der vorgenommenen Vergrößerung des Austrittsdurchmessers des Strahlenbündels kommt es weiterhin zu einer Verkleinerung der relativen Bandbreite des Meßsignals, da diese Bandbreite umgekehrt proportional 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 diesem Grunde bei der Erfindung eine beträchtlich gesteigerte Meßgenauigkeit erzielt

Nach der DE-OS 19 61 612 war bereits bekannt, daß man ein günstiges Meßsignal erhält wenn die reflektierten Strahlen gleiche Polarisation zeigen. Auch aus der bereits erörterten DE-OS 22 21 894 war gemäß Fig. 2 und dem zugehörigen Beschreibungstext bekannt, die beiden Teilbündel senkrecht zueinander zu polarisieren. Die differenzierte Lage der Polarisationsebene läßt dabei eine Phasendifferenz zwischen den beiden beobachteten Helligkeitsmodulationen eines den MeB-bereich durchfliegenden Teilchens erkennen. Bei der vorliegenden Erfindung kommt man demgegenüber zu einem noch besseren Signal für die Messung, wenn die Mittel für die Einstellung der Polarisationsrichtung der

beiden einfallenden Laserstrahlen wahlweise entweder senkrecht oder parallel zur Bewegungsrichtung des Materials und für die Polarisierung beider einfallender Laserstrahlen in übereinstimmender Richtung ausgebildet sind. In beiden Fällen ergibt sich gegenüber allen s anderen Richtungen eine deutlich erhöhte Signalintensität.

Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung sei auf ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Darin zeigt, jeweils in ι ο schematischer Anordnung,

F i g. 1 eine seitliche Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung, während

F i g. 2 eine Draufsicht wiedergibt.

Der vom Laser 1 abgegebene Strahl 2 wird durch das is auf eine weite Entfernung konvergierend eingestellte Teleskop 11 aufgeweitet. Schematisch erkennt man die Lage der Linse mit der kleinen sowie die Lage der Linse mit der großen Brennweite. Im Anschluß an das Teleskop 11 ist die Zylinderlinse 10 erkennbar, mittels welcher es gelingt, den Laserstrahl als ein schmales Rechteck 12 auf der Oberfläche 3 des sich mit der Geschwindigkeit V₀ bewegenden Materials abzubilden.

Zuvor treffen die Laserstrahlen jedoch noch auf einen Strahlteilungswürfel 6 sowie auf die Prismen 7,8 und 9, mittels welcher Anordnung es zu der vorgesehen Zweiteilung kommt.

Auf diese Weise werden die Laserstrahlen 4 und 5 gebildet, die in der beschriebenen Form auf die Oberfläche des Materials 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 weicher die Auswertung erfolgt. Die MiUe! zur Auswertung selbst sowie auch die für die Strahlenzerlegung vorgesehenen Mittel und schließlich auch der Laser sind jeweils für sich Merkmale des Standes der Technik, die dem Fachmann bekannt sind und mithin einer näheren Beschreibung im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht bedürfen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von Material mit einer diffus reflektierenden Oberfläche, wobei nach dem Kreuzstrahlverfahren von beidseitig eines senkrechten Meßabstandes etwa gleich beabstandeten Stellen ausgehende, geteilte Strahlen eines Lasers auf eine Stelle der Oberfläche des zu messenden Materials gerichtet werden, und wobei die als Schwebungsfrequenz nachweisbare Frequenzverschiebung der sich überlagernden Wellen optoelektronisch als Maß der Geschwindigkeit ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang (2) des Lasers (1) in an sich bekannter Weise vor seiner Teilung ein Teleskop (11) von rwei- bis zehnfacher Vergrößerung eingeschaltet ist, auf dessen kurzbrennweitige, mit größerem Durchmesser als der Laserstrahl ausgeführte Linse in gleichfalls an sich bekannter Weise der Laserstrahl fällt und welches auf eine im Verhältnis zum Meßabstand große Entfernung konvergierend eingestellt ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teleskop (11) auf eine fünfzig- bis einhundertfünfzigmal größere Entfernung als der Meßabstand konvergierend eingestellt ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Anschluß an das Teleskop eine Sammellinse vorgesehen ist dadurch gekennzeichnet daß die Sammellinse als Zylinderlinse (10) mit der Maßgabe ausgebildet ist daß sie den aufgeweiteten Laserstrahl in Form eines schmalen Rechteckes (12) auf der Oberfläche (3) des sich bewegenden Materials abbildet wobei sich die längere Rechteckseite in der Bewegungsrichtung (17) des Materials erstreckt

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Mittel zur Polarisierung der Strahlung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet daß die Mittel für die Einstellung der Polarisationsrichtung der beiden einfallenden Laserstrahlen (4,5) wahlweise entweder senkrecht oder parallel zur Bewegungsrichtung (17) des Materials und für die Polarisierung beider einfallender Laserstrahlen in übereinstimmender Richtung ausgebildet sind.