DE3716249A1

DE3716249A1 - Vorrichtung zur messung der geschwindigkeit von lichtstreuenden bewegten objekten

Info

Publication number: DE3716249A1
Application number: DE19873716249
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr Dopheide; Michael Dipl Phys Faber; Guenter Dipl Phys Taux; Gerhard Dipl Ing Reim
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland
Priority date: 1987-05-15
Filing date: 1987-05-15
Publication date: 1988-12-01
Also published as: DE3716249C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Ge schwindigkeit von lichtstreuenden bewegten Objekten mittels Laserstrahlen, mit denen am Meßort eine periodische Intensitäts verteilung erzeugt wird, und mittels einer Detektionseinrichtung für vom Objekt gestreutes Licht.

Derartige Vorrichtungen sind als Laser-Anemometer bekannt. Sie dienen insbesondere zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten, wobei das strömende Fluid lichtstreuende Partikel aufweist. Die periodische Intensitätsverteilung wird in bekannter Technik dadurch erzeugt, daß zwei kohärente Laser-Teilstrahlen am Meßort ein virtuelles Interferenzmuster erzeugen. Aufgrund des Doppler effektes ist die Pulsfolgefrequenz für das von dem den Meßort durchquerenden Partikel gestreute Licht geschwindigkeitsabhän gig. Die Frequenzen können in bekannter Technik mit der Detek tionseinrichtung für das vom Objekt gestreute Licht ausgewertet werden.

Um ein stabiles Frequenzmuster am Meßort zu erzeugen, muß das Licht der Teilstrahlen eine ausreichende Kohärenzlänge aufwei sen, so daß in der Praxis bisher aufwendige Laser mit großem Platzbedarf verwendet worden sind. Durch die DE-OS 34 35 423 ist es bereits bekannt geworden, auch Laserdioden einzusetzen, wobei besondere Maßnahmen getroffen worden sind, um eine ausreichende Kohärenzlänge für das von den Laserdioden ausgesandte Licht zu erhalten und am Meßort ein stabiles Interferenzmuster zu erzeugen. Die Messungen sind in jedem Fall stark von äußeren Einflüssen abhängig, die durch entsprechende Regelmechanismen konstant gehalten werden müssen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine Messung auf kleinstem Raum möglich ist, die von äußeren Einflüs sen vergleichsweise unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß eine reelle periodi sche Intensitätsverteilung mit einem Laserdioden-Array erzeugt wird, auf dem eine Mehrzahl von Laserdioden in einem definierten Abstand voneinander angeordnet sind und dessen ausgesandtes Licht mit einer Fokussierungsoptik auf den Meßort fokussiert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht daher auf einem anderen und überraschend einfachen Prinzip der Erzeugung der periodi schen Intensitätsverteilung am Meßort. Während bisher das Licht einer einzigen Laserquelle regelmäßig in zwei Teilstrahlen aufgeteilt worden ist, um das Interferenzmuster zu erzeugen, benötigt die erfindungsgemäße Vorrichtung lediglich einen einzigen Strahl, der allerdings aus einer Vielzahl von in definierten Abständen zueinander angeordneten Laserdioden eines Laserdioden-Arrays stammt. Durch die Fokussierungsoptik wird das Licht der Mehrzahl von Laserdioden auf den Meßort abgebildet, so daß am Meßort ein reelles periodisches System von Intensitäts maxima entsteht, die einen Abstand von

Δ x = M × s

aufweisen, wobei s den Abstand der Laserdioden auf dem Laser dioden-Array und M den Abbildungsmaßstab bezeichnet.

Die Intensitätsmaxima bilden - im Gegensatz zum Laser-Anemometer - am Meßort ein reelles System von Lichtschranken, die von dem bewegten Objekt durchlaufen werden. Das beim Durchqueren der Lichtschranken gestreute Licht ist mit der Pulsfolgefrequenz fP moduliert, wobei gilt

f _P = v/ Δ x.

v bezeichnet die Geschwindigkeit des bewegten Teilchens.

Für die Auswertung kann sowohl auf das vorwärts gestreute Licht als auch auf das rückwärts gestreute Licht zurückgegriffen werden. Besonders die Auswertung der Streuung in Rückwärtsrich tung ermöglicht sehr kleine Sende- und Empfangsvorrichtungen zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen extrem einfachen Aufbau der Meßanordnung aus, bei der nur ein Sendestrahl benötigt wird. Zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten sind nur sehr kleine Sichtscheiben von einigen Millimetern Durchmesser erforderlich, so daß der Einsatz in schwer zugänglichen Gebieten möglich ist. Die Kohärenzforderungen an das Licht sind minimal. Es kann auch nicht-kohärentes Licht verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Messung der Geschwindigkeit von Festkör per-Oberflächen verwendet werden, wobei die Auswertung des rückwärts gestreuten Lichtes erfolgt.

