DE2206520B2 - Verfahren und Einrichtung zur Eliminierung eines systematischen Meßfehlers bei Laser-Geschwindigkeitsmessern - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Eliminierung eines systematischen Meßfehlers bei Laser-Geschwindigkeitsmessern

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Eliminierung eines systematischen Meßfehlers bei Laser-Geschwindigkeitsmessern, bei denen eine Meßstelle von mindestens einem von einer Laserlichtquelle erzeugten Lichtbündel beleuchtet wird, sowie auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessern, wie sie beispielsweise in »Laser und angewandte Strahlentechnik«, Nr, 3, S, 15 ff., 1971, beschrieben sind, tritt ein Meßfehler auf, der seine Ursache in der Natur der Erzeugung des Beleuchtungsstrahlenbündels hat:
Die Kaustik oder die Enveloppe des Strahlprofils eines Laserlichtbündels ist für den üblichen TEM00-Mode ein Rotationshyperboloid, mit durch die Resonatorgeometrie des Lasers bestimmten öffnungswinkel der Asymptoten, minimalem Fleckradiui, Ort des minimalen Fleckradius. Die Abbildung solcher Gauss-'scher Moden durch shärische Linsen oder Spiegel liefert wiederum Gauss'sche Moden jedoch mit verändertem minimalen Fleckradius an andere Stelle.
Bei Laser-Doppier-Geschwindigkeitsmessern hat man bislang dieser Tatsache wenig bzw. keine Bedeutung beigemessen, obwohl daraus Meßfehler bis zu 5% resultieren können. Derart hohe Meßfehler sind jedoch für gewisse Anwendungen, z. B. Erfassung der Werkstückgeschwindigkeit in Stahlwerken — dort werden Genauigkeiten besser als 0,5% gefordert —, nicht tragbar. Meßfehler führte man vielmehr hauptsächlich auf Unzulänglichkeiten der Meßwertverarbeitungseinrichtung oder auf das sehr häufig sehr geringe Signal/Rauschverhältnis des Photodetektor-Ausgangssignals zurück.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur Eliminierung von Meßfehlern der genannten Art anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 9, 11 und 12 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Auf diese Weise besitzt das einfallende Laserlicht im Bereich des Meßvolumens ebene Wellenfronten, die Ortsabhängigkeit der Frequenz des Dopplersignals in diesem Bereich verschwindet nahezu vollständig. Kleine Verschiebungen des Meßobjektes, ι. B. des Walzgutes, innerhalb des Fokussierungsvolumens liefern keine Frequenzänderung des Dopplersignals.
Anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen von Beleuchtungssystemen von optischen Anemometern wird die Erfindung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer an sich bekannten optischen Anemometeranordnung mit einem Beleuchtungssystem für Durchstrahlmessungen, an der das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer an sich bekannten optis.-hen Anemometeranordnung mit einem Beleuchtungssystem für Rückstrahlmessungen.
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optisehen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,
F i g. 5 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Meßfehlers von den optischen Parametern des Beleuchtungssystems.
In F i g. 1 wird ein von einer Laserlichtquelle 1, z. B. ein HeNe-Laser, erzeugtes Lichtbündel 2 mittels eines Strahlteilers 3, z. B. eine planparallele Platte oder ein Köstersches Prisma, in zwei Strahlenbündel 4 bzw. 5 aufgeteilt. Diese beiden Bündel treffen auf eine Linse 6 auf und werden auf das Meßvolumen 7 fokussiert. Dort treten sie in Wechselwirkung mit streuenden Teilchen eines durch den Pfeil 8 angedeuteten Strömungsfeldes. Aus dem resultierenden Streufeld wird ein aus Referenz- und Streustrahlenbündel bestehendes Sum-
menstrahlbündel 9 ausgeblendet und mittels einer weiteren Linse 10 auf einen Photodetektor 11, z.B. einen Photovervielfacher, fokussiert. An den Ausgang des Photodeteklors 11 schließt sich eine Meßwertverarbeitungseinrichtung 12 an. In dieser Einrichtung wird aus dem Photodetektor-Ausgangssignal (Dopplersignal) ein der Geschwindigkeit der streuenden Teilchen entsprechendes Signal gewonnen. Derartige Meßwertverarbeitungseinrichtungen sind beispielsweise aus der eingangs genannten Zeitschrift »Laser...« bekannt und werden aus diesem Grunde nicht näher erläutert.
Der Ort minimalen Fleckradius' ho der auf die Linse 6 auftreffenden Strahlenbündel 4 und 5 ist mit 13 bzw. 14 bezeichnet. Dieser Ort weist einen Abstand Z0 von der Linse 6 auf. Die Strahlenbündel 4 und 5 treffen in einem Abstand yo von der optischen Achse der Linse 6 auf diese auf. Die Linse 6 hat die Brennweite /ö. Die für die Strahlenbündel 4 bzw. 5 wirksame (meridionale) Brennweite ist mit /Jm bezeichnet. Zwischen Linse 6 und Zentrum des Meßvolumens 7 legen die Strahlenbündel 4' bzw. 5' einen Weg /zurück.
