EP2646770A1 - Vorrichtung zur nicht-inkrementellen postions- und formvermessung bewegter festkörper - Google Patents

Vorrichtung zur nicht-inkrementellen postions- und formvermessung bewegter festkörper

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EP2646770A1
EP2646770A1 EP11810556.8A EP11810556A EP2646770A1 EP 2646770 A1 EP2646770 A1 EP 2646770A1 EP 11810556 A EP11810556 A EP 11810556A EP 2646770 A1 EP2646770 A1 EP 2646770A1
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EP
European Patent Office
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fiber
lens
grating
elements
detection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11810556.8A
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French (fr)
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Thorsten Pfister
Lars Buettner
Juergen Czarske
Florian Dreier
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Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver

Definitions

  • the invention relates to a device for non-incremental position and shape measurement of moving solids for process measurement, the device includes a laser Doppier distance sensor in wavelength division multiplexing with at least two different wavelengths ⁇ , ⁇ 2 and with a nodular, fiber optic probe in its sensor structure .
  • the sensor structure of the laser Doppers distance sensor contains two further modules, which are fiber optically connected to the measuring head:
  • the detection unit wherein in the detection unit, the bichromatic scattered light is split into the two wavelengths corresponding to the different wavelengths ⁇ , ⁇ ⁇ 2 and then detected separately by means of two photodetectors and wherein the detection unit is connected to an evaluation unit in which the signal evaluation according to the principle of laser Doppler Distance sensor is designed to determine the position, speed and shape of the solid.
  • the precise, non-contact and absolute position and shape measurement of moving solids is an important problem particularly in the monitoring of turbomachinery. Improving the operational safety, the service life and, in particular, the energy efficiency of engines and turbomachines, such as electric motors, engines, generators or gas and steam turbines, is of great interest from an environmental point of view.
  • the control or knowledge of the rotor dynamics is of crucial importance in order to minimize losses and wear. Due to the extreme environmental conditions (high temperatures, pressure fluctuations, oscillations, electromagnetic fields) and the occurring high speeds up to the supersonic range, however, there are hardly any suitable measurement methods with which dynamic rotor deformations and blade vibrations during operation can be performed precisely and with the necessary high time resolution can be detected metrologically. In addition, the smallest possible miniature sensors are necessary here, which must be both robust and temperature-resistant.
  • Capacitive or inductive sensors are used as standard for gap width and vibration measurements in turbo machines. These are printed in the publications AG Sheard, SG OOonnetl, JF Stringfellow: High Temperature Proximity Measurement in Aero and Industrial Turbomachinery, Journal of Engineering Gas Turbines and Power 121, p 167-173, 1999, T. Fabian, FB Prinz, G. Brasseur: Capacitive sensor for active tip clearance control in a palm-sized gas turbine generator, IEEE Trans. Instrum. Meas. 54, pp. 1133-43, 2005, A. Steiner: Techniques for blade tip measurements with capacitive probes, Meas. Be. Technol. 11, pp. 865-9, 2000; C. Roeseier, A.
  • DMS Strain gauges
  • Optical methods work quickly and without contact and offer, due to the principle of the small laser wavelengths, a high resolution.
  • the measurement rate in most optical distance sensors either by mechanical scanning processes (TD-OCT, autofocus sensor) according to the publications A. Kempe, S. Schlamp, T. Rösgen: Low-coherence interferometric tip-clearance probe, Opt. Lett. 28, pp. 1323-5, 2003 and A. Kempe, S. Schlamp, T. Rösgen, K. Haffner: Spatial and Temporal High-Resolution Optical Tip-Clearance Probe for Harsh Environments, Proc 13th Int. Symp.
  • Tagashira Optical blade-tip clearance sensor for non-metal gas turbine blades, J. Gas Turbine Soc. Japan (GTSJ) 29, pp. 479-84, 2001 and E. Shafir and G. Berkovic: Expanding the realm of fiber optic confocal sensing for probing position, displacement, and velocity, Appl. Opt. 45, pp. 7772-7777, 2006,
  • Laser Doppler vibrometer as described in the document A. J. Oberholsten P.S. Heyns: Online condition monitoring of axial-flow turbomachinery blade-s using rotor-axial Eulerian laser Doppler vibrometry, Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 23, pp. 1634-1643, 2009
  • the design is based on the laser Doppler distance sensor whose operating principle is described in the publications T. Pfister: Investigation of novel laser Doppler methods for position and shape measurement of moving solid surfaces, Shaker Verlag, Aachen, 2008, T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske: Laser Doppler profile sensor with sub-micrometre position resolution for velocity and absolute radius measurements of roincing objects, Meas. Be. Techno). 16, pp. 627-641, 2005, J. Czarske, L. Büttner, T. Pfister: Laser Doppler Distance Sensor and its Applications, Photonik 5/2008, p. 44-47 and T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, H. Krain, R.
  • Schodl Turbo machine tip clearance and vibration measurements using a fiber optic laser Doppler position sensor, Meas. Be. Technol. 17, pp. 1693-1706, 2006 and DE 10 2004 025 801 A1 and which is based on the generation of two interference fringe systems superimposed in a common measuring volume, of which at least one is fan-shaped. Ideally, both are fan-shaped with opposite orientations: A convergent strip system according to FIG. 1b, in which the strip spacing along the z-axis (corresponds to the optical axis) is continuously reduced. takes, and a divergent strip system according to Fig. 1a, in which the interference fringe spacing increases continuously accordingly.
  • the interference fringe systems are described by a fringe spacing function di (z) and d 2 (z), respectively.
  • the convergence or divergence of the interference fringes is achieved by utilizing the wavefront curvature of laser beams.
  • the beam waist of the Gaussian beam is placed in front of the measuring volume in order to produce a diverging strip system.
  • the adjustment of the beam waist behind the measurement volume results in a converging strip system.
  • the two stripe systems must be physically distinguishable, which can be achieved, for example, by different laser wavelengths (wavelength division multiplexing), carrier frequencies (frequency multiplexing), etc. If a scattering object traverses the measurement volume, then the scattered light can be separated from and assigned to the two strip systems, so that two Doppler frequencies fi and can be determined. The quotient of these two Doppler frequencies q ⁇ ).
  • the scattering object velocity v x no longer depends on the scattering object velocity v x and can thus be used as a calibration function for determining the axial position z of the scattering object within the measurement volume. This represents a progress compared to the conventional LDV.
  • the actual strip spacings d.sub.z) and d.sub.2 (z) can then be determined from the strip pitch profiles known from the previous sensor calibration. Together with the two Doppler frequencies, the scattering object speed then results
  • FIG. 2 schematically summarizes the operating principle of the laser Doppler distance sensor and shows how the axial object position z can be determined absolutely and independently of the additionally measured lateral object velocity v x from the measured Doppler frequencies fi and f2.
  • the 2D form of rotating solids can be determined absolutely and with sub-micron resolution using the laser Doppler distance sensor according to DE 10 2004 025 801 A1. Due to the non-incremental measuring principle, an absolute position and shape measurement is also possible with sudden changes in radius, as is described, for example, in US Pat. in the case of bladed rotors occur between the individual rotor blades, possible.
  • the essential feature of the laser Doppler distance sensor is that its measurement uncertainty, in contrast to conventional distance sensors inherently independent of the object speed, so that at the same time a high measurement rate up to the MHz range and high position resolution can be achieved down to the submicron range.
  • the laser Doppler distance sensor is predestined for the precise and time-resolved measurement of deformations and vibrations of fast rotating components (turned parts, shafts, rotors of engines and turbomachines). This has already been successfully demonstrated by test measurements on a transonic radial compressor of the German Aerospace Center (DLR) at speeds of up to 50,000 rpm and peripheral speeds of up to 600 m / s, as described in the publications T. Pfister, L. Büttner, J.
  • DLR German Aerospace Center
  • a first design which can also be used in commercial LDV sensors, is mainly used for frequency multiplex sensor assemblies.
  • a fiber-optic measuring head with four transmitting fibers for the four partial beams of the total of two interference fringes of the laser Doppler distance sensor is used, which are using a separate optics and then aligned to a common point of intersection. This can be done by means of a common front lens or by means of separate optics for the four transmitted beams.
  • another glass fiber or optics for the scattered light detection is needed, so that a total of five separate glass fibers must be supplied to the measuring head.
  • Such a measuring head can be used in principle for all known multiplexing techniques (wavelength, polarization, frequency and time multiplex) and there are also ways to miniaturize this probe.
  • the difficulty is that in particular the four transmission optics both with respect to the beam direction and with respect to the beam waist days must be aligned and adjusted very precisely to each other, which is mechanically very complex and limits the miniaturization.
  • mechanical interference and in particular temperature changes are a major problem with such a measuring head since this alters the alignment of the four transmitting optics so that in the worst case the four transmitting beams do not intersect, making a measurement completely impossible.
  • this design not only miniaturization limits, but also a use especially at high temperatures or under harsh Environmental conditions is not possible or only with great technical effort.
  • a laser beam is split by acousto-optical modulators (AOMs) and a Strahlteiferorulfei into four sub-beams with frequency shift from 0 to 120 MHz and coupled with Kollimationsiinsen in single mode fibers.
  • AOMs acousto-optical modulators
  • Strahlteiferorulfei a Strahlteifer Jewishfei into four sub-beams with frequency shift from 0 to 120 MHz and coupled with Kollimationsiinsen in single mode fibers.
  • the individual partial beams are collimated with separate optics and here brought to cross over with a common front lens in the measuring volume.
  • a further optical system with a Muitimode fiber is provided, which can be integrated in the measuring head and images the scattered light onto a photodetector.
  • the electrical output signal of the photodetector is split with a power divider and down-mixed with the carrier frequencies of the two measurement channels in the baseband. In order to prevent aliasing effects and to eliminate unwanted frequency components, the two resulting baseband signals are filtered with a low pass.
  • the adjustment is complicated in the measuring head used and, in addition, the robustness to vibrations or temperature gradients is problematic.
  • Second construction version The second design with wavelength division multiplexing shown in FIG. 4 according to the publications T. Pfisten Investigation of novel laser Doppler method for position and shape measurement of moving solid surfaces, Shaker Verlag, Aachen, 2008 and T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske: Laser Doppler profile sensor with sub-micrometre Position resofution for velocity and absolute radius measurements of rotating objects, Meas. Be. Technol. 16, p. 627-641, 2005 comprises two laser diodes of different emission wavelength whose light fields are superimposed by means of a dichroic mirror and focused on an optical transmission diffraction grating. The +1. Diffraction order and the -1.
  • the diffraction order of the grating in each case forms the two partial beams for the two interference fringe systems of the laser-duplex distance sensor and are mapped into the measuring volume by means of a Kepplerteieskops.
  • the scattered light is detected in the reverse direction and divided back into the two wavelengths ⁇ and ⁇ 2 with a second dichroic mirror and detected separately.
  • the third construction is a further development of the second construction with regard to higher robustness and lower complexity, as described in the publications T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, H. Krain, R. Schodl: Turbo machine tip clearance and vibration measurements using a fiber optic laser Doppler Position sensor, Meas. Be. Technol. 17, pp. 1693-1705, 2006, L. Büttner, J. Czarske, H. Knuppertz: Laser Doppler velocity profile sensor with sub-micrometer spatial resolution employing ftber-optics and a diffractive fens, Appl. Opt. 44, no. 12, pp. 2274-2280, 2005 and T. Pfister: Investigation of novel laser Doppler method for position and shape measurement of moving solid surfaces, Shaker Verlag, Aachen, 2008 is described.
  • FIG. 5 it is a modular structure of the laser Doppler distance sensor 10, which is divided into three units, which are interconnected via optical fibers: A light source unit 2 with two fiber-coupled, transversely singlemode laser diodes 21, 22 different Wavelength ⁇ 1 and whose light fields are merged via a fiber fusion coupler 23 into a single mode fiber 24, a purely passive fiber-coupled measuring head 3 and a detection unit 4 for wavelength-dependent separation and detection of the scattered light 6, wherein the measuring head 3 and the detection unit 4 via a detection fiber 5 for the transmission of the scattered light 6 in conjunction.
  • the special feature is that, in contrast to the second construction, only one transmission fiber 24 is necessary, in which both wavelengths Ai and A2 are guided to the measuring head 3.
  • a deictive lens 25 DOE
  • DOE deictive lens 25
  • dispersion is inherently about 30 times stronger than with refractive lenses according to the publication L. Büttner, J. Czarske, H. Knuppertz: Laser Doppler velocity profile sensor with sub- micrometer-spatial-solution employing fiber-optics and a diffractive lens, Appl. Opt. 44, no. 12, pp. 2274-2280, 2005.
  • diffractive optics is used in standard LDV sensors with only one measurement channel, i. with only one interference fringe system, already used recessed.
  • the entire transmission optics is integrated into a diffractive micro-optical element which contains a sub-element (for example a grating) for dividing the laser beam into two sub-beams and two subsequent deflection elements for the subsequent superposition of the sub-beams. Examples of these are shown in FIGS. 6 and 7 in accordance with the publications W Stork, A. Wagner, C. Kunze: Laser Doppler Sensor System for Speed and Length Measurements at Moving Surfaces, Proc.SPIE, Vof. 4398, 106, 2001 and D. odarress et al., Measurement Science Enterprise Inc. (Pasadena, Calif., USA) in cooperation with VioSense Corporation (2400 Lincoln Ave., Altadena, California 91001, USA).
