Grundlagen der Velocimetrie

Laser Surface Velocimeter arbeiten nach dem Laser Doppler Prinzip und werten dabei das von einem bewegten Objekt zurück gestreute Laserlicht aus. Das zugrunde liegende Heterodyn-Verfahren ist eine sehr anspruchsvolle und hoch entwickelte Methode. Im Gegensatz zu herkömmlichen berührungslosen Verfahren, die nur den Geschwindigkeitsbetrag erfassen, kann ein Polytec LSV auch Richtungsänderungen und selbst den Stillstand des Objekts messen, wobei die Messgenauigkeit nicht von der Geschwindigkeit abhängt und damit auch noch sehr kleine Bewegungen präzise erfasst werden können.

Das Differenz-Dopplerverfahren

Die Messaufgabe an den bewegten Objekten, die prinzipiell beliebig lang sein können, erfordert einen Messaufbau mit einer Beobachtungsachse des Sensors senkrecht zur Bewegungsrichtung des Messobjektes. Polytec Velocimeter arbeiten nach dem so genannten Differenz-Dopplerverfahren. Hierbei werden 2 Laserstrahlen, die jeweils unter einem Winkel φ zur optischen Achse einfallen, auf der Oberfläche des Messobjektes überlagert. Für einen Punkt P, der sich mit der Geschwindigkeit v durch den Schnittpunkt der beiden Laserstrahlen bewegt, sind die Frequenzen der beiden Laserstrahlen gemäß der obigen Formel Doppler-verschoben.

Anschauliche Darstellung des Differenz- Doppler-Messverfahrens

Die beiden Laserstrahlen überlagern sich im Messvolumen, und erzeugen in diesem Raumgebiet ein Interferenzmuster von hellen und dunklen Streifen. Der Streifenabstand Δs ist eine Gerätekonstante, die von der Laserwellenlänge λ und vom Winkel zwischen den Messstrahlen 2φ abhängt:

             Δs = λ/(2 sin φ)

Bewegt sich ein Teilchen durch das Streifenmuster, so wird das von ihm zurückgestreute Licht in seiner Intensität moduliert.

Ein Photoempfänger im Messkopf erzeugt demzufolge ein Wechselstromsignal, dessen Frequenz fD direkt proportional zur Geschwindigkeitskomponente der Oberfläche in Messrichtung vp ist, und es gilt:

            fD = vp/Δs = (2v/λ) sin φ

  • fD = Dopplerfrequenz
  • vp = Geschwindigkeitskomponente in Messrichtung
  • Δs = Streifenabstand im Messvolumen

 

Der Wert λ/sinφ bildet die Maßverkörperung für die Geschwindigkeits- und Längenmessung. Er wird für jeden Messkopf exakt gemessen und ist auf dem Identifikationsaufkleber aufgedruckt.

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