DE3441088C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser-Doppler-Geschwindigkeits­ messer gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Zum Messen von Geschwindigkeiten oder Schwingungen wird der Laser-Doppler-Effekt verwendet. Die Messung beruht auf der Frequenzverschiebung des von einem bewegten Gegenstand ge­ streuten Laserlichts. Die Dopplerfrequenz wird durch Beobach­ ten der Schwebung zwischen dem frequenzverschobenen Si­ gnal und dem ursprünglichen Bezugssignal gemessen. Der Vor­ teil eines solchen Geschwindigkeitsmessers besteht darin, daß ohne Kontakt mit hoher räumlicher Auflösung gemessen werden kann.

Ein herkömmlicher Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser wird nun anhand von Fig. 1 näher erläutert. Es liegen ein Laser 1 und optische Fasern 2 vor. Ein Strahlteiler 3 teilt das Laser­ licht vom Laser 1 in zwei Strahlen. Eine optische Sonde 4 ist jeweils durch eine optische Faser 2 und eine Mikro­ linse 5 gebildet. In einer Strömung 8 befindet sich ein Ge­ genstand 9, der sich mit der Strömung bewegt, und der Laser­ licht streut. Eine optische Empfangssonde 11 ist durch eine optische Faser 2 und eine Mikrolinse 5 gebildet. Das Licht aus der Sonde fällt in einen Fotodetektor 12, der zum Beispiel eine Avalanche-Fotodiode oder eine PIN-Fotodiode und einen Verstärker aufweist. Ein optischer Empfänger 13 ist durch einen Vorverstärker, einen Bandpaß und einen Hauptverstärker gebildet. Die Sonden sind in einem Gehäuse 14 zusammengefaßt.

Die Anordnung funktioniert wie folgt:

Laserlicht vom Laser 1 wird durch den Strahlteiler 3 zweige­ teilt, und die zwei aufgetrennten Laserstrahlen werden in die zwei Sendesonden 4 gegeben. Die zwei Sendesonden 4 sind so angeordnet, daß sich ihr Licht in dem Bereich überkreuzt, in dem sich der Gegenstand 8 mit dem bewegten, lichtstreuenden Teilchen 9 befindet. Dieses bewegt sich durch den Strahlschnittpunkt mit der Geschwindigkeit V, wodurch das gestreute Licht in seiner Frequenz dopplerverschoben wird. Das zurückgestreute Licht innerhalb dem gestreuten Licht wird durch die optische Empfangssonde 11 empfangen und durch die Faser 2 zum Fotodetektor 12 geleitet. Das reflektierte Licht ist in bezug auf das Licht der Sendesonde doppler­ verschoben. Das rückgestreute Licht weist eine Überlagerung auf, die durch den Fotodetektor 12 bestimmt wird. Die ermit­ telte Frequenz fD ist durch folgende Gleichung gegeben:

wobei

n Brechungsindex des bewegten Gegenstandes 8,
λ Lichtwellenlänge im Vakuum,
δ Schnittwinkel der zwei Ausgangsstrahlen von den Mikrolinsen, und
V┴ Komponente der Geschwindigkeit V in einer Richtung schräg zur vertikalen Halbierenden der op­ tischen Achsen der zwei gesendeten Lichtstrahlen.

Durch Gleichung (1) kann die Geschwindigkeitskomponente V┴ aus der ermittelten Frequenz fD berechnet werden.

Bei den bekannten derartigen Geschwindigkeitsmessern ist der Öffnungswinkel der von den beiden optischen Sendesonden 4 emittierten Laserstrahlen groß, was zu Meßfehlern führt, die von der Entfernung des lichtstreuenden Teilchens 9 von den Sendesonden 4 abhängen. Wenn, wie in Fig. 2 an­ genommen wird, daß der Öffnungswinkel des Laserlichts von einer optischen Sendesonde 4 α ist, sind die an verschiedenen Stellen der sich überschneidenden Strahlen durch ein sich jeweils dort hindurchbewegendes Teilchen 9 hervorgerufenen Frequenzen fa, fb und fc durch die folgenden Gleichungen (2), (3) und (4) gegeben.

Die ermittelte Frequenz fD hängt also von der Position des bewegten Objektes ab gemäß den Formeln (2) bis (4), was zu einer Meßungenauigkeit führt.