  • Fig. 6 shows a miniature laser Doppler veto-zimeter (LDV) with diffractive micro-optical element
  • Fig. 7 shows a planar integrated miniature laser Doppler velocimeter (LDV) with a planar integrated icro-beam splitter and with two focusing diffractive elements for beam combination represents.
  • LDV miniature laser Doppler veto-zimeter
  • Fig. 7 shows a planar integrated miniature laser Doppler velocimeter (LDV) with a planar integrated icro-beam splitter and with two focusing diffractive elements for beam combination represents.
  • the diffractive structures can be applied to different substrates or to only one glass substrate, with the front and back sides of the glass substrate according to FIG. 6 also being usable.
  • focusing elements can also be realized by means of the diffractive structures.
  • the invention has for its object to provide a device for non-incremental measurement of position and shape of moving solids, which is designed so suitable that the device can be minimized turistert so strong that they are in the same way as capacitive encoder in the Integrating the housing of a turbomachine and allowing the laser Doppler distance sensor to withstand high temperatures of several hundred degrees Celsius without the need for active cooling.
  • the object is solved by the features of patent claim 1.
  • the device for non-incremental positron and shape measurement of moving solids contains a wavelength division multiplexed laser Doppler distance sensor with at least two different wavelengths Ai and K and with a modular, fiber-optic measuring head in its sensor structure,
  • the sensor structure of the laser Doppler distance sensor includes two further modules which are fiber optically connected to the measuring head: a light source unit and a detection unit,
  • the bichromatic scattered light is split into the different wavelengths ⁇ , and A 2 corresponding to the two measuring channels and then detected separately by two photodetectors, and
  • the detection unit is connected to an evaluation unit, in which the signal evaluation is carried out according to the principle of the laser Doppler distance sensor for determining the position, speed and shape of the solid, wherein according to the characterizing part of patent claim 1 the measuring head is designed as a modular passive, fiber optic dHTrakttver miniature measuring head,
  • the bichromatic laser light beam emitted from the transmitting fiber by means of a beam splitting grating in each case two partial beams in the +1. Settlement Ordinance and the -1.
  • Splits diffraction order which are brought by means of two downstream deflection elements in a local area, which represents the common measurement volume, and that in front of the beam-splitting grating, a lens is arranged, which focuses the laser beam emitted from the transmitting fiber laser beam in the environment of the measuring volume, wherein by the chromatic aberration (dispersion) of the lens, a separation of the beam waist in z-direction is such that the beam waist for the one wavelength ⁇ before the measurement volume and the beam waist for the other wavelength ⁇ 2 are behind the measurement volume.
  • the lens may be a diffractive lens or a refractive lens, preferably an aspheric.
  • the radiating grating may be a reflection tone grating or a transmission diffraction grating, preferably the sub-beams of the +1. Diffraction order and the -1. Adjusts diffraction order favoring.
  • the deflection elements may be diffractive gratings whose lattice constant is smaller than the lattice constant of the beam-dividing lattice and which are preferably oriented to the formation of the beam bundles of only one diffraction order (+1 or -1).
  • the beam-splitting grating and the two deflection elements can be arranged on the front and back of a substrate.
  • the device has the following parameters
  • the radiation of the laser beams for the two different wavelengths ⁇ and ⁇ 2 are sufficiently increased to waist radii where or w 0, 2 in the vicinity of the measurement volume, so that from the resulting expansion of the interference fringe systems in the z-direction, the desired measurement range length - 2V2-where ,, / sin ⁇ (-1.2) results and that a sufficiently large number of interference fringes (typically 10 10) is present in the measurement vowel, wherein the angle ⁇ is half the crossing angle between the sub-beams bundling in the measurement volume,
  • the beam waist is located for the one wavelength ⁇ before the measurement volume and for the other wavelength A 2 behind the measurement volume, and preferably each about 1-2 times the Rayleigh length from the intersection in the measurement volume.
  • the scattered light detection can take place in the sideways direction or in the backward direction.
  • the scattered light can be coupled into a detection fiber (Muttimodemaschine MMF), which is preferably arranged parallel to the transmitting fiber (Sing! Emodemaschine SMF).
  • a deflecting element preferably a wedge prism
  • the adjustment of the detection optics can be made such that a displacement of the prism by means of a displacement / rotating device in the direction of optical axis (z-direction), the radial position of the scattered light spot is adjusted and the azimuthal position of the scattered light spot using the displacement / rotating means via a rotation of the wedge prism can be changed, wherein alternatively an adjustment of the detection optics on the position (azimuthal, radial ) of the detection fiber is reachable.
  • diffractive elements can be used that are located in the vicinity of the beam splitter.
  • the lens in front of the radiation splitting grating may be integrated in the substrate.
  • the beam-dividing grating located in the substrate can be a reflection grating and deflecting elements for guiding the partial beams to the deflecting elements can be present in the substrate.
  • a single optical fiber may be used for transmitted light beams and scattered light detection, e.g. can also be designed as Doppterkernmaschine, passed through the SMF core, the bichromatic transmitted light to the measuring head and their MMF Kem is used for the dissipation of scattered light.
  • optical elements of the transmission optics and of the receiving optics can be integrated on a substrate, with possibly additional deflecting elements being necessary and the beam path also being folded.
  • the effect of the lens may also be integrated into the grating, the deflectors or the deflecting elements in a diffractive or holographic manner. All optical elements can be designed to be transmissive or reflective.
  • the diffractive elements can also be designed holographically.
  • the integration of the optical elements or the light pipe within the substrate can also be realized by means of light waveguide technology, for which photonic crystal structures can also be used.
  • temperature-resistant quartz glass For all optical elements, preferably lens, wedge prism, and for the substrates of the diffractive elements, preferably beam-splitting grating and deflecting elements, temperature-resistant quartz glass can be used.
  • the entire measuring head can be designed for high ambient temperatures without the need for active cooling, using quartz glass optics, high-temperature fibers and special materials for the housing, which can be Zerodur, ceramic or high-temperature steel.
  • the device can also be realized by means of time-domain multiplexing (TDM), wherein an adaptive optics are simultaneously integrated in the measuring head.
  • TDM time-domain multiplexing
  • the device can thus be provided with diffractive grating optics in combination with fiber optics as well as a special dispersion management unit, with which the device can be miniaturized very easily, whereby only a very small number of optical components is needed. Furthermore, the device can be designed with a manageable effort using manageable quartz glass optics, high-temperature fibers and special materials for the housing for high ambient temperatures, without the need for active cooling.
  • three diffractive gratings as is already known for standard LDV sensors, are used for the first time in combination with a special dispersion management for the realization of the laser Doppler distance sensor.
  • the device according to the invention for the first time permits a highly miniaturized, fiber-coupled construction of the laser Doppler distance sensor which, in addition, requires only one fiber-optic access path for the connection.
  • all optics can be relatively easily made of the above-mentioned quartz glass and the adjustment effort is low.
  • FIG. 1 shows a diverging (left) interference fringe system - FIG. 1a - and a converging (right) interference fringe system - FIG. 1b wherein the two fringe systems of different wavelengths of light ⁇ 1 and ⁇ 2 are superimposed in one measuring area and by measuring the resulting two Doppler Frequencies both the axial position z and the velocity (x-component) of a scattering object can be determined, according to the prior art,
  • interference fringes di (z) and di (z) depending on the position z, 3 shows a structure of the laser Doppler distance sensor with Freufquenzmultiplex and fiber optic measuring head, wherein the prior art, the stray light detection for the sake of clarity in Vorwörtsoplasty is shown, but takes place in practice in the reverse direction,
  • Fig. 5 shows a modular design of the laser Doppler distance sensor
  • Wavelength-division multiplex using a purely passive, fiber-coupled diffractive lens (DOE) optical measuring head according to the prior art
  • LDV laser Doppler velocimeter
  • LDV planar integrated miniature laser Doppler velocimeter
  • Fig. 8 shows a fiber-coupled miniature measuring head according to the invention, wherein
  • FIG. 8b shows a scattered light cone which is deflected by a prism and focused on the multimode fiber (MMF) via the lens (asphere), FIG.
  • FIG. 9a shows a beam path of the transmitted light fields for the two different wavelengths A 1 and ⁇ 2 , whose waist positions are marked by crosses, and
  • FIG. 9b shows a scattered light cone which is deflected by a prism and focused on the multimode fiber (MMF) via the lens (asphere), FIG.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a fiber-coupled miniature measuring head according to the invention, in which all the optical elements are integrated on a substrate and a double-core fiber is used, wherein FIG. 10a shows a beam path of the transmitted light fields for the two different wavelengths Ai and A 2 , whose waist positions are indicated by crosses are marked, and
  • Fig. 10b is a rotated by 90 ° sectional image to the beam path for the
  • the device 1 for non-incremental position and shape measurement of moving solids 7 shown in FIG. 8 contains a wavelength-division multiplexed laser Doppler distance sensor 10 with at least two different wavelengths Ai and A 2 and with a modular, fiber-optic measuring head 30 in its sensor structure.
  • the sensor structure of the laser Doppler distance sensor 10 contains two further modules, which are fiber optically connected to the measuring head 30: a light source unit 2 and a detection unit 4,
  • two laser beam bundles 37 of different wavelengths Ai and A 2 are coupled into at least one glass fiber (singlemode fiber - SMF) 24,
  • the bichromatic scattered light is split into the different wavelengths At and ⁇ 2 corresponding to the two measuring channels 41, 42 and subsequently detected separately by means of two photodetectors 43, 44, and the detection unit 4 is connected to an evaluation unit 8, in which the signal evaluation according to the principle of the laser Doppler distance sensor 10 for determining the position, speed and shape of the solid 7 is executed.
  • the measuring head is designed as a modulated, passive optical fiber diffractive miniature measuring head 30 with dispersion management, which transmits the bichromatic laser light beam 37 emitted from the transmitting fiber (SMF) by means of a beam splitting grating 26 into two partial beam bundles 27, 28 in the +1. Diffraction order and -1.
  • SMF transmitting fiber
  • the lens 32 is a dif ractive lens or refractive lens, preferably an aspheric.
  • the beam-splitting grating 26 is a reflection grating or a transmission diffraction grating, which preferably the partial beams of the +1. Diffraction order and the -1. Adjusts diffraction order favoring.
  • the deflection elements 29, 40 represent diffractive gratings whose lattice constant is smaller than the lattice constant of the beam-dividing lattice 26 and which are preferably oriented to the formation of only one diffraction order (+1 or -1).
  • the beam-splitting grating 26 and the two deflection elements 29, 40 can be arranged on the front side 1 1 and rear side 12 of a substrate 47.
  • the beam waist 33 is located for the one wavelength Ai before the measurement volume 31 and the beam waist 34 for the other wavelength ⁇ 2 behind the Messvofumen 31, and preferably each about 1-2 times Rayleigh length from the intersection point 35 in Messvofumen 31.
  • the scattered light detection can be done in the sideways direction or in the reverse direction.
  • the scattered light 6 is coupled into a detection fiber ⁇ multimode fiber MMF) 5, which is preferably arranged parallel to the singlemode fiber SMF 24.
  • the scattered light 6 can be deflected laterally for coupling into the detection fiber 5 by means of a deflection element 36, preferably a keying prism, which is provided with a central bore 9 so as not to disturb the transmission beams 37, and then by means of the lens 32 already present in the transmission optics the end face 13 of the detection fiber 5 are focused.
  • the adjustment of the detection optics 36, 32, 5 takes place in such a way that the radial position of a scattered light spot 39 is adjusted via a displacement of the prism 36 by means of a displacement / rotation device 38 in the direction of the optical axis (z-direction), wherein the azimuthal position of Scattered light spots 39 can be changed by means of the displacement / rotating device 38 by means of a rotation of the wedge prism 36, wherein alternatively an adjustment of the detection optics 36, 32, 5 can be achieved via the position (azimuthally, radially) of the detection fiber (MMF) 5.
  • the detection fiber 5 lies outside the plane which is spanned by the partial beams 27, 28 of the transmitted light field.
  • the lens 32 may also be integrated into the substrate 47.
  • the radiating grid 26 located in the substrate 47 is a reflection grating and deflection elements 51, 52 for guiding the partial beams 27, 28 to the deflection elements 29, 0 are present in the substrate 47.
  • multi-mode fiber MMF, 5 can also be a single optical fiber 48 used for transmitted light beam 37 and scattered light detection, which is formed for example as Dopplerkernmaschine, through the SMF core 49, the bichromatic transmitted light beam 37 for Sensor head 30 passed and whose M MF core 50 is used for the dissipation of the scattered light 6.
  • optical elements of transmission optics and of receiving optics can be integrated on a substrate 47, whereby optionally additional deflection elements 51, 52 are necessary and the beam path is also folded.
  • the effect of the lens 32 can also be integrated into the grating 26, the deflection elements 51, 52 or the deflection elements 29, 40 in a diffractive or holographic manner.
  • All optical elements can be designed to be transmissive or reflective.
