DE2945229C2

DE2945229C2 - Einrichtung zur berührungslosen Schwingungsmessung mit Hilfe des Laser-Dopplereffekts

Info

Publication number: DE2945229C2
Application number: DE19792945229
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Phys. 6072 Dreieich Winterhoff; Kurt Dipl.-Phys. 6200 Wiesbaden Wittig
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1984-02-09
Also published as: DE2945229A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur berührungslosen Messung der Schwingungen eines Objekts mit einer Laser-Dopplereffekt-Apparatur, mit der ein erstes Laserstrahlenbündel mittels einer Optik auf die Oberfläche des Objekts fokussiert ist, der dort reflektierte Anteil des ersten Laserstrahlenbündels mit einem zweiten Laserstrahlenbündel überlagert und einer Auswerteeinheit zugeführt ist.

Eine derartige Einrichtung ist aus der Druckschrift »IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems«, Band AES-3, März 1967, Seite 154-157, bekannt Bei dieser Einrichtung wird ein Laserlichtbündel in ein Meß- und ein Referenzbündel zerlegt, welche schließlich einen fotoelektrischen Wandler beaufschlagen, dem eine Meßeinrichtung bzw. Auswerteschaltung zur Weiterverarbeitung nachgeordnet ist. Mittels einer Optik wird das Meßstrahlenbündel auf der Oberfläche des schwingenden Objekts fokussiert. Die Messung kann jedoch nur im direkten Laserlicht erfolgen, d. h. es muß eine geradlinige optische Verbindung zwischen der Meßeinrichtung und dem Meßobjekt bestehen.

Aus dem DE-GM 69 23 679 ist es bekannt, die Auf- und Abbewegung eines Objekts zu messen, das über Lichtleiter beleuchtet wird. Das am Objekt reflektierte Licht wird dabei ebenfalls über Lichtleiter zu einem fotoelektrischen Wandler geleitet. Durch die Verwendung der Lichtleiter soll eine berührungslose Messung an schwer zugänglichen Objekten ermöglicht werden. In diesem Zusammenhang ist es aus »Applied Optics«, Band 17, Nr. 18, 1978, Seite 2867-2869, auch bekannt, daß Monomode-Lichtleitfasern verwendet werden müssen, um das über die Lichtleitfasern gelenkte Licht zur Interferenz zu bringen.

Wie bereits erwähnt, ist mit der eingangs definierten Einrichtung eine Schwingungsmessung an einer beispielsweise innerhalb eines geschlossenen Maschinengehäuses rotierenden Welle nur schwer möglich. In manchen Fällen kann im Gehäuse eine Bohrung vorgesehen werden, um durch diese den Laserstrahl auf die Weile auftreffen zu lassen. Auf diese Weise wird aber nur die Relativbewegung zwischen der Welle und der an anderem Ort feststehenden Laserquelle ermittelt, aber nicht die Relativbewegung zwischen der Welle und dem Gehäuse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Dopplereffekt-Meßeinrichtung zur berührungslosen Schwingungsuntersuchung zu schaffen bei weleher Schwingungen auch an Stellen von Objekten meßbar sind, die einem sich geradlinig ausbreitenden Laserstrahl unzugänglich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß das erste auf die Oberfläche des Objekts gerichtete Laserstrahlenbündel und dessen an der Oberfläche des Objekts reflektierter Anteil über eine Monomode-Lichtleitfaser geführt sind und daß das erste Laserstrahlenbündel auf seinem Weg zum Objekt mittels der Optik so auf die Eintrittsendfläche der Monomode-Lichtleitfaser fokussiert ist daß alle einfallenden Strahlen des zugehörigen Fokussierkegels mit der Achse der Monomode-Lichtleitfaser einen kleinen Winkel bilden.
Ein durch die Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß das aus der Lichtleitfaser austretende Laserlicht auf beliebige Stellen des Meßobjekts fokussiert werden kann, und das an der Objektoberfläche diffus reflektierte Laserlicht in die gleiche Lichtleitfaser zur Meßeinrichtung rückgeleitet wird.