Wird nun im Falle der Anordnung gerr-_?.ß Fig. 1 zo annähernd gleich der wirksamen Brennweite !m der Linse 6 gewählt, so fällt der Ort minimalen Fieckradius' der Strahlenbündel 4' und 5' mit dem Zentrum des Meßvolumens 7 zusammen. Dieses Zur-Deckung-Bringen kann nun auf verschiedene Art und Weise bewerkstelligt werden:
a) Es wird der Abstand der LaserlichtquelL· 1 von der die Fokussierung auf das Meßvolumen 7 bewirkenden Linse 6 so eingestellt, daß die genannte Bedingung erfüllt ist (reelle Abstandsänderung).
b) Es wird der virtuelle Abstand y.v. ischen der Laserlichtquelle 1 und der genannten Linse verändert, wodurch ebenfalls der Ort minimalen Fleckradius' des auf das Meßvolumen auftrefienden Laserlichtes mit dem Zentrum des Meßvolumens 7 zur Deckung gebracht werden kann.
c) Es wird der Winkel zwischen der optischen Achse der Linse 6 und den auf diese auftreffenden Strahlenbündeln 4, 5, geändert, wodurch sich die von den Bündeln 4' bzw. 5' zurückgelegten Wege bis zum Zentrum des Meßvolumens 7 ändern.
Der optimale Abstand zo kann nun rechnerisch und experimentell genau bestimmt werden. Mit den Bezeichnungen der Fig. 1 gilt für zn folgende Beziehung:
Js, (=n - Jm)
- Js,)1 + Ι.ΤΗΪΪ /)2
II)
worin Λ die Wellenlänge des Laserlichtes bedeutet. Diese Beziehung ist dem Buch »Laser«, Springer Verlag Berlin 1969, S. 73, entnommen. Für dünne Linsen gilt nun I—f\i. Deshalb muß in (I) der zweite Summand verschwinden, d.h. zo = /m. Die Beziehung (I) gilt nur streng, wenn der halbe Öffnungswinkel der Bündel 4' und 5'sehr klein ist (cos/?== 1). Im Falle größerer Winkel β ist in (I) anstelle von Il/cos2 zu setzen.
Bei üblichen Laserlichtquellen liegt der Ort minimalen Fleckradius' in der Regel an der Stelle des Austritts des Lichtbündels. Die Wellenlänge und der minimale Fleckradius ist den Datenblättern des Laser-Herstellers entnehmbar. Auf diese Weise läßt sich der optimale Abstand rechnerisch ermitteln. Die reelle Änderung des Abstandes Z0 kann unter den genannten Voraussetzun-
gen leicht vorgenommen werden, indem der Abstand zwischen Laser und Linse 6 eingestellt wird.
Zur virtuellen Verschiebung schlägt die Erfindung eine aus einer konkaven Linse 15 und einer konvexen Linse 16 bestehende Anordnung vor (Fig.3). Durch Variation des Abstandes do zwischen beiden Linsen 15 und 16 läßt sich der Ort minimalen Fleckradius' nahezu beliebig verschieben. In einer Realisation einer Anordnung gemäß Fig.3 mit einem HeNe-Laser, einer konkaven Linse mit der Brennweite/15= —70 mm, einer konvexen Linse mit der Brennweite Zi6= 140 mm und einem Abstand do=7O mm ließ sich der Ort minimalen Fleckradius' durch Änderung von do um ±10 mm um mehr als 2000 mm verschieben, wobei der Ort minimalen Fleckradius sogar in den Laser hinein oder auf die der Lichtaustrittsstelle abgewandten Seite des Lasers (virtuell) verschoben werden konnte. Mit dieser Anordnung ändert sich selbstverständlich der minimale Fleckradius ho (typischer Wert für HeNe-Laser 0,3 mm). In dem betrachteten Fall betrug :r 0,6 mm, variierte jedoch nur noch unwesentlich ;n Abhängigkeit von seinem Ort.
