Laser-Doppler-Velocimetrie

Laser Surface Velocimeter arbeiten nach dem Laser-Doppler-Prinzip und werten dabei das von einer bewegten Oberfläche zurückgestreute Laserlicht aus. Das zugrunde liegende Heterodynverfahren ist eine sehr anspruchsvolle und hochentwickelte 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.

Differenz-Doppler Verfahren

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 sogenannten Differenz-Doppler-Verfahren. Hierbei werden zwei 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 Doppler-Formel verschoben.

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 = (2vp/λ) sin φ
  • fD = Doppler-Frequenz
  • vp = Geschwindigkeitskomponente in Messrichtung
  • Δs = Streifenabstand im Messvolumen

Der Wert λ/sin φ bildet die Maßverkörperung für die Geschwindigkeits- und Längenmessung.

Heterodynverfahren

Bei Laser Surface Velocimetern des sogenannten heterodynen Verfahrens ist die Frequenz einer der beiden Messstrahlen um einen Offset von 40 MHz verschoben. Die Streifen im Messvolumen wandern dadurch mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Offsetfrequenz fB. Damit wird es möglich, die Bewegungsrichtung des Messobjektes zu erkennen, sowie bei der Geschwindigkeit Null zu messen. Die resultierende Modulationsfrequenz fmod am Photoempfänger beträgt im heterodynen Modus:

fmod = fb + vp / Δs = fb + (2vp/λ) sin φ

Die Modulationsfrequenz wird im Controller durch Fouriertransformation ermittelt und in den Messwert für die Geschwindigkeit vp umgewandelt. Die Längenmessung erfolgt durch Integration des Geschwindigkeitssignals.

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