2-i Durch die flexible Lichtleitfaser können auch Relativbewegungen zwischen zwei gegeneinander schwingenden Objekten gemessen werden. Die eigentliche Meßeinrichtung kann dabei an einem beliebigen Ort positioniert sein, während allein die das Laserlicht leitende

jo Lichtleitfaser mit sehr geringem Außendurchmesser (etwa 100 μπι) an den Meßort verlegt wird. Es ist nunmehr möglich, das lichtabstrahlende Ende der Lichtleitfaser im Inneren des Gehäuses von Maschinen mit bewegten Objekten anzuordnen (Kittung), wobei

j5 wegen der geringen Masse der Lichtleitfaser auch Schwingungsmessungen an relativ leichtgewichtigen Objekten ohne wesentliche Masseveränderung durchführbarsind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung ist mit 1 eine an sich bekannte Laser-Dopplereffekt-Meßeinrichtung zur Schwingungsuntersuchung bezeichnet; der von dieser Einrichtung ausgehende Lasermeßstrahl 2 wird nicht wie bisher unmittelbar auf ein Meßobjekt, sondern mittels einer Linse 3 auf die Endfläche 4 einer flexiblen Lichtleitfaser

. 5 fokussiert, die als Monomode-Faser ausgebildet ist und die in der Lage ist, das interferenzfähige Licht zu leiten. Die Fokussierung auf der Endfläche 4 erfolgt dabei derart, daß alle einfallenden Strahlen des Fokuskegels mit der Lichtleitfaserachse nur einen kleinen Winkel bilden, so daß die Grundmode in der Lichtleitfaser mit ausreichender Amplitude angeregt wird. In der Lichtleitfaser breitet sich damit der Laserstrahl in Richtung auf die andere Endfläche 6 der Lichtleitfaser 5 aus, ohne daß in der Faser 5 eine wesentliche Abnahme der Strahlintensität auftritt.

Wird eine Lichtleitfaser mit einem Außendurchmes-

bo ser von etwa 100 μιτι und einem Faserkern mit einem Durchmesser von etwa 1 bis 5 μπι verwendet, so tritt das Laserlicht an der objektseitigen Endfläche 6 annähernd punktförmig aus. Das austretende Licht wird mittels einer Linse 7 auf die Oberfläche 8 eines zu

hi untersuchenden Objektes 9 fokussiert und von dieser diffus reflektiert, so daß ein Teil des reflektierten Lichtes wieder auf den Austrittspunkt der Endfläche 6 der Lichtleitfaser 5 gelangt, über diese zurückgeleitet wird.

an der meßeinrichtungsseitigen Endfläche 4 der Lichtleitfaser 5 annähernd punktförmig austritt und dann in bekannter Weise von dem optischen System der Meßeinrichtung 1 empfangen und weiterverarbeitet wird.

Zweckmäßig stehen die mittlere Strahlrichtung und die Objektoberfläche 8 annähernd senkrecht aufeinander.

Um zu vermeiden, daß die meSeinrichtungsseitige Endfläche 4 der Lichtleitfaser 5 bei etwa auftreienden Bewegungen der Lichtleitfaser als Objektoberfläche wirkt, was zu einer Fehlmessung führen würde, schließt die Normale der Endfläche 4 einen dei artigen kleinen

Winkel gegen die Faserachse ein, daß der direkt reflektierte Strahl nicht mehr auf die Linse 3 fällt

Der Laserstrahl fällt damit gegen die Normale unter einem bestimmten Winkel ein. Auch die objektseitige Endfläche 6 der Lichtleitfaser 5 kann mit einer Schräge versehen sein, wie angedeutet ist so daß etwa durch diese Flächen 4,6 verursachte Reflexe eliminiert sind.

Schwingt das zu untersuchende Objekt 9 in der durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung, so ergibt sich eine Relativbewegung zwischen der Objektoberfläche 8 und der an der Endfläche 6 der Lichtleitfaser 5 gebildeten Strahlungsquelle.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zur berührungslosen Messung der Schwingungen eines Objekts mit einer Laser-Dopplereffekt-Apparatur, mit der ein erstes Laserstrahlenbündel mittels einer Optik auf die Oberfläche des Objekts fokussiert ist, der dort reflektierte Anteil des ersten Laserstrahlenbündels mit einem zweiten Laserstrahlenbündel überlagert und einer Auswerteeinheit zugeführt ist dadurch gekennzeichnet, daß das erste auf die Oberfläche (8) des Objekts (9) gerichtete Laserstrahlenbündel und dessen an der Oberfläche des Objekts !-»flektierter Anteil über eine Monomode-Lichtfaser (5) geführt sind und daß das erste Laserstrahlenbündel auf seinem Weg zum Objekt mittels der Optik so auf die Eintrittsendfläche der Monomode-Lichtleitfaser fokussiert ist, daß alle einfallenden Strahlen des zugehörigen Fokussierkegels mit der Achse der Monomode-Lichtleitfaser einen kleinen Winkel bilden.