  • the diffractive elements 45, 46 can also be designed holographically.
  • optical waveguide technology for which photonic crystal structures can also be used.
  • optical waveguide technology for which photonic crystal structures can also be used.
  • temperature-resistant quartz glass can be used for all optical elements, preferably lens 32, wedge prism 36, as well as for the substrates 47 of the diffractive elements, preferably beam-splitting grating 26 and deflection elements 29, 40.
  • glass fibers 48 high temperature fibers can be used.
  • the entire measuring head 30 can be made using quartz glass optics, high temperature fibers and special materials for the housing, e.g. Zerodur, ceramic or high temperature steel, designed for high ambient temperatures without the need for active cooling.
  • the device 1 can alternatively also be realized by means of time-domain multiplexing (TDM), wherein an adaptive optics are integrated into the measuring head 30 at the same time.
  • TDM time-domain multiplexing
  • the measuring head 30 of the laser Doppler distance sensor 10 shown in FIGS. 8, 8a, 8b is no longer constructed as before by means of two telescopes according to FIG. 5, but rather only a single dispersive lens 32 is arranged present in front of the grating 26, which takes over the focusing of the laser beams 27, 28 and the waist separation, and the beam combination behind the beam-splitting grating 26 by means of two diffractive deflecting elements 29, 40 as shown in FIG. 8.
  • the transmission optics consists of only three components: the lens 32, the beam-splitting grating 26 for beam splitting and one or two diffractive elements 29, 40 for beam combination.
  • the superimposed beam waists 33, 34 of the two laser wavelengths ⁇ and ⁇ 2 at the fiber end of the single mode fiber - SMF - 24 at the measuring head 30 are imaged by means of a specially selected dispersive lens 32, for example an asphere, in the measuring volume 31.
  • a specially selected dispersive lens 32 for example an asphere
  • the main fields of the different wavelengths and A 2 are split with the beam splitting grating 26 (using the +1 diffraction order and the -1 diffraction order) and with one deflecting element 29, 40 per partial beam 27, 28 brought in the measuring volume center to the crossover according to FIG. 8a.
  • the deflection elements 29, 40 can be embodied as a grid whose grating period must be smaller than the grating period of the beam-splitting grating 26.
  • the dispersion management according to the invention provides that the parameters
  • the beam waist 33 is located for the one wavelength ⁇ before the measurement volume 31 and the beam waist 34 for the other wavelength ⁇ 2 behind the measurement volume 31, and preferably each about 1-2 times Rayleigh length from the intersection point 35.
  • the chromatic Abberatton the lens 32 is specifically exploited and amplified by the magnification in the figure.
  • Detektiön the scattered light 6 can be done as shown in Fig. 8b.
  • the same lens 32 is used to Detektiön the scattered light 6 from the solid body 7 in the reverse direction and to focus on the detection fiber 5 (multimode fiber - MMF -), which also images the transmitted light 37 into the measuring volume 31.
  • the detection fiber (MMF) 5 is positioned not slightly on the optical axis but slightly offset adjacent to the transmission fiber ⁇ single mode fiber SMF -) 24, a special wedge prism 36 is provided between the lens 32 and the beam splitting grating 26 in the measuring head 30 to move the Spot 39 of the scattered light 6 to move the multimode detection fiber 5.
  • the wedge prism 36 is further provided with a central bore 9, so that the transmitted light field 37 is not affected. Via a displacement of the prism 36 in the direction of the optical axis (z-direction), the radial position of the scattered light spot 39 can be adjusted. The azimuthal position of the scattered light spot 39 can be changed, for example, by means of the displacement / rotating device 38 via a rotation of the wedge prism 36. Alternatively, instead, an adjustment of the detection optics on the Position (azimuthal, radial) of the detection fiber (MF) 5 can be achieved. Preferably, the detection fiber 5 is outside the plane which is spanned by the partial beams 27, 28 of the transmitted light field. It can thereby be avoided that direct reflections on the solid body 7, which have no information content, are coupled into the detection fiber 5.
  • the scattered light optics can also be realized by the focusing of the scattered light 6 by means of diffractive elements 45, 46, which can be integrated into the substrate 47 for the beam-splitting grating 26 or for the deflection elements 29, 40, as in FIG. 10a, 10b is shown.
  • Both the lens 32 and the wedge prism 36 and the beam-splitting grating 26 and the deflection elements 29, 40 and the glass fibers 24, 5, 48 can be made of temperature-resistant quartz glass, so that operation at high temperatures is possible, Thus, this measuring head structure with reasonable effort using quartz glass optics, high-temperature fibers and special materials for the housing for high ambient temperatures, without the need for active cooling.
  • the measuring head 30 of the laser Doppler distance sensor 10 can be very easily miniaturized by the embodiment of the invention, since only a very small number of optical components is needed.
  • FIGS. 9a and 9b in another measuring head 30 according to the invention, the number of components and the mechanical complexity are further reduced by the two diffractive elements: beam-splitting grating 26 and deflecting elements 29, 30 on the front side 11 and the back side 12 of a substrate 47 are arranged, whereby the elements are automatically adjusted perfectly to each other.
  • optical elements can be integrated on a substrate 47, wherein the optical beam path can also be folded, possibly with the use of additional deflection elements 51, 52 according to FIGS. 10a, 10b.
  • all optical elements can be designed to be transmissive or refiective.
  • the beam splitting Grid 26 shown in contrast to Fig. 8 as a reflection grating.
  • the lens 32 can also be designed as a diffractive lens according to FIGS. 10a, 10b.
  • the lens effect can also be integrated into the grating 26, the deflection elements 51, 52 or the deflection elements 29, 40 in a diffractive or holographic manner, as shown in FIG. 7.
  • a single optical fiber 48 may also be used, which, as shown in FIGS. 10a, 10b, may be a Doppet core fiber.
  • the progress over the prior art is that the measuring head 30 according to the invention can be made very compact by only a few optical components.
  • the use of high-temperature fibers and optical components made of temperature-resistant glass (quartz glass) also enables measurements at very high temperatures without active cooling.
  • only the distance between the fiber end of the transmitting fiber 24 and the lens 32 needs to be adjusted for the adjustment of the measuring head 30, which allows a simultaneous displacement of the beam waist 33, 34 of the two Wellentangen to the crossing point 35 of the partial beams 27, 28.
  • the adjustment of the wedge prism 36 is only necessary once during assembly of the measuring head 30. Due to the fact that the miniaturized measuring head 30 basically requires only one provision for the adjustment, this device 1 is insensitive to vibrations.
  • the fiber-coupled, compact and purely optically passive measuring head 30 can be used excellently for measuring vibrations of the blades 7 as well as gap width measurements in turbomachines. Due to the large miniaturization potential, the necessary compactness of the sensor for use in turbomachinery is given. Since very high temperatures up to more than 1000 ° C occur in turbomachines, the measuring head 30 has to withstand these. This has been implemented in the device by Hochtemperatrumaschinen and temperature-resistant optics. Due to the spatial separation of transmitter unit 2 and detection unit 4 to the measuring head 30 by maintaining the modular design of FIG. 5 also active optical components nents, such as laser diodes and photodetectors, are decoupled from the harsh environment of turbomachinery.
  • the device 1 according to the invention offers the following advantages over the prior art:
  • the purely passive, fiber-optic measuring head 30 can be constructed extremely compact as a dispersion management miniature measuring head, since in addition to the glass fibers 24, 5, 48 including receiving optics only a maximum of four optical elements are necessary, which still wholly or partially on a substrate 47 in - can be canceled.
  • the adjustment effort is extremely low, especially when the elements are integrated on a substrate 47. This makes the sensor structure extremely robust.
  • Only one lens 32 is necessary, for which a single lens (singlet) is sufficient (an asphere, for example). In particular, no achromats are needed.
  • the inventive device 1 allows for the first time a design of the measuring head 30 of the laser Doppler distance sensor 10 for such high temperatures to over 1000 ° C without active cooling, which was basically not possible with the previously known measuring head assemblies.
  • High-temperature fibers with special temperature-resistant metal coating can be used as optical fibers.
  • a stable design of the housing to these high temperatures is possible with the help of special steels, Zerodur or ceramics.
  • a further advantage of the miniature measuring head 30 according to the invention is that the transmitting fiber 24 and the receiving fiber 5 run parallel, so that both can be guided in one tube and thus (in contrast to the construction from FIG. 5) only one access cable to the measuring head 30 is necessary ,
  • the advantage of the device 1 according to the invention over previous implementations of a laser Doppler distance sensor 10 is the very simple structure with only a few optical components, resulting in a large miniaturization potential.
  • the device 1 makes it possible to design the laser Doppler distance sensor 10 relatively easily for high temperatures, as present in turbomachinery, for example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur nicht-inkrementellen Positions- und Formvermessung bewegter Festkörper (7), enthaltend einen Laser-Doppler-Distanzsensor (10). Der Messkopf ist als Miniatur-Messkopf (30) ausgebildet, der das aus der Sendefaser (24) emittierte bichromatische Laserlichtbündel (37) mittels eines strahlteilenden Gitters (26) in jeweils zwei Teilstrahlenbündel (27, 28) aufspaltet, die mittels zweier nachgeschalteter Ablenkelemente (29, 40) in einem Ortsbereich zur Überlagerung gebracht werden. Vor dem strahlteilenden Gitter (26) ist eine Linse (32) so angeordnet, dass die Strahltaille (33) für die eine Wellenlänge (λ1) vor dem Messvolumen (31) und die Strahltaille (34) für die andere Wellenlänge (λ2) hinter dem Messvolumen (31) liegen.

Description

Vorrichtung zur nicht-inkrementetlen Posttions- und Formvermessung be- wegter Festkörper
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nicht-inkrementellen Positions- und Formvermessung bewegter Festkörper für die Prozessmesstechnik, wobei die Vorrichtung einen Laser-Doppier-Distanzsensor in Wellenlängenmultiplextechnik mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen Αι, λ2 und mit einem nodularen, faseroptischen Messkopf in seinem Sensoraufbau enthält,
wobei der Sensoraufbau des Laser-Dopp!er-Distanzsensor zwei weitere Module enthält, die mit dem Messkopf faseroptisch verbunden sind:
einer Lichtquelleneinheit und einer Detektionseinheit,
wobei in der Lichtquelleneinheit zwei Laserstrahlenbündel unterschiedlicher Weltenlänge λ,, λ2 zumindest in eine Glasfaser eingekoppelt sind,
wobei in der Detektionseinheit das bichromatische Streulicht in die den beiden Messkanälen entsprechenden unterschiedlichen Wellenlängen λ,Γ λ2 aufgespaltet und anschließend mittels zweier Photodetektoren getrennt detektiert wird und wobei die Detektionseinheit mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in der die Signalauswertung nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Distanzsensors zur Ermittlung von Position, Geschwindigkeit und Form des Festkörpers ausgeführt ist. Die präzise, berührungslose und absolute Positions- und Formvermessung bewegter Festkörper ist eine wichtige Problemstellung insbesondere bei der Überwachung von Turbomaschinen. Die Verbesserung der Betriebssicherheit, der Lebensdauer und insbesondere der Energieeffizienz von Motoren und Turboma- schinen, wie z.B. Elektromotoren, Ftugtriebwerken, Generatoren oder Gas- und Dampfturbinen, ist nicht zuletzt aus ökologischer Sicht von großem Interesse. Hierbei ist die Beherrschung bzw. die Kenntnis der Rotordynamik von entscheidender Bedeutung, um Verluste und Verschleiß minimieren zu können. Aufgrund der extremen Umgebungsbedingungen (hohe Temperaturen, Druckschwankun- gen, Schwingungen, elektromagnetische Felder) und der auftretenden hohen Geschwindigkeiten bis in den Überschallbereich, gibt es bisher allerdings kaum geeignete Messverfahren, mit denen dynamische Rotordeformationen und Schaufelschwingungen im Betrieb präzise und mit der notwendigen hohen Zeitauflösung messtechnisch erfasst werden können. Außerdem sind hier möglichst kleine Miniatursensoren notwendig, die gleichzeitig robust bzw. temperaturbeständig sein müssen.
Für Spaltweiten- und Schwingungsmessungen bei Turbomaschinen werden standardmäßig kapazitive oder induktive Sensoren eingesetzt, die in den Druck- Schriften A. G. Sheard, S. G. OOonnetl, J. F. Stringfellow: High Temperature Proximity Measurement in Aero and Industrial Turbomachinery, Journal of Engineering Gas Turbines and Power 121, S. 167-173, 1999, T. Fabian, F.B. Prinz, G. Brasseur: Capacitive sensor for active tip clearance control in a palm-sized gas turbine generator, IEEE Trans. Instrum. Meas. 54, S. 1133-43, 2005, A. Steiner: Techniques for blade tip clearance measurements with capacitive probes, Meas. Sei. Technol. 11, S. 865-9, 2000, C. Roeseier, A. Flotow and P. Tappert: Monitoring blade passage in turbomachinery through the engine case (no hoies), Proc. IEEE Aerospace Conf., Vol 6, S. 6-3125-29, 2002 und C.P. Lawson, P.C. Ivey: Turbomachinery Blade Vibration Amplitude Measurement through Tip Timing with Capacitance Tip Clearance Probes, Sensor and Actua- tors A, Vol 118, S. 14-24, 2005 beschrieben sind, die jedoch in der Praxis mit (50...100} pm eine relativ große Messunsicherheit aufweisen und daher für eine aktive Spaltweitenregelung nicht geeignet sind, wie in den Druckschriften A. G. Sheard, S. G. O'DonneK, J. F. Stringfellow: High Temperature Proximtty Measurement in Aero and Industrial Turbomachinery, Journal of Engineering Gas Tur- bines and Power 121 , S. 167-173, 1999 sowie S. B. Lattime, B. M. Steinetz: High-Pressure-Turbtne Clearance Control Systems: Current Practices and Future Directions, Journal of Propulsion and Power 20, S. 302-311 , 2004 beschrieben ist.
