DE4127528A1

DE4127528A1 - Verfahren und vorrichtung zur geschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE4127528A1
Application number: DE19914127528
Authority: DE
Inventors: Alexander W Dr Ing Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1993-02-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich tung zur Messung der Geschwindigkeit eines relativ zu einem Meßort bewegten Meßobjekts, wobei vom Meßort aus ein Meßstrahl auf das Meßobjekt gerichtet und der vom Meßobjekt reflektierte Strahl am Meßort ausgewertet wird. Derartige Radar- bzw. "Lider" (Light Detection and Ranging)-Meßvorrichtungen oder andere Anordnungen, bei denen Laufzeitdifferenzmessungen zur Auswertung herangezogen werden, sind in den verschiedensten Ausführungen bekanntgeworden. Derartige Meßverfahren ermöglichen zwar eine berührungslose Messung von einer vom Meßobjekt entfernten Stelle aus, sie sind jedoch im allgemeinen nur für schmale mittlere Geschwindigkeitsbereiche anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die bei hoher lokaler und zeit licher Auflösung über einen weiten Geschwindigkeitsbereich eine exakte Messung in allen drei translatorischen und allen drei rotatorischen Achsen gewährleisten.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Als Meßstrahl wird vorzugsweise ein Lichtstrahl verwendet, der z. B. mittels eines Dauer-Gaslasers oder mit einer Laserdiode erzeugt wird. Durch die Erfindung wird es möglich, auch sehr kleine Geschwindigkeiten exakt zu messen, beispielsweise die Geschwindigkeit der auf einer Oberfläche aufwachsenden Schich ten, wie sie bei Plasmaprozessen abgeschieden werden. Ferner wird es möglich, auf exakte Weise schwingende Membranen, aber auch die Bewegung von Fahrzeugen, Werkstücken oder dergleichen festzustellen.

Die Auflösungsgrenzen ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt:

a) die obere Meßgrenze ist gegeben durch die Grenzfrequenz f_g des verwendeten Detektors, und diese ergibt sich: v = λ₀ × f_g → f_g = v/λ₀wenn z. B. λ₀ = 1 µm, f_g = 1 MHz, dann ergibt sichv_max = 1 m/s.
b) Untere Meßgrenze: Die typische maximale Modulations frequenz f für den mechanischen Apparateteil 18 und den mitbewegten Spiegel 16 liegt in der Größenordnung von einigen 100 kHz. Die auflösbare relative Differenz frequenz liegt bei Δf = 1/1000. D.h. die absolute Differenzfrequenz liegt bei einigen 100 Hz. Dies entspricht einer meßbaren minimalen Geschwindigkeit 11 von v = Δf · λ₀ (1),wobei λ₀ die Wellenlänge des Laserstrahles ist. Für den verbreiteten HeNe-Laser mit seiner Wellenlänge von 632,8 nm bedeutet dies eine untere Meßgrenze vonv_min = 60 µm/s (2).

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß Objektgeschwindig keiten mit sehr hoher Auflösung durch eine einfache modulierte Interferenzanordnung erfaßt werden können. Die Anwendungen sind außerordentlich vielseitig. Als Beispiele seien nur genannt:

a) die Bewegung von Maschinenteilen in mehreren translato rischen Richtungen, und um drehende Achsen;
b) Oberflächenveränderungen an Bauteilen;
c) Stimmung der Aufwachsgeschwindigkeit von plasmadeponierten Schichten;
d) langsame Verschiebung von Bauwerken ohne Referenzmessung an einem festen Bauteil;
e) Kontrolle und Regelung von bewegten Abläufen in Prozeß straßen bei Fahrzeugen aller Art usw.

Zur Auswertung und Bestimmung der Geschwindigkeit kann die Differenz der beim Vorlauf bzw. Rücklauf des Bezugskörpers erzeugten Modulationsfrequenzen herangezogen werden. In diesem Falle ist die Geschwindigkeit bzw. die Frequenz, mit der der Bezugskörper schwingt, konstant. Es ist jedoch auch möglich, einen Nullabgleich in der Weise vorzunehmen, daß die Geschwin digkeit bzw. Frequenz des Bezugskörpers so lange geändert ,wird, bis kein Ausgangssignal mehr auftritt und in diesem Falle ist die Geschwindigkeit des Meßobjekts identisch mit der Geschwin digkeit des Bezugskörpers.