Die oben anhand von Fig. 1 beschriebene bekannte Laser-Dopp­ ler-Geschwindigkeitsmesser weist keine konvexe Linse in seiner optischen Sendeanordnung auf. Daher sind die aus den Mikro­ linsen 5 austretenden Laserstrahlen leicht divergent, was an­ hand von Fig. 2 erläutert wurde. Konvergent sind dagegen die Strahlen, wie sie von konvexen Linsen herkommend bei Geschwin­ digkeitsmessern gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 auf einen sich bewegenden Gegenstand fallen. Geschwindigkeitsmesser mit einer konvexen Linse sind z. B. aus DE 24 02 184 A1 oder DE 22 21 894 C2 bekannt. Bei konvergierendem Strahlenverlauf liegt im vorderen Punkt a gemäß Fig. 1 nicht mehr der Winkel δ+α, sondern der Winkel δ-α vor, während im hinteren Punkt c umgekehrt der Winkel δ+α statt δ-α gilt. Diesen Winkel­ verhältnissen wird jedoch beim genannten Stand der Technik keine Beachtung geschenkt. In Figuren, die das Meßgebiet ver­ größert zeigen, werden die Strahlenbündel jeweils als parallel verlaufend dargestellt, die auftretenden Winkelprobleme auf­ grund der tatsächlichen Strahlverläufe also nicht berücksich­ tigt.

Mit Problemen, die durch Strahlformen bedingt sind, be­ schäftigt sich allerdings die DE 22 06 520 A1. Dort wird vor­ geschlagen, mit Hilfe einer konvexen Linse die Laserstrahlen zu bündeln und die konvexe Linse so auszubilden und anzuord­ nen, daß der Ort minimalen Fleckradius des das Meßvolumen be­ leuchtenden Laserlichtes annähernd mit dem Zentrum des Meß­ volumens zur Deckung gebracht ist. Dadurch wird zwar Schwie­ rigkeiten begegnet, die durch unterschiedliche Lasermoden be­ dingt sind, jedoch wird der anhand von Fig. 2 erläuterte Feh­ ler besonders markant.

Der Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Aufbaus eines be­ kannten Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessers;

Fig. 2 ein Diagramm zum Erläutern der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Diagramm gemäß Fig. 1, jedoch für einen erfindungsgemäßen Geschwindigkeits­ messer;

Fig. 4 ein Diagramm zum Erläutern der Funktion der Anord­ nung gemäß Fig. 3; und

Fig. 5-11 schematische Diagramme betreffend andere Ausführungsformen von Geschwindigkeitsmessern.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 leitet ein optisches Sendesystem 50 Laserlicht vom Laser 1 zum sich bewegenden Gegenstand 8. Das Sendesystem 50 weist einen Strahlteiler 3 auf, der das Laserlicht in zwei Strahlen aufspaltet, die in zwei optische Sendesonden 15a und 15b geleitet werden, die jeweils eine optische Faser 2, eine Mikrolinse 5 (Kolli­ mationslinse) am Ende einer jeden Faser und eine konvexe Linse aufweisen, wobei jede der konvexen Linsen 6 mit je­ weils einer Mikrolinse 5 durch einen Träger 7 zusammenge­ faßt ist. Die Sendesonden 15a und 15b kollimieren das Laser­ licht aus der Faser 2 in einem vorgegebenen Bereich parallel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmesser anzugeben, der einen geringen Meßfehler abhängig vom Abstand eines sich bewegenden Teilchens von der optischen Sendeanordnung aufweist.

Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen­ stand von Unteransprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser ist eine konvexe Linse in jeder optischen Sonde der Sende­ anordnung so ausgebildet und angeordnet, daß das an ihr aus­ tretende Laserlicht im Bereich des zu messenden Gegenstandes im wesentlichen parallelen Strahlenverlauf aufweist. Dadurch liegen an allen Punkten a, b und c gemäß dem Beispiel von Fig. 2 gleiche Winkel, jeweils vom Wert δ, vor. Die Gleichun­ gen (2) bis (4) liefern damit jeweils denselben Wert. Die Messung ist also im Bereich des parallelen Strahlenverlaufs ortsunabhängig.

