DE2623919C2 - Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung aus der Dopplerverschiebung gestreuten Laserlichts, die insbesondere bei der Strömungsmeßtechnik anwendbar ist

Geschwindigkeitsmessungen an schnell veränderlichen Objekten (wie beispielsweise instationären Strömungsvorgängen) erfordern eine hohe Folgefrequenz der Datenaufnahme und Datenverarbeitung. Das (deal wäre ein VeiSaSren, das eine kontinuierliche Messung der Geschwindigkeit an einem gegebenen Raumpunkt mit einer Mikro-Sekunden-Zeitauflösung gestattet.

Die zur Zeit für die berührungslose Messung von Strömungsgeschwindigkeiten verwendeten Laser-Geschwindigkeitsmesser basieren fast ausschließlich auf der »Interferenzgittermethode«. Jim Meßfolumen kreuzen sich dabei unter einem kleinen Winkel zwei kohärente Laserlichtbündel, wodurch ein im Raum feststehendes Interferenzstreifengitter erzeugt wird. In der Strömung mitgeführte Streuteilchen werden beim Durchfliegen di-:-,es Gitters mit Wechsellicht beleuchtet Bei bekanntem Interferenzstreifc-iabstand kann daher aus der Wechselfrequenz des registrierten Streulichts die Geschwindigkeit der Streuteilchen und damit die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden (vgl. z. B. AGARD Conf. No. 193 on Application of Non-Intrusive Instrumentation in Fluid Research (1976)).

Diese Methoden messen die momentanen Geschwindigkeiten einzelner Streuteilchen. Für die Erfassung und Verarbeitung der Daten ist ein hoher elektronischer Aufwand erforderlich. Trotzdem ist es beim Stand der Technik nicht möglich, die Meßwerte so aneinanderzureihen, daß ein zur Geschwindigkeit proportionales Analogsignal mit Mikrosekunden-Zeitauflösung entsteht.

Bei hoher Streuteilchendichte wurden sogenannte »Frequency Tracker«-Verfahren (Disa) verwendet, mit dem Ziel, ein kontinuierliches Analogsignal zu erhalten. Diese Methoden konnten ebenfalls keine Mikrosekunden-Zeitauflösung erreichen.

In neueren Arbeiten wurde die Wellenlängenverschiebung des Streulichtes mit einem Fabry-Perot-Spektrometer gemessen und auf dieser Basis eine Methode entwickelt, die eine kontinuierliche Registrierung des zeitlichen Geschwindigkeitsverlaufs gestattet (vgl. J. M. Avidor, Novel Instantaneons Laser Doppler VeIoeimeter, Appl. Optics, 13,2, S. 280-85 (1974)). Fabry-Perot-Interferometer sind aber äußerst lichtschwach, so daß für eine hohe Zeitauflösung sehr viel Streulicht erforderlich ist, welches nur durch eine extreme Teilchenkonzentration in der Strömung zu erreichen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Möglichkeit der kontinuierlichen Messung schnell veränderlicher Geschwindigkeitsverläufe zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zur Analysierung des dopplerverschobenen Streulichts wird ein Zweistrahlinterferometer (Mach Zehnder oder Michelson) mit ungleichen Teillichtwegen verwendet Eine Verschiebung der Wellenlänge führt zu einer Änderung der Phasendifferenz zwischen den Teilstrahlen. Mit Hilfe einer schnellen Phasennachführung (vgL DE-OS 25 18 197) wird diese Phasenverschiebung sofort ausgeglichen, indem das Interferometer immer auf einer konstanten Phasendifferenz gehalten wird. Die Phasen nachführspannung ist dann der Dopplerverschiebung proportional und kann als kontinuierliches Signal der Geschwindigkeit aufgezeichnet werden. Bei einem Aufbau des Interferometers mit polarisiertem Licht kann eine Pockelszelle als schneller Phasenschieber

is verwendet werden, so daß eine hohe Zehauflösung erreicht wird. Zweistrahlinterferometer lassen sich durch eine geeignete Feldkompensation (J. Ring, J. W. Schofield: Field — Compensated Michelson Spectrometers, Appl-1U S 507 -16 507-16 (1972)) sehr lichtstark machen, so daß zur Erzielung einer guten Zeitauflösung keine besonders hohe Streuteilchenzugabe erforderlich ist