Die Differenzfrequenz-Messung ist insbesondere für kleine Geschwindigkeiten bis etwa 1 m/s anwendbar, während der Null abgleich theoretisch für alle Geschwindigkeitsbereiche anwend bar ist.

Durch den sich bewegenden Bezugskörper wird erreicht, daß sich die optische Weglänge zwischen Bezugskörper und Sensor auf mechanischem Wege ändert. Es ist jedoch auch möglich, die optische Weglänge auf optischem Wege kontinuierlich und periodisch zu ändern. Dies kann beispielsweise dadurch ge schehen, daß ein den Brechungsindex veränderndes Medium in den Strahlengang eingebracht wird. Dies kann eine rotierende Platte von variabler Dicke sein.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmeßvorrichtung;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der am Bezugskörper (Piezo quarz) anliegenden Steuerspannung (2a) und des Detektionssig nales für Geschwindigkeit des Meßobjekts =0 (Fig. 2b) und Geschwindigkeit des Meßobjekts ≠ 0 (Fig. 2c) in Abhängigkeit von der Zeit.

Das erfindungsgemäße Geschwindigkeitsmeßverfahren kann mittels einer Vorrichtung durchgeführt werden, die in einem kompakten tragbaren Gehäuse 1 untergebracht ist. Dieses Gehäuse 1 wird auf justierbare Stützen 4 aufgestellt. Ein von einem Laser 8 erzeugter kohärenter Strahl 5 tritt aus einer Blendenöffnung 2 des Gehäuses aus. Die Meßvorrichtung wird derart justiert, daß der Laserstrahl 5 auf das Meßobjekt 3 (wenn dieses genügend reflektionsfähig ist) oder einen mit dem Meßobjekt 3 fest ver bundenen Reflektor 6, beispielsweise einen Spiegel mit einem Durchmesser von ca. 5 mm trifft.

Das Meßobjekt bewegt sich in Richtung des Pfeiles 11 mit einer Geschwindigkeit v.

Der Laserstrahl 5 durchläuft zunächst eine optische Diode 12, z. B. einen Faraday-Rotator, die Reflexionen nach dem Laser resonator verhindert. Der Laserstrahl trifft auf einen Strahl teiler 13, welcher den Laserstrahl in einen nach dem Meßobjekt 3 laufenden Teilstrahl 7 und einen Teilstrahl 15 aufteilt, welch letzterer auf einen mit einem Piezoquarz 18 oder einem anderen Schwingungserzeuger verbundenen Spiegel 16 gerichtet wird. Statt dessem könnte die optische Weglänge auch kontinuierlich auf optischem Wege, z. B. durch Änderung des Brechungsindexes geändert werden. Der vom Meßobjekt 3 reflektierte Strahl 14 wird durch den Strahlteiler 13 nach einem Detektor 9 abgelenkt. Der vom Spiegel 16 reflektierte Strahl 17 durchläuft den Strahlteiler 13 und gelangt ebenfalls nach dem Detektor 9. Im Detektor 9 überlagert der reflektierte Strahl 17 den vom Meß objekt reflektierten Strahl 14. Der Piezoquarz 18 wird in Rich tung der Strahlen 15 bzw. 17 in Schwingungen versetzt und führt eine lineare Bewegung durch, was zu einer optischen Weglängen änderung und damit zu einer Phasenänderung in diesem Zweig des Gerätes führt, welches ein Interferometer bildet. Die reflek tierten Strahlen 14 und 17 interferieren und der Detektor 9 liefert ein Detektionssignal 19, das die in Fig. 2b gezeigte periodische Form 20 hat, wenn das Meßobjekt 3 in Ruhe befindlich ist. Die Frequenz dieses Signales hat dann für beide Bewegungs richtungen 21 (auf das Meßobjekt hin) bzw. 22 (vom Meßobjekt weg) des Piezoquarzes (Fig. 2a) den gleichen Wert. Schon gering fügig von 0 unterschiedene Bewegungen des Meßobjektes 3 in Rich tung des Pfeiles 11 führen zu einer Frequenzerhöhung 23 (Fig. 2c) für die Bewegungsrichtung 21 des Piezoquarzes 18 und einer ent sprechenden Frequenzerniedrigung 24 für die andere Richtung 22. Die Differenzfrequenz stellt ein direktes Maß für die Geschwin digkeit v des Meßobjektes 3 dar.