Von besonderem Vorteil ist es, in jeder optischen Sonde eine Lichtleitfaser zu verwenden. Dies, weil das aus Lichtleit­ fasern austretende Licht bekannterweise radial weniger in­ homogen ist als unmittelbar eingestrahltes Laserlicht. Dies verringert die Ortsabhängigkeit der Intensität des gemessenen Streulichtes, was ebenfalls zur Verringerung von Meßfehlern beiträgt.

Die zwei Sonden 15a und 15b sind so angeordnet, daß sich die aus ihnen austretenden Lichtstrahlen in dem vorgegebenen Bereich überkreuzen, in dem sich der Gegenstand 8 befindet.

Ein optisches Empfangssystem 60 empfängt das Licht, das von den optischen Sonden 15a und 15b abgestrahlt worden ist und dann an einen Gegenstand 8 gestreut worden ist, der sich durch den vorbestimmten Bereich bewegt. Das opti­ sche Empfangssystem 60 weist eine optische Empfangssonde 16 mit einer optischen Faser 2, einer Mikrolinse 5 am einen Ende der Faser 2 und einer konvexen Linse 10 auf, die mit der Mikrolinse 5 durch einen Träger 7 zusammengefaßt ist. Ein Fotodetektor 12 empfängt das Licht von der Sonde 16 und gibt ein Signal an einen optischen Empfänger 13. Eine (nicht dargestellte) Bestimmungseinrichtung bestimmt die Geschwindigkeit des bewegten Gegenstandes aus dem Ausgangs­ signal vom optischen Empfangssystem 60. Als optische Empfangs­ sonde 16 kann eine Faser mit poliertem Ende oder eine solche mit einer Mikrolinse verwendet werden. Im übrigen stimmt der Aufbau mit dem gemäß Fig. 1 überein.

In Fig. 4 ist die räumliche Beziehung zwischen der Mikro­ linse 5 und der konvexen Linse 6 sowie der Weg des emittier­ ten Lichtes genauer dargestellt. Die konvexe Linse 6 befin­ det sich um ihre Brennweite f entfernt vor der Mikrolinse 5.

Die Anordnung funktioniert wie folgt:

Vom Laser 1 emittiertes Laserlicht wird durch den Strahl­ teiler 3 in zwei Strahlen aufgespaltet, die in die opti­ schen Sonden 15a bzw. 15b geleitet werden. Das aus jeder Faser 2 austretende Licht wird jeweils durch eine Mikro­ linse annähernd parallel gerichtet und dann durch die kon­ vexe Linse 6 weiter auf parallelen Verlauf kollimiert. Die Strahltaille der von den beiden Sendesonden 15a und 15b emittierten Strahlen liegt mit ihrem im wesentlichen paral­ lelen Verlauf in dem Bereich, in dem der sich bewegende Gegenstand 8 vorliegt, wobei der Brennpunkt der konvexen Linse 6 im wesentlichen in der Mitte des Bereichs liegt.

Im Bereich der Strahltaillen überkreuzen sich die Laserstrah­ len von den Sonden 15a und 15b unter einem Winkel δ. Wenn sich ein Gegenstand 8 (lichtstreuender Partikel 9) durch den Überkreuzungsbereich mit der Geschwindigkeit V bewegt, wird das Licht gestreut, wobei seine Frequenz dopplerverschoben wird. Das rückgestreute Licht wird durch die optische Em­ pfangssonde 16 empfangen und durch die Faser 2 zum Fotode­ tektor 12 geleitet. Das gestreute Licht wird überlagert zu dem der Sonde 15a und 15b vom Fotodetektor 12 empfangen. Die Überlagerungsfrequenz fD ist durch die oben angegebene For­ mel gegeben:

Da die Strahltaille BW im Überkreuzungsbereich liegt, kann die Überlagerungsfrequenz fD im gesamten Bereich durch Gleichung (1) dargestellt werden, also an den Punkten a1, b1 und c1 in Fig. 4, so daß unabhängig von der Lage eines Partikels 9 innerhalb des Bereichs keine Meßabweichungen auftreten.