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß erstmals eine kontinuierliche Geschwindigkeitsregistrierung mit extremer Zeitauflösung ermöglicht wird. Ein weiterer Vorteil ist der vergleichsweise geringe elektronische Aufwand dieses Meßverfahrens. Gegenüber den zur Zeit fast ausschließlich verwendeten »Streifengitterverfahren« gibt es eine

Reihe weiterer Vorteile:

a) Der Geschwindigkeitsbereich ist nach oben nicht begrenzt,

b) eine gleichzeitige Anwesenheit vieler Streuteilchen im Meßvolumen stört nicht,

c) es kann die Geschwindigkeitskomponente in Strahlrichtung gemessen werden,

d) das Vorzeichen der Geschwindigkeitskomponente wird mitbestimmt, d. h. das Verfahren funktioniert

•to auch bei hohen Turbulcnzgrad:.n bis 100%,

e) die Messungen werden durch Dichtegradientenschwankungen nicht beeinträchtigt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in F i g. 1 schematisch

dargestellt An ihm soll die Funktionsweise des Systems etwas eingehender beschrieben werden.

Der Laserstrahl (vorzugsweise eines leistungsstarken Argon-Lasers 1, durchläuft eine Pockelszelle 2 und wird dort in zwei kohärente Anteile zerlegt, die zueinander polarisiert sind und durch die Pockelszelle eine Phasenverschiebung proportional zur anliegenden Spannung erhalten. Bei der Streuung bleibt die Phasenbeziehung erhalten. Ein möglichst großes Bündel des in Rückwärtsrichtung gestreuten Lichtes wird in ein Michelson-Interferometer geleitet, welches aus der Teilerplatte 3 und den beiden Spiegelflächen 4 und 5 besteht. Durch eine λ/4-Platte 6 und zwei Polarisationsfilter 7 erreicht man, daß die beiden senkrecht zueinander polarisierten Lichtanteile den beiden lnter ferometerarmen zugeordnet werden und miteinander interferieren. Die beiden Interferometerarme haben verschiedene optische Wege. Einer der Arme enthält einen dicken Glasblock 8, der bewirkt, daß auch bei großen Lichtbündeln alle Bündelanteile miteinander gleichphasig interferieren. Die beiden aus dem Michelson-Interferometer austretenden Bündelpaare sind in ihrer Interferenz komplementär (d. h. die Summe beider Lichtanteile ist konstant). Die beiden Photokathoden

wandeln die durch Interferenz entstehenden Lichtströme in Elektronenströme um. In den anschließenden Photomultipliern 9 werden diese verstärkt und bilden den Basisstrom zweier Transistoren 10 in einer Serienschaltung.

Bei einer bestimmten Phasendifferenz führt die Interferenz zu gleichen Lichtströmen. In diesem Fall werden beide Transistoren durch den gleichen Basisstrom gesteuert. Es bildet sich ein ICreisstrom aus, wobei der Kondensator 11 in seiner Ladung und Spannung unverändert bleibt Dies ist ein Gleichgewichtszustand des Systems.

Durch eine Geschwindigkeitsänderung der Streuteilchen wird infolge des Dopplereffektes die Wellenlänge des gestreuten Lichts geringfügig geändert Wegen der Ungleichheit der optischen Wege im Interfeiometer (ΔΙ liegt etwa zwischen 10⁵A und 10⁶A) führt dies zu einer

kleinen Änderung der Phasendifferenz am Ausgang des Interferometers. Dadurch wird wiederum die Gleichheit der Lichströme und Basisströme der Transistoren leicht gestört, so daß nun ein Differenzstrom entsteht, der Ladung und Spannung des Kondensators abändert Diese Kondensatorspannung ist aber über einen Verstärker und die Pockelszelle mit dem optischen System rückgekoppelt, so daß in der Pockelszelle eine Änderung der Phasendifferenz bewirkt wird, die (im stabilen Fall) das Gleichgewicht wiederhestellt d.h. wieder zu gleichen Lichtströmen der beiden Interferenzbündelpaare führt

Nach diesem Prinzip folgt das System momentan jeder Änderung der Geschwindigkeit im Meßpunkt, wobei die Kondensatorspannung linear mit der zu messenden Geschwindigkeit zusammenhängt und kontinuierlich registriert werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Anordnung zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung aus der Dopplerverschiebung gestreuten Laserlichts, gekennzeichnet durch ein Zweistrahlinterferometer mit ungleicher Armlänge und Phasennachführung zur Bestimmung der Wellenlängenverschiebung.