Das Laserdioden-Arrays mit sehr hoher Ausgangsleistung reali sierbar sind, können auch Hochgeschwindigkeitsmessungen durchge führt werden. Bereits Submicron-Partikel reichen aus, um die Strömungsmessung durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in einfacher Weise auch zweidimensionale Geschwindigkeitsmessungen, indem zwei dimensionale mehrstreifige Arrays (multi stripe arrays) einge setzt werden.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 - den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Geschwindigkeitsmessung mit einem Laserdioden- Array und je einer Detektionseinrichtung zur Detektion des vorwärts bzw. rückwärts gestreuten Lichts

Fig. 2 - eine Darstellung der Intensitätsverteilung am Meßort

Fig. 3 - schematisch den Aufbau eines Laserdioden-Arrays mit der zugehörigen Nahfeldverteilung

Fig. 4 - eine schematische Darstellung eines zweidimensio nalen Laserdioden-Arrays.

Fig. 1 läßt erkennen, daß das von einem Laserdioden-Array 1, das anhand der Fig. 3 näher erläutert wird, ausgesandte Licht von einer Fokussierungsoptik 2 auf einen Meßort fokussiert wird. Der Meßstrahl weist in Richtung x, die mit der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit v eines Fluids übereinstimmt, eine Intensitäts-Nahfeldverteilung 4 auf, die in Fig. 2 dargestellt ist. Entsprechend der Anzahl der Laserdioden des Laserdioden- Arrays sind Intensitätsmaxima vorhanden, die von dem mit Strömungsgeschwindigkeit v bewegten Partikel durchlaufen werden. Zur Auswertung des in Vorwärtsrichtung gestreuten Lichts dient eine in Vorwärtsrichtung angeordnete Linse 5, die das gestreute Licht auf den Eingang als Avalanche-Diode ausgebildeten Foto diode 7 fokussiert. Das durch das strömende Fluid transmittierte Licht des Meßstrahls wird von einer Strahlfalle 6 hinter der Linse 5 abgeblockt.

Zur zusätzlichen oder alternativen Auswertung des rückwärts gestreuten Lichts ist ein ringförmiger Spiegel 8 vorgesehen, dessen Ringmittelpunkt in der optischen Achse des Sendestrahls liegt, so daß dieser ungehindert durch den Ringspiegel 8 hindurchtreten kann. Das rückwärts gestreute Licht wird durch den schräggestellten Ringspiegel 8 ausgekoppelt und gelangt auf eine Linse 9, die das gestreute Licht auf den Eingang einer der Fotodiode 7 entsprechenden Fotodiode 10 fokussiert.

Fig. 3 verdeutlicht den Aufbau eines Laserdioden-Arrays 1, wie es in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet wird. Auf dem Laserdioden-Array sind sieben Laserdioden 11 in einem konstanten Abstand s voneinander linear benachbart angeordnet. Da die Laserdioden 11 auf einem gemeinsamen Substrat 12 angeordnet sind, ist ihre Strahlung im allgemeinen phasengekoppelt, wobei die Phasenverschiebung 0 oder 180 Grad sein kann.

Das von dem Laserdioden-Array 1 ausgesandte Licht hat eine Nahfeldverteilung, die in Fig. 3 mit verdeutlicht ist. Entspre chend der Zahl der Laserdioden 11 weist die Nahfeldverteilung sieben gleiche Intensitätsmaxima auf, die einen räumlichen Abstand s voneinander haben. Diese Nahfeldverteilung wird über die Abbildung mit der Fokussierungsoptik 2 am Meßort 3 als die in Fig. 2 dargestellte Nahfeldverteilung 4 abgebildet, wobei der Abstand der Intensitätsmaxima nunmehr Δ× = M × s beträgt, wenn M den Abbildungsmaßstab angibt.

Statt des Laserdioden-Arrays 1 kann in der Anordnung gemäß Fig. 1 auch ein Laserdioden-Array 13 verwendet werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Das Laserdioden-Array 13 weist eine zweidimensionale Anordnung der Laserdioden 11 auf, wobei in dem dargestellten Ausführungs beispiel sechs Streifen 14 von jeweils sieben Laserdioden 11 vorhanden sind. Jeder Streifen 14 entspricht dem einzigen Streifen des Laserdioden-Arrays 1. Die Streifen 14 weisen einen Abstand D voneinander auf. Das Laserdioden-Array führt zu einer Nahfeldverteilung von 6×7 Intensitätsmaxima, die in x-Richtung einen Abstand s und in z-Richtung einen Abstand D voneinander aufweisen. Mit dem Abbildungsmaßstab M wird diese Nahfeldvertei lung auf den Meßort 3 abgebildet, so daß nicht nur die Messung der Geschwindigkeitskomponente in Richtung x, sondern auch die Messung der Geschwindigkeitskomponente in Richtung z möglich ist. Damit sind auch schräg in der Ebene x-z bewegte Partikel in ihrer wahren Geschwindigkeit meßbar.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit von lichtstreu enden Objekten mittels Laserstrahlen, mit denen am Meßort (3) eine periodische Intensitätsverteilung (4) erzeugt wird, und mittels einer Detektionseinrichtung (5, 7; 8, 9, 10) für vom Objekt gestreutes Licht, dadurch gekennzeichnet, daß eine reelle periodische Intensitätsverteilung (4) mit einem Laserdioden-Array (1, 13) erzeugt wird, auf dem eine Mehrzahl von Laserdioden (11) in einem definierten Abstand (s, D) voneinander angeordnet sind und dessen ausgesandtes Licht mit einer Fokussierungsoptik (2) auf den Meßort (3) fokus siert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserdioden-Array (13) als zweidimensionales, mehrstreifiges Array ausgebildet ist.