Außerdem sind diese Sensoren ebenso wie Wirbelstromsensoren aufgrund von elektromagnetischen Störeinflüssen in vielen Anwendungen nicht einsetzbar. Zudem ist der Kalibrierungsaufwand bei kapazitiven Spaltgebern sehr hoch. Darüber hinaus versagen sowohl kapazitive und induktive Geber als auch Wirbelstromsensoren bei nichtmetallischen Messobjekten, wie z.B. neuartigen Turbinenschaufeln aus Keramik, Kunststoff oder Faserverbundwerkstoffen.
Für dynamische Verformungs- und Schwingungsmessungen werden häufig Dehnmessstreifen (DMS) verwendet, wie in den Druckschriften A. Kempe, S. Schfamp, T. Rösgen: Low-coherence interferometric tip-clearance probe, Opt. Lett. 28, S. 1323-5, 2003, A. Kempe, S. Schlamp, T. Rösgen, K. Haffner: Spatial and Temporal High-Resolution Optical Tip-Clearance Probe for Harsh Environments, Proc. 13th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Me- chanics (Lisbon, Portugal, 26-29 Juni 2006), Beitrag Nr. 155, 2006 und R. G. Dorsch, G. Häusler, and J. M. Herrmann: Laser triangulation: fundamental uncer- tainty in distance measurement, Appl. Opt. 33, S. 1306-1314, 1994 beschrieben sind, wobei deren Haltbarkeit, deren Applikation sowie die Signalübertragung aus dem rotierenden System mit großem Aufwand und mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden ist.
Optische Verfahren arbeiten schnell und berührungslos und bieten, prinzipbedingt durch die kleine Laserwellenfänge, eine hohe Auflösung. Allerdings ist die Messrate bei den meisten optischen Distanzsensoren entweder durch mechanische Scanprozesse (TD-OCT, Autofokussensor) gemäß den Druckschriften A. Kempe, S. Schlamp, T. Rösgen: Low-coherence interferometric tip-clearance probe, Opt. Lett. 28, S. 1323-5, 2003 und A. Kempe, S. Schlamp, T. Rösgen, K. Haffner: Spatial and Temporal High-Resolution Optical Tip-Clearance Probe for Harsh Environments, Proc 13th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics (Lisbon, Portugal, 26-29 Juni 2006), Beitrag Nr. 1155, 2006 oder durch die Auslesezeit und die maximale Bildfrequenz der eingesetzten Detektoren (FD-OCT, Triangulation, Streifenprojektion, chromatisch konfokaler Sensor) gemäß den Druckschriften R. G. Dorsch, G. Häusler, and J. M. Herrmann: Laser triangulation: fundamental uncertainty in distance measurement, Appl. Opt. 33, S. 1306-1314, 1994, J.P. Barranger, M.J. Ford,1981: Laser-optical blade tip clearance measurement System, J. Eng. Power 103, S. 457-60, 1981, Y. Ma- tsuda, T. Tagashira: Optical blade-tip clearance sensor for non-metal gas turbine blade, J. Gas Turbine Soc. Japan (GTSJ) 29, S. 479-84, 2001 und E. Shafir and G. Berkovic: Expanding the realm of fiber optic confocal sensing for probing Position, displacement, and velocity, Appl. Opt. 45, S. 7772-7777, 2006,
auf wenige kHz begrenzt, so dass präzise dynamische Messungen an schnell drehenden Rotoren unmöglich sind. Laser-Doppler-vIbrometer, wie in der Druckschrift A. J. Oberholsten P.S. Heyns: Online condition monitoring of axial-flow tur- bomachinery blade-s using rotor-axial Eulerian laser Doppler vibrometry, Me- chanical Systems and Signal Processing, Vol. 23, S. 1634-1643, 2009
beschrieben, können aufgrund deren inkrementeller Messweise ebenfalls nicht eingesetzt werden, da diese bei Sprüngen im Objektabstand oder der Oberflächenform von größer einer halben Lichtwellenlänge (z.B. bei rauen Oberflächen oder von einer Turbinenschaufel zur Nächsten) kein eindeutiges Ergebnis mehr liefern.
Mit dem Laser-Doppler-Distanzsensor, der eine Weiterentwicklung der konventionellen Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) darstellt und der in den Druckschriften T. Pfister: Untersuchung neuartiger Laser-Doppler-Verfahren zur Positions- und Formvermessung bewegter Festkörperoberfläcnen, Shaker Verlag, Aachen, 2008, T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske: Laser Doppler profiie sensor with sub- micrometre position resolution for velocity and absolute radius measurements of rotating objects, Meas. Sei. Techno!. 16, S. 627-641 , 2005, J. Czarske, L. Bütt- ner, T. Pfister: Laser-Doppler-Distanzsensor und seine Anwendungen, Photonik 5/2008, S. 44 - 47, T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, H. Krain, R. Schodl: Turbo machine tip clearance and Vibration measurements using a fibre optic laser Doppler position sensor, Meas. Sei. Technol. 17, S. 1693-1705, 2006 und DE 10 2004 025 801 A1 beschrieben ist, konnten diese Probleme konventioneiier Sensoren überwunden werden. Das wesentliche Merkmal des Laser-Doppler- Distanzsensors ist es, dass dieser Sensor gleichzeitig eine hohe Zeitauflösung bzw. Messrate und Mikrometerpräzision bietet, da dessen Messunsicherheit im Gegensatz zu anderen Distanzsensoren grundsätzlich unabhängig von der Objektgeschwindigkeit ist. Somit sind präzise Messungen auch an schnell bewegten oder rotierenden Objekten möglich. Der Laser-Doppler-Distanzsensor wurde auch bereits an Rotoren und Turbomaschinen erfolgreich erprobt.
Allerdings stellt die Baugröße und die Temperaturbeständigkeit bisher ein Prob- lern dar. Bei den bisherigen Messungen an einer Turbomaschine wurde der Sensor zum Schutz vor den hohen Temperaturen mit Wasser gekühlt, was jedoch in der Praxis aufgrund des Aufwandes unerwünscht und teilweise sogar unmöglich ist. Außerdem ist die Baugröße bisheriger Ausführungen des Laser-Doppler- Distanzsensors zu groß, so dass der Sensor in der bisherigen Form nicht in das Gehäuse einer Turbomaschine integriert werden kann.
Die Ausführung basiert auf dem Laser-Doppler-Distanzsensor, dessen Funktionsprinzip in den Druckschriften T. Pfister: Untersuchung neuartiger Laser- Doppler-Verfahren zur Positions- und Formvermessung bewegter Festkörper- Oberflächen, Shaker Verlag, Aachen, 2008, T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske: Laser Doppler profile sensor with sub-micrometre Position resolution for velocity and absolute radius measurements of roiating objects, Meas. Sei. Techno). 16, S. 627-641, 2005, J. Czarske, L. Büttner, T. Pfister: Laser-Doppler-Distanzsensor und seine Anwendungen, Photonik 5/2008, S. 44 - 47 und T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, H. Krain, R. Schodl: Turbo machine tip clearance and Vibration measurements using a fibre opttc laser Doppler position sensor, Meas. Sei. Technol. 17, S. 1693-1706, 2006 sowie DE 10 2004 025 801 A1 beschrieben ist und der auf der Erzeugung von zwei in einem gemeinsamen Meßvolumen überlagerten Interferenzstreifensystemen beruht, von denen mindestens eines fächer- förmig ist. Idealerweise sind beide fächerförmig mit entgegengesetzten Ausrichtungen: Ein konvergentes Streifensystem nach Fig. 1b, bei dem der Streifenabstand entlang der z-Achse (entspricht der optischen Achse) kontinuierlich ab- nimmt, und ein divergentes Streifensystem nach Fig. 1a, bei dem der Interferenzstreifenabstand entsprechend kontinuierlich ansteigt.
Die Interferenzstreifensysteme werden durch jeweils eine Streifenabstandsfunkti- on di(z) und d2(z) beschrieben.
Die Konvergenz oder die Divergenz der Interferenzstreifen wird durch die Ausnutzung der Wellenfrontkrümmung von Laserstrahlen erreicht. Dazu wird die Strahltaille des Gaußschen Strahls vor das Messvolumen platziert, um ein divergierendes Streifensystem zu erzeugen. Umgekehrt resulttert aus der Justage der Strahltaille hinter dem Messvolumen ein konvergierendes Streifensystem.
Die beiden Streifensysteme müssen physikalisch unterscheidbar sein, was z.B. durch unterschiedlichen Laserwellenlängen (Wellenlängenmultiplex), Trägerfrequenzen (Frequenzmultiplex), etc. erreicht werden kann. Durchquert ein Streuobjekt das Messvolumen, so kann das Streulicht von beiden Streifensystemen getrennt und diesen zugeordnet werden, so dass sich zwei Dopplerfrequenzen fi und ermitteln lassen. Der Quotient dieser beiden Dopplerfrequenzen q{ ) .
hängt nicht mehr von der Streuobjektgeschwindigkeit vx ab und kann somit als Kalibrieffunktion zur Bestimmung der axialen Position z des Streuobjekts innerhalb des Messvolumens verwendet werden. Das stellt einen Fortschritt gegen- über dem konventionellen LDV dar. Mit Hilfe der bekannten Durchtrittsposition z des Streuobjektes durch das Messvolumen können dann die aktuellen Streifenabstände d^z) und d2(z) aus den durch die vorherige Sensorkalibrierung bekannten Streifenabstandsverläufen ermittelt werden. Zusammen mit den beiden Dopplerfrequenzen ergibt sich dann die Streuobjektgeschwindigkeit zu
(II) Fig. 2 fasst das Funktionsprinzip des Laser-Doppler-Distanzsensors schematisch zusammen und zeigt auf, wie sich aus den gemessenen Dopplerfrequenzen fi und f2 die axiale Objektposition z absolut und unabhängig von der zusätzlich gemessenen lateralen Objektgeschwindigkeit vx bestimmen lässt.
Da somit bei rotierenden Objekten gleichzeitig die Tangentialgeschwindigkeit und die radiale Position der Objektoberfläche in Abhängigkeit des Umfangswinkels erfasst werden, kann mit dem Laser-Doppler-Distanzsensor die 2D-Form von rotierenden Festkörpern absolut und mit Submikrometerauflösung bestimmt werden gemäß DE 10 2004 025 801 A1. Aufgrund des nicht-inkrementellen Mess- prinzips ist eine absolute Positions- und Formvermessung auch bei sprunghaften Radiusänderungen, wie sie z.B. bei beschaufetten Rotoren zwischen den einzelnen Rotorschaufeln auftreten, möglich.
Das wesentliche Merkmal des Laser-Doppler-Distanzsensors besteht darin, dass dessen Messunsicherheit im Gegensatz zu konventionellen Distanzsensoren prinzipbedingt unabhängig von der Objektgeschwindigkeit ist, so dass gleichzeitig eine hohe Messrate bis in den MHz Bereich und eine hohe Positionsauflösung bis in den Submikrometerbereich erreicht werden kann. Somit ist der Laser- Doppler-Distanzsensor für die präzise und zeitaufgelöste Messung von Deforma- tionen und Schwingungen schnell rotierender Bauteile (Drehteile, Wellen, Rotoren von Motoren und Turbomaschinen) prädestiniert. Dies wurde bereits anhand von Testmessungen an einem transsonischen Radialverdichter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) bei Drehzahlen bis 50.000 U/min und Umfangsgeschwindigkeiten bis 600 m/s erfolgreich demonstriert, wie in den Druckschriften T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, H. Krain, R. Schodl: Turbo ma- chine tip clearance and Vibration measurements using a fibre optic laser Doppler Position sensor, Meas. Sei. Technol. 17, S. 1693-1705, 2006, L. Büttner, T. Pfister, J. Czarske: Fiber optic laser Doppler turbine tip clearance probe, Optics Letters 31, S. 1217-1219, 2006 und P. Günther, F. Dreier, T. Pfister, J. Czarske, T. Haupt, W. Hufenbach: Measurement of radial expansion and tumbling motion of a high-speed rotor using an optical sensor System, Mechanical Systems and Signal Processing, article in press, doi: 10. 016/j.ymssp.2010.08.005, 2010.
beschrieben ist. Für die physikalische Unterscheidung der beiden Interferenzstreifensysteme sind Multiplextechniken notwendig, wobei sowohl Wellenlängenmultiplex als auch Frequenz- und Zeitmultiplex bereits erfolgreich angewendet worden sind. Die je- weiligen Multiplextechniken erfordern unterschiedliche Sensoraufbauten mit mehr oder weniger Miniaturisierungspotential.