In der Auswerteeinheit 25 werden die Frequenzsignale 23, 24 digital abgespeichert und anschließend miteinander korreliert (gemischt). Ein Hauptoszillator 26 steuert über einen Hoch spannungstreiber 27 den Piezoquarz 18 an.

Die folgenden Verhältnisse ergeben sich bei den drei möglichen denkbaren Beziehungen zwischen Geschwindigkeit des Quarzes (v_q) und der Geschwindigkeit des Meßobjektes (v₃).

v_q zeige in Richtung 21, v₃ in Richtung 3:

a) v₃ = v_q: Signalfrequenz 23 erhöht,
Signalfrequenz 24 = 0
b) v₃ = v_q: Signalfrequenz 23 = 0
Signalfrequenz 24 erhöht
c) v₃ = v_q: Nur Differenzfrequenz zwischen 23 und 24 ändert sich.

Messung sehr kleiner Geschwindigkeiten (Beispiel)

Es sollen v₃≈0,1 mm/s gemessen werden, der Piezoquarz schwingt mit f_g=100 kHz; v₃ zeige in Richtung 11.

Signalfrequenz 23 wird zu f₂₃=100 kHz+Δf,
Signalfrequenz 24 wird zu f₂₄=100 kHz-Δf,
wobei

(λ₀=Laserwellenlänge).

Diese Differenzfrequenz muß gemessen werden; die relative Frequenzänderung beträgt hier

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Blendenöffnung
3 Meßobjekt
4 Stützen
5 Laserstrahl
6 Reflektor
7 Teilstrahl
8 Laser
9 Detektor
11 Bewegungsrichtung des Meßobjekts
12 optische Diode
13 Strahlteiler
14 reflektierter Strahl
15 Teilstrahl
16 Spiegel
17 reflektierter Strahl
18 Piezoquarz
19 Detektionssignal
20 periodische Form als Detektionssignal für v=0
21 Bewegungsrichtung Piezoquarz (auf Meßobjekt hin)
22 Bewegungsrichtung Piezoquarz (von Meßobjekt weg)
23 Frequenzerhöhung
24 Frequenzerniedrigung
25 Auswerteeinheit
26 Hauptoszillator
27 Hochspannungstreiber

Claims

1. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines relativ zu einem Meßort (1) bewegten Meßobjekts (3), bei welchem vom Meßort (1) aus ein Meßstrahl (5, 7) auf das Meßobjekt (3) gerichtet und der vom Meßobjekt reflektierte Strahl (14) am Meßort ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrahl (15) des Meßstrahles (5) auf einen sich hinsichtlich der optischen Weglänge ändernden Bezugskörper (16, 18) gerichtet und ein vom Bezugskörper reflek tierter Strahl (17) mit dem vom Meßobjekt (3) reflektierten Strahl (14) verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (5) ein Laserstrahl ist, der von einem Laser (8) über eine optische Diode (12) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper (16, 18) in Rich tung des Teilstrahles (15) bzw. des reflektierten Teilstrahles (17) eine mechanische Schwingungsbewegung ausführt und die reflektierten Strahlen (17, 14) zur Interferenz gebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge nach dem Bezugskörper durch periodische Änderung des Brechungsindexes bewirkt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der beim Vorlauf (21) bzw. Rücklauf (22) des Bezugskörpers erzeugten Modulations frequenzen (23, 24) ein Maß der Geschwindigkeit des Meßkörpers ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Bezugskörpers (17, 18) einstellbar ist und zur Differenzmessung ein Nullabgleich erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugskörper ein Piezoquarz (18) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Piezoquarz (18) angelegte Steuerspannung einen linearen Bewegungsablauf bewirkt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einem kompakten tragbaren Gehäuse (1) Laser (8) mit optischer Diode (12), Strahlteiler (16), Piezoquarz (16, 18) und Detektor (9) angeordnet sind, und daß durch eine Blendenöffnung (2) des Gehäuses der Laserteilstrahl (7) austritt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Geschwindigkeitsmessung mit dem Nullabgleich eines der beiden Signale 23 oder 24 erfolgt.