Es fließt also ein Wechselstrom mit der Frequenz fD durch den Fotodetektor 12, welcher Strom durch den optischen Em­ pfänger 13 verstärkt wird. Der Strom wird durch einen Spek­ tralanalysator und einen Frequenz/Spannungs-Konverter oder eine Frequenz-Nachlaufschaltung (jeweils nicht dargestellt) in ihrer Frequenz analysiert, um daraus die Geschwindigkeits­ komponente V des sich bewegenden Gegenstandes 8 aus obiger Gleichung (1) zu berechnen.

Bei dieser Ausführungsart ist die konvexe Linse 6 also um ihre Brennweite f entfernt von der Mikrolinse 5 jeweils der Sendesonden 15a und 15b entfernt. Die Lichtstrahlen im Meßbereich weisen hohe Parallelität auf, wodurch von der Entfernung des sich bewegenden Gegenstandes von den Sonden verursachte Fehler erniedrigt sind. Darüberhinaus ist es möglich, den Bereich in seinen Abmessungen größer zu ge­ stalten. Auch der Abstand zwischen der optischen Sonde und dem zu messenden Gegenstand kann erhöht werden. Damit eig­ net sich die Anordnung auch zum Messen der Bewegung von Gegenständen hoher Temperatur.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Sendesonde und den Weg der Lichtstrahlen. Der Hauptzweck dieser Ausführungsform besteht darin, die Lichtstrahlen in einem Bereich zwischen dem Brennpunkt und einem von diesem entfernten Punkt parallel zu gestalten.

Die konvexe Linse 6 ist im eine Entfernung l₁ von der Mikro­ linse 5 entfernt, wobei gilt

l₁ = f + r₁/R₁, (5)

wobei

f = Brennweite der Konvexlinse 6,
r₁ = Strahldurchmesser des emittierten Lichtes an der emittierenden Seite der Mikrolinse 5 und
R₁ = größter Abweichungswinkel des emittierten Lichts von der optischen Achse.

Wenn eine Gradationsindex-Stablinse (GRIN-Linse) mit einer Steigung von 0,25 als Mikrolinse 5 verwendet wird, gilt für r₁ und R₁

wobei

r₀ = Kernradius der optischen Faser,
R₀ = numerische Apertur der optischen Faser,
n₀ = Brechungsindex in der optischen Achse der GRIN-Linse, und√ = Brechungsindexverteilungskonstante der GRIN-Linse.

Wenn eine optische Faser mit einer Mikrolinse um den Ab­ stand l₁ von der konvexen Linse 6 angeordnet wird, ist es möglich, paralleles Licht in einem Bereich zu erhalten, der sich mit einer Länge l₂ an die Brennweite f anschließt. Dabei gilt für l₂ (siehe Fig. 5)

Der Strahldurchmesser D des parallelen Lichtes wird

D = 2 fR₁. (9)

Die Lichtstrahlen von den zwei optischen Sendesonden 15a und 15b überkreuzen einander unter einem Winkel δ in dem Bereich, in dem die jeweiligen Lichtstrahlen parallele Bündel darstellen. Die Geschwindigkeit eines sich in diesem Bereich bewegenden Gegenstandes 8 kann wie oben beschrieben gemessen werden.

Bei dieser Ausführungsform wird Laserlicht von den zwei optischen Sendesonden 15a und 15b zu parallelen Bündeln im Überschneidungsbereich kollimiert, ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4. Durch unterschiedliche Ent­ fernungen des gemessenen, lichtstreuenden Partikels 9 von der Probe treten daher keine Meßfehler auf. Die größte Ent­ fernung, in der noch gemessen werden kann, ergibt sich aus der Brennweite und der Entfernung l₂ gemäß Gleichung (8), wobei in diese Gleichung der Wert l₁ gemäß Gleichung (5) eingesetzt werden kann. Dadurch ergibt sich die folgende Gleichung (10).

Die obere Grenze von l₂ kann dadurch groß gewählt werden, daß eine GRIN-Linse mit einem großen Wert von n₀ √ oder eine optische Faser mit einem großen Wert von r₀/R₀ gewählt wird. l₂ wird 1295 mm, wenn folgende Werte gelten

n₀ √ = 0,978,
r₀ = 25 · 10^-3 mm,
R₀ = 0,2 rad,
f = 100 mm.