Bisher sind drei Aufbauausführungen bekannt.
Erste Aufbauausführung
Eine erste Aufbauausführung, die auch bei kommerziellen LDV-Sensoren eingesetzt werden kann, wird vornehmlich für Sensoraufbauten mit Frequenzmultiplex eingesetzt. Dabei wird ein faseroptischer Messkopf mit vier Sendefasern für die vier Teilstrahlen der insgesamt zwei Interferenzstreifensysteme des Laser- Doppler-Distanzsensors verwendet, die mittels separater Optiken kolfimiert und dann auf einen gemeinsamen Kreuzungspunkt ausgerichtet werden. Dies kann mittels eine gemeinsamen Frontlinse oder mittels separater Optiken für die vier Sendestrahlen geschehen. Zusätzlich wird noch eine weitere Glasfaser oder Optik für die Streulichtdetektion benötigt, so dass insgesamt fünf separate Glasfasern zum Messkopf zugeführt werden müssen.
Ein derartiger Messkopf kann prinzipiell für alle bekannten Multiplextechniken (Wellenlängen-, Polarisations-, Frequenz- und Zeitmultiplex) eingesetzt werden und es gibt auch Möglichkeiten diesen Messkopf zu miniaturisieren. Allerdings besteht die Schwierigkeit darin, dass insbesondere die vier Sendeoptiken sowohl bzgl, der Strahlrichtung als auch bzgl. der Strahltaillentage sehr präzise aufeinander ausgerichtet und justiert werden müssen, was mechanisch sehr aufwändig ist und der Miniaturisierung Grenzen setzt. Außerdem sind bei einem derartigen Messkopf mechanische Störeinflüsse und insbesondere Temperaturänderungen ein großes Problem, da hierdurch die Ausrichtung der vier Sendeoptiken zuein- ander verändert wird, so dass sich die vier Sendestrahlen im schlimmsten Fall gar nicht mehr schneiden, wodurch eine Messung gänzlich unmöglich wird. Somit sind bei dieser Aufbauausführung nicht nur der Miniaturisierung Grenzen gesetzt, sondern auch ein Einsatz speziell bei hohen Temperaturen oder unter harschen Umgebungsbedingen ist überhaupt nicht oder nur mit hohem technischen Aufwand möglich.
Für einen Aufbau des Laser-Doppler-Distanzsensors mittels Frequenzmultiplex, gibt es allerdings keine Alternative zu einer solchen Aufbauausführung mit fünf separaten Strahlengängen (ob fasergekoppelt oder nicht). Die resultierende Gesamtmessvorrichtung, die in der Druckschrift T. Pfister, L. Büttner, K. Shirai, J. Czarske: Monochromatic heterodyne fiber-optic profite sensor for spatially resol- ved velocity measurements with frequency division multiplexing, Applied Optics, Vol. 44, No. 13, S. 2501-2510, 2005 beschrieben ist, ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei wird ein Laserstrahl durch akustooptische Modulatoren (AOMs) und einen Strahlteiferwürfei in vier Teilstrahlen mit Frequenzverschiebung von 0 bis 120 MHz aufgeteilt und mit Kollimationsiinsen in Singlemodefasern eingekoppelt. In einem faseroptischen Messkopf werden die einzelnen Teilstrahlen mit separaten Optiken kollimiert und hier mit einer gemeinsamen Frontlinse im Messvolumen zu Überkreuzung gebracht. Für die Detektion des Streulichtes vom Messobjekt ist eine weitere Optik mit Muitimodefaser vorgesehen, die im Messkopf integriert sein kann und das Streulicht auf einen Photodetektor abbildet. Das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors wird mit einem Leistungsteiler aufgeteilt und mit den Trägerfrequenzen der beiden Messkanäle ins Basisband heruntergemischt. Um Aliasing-Effekte zu verhindern und unerwünschte Frequenzanteile zu eliminieren, werden die beiden resultierenden Basisbandsignale mit einem Tief- pass gefiltert.
Wie oben bereits erwähnt, ist bei dem verwendeten Messkopf die Justage auf- wändig und zudem die Robustheit gegenüber Vibrationen oder Temperaturgradienten problematisch. Alternativ könnte man auch ohne Verwendung von Faseroptik die gesamte Sendeoptik samt AOMs in den Messkopf integrieren, was das Ganze aber noch komplexer macht. Daher ist allgemein die Verwendung von Frequenzmultiplex für den Aufbau eines robusten Miniaturmesskopfes für den Laser-Doppler-Distanzsensor nicht die richtige Wahl.
Zweite Aufbauausführung Die in Fig. 4 dargestellte zweite Aufbauausführung mit Wellenlängenmultiplex gemäß den Druckschriften T. Pfisten Untersuchung neuartiger Laser-Doppler- Verfahren zur Positions- und Formvermessung bewegter Festkörperoberflächen, Shaker Verlag, Aachen, 2008 und T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske: Laser Dopp- ler profile sensor with sub-micrometre Position resofution for velocity and absolute radius measurements of rotating objects, Meas. Sei. Technol. 16, S. 627-641 , 2005 umfasst zwei Laserdioden unterschiedlicher Emissionswellenlänge, deren Lichtfelder mittels eines dichroitischen Spiegels überlagert und auf ein optisches Transmissionsbeugungsgitter fokussiert werden. Die +1. Beugungsordnung und die -1. Beugungsordnung des Gitters bilden jeweifs die beiden Teilstrahlen für die beiden Interferenzstreifensysteme des Laser-Doppier-Distanzsensors und werden mittels eines Kepplerteieskops in das Messvolumen abgebildet. Das Streulicht wird in Rückwärtsrichtung detektiert und mit einem zweiten dichroitischen Spiegel wieder in die beiden Wellenlängen λι und λ2 aufgeteilt und separat detek- tiert. Durch die Verwendung des Gitters zur Strahlteilung wird automatisch eine höhere Robustheit erreicht als bei der ersten Aufbauausführung, da sich die Teilstrahlen auch bei Dejustage immer automatisch im Messvolumen schneiden. Außerdem wären bei einem faseroptischen Aufbau, wobei die Laserlichtquellen und die Detektoren wahlweise auch faseroptisch an den Messkopf angebunden wer- den können, drei Glasfasern ausreichend. Außerdem sind hier nur noch zwei Optiken vor dem Gitter für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen λι und λ2 separat zu justieren, um die gewünschten Taillenlagen im Messvolumen zu erreichen. Allerdings ist auch dies noch relativ aufwändig, was die Miniatunsierbarkeit und die Robustheit begrenzt.
Dritte Aufbauausführung
Die dritte Aufbauausführung ist eine Weiterentwicklung der zweiten Aufbauausführung hinsichtlich höherer Robustheit und geringerer Komplexität, wie in den Druckschriften T. Pfister, L. Büttner, J. Czarske, H. Krain, R. Schodl: Turbo ma- chine tip clearance and Vibration measurements using a fibre optic laser Doppler Position sensor, Meas. Sei. Technol. 17, S. 1693-1705, 2006, L. Büttner, J. Czarske, H. Knuppertz: Laser Doppler velocity profile sensor with sub-micrometer spatial resolution employing ftber-optics and a diffractive fens, Appl. Opt. 44, No. 12, pp. 2274-2280, 2005 und T. Pfister: Untersuchung neuartiger Laser-Doppler- Verfahren zur Positions- und Formvermessung bewegter Festkörperoberflächen, Shaker Verlag, Aachen, 2008 beschrieben ist.
Wie in Fig. 5 dargestellt, handelt es sich um einen modularen Aufbau des Laser- Doppler-Distanzsensors 10, der in drei Einheiten unterteilt ist, die über Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind: Eine Lichtquelleneinheit 2 mit zwei fasergekoppelten, transversal singlemodigen Laserdioden 21, 22 unterschiedlicher Wellenlänge Λ1 und , deren Lichtfelder über einen Faserschmelzkoppler 23 in eine Singlemodefaser 24 zusammengeführt werden, einem rein passiven fasergekop- peften Messkopf 3 und einer Detektionseinheit 4 zur wellenlängeabhängigen Trennung und Detektion des Streulichtes 6, wobei der Messkopf 3 und die Detektionseinheit 4 über eine Detektionsfaser 5 zur Übermittlung des Streulichts 6 in Verbindung stehen.
Das Besondere ist nun, dass im Unterschied zur zweiten Aufbauausführung nur noch eine Sendefaser 24 notwendig ist, in der beide Wellenlängen Ai und A2 zum Messkopf 3 geführt werden. Möglich wird dies durch die Verwendung einer dtffraktiven Linse 25 (DOE), deren Dispersion prinzipbedingt ca. 30 mal stärker ist als bei refraktiven Linsen gemäß der Druckschrift L. Büttner, J. Czarske, H. Knuppertz: Laser Doppler velocity profile sensor with sub-micrometer spatial re- Solution employing fiber-optics and a diffractive lens, Appl. Opt. 44, No. 12, pp. 2274-2280, 2005. Somit lässt sich über die diffraktive Linse 25 gezielt eine feste Verschiebung der Strahltaillen zwischen den beiden Wellenlängen Ai und Ai realisieren, so dass nur noch eine Sendeoptik notwendig ist, was den Justageauf- wand enorm reduziert. Zusammen mit der Verwendung eines Gitters 26 zur Strahlteilung macht dies den Laser-Doppler-Distanzsensors 10 robust und relativ unempfindlich gegenüber Vibrationen.
Ein solcher Sensoraufbau wurde bereits erfolgreich an einem bewegten Festkörper 7, an einer Turbomaschine, erprobt, wobei die Temperaturbeständigkeit durch eine Wasserkühlung in der Bodenplatte des Messkopfes 3 erreicht wurde. Die ist jedoch in der Praxis unerwünscht oder oft unmöglich. Ferner ist auch hier die Miniaturisierung durch die Vielfalt der optischen Komponenten und durch die Notwendigkeit zweier Keppler-Teleskope begrenzt. Darüber hinaus macht die Vielfalt der notwendigen Optikkomponenten auch eine Auslegung des Messkop- fes für hohe Temperaturen ohne aktive Kühlung extrem aufwändig. Beispielsweise die Auslegung des zweiten Kepler- Teleskopes, das nur eine sehr geringe Dispersion aufweisen darf, ist bei hohen Temperaturen sehr schwierig bis unmöglich, da die Klebeschicht und die notwendigen Glassorten von Achromaten nur Temperaturen bis maximal etwa 300°C oder 500°C standhalten.
Insgesamt macht die dritte Ausführung aber deutlich, welchen Vorteil der Einsatz diffrakttver Optiken bringt und welches Potential darin steckt.
Das erwähnte Potential von diffraktiven Optiken wird bei Standard LDV-Sensoren mit nur einem Messkanal, d.h. mit nur einem Interferenzstreifensystem, bereits vertieft genutzt. Hierbei wird die gesamte Sendeoptik in ein diffraktives mikrooptisches Element integriert, das ein Unterelement (z.B. ein Gitter) zur Aufteilung des Laserstrahls in zwei Teilstrahlen sowie zwei nachfolgende Ablenkelemente zur anschließenden Überlagerung der Teilstrahlen enthält. Beispiele hierfür zeigen die Fig. 6 und 7 gemäß den Druckschriften W Stork, A. Wagner, C. Kunze: Laser- doppler sensor system for speed and length measurements at moving surfaces, Proc.SPIE,Vof. 4398, 106, 2001 und D. odarress et al., Measurement Science Enterprise Inc. (Pasadena, CA, USA) in Kooperation mit VioSense Corporation (2400 Lincoln Ave., Altadena, California 91001 , USA).
Fig. 6 zeigt ein Miniatur-Laser-Doppler-Vetozimeter (LDV) mit diffraktivem mikrooptischem Element und Fig. 7 stellt ein planar integriertes Miniatur-Laser- Doppler-Velozimeter (LDV) mit einem planar integrierten ikrostrahlteiler und mit zwei fokussierenden diffraktiven Elementen zur Strahlvereinigung dar.
Die diffraktiven Strukturen können dabei auf verschiedenen Substraten oder auf nur einem Glassubstrat aufgebracht sein, wobei auch Vorderseite und Rückseite des Glassubstrats gemäß Fig. 6 genutzt werden kann. Außerdem können gemäß Fig. 7 mittels der diffraktiven Strukturen auch fokussierende Elemente realisiert werden.