Die experimentelle Bestimmung des optimalen Abstandes Z0 erfolgt auf die folgende Weise: An die Stelle des (unbekannten) Strömungsfeldes wird eine Art Referenzströmung gebracht, deren Geschwindigkeit konstant ist und die eine geringe Ausdehnung (kleiner als 0,1 mm) in Richtung der optischen Achse der Linse 6 aufweist. Eine derartige Referenzs'römung läßt sich beispielsweise durch eine rotierende diffus streuende Scheibe realisieren. Die Referenzströmung muß sich in der genannten Richtung verschieben lassen. Nach erfolgter Fokussierung der Linsen 6 und 10 wird die Lichtaustrittsstelle der Laserlichtquelle 1 — sofern an dieser Stelle das Lichtbündel minimalen Fleckradius aufweist — annähernd auf einen der wirksamen Brennweite der Linse 6 entsprechenden Abstand z0 gebracht. Beim Verschieben der Referenzströmung innerhalb des Fokussierungsbereiches (Größenordnung 0,1 — 1 mm) darf sich dann die Frequenz des Dopplersignals nicht ändern.
Meist wird es nicht gelingen, die angegebenen Bedingungen einzuhalten. Insbesondere bei langbrennweitigen Linsen wird man daher die virtuell; Änderung des Abstandes gemäß F i g. 3 anwenden, d. h. die Linsen 15 und 16 werden zwischen Strahlenteiler 3 und Laserlichtquelle 1 angeordnet. Der Abstand dn wird so eingestellt, daß sich beim Verschieben der Referenzströmung keine Frequenzänderung des Dopplersignals ergibt. Als Hilfsmittel hierzu kann die Lage des Ortes minima'en Fleckradius' in Abhängigkeit von cfe in Form einer Tabelle oder einer graphischen Darstellung erfaßt sein, die experimentell oder rechnerisch ermittelt worden sind. Dadurch wird die Justierung erheblich vereinfacht.
Wie oben ausgeführt worden ist, besteht neben der Verschiebung der Laserlichtquelle 1 die Möglichkeit, den Einfallswinkel der auf die Linse 6 auftreffenden Strahlenbündel 4 bzw. 5 zu verändern. Diese Änderung soll vorzugsweise symmetrisch erfolgen. Es ist vorteilhaft, hierzu einen besonders ausgebildeten Strahlenteiler, z. B. ein Koestersches Prisma, 7.u verwenden. Derartige Prismen sind beispielsweise aus dem »ABC der Optik«, Verlag Werner Dausien, Hanau, Main, I960, S. 399, Abb. 3, beki nnt. In F i g. 4 ist ein Beleuchtungssystem für optische Anemometer für Durchstrahlmessungen unter Verwendung eines Koesterschen Prismas 2 beispielsweise dargestellt. Durch Änderung des Finfalls-
winkeis λ lassen sich symmetrisch zur Symmetrieachse des Prismas, die mit der optischen Achse der Linse 6 zusammenfällt, die Einfallswinkel θ verändern.
Der optimale Einfallswinkel θ kann gemäß nachstehender Beziehung ermittelt werden.
tan <■> =
Vo(I
- vf, -
fs,)
In dieser Beziehung bedeutet yn die Höhe der einfallenden Strahlenbündel 4 bzw. 5 über der optischen Achse der Linse 6, A9 die Brennweite der Linse 6, f\f die für die Strahlenbündel 4 bzw. 5 wirksame Brennweite. /' ist der Beziehung (I) zu entnehmen, wenn dort /=/' gesetzt wird.
Zur experimentellen Bestimmung des optimalen Winkels θ wird auf ähnliche Weise wie bei der oben aufgeführten Verschiebungsmethode vorgegangen. Unter Zuhilfenahme einer verschieblichen Referenzströmung wird der Winkel so lange verändert, bis sich beim Verschieben der Referenzströmung in Richtung der optischen Achse der Linse 6 keine Frequenzänderung des Dopplersignals mehr ergibt.
Selbstverständlich lassen sich die Verschiebung der Laserlichtquelle 1 relativ zur Linse 6 bzw. deren virtuelle Verschiebung (Fig. 3) und die genannte Winkeländerung miteinander kombinieren.
In der graphischen Darstellung der Fig. 5 ist die Abhängigkeit zwischen dem Quotienten aus Abstand z0 und wirksamer Brennweite /!wund relativem Meßfehler Δν/ν aufgetragen. Dieser relative Meßfehler entsprictit einer Abweichung des Meßobjektes in Richtung der optischen Achse der Linse 6 um die Ausdehnung des Meßvolumens in dieser Richtung. Streuende Teilchen, welche sich durch die Randzone des Meßvolumens bewegen, liefern ein um diesen Fehler verschiedenes Dopplersignal also solche, welche sich durch das Zentrum des Meßvolumens bewegen. Dem Diagramm liegt eine Messung bei einem Beleuchtungssystem zugrunde, bei dem eine dünne Linse mit /ö = 284mm. /= Af= 285 mm verwendet wurde, ya betrug 20 mm. Der Winkel θ betrug in diesem Fa1I 0°. Das Diagramm verdeutlicht weiterhin die Auswirkung einer Winkeländerung, wenn der Quotient zo/fuvom Wert 1 abweicht. So ließ sich ein Fehler Δν/ν von 0.4%. der bei
auftrat, durch eine Änderung der Einfallsrichtung um Θ= 1,3' vollständig eliminieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren beschränk! sich nicht auf Durchstrahlsysteme gemäß Fig. I. So ist in Fig. 2 ein Beleuchtungssystem für Rückstrahlmessung beispielsweise dargestellt, bei dem sich analog zum System gemäß F i g. I der systematische Meßfehler durch das erfindungsgemäße Verfahren eliminieren läßt.