Damit eignet sich die Anordnung besonders zum Messen der Geschwindigkeit von Gegenständen hoher Temperatur. Der Strahldurchmesser D bei diesem Ausführungsbeispiel ist 4,9 mm.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist das Laser­ licht im Bereich zwischen der Mittel der konvexen Linse 6 und deren Brennweite im wesentlichen parallel.

Dazu ist die konvexe Linse 6 in einer Position l₁′ von der Mikrolinse 5 entfernt, wobei für l₁′ gilt

l₁′ = f-r₁/R₁ (11)

Für den Strahldurchmesser des parallelen Lichtstrahles gilt dabei

D = 2 fR₁ (12)

Bei diesem Aufbau überkreuzen die Laserstrahlen von den zwei optischen Sendesonden 15a und 15b einander unter einem Winkel δ in dem Bereich, in dem die jeweiligen Strahlbündel im wesentlichen parallel begrenzt sind. Daher treten wiederum keine Meßfehler auf.

Wenn eine GRIN-Linse mit n₀ √ = 0,386 als Mikrolinse 5, eine optische Faser mit 2 µm als r₀ und 0,2 als R₀ und eine konvexe Linse 6 mit einer Brennweite f=700 mm ver­ wendet wird, wird l₁′=28,8 mm. Damit ist es möglich, einen parallelen Lichtstrahl mit einem Strahldurchmesser von 1,08 mm in einem Bereich von 700 mm Länge zu erzielen.

Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen ist die optische Empfangssonde zwischen den zwei Sendesonden angeordnet. Sie kann aber auch außerhalb angeordnet sein. Auch können alle Sonden in einer Ebene wie auch in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein.

Im Beispielsfall wurde davon ausgegangen, daß die Geschwin­ digkeit eines Partikels in einem Fluid gemessen wird. Jedoch kann auch die Geschwindigkeit fester Gegenstände gemessen werden. Die Anordnung kann so abgeändert werden, daß die sich zum Messen dreidimensionaler Schwingungen und für das Messen von Strömungsgeschwindigkeiten eignet.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen bewegt sich das Laserlicht zwischen dem Laser und dem Strahlteiler durch den Raum. Das Licht kann aber auch durch eine optische Faser geleitet werden.

Die zwei optischen Sendesonden und die optischen Empfangs­ sonde können in einem Gehäuse zusammengefaßt sein.

Das gestreute Licht wird durch die optische Empfangssonde zum Detektor geleitet. Jedoch kann das gestreute Licht auch direkt empfangen werden, wenn zum Beispiel eine Avalanche- Fotodiode verwendet wird.

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen sind das optische Sendesystem und das optische Empfangssystem auf derselben Seite des sich bewegenden Gegenstandes angeordnet. Es wird rückgestreutes Licht zum Messen verwendet. Der Ge­ schwindigkeitsmesser gemäß der Ausführungsform von Fig. 7 ist dagegen so ausgebildet, daß nach vorne gestreute Licht verwendet wird. Das Sendesystem und das Empfangssystem lie­ gen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes 8. Das von diesem nach vorne gestreute Licht wird durch konvexe Linsen 10a und 10b und die optische Empfangssonde 16 empfan­ gen.

Die bisherigen Ausführungsbeispiele geben Laser-Doppler- Geschwindigkeitsmesser mit optischen Fasern vom Differential­ typ mit zwei optischen Sendesonden an. Es ist jedoch auch möglich, einen Geschwindigkeitsmesser vom Referenztyp mit einer einzigen Fasersonde sowohl für gesendetes wie auch empfangenes Licht zu verwenden. Eine derartige Ausführungs­ form ist in Fig. 8 dargestellt. Das optische Sendesystem weist eine Sende- und Empfangssonde 20a auf, die genau so aufgebaut ist wie die optische Sendesonde gemäß Fig. 3. Das optische Empfangssystem weist diese Sonde 20a und eine optische Sonde 20b auf, die das von der Sonde 20a gestreute Licht und dasjenige Licht leitet, das am anderen Ende der Sende- und Empfangssonde 20a reflektiert worden ist und dann durch einen optischen Richtungskoppler 3′ tritt. Das von der Sonde 20b geleitete Licht fällt auf einen Foto­ detektor 12.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 wird die Geschwindig­ keit des sich bewegenden Gegenstandes aus der dopplerver­ schobenen Geschwindigkeit des gestreuten Lichtes in bezug auf das am anderen Ende der Sende- und Empfangssonde 20 reflektierte Licht bestimmt. Für die Meßgenauigkeit gilt das oben Gesagte.