Allerdings werden diese diffraktiven Ausführungen bisher nur bei Standard LDV- Sensoren mit nur einem Messkanal, d.h. mit nur einem Interferenzstreifensystem verwendet, wo es lediglich darauf ankommt, den richtigen Strahlengang und die richtige Taillenlage für eine Wellenlänge zu realisieren. In Zusammenhang mit dem Laser-Doppler-Distanzsensor, bei dem zwei überlagerte Interferenzstreifensysteme mit unterschiedlicher Strahltaillenlage gleichzeitig (Wellenlängenmulti- plex) oder zeitversetzt (Zeitmultiplex) mit einer Optik realisiert werden, wurde die- se Art der Miniaturisierung und Integration bisher nicht angewendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur nicht- inkrementelfen Vermessung von Position und Form bewegter Festkörper anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass die Vorrichtung so stark minia- turistert werden kann, dass sie sich in gleicher Weise wie kapazitive Geber in das Gehäuse einer Turbomaschine integrieren tässt, und die es erlaubt, dass der Laser-Doppler-Distanzsensor ohne die Notwendigkeit einer aktiven Kühlung hohe Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius aushält. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Vorrichtung zur nicht-inkrementeüen Positrons- und Formvermessung bewegter Festkörper enthält einen Laser-Doppler-Distanzsensor in Wellenlängenmultip- fextechnik mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen Ai und K und mit einem modularen, faseroptischen Messkopf in seinem Sensoraufbau,
wobei der Sensoraufbau des Laser-Doppler-Distanzsensor zwei weitere Module enthält, die mit dem Messkopf faseroptisch verbunden sind: einer Lichtquelleneinheit und einer Detektionseinheit,
wobei in der Lichtquelleneinheit zwei Laserstrahlenbündel unterschiedlicher Wellenlänge λι und Ä2 zumindest in eine Glasfaser eingekoppelt sind,
wobei in der Detektionseinheit das bichromatische Streulicht in die den beiden Messkanälen entsprechenden unterschiedlichen Wellenlängen λ, und A2 aufgespaltet und anschließend mitteis zweier Photodetektoren getrennt delektiert wird und
die Detektionseinheit mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in der die Signal- auswertung nach dem Prinzip des Laser-Doppfer-Distanzsensors zur Ermittlung von Position, Geschwindigkeit und Form des Festkörpers ausgeführt ist, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 der Messkopf als modularer passiver, faseroptischer dHTrakttver Miniatur- Messkopf ausgebildet ist,
der das aus der Sendefaser emittierte bichromatische Laserlichtbündel mittels eines strahlteilenden Gitters in jeweils zwei Teilstrahlenbündel in die +1. Beu- gungsordnung und in die -1. Beugungsordnung aufspaltet, die mittels zweier nachgeschalteter Ablenkelemente in einem Ortsbereich zur Überlagerung gebracht werden, der das gemeinsame Messvolumen darstellt, und dass vor dem strahlteilenden Gitter eine Linse angeordnet ist, die die aus der Sendefaser emittierten Laserstrahlenbündel in die Umgebung des Messvolumens fokussiert, wo- bei durch die chromatische Aberration (Dispersion) der Linse eine Separation der Strahltaillen in z-Rtchtung derart erfolgt, dass die Strahltaille für die eine Wellenlänge λι vor dem Messvolumen und die Strahltaille für die andere Wellenlänge λ2 hinter dem Messvolumen liegen. Die Linse kann eine diffraktive Linse oder eine refraktive Linse, vorzugsweise eine Asphäre, sein.
Das strahlteüende Gitter kann ein Reflextonsgitter oder ein Transmissionsbeugungsgitter sein, das vorzugsweise die Teilstrahlenbündel der +1. Beugungsord- nung und der -1. Beugungsordnung favorisierend einstellt.
Die Ablenkelemente können diffraktive Gitter darstellen, deren Gitterkonstante kleiner als die Gitterkonstante des strahlteilenden Gitters ist und die vorzugsweise auf die Ausbildung der Tetlstrahtenbündel jeweils nur einer Beugungsordnung (+1. oder -1 ,) orientiert sind.
Das strahlteilende Gitter und die beiden Ablenkelemente können auf der Vorderseite und Rückseite eines Substrates angeordnet sein. Die Vorrichtung weist folgende Parameter auf
- Laserweltenlängen und ,
- Brennweite und Dispersion der Linse,
• Gitterperioden des strahlteilenden Gitters, - Ablenkwinkel der Ablenketemente,
- Abstände von Sendefaser zu Linse, Linse zu Gitter und Gitter zu den Ablenkelementen,
die im Rahmen eines Dispersionsmanagements derart gewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass gleichzeitig folgende Bedingungen erfüllt sind:
- Die Strahitaillen der Laserstrahlenbündel für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen λι und λ2 werden ausreichend stark vergrößert zu Taillenradien wo oder w0,2 in der Umgebung des Messvolumens, so dass sich aus der resultierenden Ausdehnung der Interferenzstreifensysteme in z-Richtung die gewünschte Messbereichslänge - 2V2-wo,, / sin Θ ( - 1,2) ergibt und dass eine ausreichend große Anzahl an Interferenzstreifen (typischerweise ä 10) im Messvotumen vorliegt, wobei der Winkel Θ der halbe Kreuzungswinkel zwischen den sich im Messvolumen kreuzenden Teifstrahlenbündeln ist,
- Die Strahltaille liegt für die eine Wellenlänge λι vor dem Messvolumen und für die andere Wellenlänge A2 hinter dem Messvolumen und zwar vorzugsweise jeweils etwa um die 1-2 fache Rayleighlänge vom Kreuzungspunkt im Messvolumen entfernt.
Die Streu lichtdetektion kann in Seitwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfol- gen.
Das Streulicht kann in eine Detektionsfaser (Muttimodefaser MMF) eingekoppelt werden, die vorzugsweise parallel zur Sendefaser (Sing!emodefaser SMF) angeordnet ist.
Das Streulicht zur Einkopplung in die Detektionsfaser, einer Multimodefaser MMF, kann mittels eines Ablenkelementes, vorzugsweise eines Keilprismas, das durchbohrt ist, um die Sendestrahlen nicht zu stören, seitlich leicht abgelenkt und dann mitteis der in der Sendeoptik bereits vorhandenen Linse auf die Streulicht- empfangende Stirnfläche der Detektionsfaser fokussiert werden.
Die Justierung der Detektionsoptik kann derart erfolgen, dass über eine Verschiebung des Prismas mittels einer Verschiebe-/Dreheinrichtung in Richtung der optischen Achse (z-Richtung) die radiale Position des Streulichtspots justiert wird und die azimutale Lage des Streulichtspots mithilfe der Verschiebe- /Dreheinrichtung über eine Drehung des Keilprismas veränderbar sein kann, wobei alternativ eine Justierung der Detektionsoptik über die Position (azimutal, ra- dial) der Detektionsfaser erreichbar ist.
Die Detektionsfaser kann außerhalb der (Ebene liegen, welche durch die Teilstrahlenbündel des Sendelichtfelds aufgespannt ist. Zur Ablenkung und Fokussierung des Streulichtes auf die Detektionsfaser können anstatt des Keilprismas und der einzeln angeordneten Sendelinse alternativ auch diffraktive Elemente eingesetzt sein, die in der Umgebung des Strahlteiler- Gitters oder der Ablenkelemente in mindestens ein Substrat integriert sind. Die Linse vor dem strahtteilenden Gitter kann im Substrat integriert sein.
Das im Substrat befindliche strahlteilende Gitter kann ein Reflexionsgitter sein und im Substrat können Umlenkelemente zur Führung der Teilstrahlenbündel zu den Ablenketementen vorhanden sein.
Anstelle einer Sendefaser und einer Detekttonsfaser kann auch eine einzige Glasfaser für Sendelichtstrahlenbündel und Streulichtdetektion eingesetzt sein, die z.B. auch als Doppterkernfaser ausgebildet sein kann, durch deren SMF-Kern das bichromatische Sendelicht zum Messkopf geleitet und deren MMF-Kem für die Ableitung des Streulichtes eingesetzt ist.
Mehrere oder alle optischen Elemente von Sendeoptik und von Empfangsoptik können auf einem Substrat integriert sein, wobei ggf. zusätzliche Umlenkelemente notwendig sind und der Strahlengang auch gefaltet ist.
Die Wirkung der Linse kann auch in das Gitter, die Umlenkefemente oder die Ablenkelemente auf diffraktive oder holographische Weise integriert sein. Alle optischen Elemente können transmittiv oder reftektiv ausgelegt sein.
Die diffraktiven Elemente können auch holographisch ausgeführt sein. Die Integration der optischen Elemente oder die Lichtleitung innerhalb des Substrates können auch mittels Lichtwelienieitertechnik realisiert sein, wofür auch photonische Kristallstrukturen eingesetzt sein können.
Für alle optischen Elemente, vorzugsweise Linse, Keilprisma, sowie für die Sub- strate der diffraktiven Elemente, vorzugsweise strahlteilendes Gitter und Ablenkelemente, kann temperaturbeständiges Quarzglas eingesetzt sein.
Als Glasfasern können Hochtemperaturfasem eingesetzt sein. Der gesamte Messkopf kann unter Einsatz von Quarzglasoptiken, Hochtemperaturfasem und speziellen Werkstoffen für das Gehäuse, die Zerodur, Keramik oder Hochtemperaturstahl sein können, für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt sein, ohne dass eine aktive Kühlung erforderlich ist. Die Vorrichtung kann alternativ auch mittels Zeitbereichsmultiplex (TDM) realisiert sein, wobei gleichzeitig in den Messkopf eine adaptive Optik integriert ist.
Die Vorrichtung kann somit mit diffraktiven Gitteroptiken in Kombination mit Faseroptik sowie einer speziellen Dispersionsmanagementeinheit versehen sein, mit der sich die Vorrichtung sehr leicht miniaturisieren lässt, wobei nur eine sehr geringe Anzahl von optischen Komponenten benötigt wird. Ferner kann die Vorrichtung aufbaubedingt mit überschaubarem Aufwand unter Einsatz von Quarzglasoptiken, Hochtemperaturfasern und speziellen Werkstoffen für das Gehäuse für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt werden, ohne dass eine aktive Küh- lung notwendig ist. Dabei werden drei diffraktive Gitter, wie es für Standard LDV-Sensoren bereits bekannt ist, erstmals in Kombination mit einem speziellen Dispersionsmanagement für die Realisierung des Laser-Doppler-Distanzsensors eingesetzt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht aufgrund der geringen Anzahl notwendiger optischer Komponenten erstmals einen stark miniaturisierten, fasergekoppeften Aufbau des Laser-Doppler-Distanzsensors, der außerdem nur einen faseroptischen Zugangsweg für die Anbindung nach außer erfordert. Darüber hinaus lassen sich alle Optiken relativ leicht aus dem oben genannten Quarzglas herstellen und der Justageaufwand ist gering.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in wetteren Unteransprüchen angegeben. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispteies mrthüfe von Zeichnungen erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 ein divergierendes (links) Interferenzstreifensystem - Fig. 1a - und ein konvergierendes (rechts) Interferenzstreifensystem - Fig. 1b wobei die beiden Streifensysteme unterschiedlicher Lichtwellenlängen \\ und λ2 in einem Messgebiet überlagert werden und durch die Messung der resultierenden zwei Doppler-Frequenzen sowohl die axiale Position z als auch die Geschwindigkeit (x-Komponente) eines Streuobjektes bestimmt werden können, nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 ein Funktionsschema des Laser-Doppler-Distanzsensors für die gleichzeitige Bestimmung der Geschwindigkeit v* und der Position z mittels der gemessen Dopperfrequenzen τΊ und f2 nach dem Stand der Technik, Links: Katibrierfunktion q(z),
Rechts: Interferenzstreifenabstände di(z) und di(z) in Abhängigkeit von der Position z, Fig. 3 einen Aufbau des Laser-Doppler-Distanzsensors mit Freuquenzmultiplex und faseroptischem Messkopf, wobei nach dem Stand der Technik die Streufichtdetektion der Übersichtlichkeit halber in Vorwörtsrichtung dargestellt ist, aber in der Praxis in Rückwärtsrichtung stattfindet,
Fig. 4 einen WDM-Aufbau des Laser-Doppler-Distanzsensors mit Gitter und dichroitischen Spiegeln nach dem Stand der Technik,
Fig. 5 eine modulare Aufbauausführung des Laser-Doppler-Distanzsensors mit
Wellenlängenmuttiplex unter Verwendung eines rein passiven, faserge- koppelten optischen Messkopfes mit diffraktiver Linse (DOE) nach dem Stand der Technik,
Fig. 6 ein Miniatur-Laser-Doppler-Velozimeter (LDV) mit diffraktivem mikrooptischem Element nach dem Stand der Technik,
Fig. 7 ein planar integriertes Miniatur-Laser-Doppler-Velozimeter (LDV) mit einem planar integrierten ikrostrahltetler und mit zwei fokussierenden diffraktiven Elementen zur Strahlvereinigung nach dem Stand der Technik,
Fig. 8 einen fasergekoppelten erfindungsgemäßen Miniatur-Messkopf, wobei
Fig.8a einen Strahtengang der Sendlichtfelder für die beiden verschiedenen Wellenlängen λ ^ bzw. A 2, deren Taillenpositionen durch Kreuze gekennzeichnet sind, und
Fig. 8b einen Streulichtkegei, der über ein Prisma abgelenkt und über die Linse (Asphäre) auf die Multimodefaser (MMF) fokussiert wird,
zeigen, einen fasergekoppelten erfindungsgemäßen Miniatur-Messkopf, bei dem die diffraktiven Optiken auf einem Substrat integriert sind, wobei Fig. 9a einen Strahlengang der Sendlichtfelder für die beiden verschiedenen Wellenlängen A 1 bzw. λ 2, deren Taillenpositionen durch Kreuze gekennzeichnet sind, und
Fig. 9b einen Streulichtkegel, der über ein Prisma abgelenkt und über die Linse (Asphäre) auf die Multimodefaser (MMF) fokussiert wird,
zeigen,
10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen fasergekoppelten Miniatur-Messkopfes, bei dem alle optischen Elemente auf einem Substrat integriert sind und eine Doppelkernfaser verwendet wird, wobei Fig. 10a einen Strahlengang der Sendlichtfelder für die beiden verschiedenen Wellenlängen Ai bzw. A2, deren Taillenpositionen durch Kreuze gekennzeichnet sind, und
Fig. 10b ein um 90° gedrehtes Schnittbild, um den Strahlengang für das
Streulicht sichtbar zu machen,
zeigen.