Dieses System besteht aus einer Laserlichtquelle I, einem Strahlteiler 3, der ebenfalls ein Koestersches Prisma sein kann, einer ersten Linse 6, welche die Fokussierung der beiden den .Strahlteiler 3 verlassenden Strahlenbündel 4 bzw. ϊ auf das Meßvolumen 7 bewirkt. Das rückgestreute Licht gelangt nach Durchtritt durch die Linse 6 auf eine weitere Linse 17. wird mittels einer Blende 18 ausgeblendet und fällt in den Lichtdetektor II. Eine derartige Anordnung wird häufig mit Interferenz- oder Fringe-System bezeichnet. Sie eignet sicn besonders zur Messung der Geschwindigkeit von undurchsichtigen Objekten.
Analog zu den Maßnahmen bei einem Beleuchtungssystem für Durchstrahlmessungen läßt sich bei einem solchen System der Meßfehler durch reelle oder virtuelle Änderung des Abstandes zwischen Laserlichtquelle und Linse 6 und/oder durch Änderung des genannten Einfallswinkels θ eliminieren. Die erfin dungsgemäßen Maßnahmen können auch bei anderen vergleichbaren Beleuchtungssystemen für optische Anemometer, insbesondere die in der genannter Zeitschrift »Laser..«. Nr. 3, S. 16, Abb. 1 bis 3. 197] beschriebenen Anordnungen, mit Vorteil zur Meßfehlereliminierung angewandt werden.
Bei optischen Anemometern mit Beleuchtungssystemen, bei denen keine, eine Fokussierung auf da; Meßvolumen bewirkende Linse oder Spiegel vorgese hen ist (z.B. in Abb. 3 auf S. 16 der zitierter Literaturstelle), kann der Meßfehler durch das erfin dungsgemäße »Zur-Deckung-bringen« des Ortes mini malen Fleckradius mit dem Meßvolumen ebenfalls mi Vorteil durch Änderung des Abstandes zwischer Laserlichtquelle und (in diesem Fall) dem Meßvolumer eliminiert werden. In dem Fall des genannten Beleuch tungssystems sind zwischen Laserlichtquelle und Strah len teiler (dort ein halbdurchlässiger Spiegel) zwe Linsen gemäß F i g. 3 vorzusehen. Durch Änderung vor db kann dann der virtuelle Abstand wie beschrieber verändert werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

  1. Patentansprüche:
    f. Verfahren zur Eliminierung eines systematischen Meßfehlers bei Laser-Geschwindigkeitsmessern, bei denen eine Meßstelle von mindestens eine;., von einer Laserlichtquelle erzeugten Lichtbündel beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort minimalen Fleckradius (wa) des die Meßstelle (7) beleuchtenden Laserlichtes annähernd mit dem Zentrum der Meßstelle zur Deckung gebracht wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein auf die Meßstelle (7) auftreffendes bzw. die Meßstelle durchsetzendes Lichtbündel fokussiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Laserlichfquelle (1) von der Fokussierung bewirkenden Linse (6) verändert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der reelle Abstand der Laserlichtquelle (1) von der Linse (6) verändert wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Abstand der Laserlichtquelle (1) von der Linse (6) verändert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel (Θ) des auf die die Fokussierung bewirkenden Linse (6) auftreffenden Laserlichtes verändert wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der virtuelle Abstand der Laserlichtquelle (1) von der MeßsteP . (7) geändert wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung ies Einfallswinkels (0) symmetrisch zur optischen Achse der Linse (6), welche die Fokussierung auf die Meßstelle (7) bewirkt, vorgenommen wird.
  9. 9. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 oder 7. dadurch gekennzeichnet, daß zur virtuellen Abstandsänderung eine aus mindestens zwei hintereinandergeschalteten Linsen (15, 16) bestehende Anordnung vorgesehen ist.
  10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mindestens eine konvexe (16) und eine konkave Linse (15) umfaßt.
  11. 11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 2 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (z0) des Ortes (13, 14) minimalen Fleckradius (w0) der auf die Linse (6) auftreffenden Lichtbündel (4, 5) von dieser Linse annähernd gleich der für diese Lichtbündel wirksamen Brennweite (4/) dieser Linse (6) ist.
  12. 12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Einfallswinkels (Θ) ein Koestersches Prisma (3) vorgesehen ist.
    ίο
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