Bei den eingangs beschriebenen Ausführungsformen wird das Laserlicht nahe dem Laser 1 in zwei Strahlen aufgeteilt. Das Licht kann aber auch aufgeteilt werden, nachdem es durch eine Faser 2 geleitet worden ist, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Der Aufbau verfügt auch über einen re­ flektierenden Spiegel 17.

Zwei andere Ausführungsformen, bei denen der Laserstrahl in zwei Strahlen aufgespalten wird, nachdem er durch eine optische Faser 2 übertragen worden ist, werden nun anhand der Fig. 10 und 11 beschrieben.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 wird das Licht vom Laser 1 durch eine optische Faser 2 geleitet und durch eine Mikrolinse 5 auf in etwa parallelen Verlauf kolli­ miert. Das aus der Mikrolinse 5 austretende Licht wird dann durch einen Strahlteiler 3 in zwei Strahlen aufge­ teilt, die über reflektierende Spiegel 17a und 17b jeweils einer konvexen Linse 6 zugeführt werden. Die konvexen Linsen 6 bündeln das Licht zu parallelen Strahlen im Be­ reich des sich bewegenden Gegenstandes 8.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 wird der durch die Mikrolinse 5 kollimierte Lichtstrahl durch eine konvexe Linse 6 weiter kollimiert, bevor er in den Strahlteiler 3 eintritt. Der so gebündelte Strahl wird im Strahlteiler 3 aufgespalten und die zwei Teilstrahlen werden über Spiegel 17a und 17b auf den Bereich eines Partikels 9 gerichtet.

In diesem Bereich weisen die Strahlenbündel gute Paralleli­ tät auf.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 9-11 können die Mikrolinse 5, der Strahlteiler 3, der reflektierende Spie­ gel 17, die konvexe Linse 6 und die Linse 10 des empfan­ genden optischen Systems zu einem Sensorkopf zusammenge­ faßt werden.

Mit den Ausführungsformen gemäß den Fig. 9-11 ist es mög­ lich, Meßfehler zu verringern und den Abstand zwischen der Sonde und dem sich bewegenden Gegenstand zu verlängern. Dies ist für die Praxis von großem Vorteil.

Neben Einzel-Mode-Fasern können auch Fasern, die die Pola­ risationsebene beibehalten und Multi-Mode-Fasern als opti­ sche Fasern verwendet werden.

Wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, wird beim erfindungs­ gemäßen Geschwindigkeitsmesser eine konvexe Linse vor einer optischen Sendesonde verwendet, um den von dieser Sonde emittierten Laserstrahl in gute Paralelität zu bringen. Dadurch läßt sich die Entfernung von der Sonde zum sich bewegenden Gegenstand vergrößern, und Meßfehler lassen sich erheblich verringern, die durch Schwankungen dieser Entfernung hervorgerufen sind. Der erfindungsgemäße Ge­ schwindigkeitsmesser ist daher bestens dafür geeignet, Geschwindigkeiten und mechanische Schwingungen genau zu messen.

Claims (16)

1. Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser zum Massen der Ge­ schwindigkeit eines sich bewegenden Gegenstandes, mit

• - einem Laser (1),
• - einer optischen Sendeanordnung mit einer konvexen Linse (6) zum Leiten des Laserlichts auf den sich bewegenden Gegenstand,
• - einer optischen Empfangsanordnung zum Empfangen des am sich bewegenden Gegenstand gestreuten Laserlichts,
• - und einer Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Ge­ schwindigkeit des Gegenstandes aus der Dopplerverschie­ bung des von der Empfangsanordnung empfangenen gestreuten Lichtes,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - die konvexe Linse (6) so ausgebildet und angeordnet ist, daß das aus ihr austretende Laserlicht im ganzen Bereich des zu messenden Gegenstandes im wesentlichen parallelen Strahlenverlauf aufweist.

2. Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optische Sendeanordnung mindestens eine optische Sonde (15a, 15b) mit einer Lichtleitfaser (2) und einer Kollimatorlinse (5) vor der jeweiligen konvexen Linse (6) aufweist.

3. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sendeanordnung (50) und die optische Empfangs­ anordnung (60) auf derselben Seite des bewegten Gegen­ standes (9) angeordnet sind.

4. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sendeanordnung (50) und die optische Empfangsanordnung (60) zu gegenüberliegenden Seiten des bewegten Gegenstandes (9) angeordnet sind.

5. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendesystem (50) einen Strahlteiler (3), der das Laserlicht vom Laser (1) aufspaltet und zwei opti­ sche Sendesonden aufweist, die jeweils aus einer opti­ schen Faser (2), einer Kollimatorlinse (5) und einer konvexen Linse (6), die miteinander verbunden sind, be­ steht, wobei die Sonden so angeordnet sind, daß sich deren Licht im vorgegebenen Bereich überkreuzt, wobei das optische Empfangssystem die Laserstrahlen nach der Streuung am bewegten Gegenstand empfängt, und wobei die Bestimmungseinrichtung die Geschwindigkeit des Gegen­ standes aus der Dopplerverschiebung in den zwei gestreu­ ten Lichtstrahlen bestimmt.

6. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Empfangs­ system eine optische Empfangssonde (16) aufweist, mit einem Linsensystem mit einer konvexen Linse (10) und einer optischen Faser (2), und daß ein Fotodetektor (12) vorliegt, der das Laserlicht von der optischen Empfangs­ sonde empfängt.

7. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Empfangs­ system eine Linse mit einer konvexen Linse und einen Fotodetektor zum Empfangen des Lichtes direkt vom Linsensysten aufweist.

8. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendesystem eine optische Sende- und Empfangs­ sonde aus einer optischen Faser (20a), einer Kollimator­ linse (5) und einer konvexen Linse (6) aufweist, wobei das optische Empfangssystem diese Sonde enthält, die wiederum das am bewegten Gegenstand (9) gestreute Licht empfängt, mit einer optischen Sonde (20b), die das ge­ streute, von der optischen Sende- und Empfangssonde ge­ leitete Licht und auch das von der Sonde geleitete und an derem anderen Ende reflektierte Licht leitet, das durch einen optischen Richtungskoppler (3′) tritt und in einen Fotodetektor (12) fällt, der das Licht von der Sonde empfängt.

9. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Linse (6) und die Kollimatorlinse (5) des opti­ schen Sendesystem durch einen Träger (7) zusammengehal­ ten werden.

10. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Laser (1) emittierte Licht zum optischen Sendesystem durch den Raum gelangt.

11. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sendesonde im optischen Sendesystem und die op­ tische Empfangssonde im optischen Empfangssystem mitein­ ander vereint sind.

12. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sendesonde im optischen Sendesystem, das Lin­ sensystem und der Fotodetektor im optischen Empfangs­ system miteinander vereint sind.

13. Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sende­ system eine optische Faser (2) zum Leiten des Laser­ lichts vom Laser (1), eine Kollimatorlinse (5) zum Kolli­ mieren des Lichts von der optischen Faser in etwa parallel einen Strahlteiler (3) zum Aufspalten des Strah­ les von der Kollimatorlinse, zwei reflektierende Spie­ gel (17a, 17b) jeweils zum Reflektieren eines der vom Strahlteiler aufgespalteten Lichtstrahlen, und zwei konvexe Linsen (6) zum Kollimieren des Lichtes von den Spiegeln mit parallelem Verlauf im vorgegebenen Bereich aufweist (Fig. 10).

14. Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sende­ system eine optische Faser (2) zum Leiten das Laser­ lichts vom Laser (1), eine Kollimatorlinse (5) zum Kolli­ mieren des Lichtes von der optischen Faser auf parallelen Verlauf, und eine konvexe Linse (6) aufweist, zum Kolli­ mieren des Lichts von der Kollimatorlinse, um paralleles Licht im vorgegebenen Bereich zu erhalten, nachdem das Licht von der konvexen Linse durch eine optische Anord­ nung mit einem Strahlteiler (3) und zwei reflektierenden Spiegeln (17a, 17b) getreten ist (Fig. 11).

15. Geschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sende­ system mit dem optischen Empfangssystem zu einem Sensor­ kopf vereint ist.