Die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung 1 zur nicht-inkrementellen Positions- und Formvermessung bewegter Festkörper 7 enthält einen Laser-Doppler-Distanzsensor 10 in Wellenlängenmuitiplextechnik mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen Ai und A2 und mit einem modularen, faseroptischen Messkopf 30 in seinem Sensoraufbau,
wobei der Sensoraufbau des Laser-Doppler-Distanzsensor 10 zwei weitere Mo- dule enthält, die mit dem Messkopf 30 faseroptisch verbunden sind: einer Lichtquelleneinheit 2 und einer Detektionseinheit 4,
wobei in der Lichtquelleneinheit 2 zwei Laserstrahtenbündel 37 unterschiedlicher Wellenlänge Ai und A2 zumindest in eine Glasfaser (Singlemodefaser - SMF) 24 eingekoppelt sind,
wobei in der Detektionseinheit 4 das bichromatische Streulicht in die den beiden Messkanälen 41,42 entsprechenden unterschiedlichen Wellenlängen At und λ2 aufgespaltet und anschließend mittels zweier Photodetektoren 43, 44 getrennt detekttert wird und die Detektionseinheit 4 mit einer Auswerteeinheit 8 verbunden ist, in der die Signalauswertung nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Distanzsensors 10 zur Ermittlung von Position, Geschwindigkeit und Form des Festkörpers 7 ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß ist der Messkopf als modutarer passiver, faseroptischer diffrak- tiver Miniatur-Messkopf 30 mit einem Dispersionsmanagement ausgebildet, der das aus der Sendefaser (SMF) 24 emittierte bichromatische Laserlichtbündel 37 mittels eines strahlteilenden Gitters 26 in jeweils zwei Teiistrahlenbündel 27, 28 in +1. Beugungsordnung und -1. Beugungsordnung aufspaltet, die mittels zweier nachgeschalteter Ablenkelemente 29, 40 in einem Ortsbereich zur Überlagerung gebracht werden, der das gemeinsame Messvolumen 31 darstellt, und dass vor dem strahlteilenden Gitter 26 eine Linse 32 angeordnet ist, die die aus der Sendefaser SMF 24 emittierten Laserstrahlenbündei 37 in die Umgebung des Messvolumens 31 fokussiert, wobei durch die chromatische Aberration (Dispersion) der Linse 32 eine Separation der Strahltaillen 33, 34 in z-Richtung derart erfolgt, dass die Strahltaille 33 für die eine Wellenlänge λι vor dem Messvoiumen 31 und die Strahltaille 34 für die andere Wellenlänge λ2 hinter dem Messvolumen 31 liegen.
Die Linse 32 ist eine dif raktive Linse oder eine refraktive Linse, vorzugsweise eine Asphäre.
Das strahlteilende Gitter 26 ist ein Reflexionsgitter oder ein Transmissionsbeu- gungsgitter, das vorzugsweise die Teilstrahlenbündel der +1. Beugungsordnung und der -1. Beugungsordnung favorisierend einstellt.
Die Ablenkelemente 29, 40 stellen diffraktive Gitter dar, deren Gitterkonstante kleiner als die Gitterkonstante des strahlteilenden Gitters 26 ist und die vorzugs- weise auf die Ausbildung jeweils nur einer Beugungsordnung (+1. oder -1.) orientiert sind. Das strahlteilende Gitter 26 und die beiden Ablenkelemente 29, 40 können auf der Vorderseite 1 1 und Rückseite 12 eines Substrates 47 angeordnet sind.
In der Vorrichtung 1 sind folgende Parameter
- Laserweilenlängen Ai und λ2,
- Brennweite und Dispersion der diffraktiven Linse 32,
- Gitterperioden des strahlteilenden Gitters 26,
- Ablenkwinkel der Ablenkelemente 29, 40,
- Abstände von Sendefaser 24 zu Linse 32, Linse 32 zu Gitter 26 und Gitter 26 zu den Abienkelementen 29,40
im Rahmen eines Dispersionsmanagements derart gewählt und aufeinander abgestimmt, dass gleichzeitig folgende Bedingungen erfüllt sind:
- Die Strahltailien 33, 34 der Laserstrahlenbündel 27, 28 für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen λι und λ2 werden ausreichend stark vergrößert zu Taillenradien wo,i oder wQi2 in der Umgebung des Messvolumens 31 , so dass sich aus der resultierenden Ausdehnung der Interferenzstreffensysteme in z- Richtung die gewünschte Messbereichsfänge tz - 2^2- wo sin Θ ( = 1 ,2) ergibt und dass eine ausreichend große Anzahl an Interferenzstreifen (typischerweise £ 10) im Messvolumen 31 vorliegt, wobei der Winkel Θ der halbe Kreuzungswinkel zwischen den sich im Messvofumen 31 kreuzenden Teilstrahlenbündel 27, 28 ist,
- Die Strahltaille 33 liegt für die eine Wellenlänge Ai vor dem Messvolumen 31 und die Strahltaille 34 für die andere Wellenlänge λ2 hinter dem Messvofumen 31 und zwar vorzugsweise jeweils etwa um die 1-2 fache Rayleighlänge vom Kreuzungspunkt 35 im Messvofumen 31 entfernt.
Die Streuiichtdetektion kann in Seitwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfolgen. Das Streulicht 6 wird in eine Detektionsfaser {Multimodefaser MMF) 5 eingekop- peft, die vorzugsweise parallel zur Singfemodefaser SMF 24 angeordnet ist. Das Streulicht 6 kann zur Einkoppiung in die Detektionsfaser 5 mittels eines Ablenkelementes 36, vorzugsweise eines Keifprismas, das mit einer Mittelbohrung 9 versehen ist, um die Sendestrahlen 37 nicht zu stören, seitlich leicht abgelenkt und dann mittels der in der Sendeoptik bereits vorhandenen Linse 32 auf die Stirnfläche 13 der Detektionsfaser 5 fokussiert werden.
Die Justierung der Detektionsoptik 36, 32, 5 erfolgt derart, dass über eine Verschiebung des Prismas 36 mittels einer Verschiebe-/Dreheinrichtung 38 in Richtung der optischen Achse (z-Richtung) die radiale Position eines Streulichtspots 39 justiert wird, wobei die azimutale Lage des Streulichtspots 39 mithilfe der Ver- schiebe-/Dreheinrichtung 38 über eine Drehung des Keilprismas 36 veränderbar ist, wobei alternativ eine Justierung der Detektionsoptik 36, 32, 5 über die Position (azimutal, radial) der Detektionsfaser (MMF) 5 erreichbar ist. Die Detektionsfaser 5 liegt außerhalb der Ebene, welche durch die Teilstrahlenbündel 27,28 des Sendelichtfelds aufgespannt ist.
Zur Ablenkung und Fokussierung des Streulichtes 6 auf die Detektionsfaser 5 können anstatt des Keilpnsmas 36 und der einzeln angeordneten Sendefinse 32 alternativ auch diffraktive Elemente 45, 46 eingesetzt werden, die in der Umgebung des Strahlteiler-Gitters 26 oder der Ablenkelemente 29, 40 in mindestens ein Substrat 47 integriert sind.
Auch die Linse 32 kann 26 in das Substrat 47 integriert sein.
Das im Substrat 47 befindliche strahltetlende Gitter 26 ist ein Reffexionsgitter und im Substrat 47 sind Umlenkelemente 51, 52 zur Führung der Teilstrahlenbündel 27, 28 zu den Ablenkelementen 29, 0 vorhanden. Anstelle einer Sendefaser S F 24 und einer Detektionsfaser, Mehrfachmodefaser MMF, 5 kann auch eine einzige Glasfaser 48 für Sendelichtstrahlenbündel 37 und Streulichtdetektion eingesetzt sein, die z.B. als Dopplerkernfaser ausgebildet ist, durch deren SMF-Kern 49 das bichromatische Sendelichtbündel 37 zum Messkopf 30 geleitet und deren M MF- Kern 50 für die Ableitung des Streulichtes 6 eingesetzt ist.
Mehrere oder alle optischen Elemente von Sendeoptik und von Empfangsoptik können auf einem Substrat 47 integriert sein, wobei ggf. zusätzliche Umlenkelemente 51 , 52 notwendig sind und der Strahlengang auch gefaltet ist.
Die Wirkung der Linse 32 kann auch in das Gitter 26, die Umlenkelemente 51, 52 oder die Ablenkelemente 29, 40 auf diffraktive oder holographische Weise integ- riert sein.
Alle optischen Elemente können transmittiv oder reflektiv ausgelegt sein. Die diffraktiven Elemente 45, 46 können auch holographisch ausgeführt sein.
Die Integration der optischen Elemente oder die Lichtleitung innerhalb des Substrates 47 kann auch mittels Lichtwellenleitertechnik realisiert sein, wofür auch photonische Kristallstrukturen eingesetzt werden können. Für alle optischen Elemente, vorzugsweise Linse 32, Keilprisma 36, sowie für die Substrate 47 der diffraktiven Elemente, vorzugsweise strahlteilendes Gitter 26 und Ablenkelemente 29, 40, kann temperaturbeständiges Quarzglas eingesetzt sein. Als Glasfasern 48 können Hochtemperaturfasern eingesetzt sein.
Der gesamte Messkopf 30 kann unter Einsatz von Quarzglasoptiken, Hochtemperaturfasern und speziellen Werkstoffen für das Gehäuse z.B. Zerodur, Keramik oder Hochtemperaturstahl, für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt sein, ohne dass eine aktive Kühlung erforderlich ist.
Die Vorrichtung 1 kann alternativ auch mittels Zeitbereichsmultiplex (TDM) realisiert sein, wobei gleichzeitig in den Messkopf 30 eine adaptive Optik integriert ist. Erfindungsgemäß ist der in den Fig. 8, 8a, 8b dargestellte Messkopf 30 des La- ser-Doppler-Distanzsensors 10 nicht mehr wie bisher mittels zwei Teleskopen gemäß Fig. 5 aufgebaut, sondern, es ist statt dessen nur eine einzelne dispersive Linse 32 angeordnet vor dem Gitter 26 vorhanden, die die Fokussierung der Laserstrahlenbündel 27, 28 und die Taillenseparation übernimmt, und die Strahlvereinigung hinter dem strahlteilenden Gitter 26 geschieht mittels zweier diffraktiver Ablenkelemente 29, 40 gemäß Fig. 8. Somit besteht die Sendeoptik nur noch aus drei Komponenten: der Linse 32, dem strahlteilenden Gitter 26 zur Strahlteilung und einem bzw. zwei diffraktiven Elementen 29, 40 zur Strahlvereinigung.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Aufbaus des fasergekoppelten Miniatur-Messkopfes 30 aus den Fig. 8, 8a, 8b kann wie folgt beschrieben werden: Die übereinander liegenden Strahltaillen 33, 34 der beiden Laserwellenlängen λι und λ2 am Faserende der Singlemodefaser - SMF - 24 am Messkopf 30 werden mittels einer speziell gewählten dispersiven Linse 32, z.B. einer Asphäre, in das Messvolumen 31 abgebildet. Zwischen der dispersiven Linse 32 und dem Messvolumen 31 werden die üchtfelder der unterschiedlichen Wellenlängen und A2 mit dem strahlteilenden Gitter 26 aufgespaltet (wobei die +1. Beugungsordnung und die -1. Beugungsordnung genutzt werden) und mit jeweils einem Ablenkelement 29, 40 je Teilstrahlenbündel 27, 28 in der Messvolumenmitte zur ÜberKreuzung gebracht gemäß Fig. 8a. Die Ablenkelemente 29, 40 können als Gitter ausgeführt werden, deren Gitterperiode kleiner sein muss als die Gitterperiode des strahlteilenden Gitters 26.
Das erfindungsgemäße Dispersionsmanagement sieht vor, dass die Parameter
- Laserweilenlängen Ai und Ä2,
- Brennweite der dispersiven Linse 32,
- Dispersion (Wellenlängenabhängigkeit der Brennweite) der Linse 32,
- Gitterperioden des Strahlteilergitters 26,
- Ablenkwinkel der Ablenkelemente 29, 40,
- Abstände von Sendefaser SMF 24 zur Linse 32, der Linse 32 zum Gitter 26 und des Gitters 26 zu den Ablenkelementen 29, 40, derart gewählt und aufeinander abgestimmt werden, dass gleichzeitig folgende Bedingungen erfüllt sind:
- Die Strahltaillen 33, 34 der Laserstrahlenbündel 27, 28 für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen λι und λ2 werden ausreichend stark vergrößert zu Taillenradien w0, i bzw, Wo,2 in der Umgebung des Messvolumens 31, so dass sich aus der resultierenden Ausdehnung der Interferenzstreifensysteme in z- Richtung die gewünschte essbereichslänge /Zj, = 2V2 w0,, / sin Θ ( = 1 ,2) ergibt und dass eine ausreichend große Anzahl an Interferenzstreifen {typischerweise ä 10) im Messvolumen 31 vorliegt.
- Die Strahltaille 33 liegt für die eine Wellenlänge λι vor dem Messvolumen 31 und die Strahltaille 34 für die andere Wellenlänge λ2 hinter dem Messvolumen 31 und zwar vorzugsweise jeweils etwa um die 1-2 fache Rayleighlänge vom Kreuzungspunkt 35 entfernt. Für die unterschiedliche Positionierung der Strahltaillen 33, 34 für die beiden verwendeten Laserwellenlängen λι und λ2 vor bzw. hinter deren Kreuzungspunkt 35 im Messvolumen 31 wird die chromatisch Abberatton der Linse 32 gezielt ausgenutzt und durch die Vergrößerung in der Abbildung verstärkt.
Die Detektiön des Streulichtes 6 kann wie in Fig. 8b dargestellt erfolgen. Hierbei wird zur Detektiön des Streulichtes 6 vom Festkörper 7 in Rückwärtsrichtung und zur Fokussierung auf die Detektionsfaser 5 (Multimodefaser - MMF -) die gleiche Linse 32 genutzt, die auch das Sendelicht 37 ins Messvolumen 31 abbildet. Da die Detektionsfaser (MMF) 5 nicht auf der optischen Achse, sondern leicht versetzt neben der Sendefaser {Singlemodefaser - SMF -) 24 positioniert ist, ist ein spezielles Keilprisma 36 zwischen der Linse 32 und dem strahlteilendem Gitter 26 im Messkopf 30 vorgesehen, um den Spot 39 des Streulichts 6 auf die multimodige Detektionsfaser 5 zu verschieben. Das Keilprisma 36 ist ferner mit einer Mittelbohrung 9 versehen, damit das Sendelichtfeld 37 nicht beeinträchtigt wird. Über eine Verschiebung des Prismas 36 in Richtung der optischen Achse (z-Richtung) kann die radiale Position des Streulichtspots 39 justiert werden. Die azimutale Lage des Streulichtspots 39 kann z.B. mittels der Verschiebe- /Dreheinrichtung 38 über eine Drehung des Keilprismas 36 verändert werden. Alternativ kann stattdessen auch eine Justierung der Detektionsoptik über die Position (azimutal, radial) der Detektionsfaser ( MF) 5 erreicht werden. Vorzugsweise liegt die Detektionsfaser 5 außerhalb der Ebene, welche durch die Teilstrahlenbündel 27, 28 des Sendelichtfelds aufgespannt wird. Dadurch kann vermieden werden, dass direkte Reflexe am Festkörper 7, die keinerlei Informati- onsgehalt haben, in die Detektionsfaser 5 eingekoppelt werden.
Die Streulichtoptik kann alternativ auch realisiert werden, indem die Fokussterung des Streulichtes 6 mittels diffraktiver Elemente 45, 46 erfolgt, die in das Substrat 47 für das strahlteilende Gitter 26 bzw. für die Ablenkelemente 29, 40 integriert sein können, wie in Fig. 10a, 10b gezeigt ist.
Sowohl die Linse 32 und das Keilprisma 36 als auch das strahlteilende Gitter 26 und die Ablenkelemente 29, 40 sowie die Glasfasern 24, 5, 48 können aus temperaturbeständigem Quarzglas hergestellt werden, so dass ein Betrieb bei hohen Temperaturen möglich ist, Somit kann dieser Messkopfaufbau mit überschauba- rem Aufwand unter Einsatz von Quarzglasoptiken, Hochtemperaturfasern und speziellen Werkstoffen für das Gehäuse für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt werden, ohne dass eine aktive Kühlung notwendig ist.
Außerdem lässt sich der Messkopf 30 des Laser-Doppler-Distanzsensors 10 durch die erfindungsgemäße Ausführung sehr leicht miniaturisieren, da nur eine sehr geringe Anzahl von optischen Komponenten benötigt wird.
In Fig. 9a und 9b ist in einem anderen erfindungsgemäßen Messkopf 30 die Komponentenanzahl sowie der mechanische Aufwand noch weiter reduziert, indem die beiden diffraktiven Elemente: strahlteilendes Gitter 26 und Ablenkele- mente 29, 30 auf der Vorderseite 11 und der Rückseite 12 eines Substrates 47 angeordnet sind, wodurch die Elemente automatische perfekt zueinander justiert sind.
In einem weiteren Messkopf 30 können mehrere oder alle optischen Elemente auf einem Substrat 47 integriert sein, wobei der optische Strahlengang auch gefaltete werden kann, ggf. unter Einsatz zusätzlicher Umlenkelemente 51, 52 gemäß Fig. 10a, 10b. Allgemein können alle optischen Elemente transmittiv oder refiektiv ausgelegt werden. Beispielsweise ist in Fig. 10a, 10b das strahlteilende Gitter 26 im Unterschied zu Fig. 8 als Reflexionsgitter dargestellt. Die Linse 32 kann gemäß Fig. 10a, 10b auch als diffraktive Linse ausgeführt werden. Alternativ kann die Linsenwirkung ähnlich wie in Fig. 7 dargestellt auch in das Gitter 26, die Umlenkelemente 51, 52 oder die Ablenkelemente 29,40 auf diffraktive oder holographische Weise integriert sein. Darüber hinaus kann statt zwei unterschiedlichen Glasfasern 24, 5 für Sendelicht 37 und Detektion von Streulicht 6 auch eine einzelne Glasfaser 48 eingesetzt sein, die wie in Fig. 10a, 10b dargestellt eine Doppetkernfaser sein kann. Der Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass der erfindungsgemäße Messkopf 30 durch nur wenige optische Komponenten sehr kompakt gefertigt werden kann. Durch den Einsatz von Hochtemperaturfasern und optischen Komponenten aus temperaturbeständigen Gläsern (Quarzglas) sind zudem Messungen bei sehr hohen Temperaturen ohne aktive Kühlung möglich. Außerdem braucht für die Justierung des Messkopfes 30 prinzipiell nur der Abstand zwischen dem Faserende der Sendefaser 24 und der Linse 32 justiert werden, welcher ein gleichzeitiges Verschieben der Strahltaillen 33, 34 der beiden Wellentangen um den Kreuzungspunkt 35 der Teilstrahlenbündel 27, 28 ermöglicht. Die Justierung des Keilprismas 36 ist nur einmalig beim Zusammenbau des Messkopfs 30 notwendig. Dadurch, dass der miniaturisierte Messkopf 30 prinzipiell nur eine Vorkehrung zur Justierung benötigt, ist diese Vorrichtung 1 unempfindlich gegenüber Vibrationen.
Mit diesen Eigenschaften kann der fasergekoppelte, kompakte und rein optisch passive Messkopf 30 hervorragend für die Messung von Schwingungen der Schaufeln 7 sowie Spaltweitenmessungen in Turbomaschinen eingesetzt werden. Durch das große Miniaturisierungspotential ist die nötige Kompaktheit des Sensors für den Einsatz in Turbomaschinen gegeben. Da in Turbomaschinen sehr hohe Temperaturen bis über 1000°C auftreten, muss der Messkopf 30 die- sen standhalten. Das ist in der Vorrichtung durch Hochtemperatrufasern und temperaturbeständige Optiken umgesetzt worden. Durch die räumliche Trennung von Sendeeinheit 2 und Detektionseinheit 4 zum Messkopf 30 durch Beibehaltung der modularen Ausführung nach Fig. 5 außerdem aktive optische Kompo- nenten, wie Laserdioden und Photodetektoren, von den rauen Umgebungseinflüssen an Turbomaschinen entkoppelt werden.
Züsammengefasst bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
- Der rein passive, faseroptische Messkopf 30 kann als Dispersionsmanagement-Miniatur-Messkopf extrem kompakt gebaut werden, da neben den Glasfasern 24, 5, 48 inklusive Empfangsoptik nur maximal vier optische Elemente notwendig sind, die noch dazu ganz oder teilweise auf einem Substrat 47 in- tegnert werden können.
- Ferner ist auch der Justageaufwand extrem gering, besonders wenn die Elemente auf einem Substrat 47 integriert werden. Dies macht den Sensoraufbau extrem robust.
- Es ist nur eine Linse 32 notwendig, für die ein Einzellinse (Singlet) ausrei- chend ist (z.ß. eine Asphäre). Insbesondere werden keine Achromate benötigt.
- Alle optischen Elemente (Linse, Keilprisma, diffraktive Elemente und Glasfasern) lassen sich problemtos aus Quarzglas herstellen, was grundsätzlich eine Temperaturbeständigkeit bis über 1000°C aufweist. Somit lässt die erfin- dungsgemäße Vorrichtung 1 erstmals eine Auslegung des Messkopfes 30 des Laser-Doppler-Distanzsensors 10 für derart hohe Temperaturen bis über 1000°C ohne aktive Kühlung zu, was mit den bisher bekannten Messkopf- Aufbauten grundsätzlich nicht möglich war. Als Lichtleitfasern können dabei Hochtemperaturfasern mit speziellem temperaturbeständigem Metall-Coating eingesetzt werden. Eine stabile Auslegung des Gehäuses auf diese hohen Temperaturen ist mit Hilfe von SpezialStählen, Zerodur oder Keramiken möglich.
- Ein weitere Vorteil der erfindungsgemäßen Miniaturmesskopfes 30 ist, dass Sendefaser 24 und Empfangsfaser 5 parallel verlaufen, so dass beide in ei- nem Schlauch geführt werden können und somit (im Gegensatz zum Aufbau aus Fig. 5) nur ein Zugangskabel zum Messkopf 30 notwendig ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gegenüber bisherigen Realisierungen eines Laser-Doppler-Distanzsensors 10 liegt im sehr einfachen Aufbau mit nur wenigen optischen Komponenten, woraus sich ein großes Miniaturisie- rungspotential ergibt. Außerdem erlaubt es die Vorrichtung 1 , den Laser-Doppler- Distanzsensor 10 relativ einfach für hohe Temperaturen, wie sie z.B. bei Turbomaschinen vorliegen, auszulegen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Ltchtquelleneinheit
3 Messkopf nach dem Stand der Technik
4 Detektionseinheit
5 Detektionsfaser
6 Streulicht
7 Festkörper
8 Auswerteeinheit
9 Mittelbohrung
10 Laser-Doppler-Distanzsensor nach dem Stand der Technik
11 Vorderseite
12 Rückseite
13 Stirnfläche
21 erste Laserdiode
22 zweite Laserdiode
23 Faserschmelzkoppler
24 Sendefaser
25 diffraktive Linse
26 strahlteilendes Gitter
27 erstes Teilstrahlenbündel
28 zweites Teilstrahlenbündef
29 erstes Ablenkelement
30 erfindungsgemäßer Messkopf
31 Mess volumen
32 dispersive Linse
33 erste Strahltaille
34 zweite Strahltaille
35 Kreuzungspunkt
36 Ablenkelement
37 Sendestrahlenbündel
38 Verschieb-/Dreheinrichtung 39 Streulichtspot
40 zweites Ablenkelement
41 erster Messkanal
42 zweiter Messkanai
43 erster Photodetektor
44 zweiter Photodetektor
45 erstes diffraktives Element
46 zweites diffraktives Element
47 Substrat
48 Glasfaser
49 SMF-Kern
50 MMF-Kem
51 erstes Umlenkelement
52 zweites Umlenkelement

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur nicht-inkrementellen Positions- und Formvermessung bewegter Festkörper (7), enthaltend einen Laser-Doppler-Distanzsensor (10) in Wellenlängenmultiplextechnik mit mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen (A1t λ2) und mit einem modufaren, faseroptischen Messkopf in seinem Sensoraufbau,
wobei der Sensoraufbau des Laser-Doppler-Distanzsensor (10) zwei weitere Module enthält, die mit dem Messkopf faseroptisch verbunden sind: einer Lichtquelleneinheit (2) und einer Detektionseinheit (4),
wobei in der Lichtquelleneinheit (2) zwei Laserstrahlenbündel (37) unterschiedlicher Wellenlänge {λι, A?) zumindest in eine Glasfaser (24) eingekoppelt sind,
wobei in der Detektionseinheit (4) das bichromatische Streulicht in die den beiden MesskanäEen (41, 42) entsprechenden unterschiedlichen Wellenlängen (λι, λ2) aufgespaltet und anschließend mittels zweier Photodetektoren (43, 44) getrennt detektiert wird und
die Detektionseinheit (4) mit einer Auswerteeinheit (8) verbunden ist, in der die Signalauswertung nach dem Prinzip des Laser-Doppler-Distanzsensors (10) zur Ermittlung von Position, Geschwindigkeit und Form des Festkörpers (7) ausgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Messkopf als modularer passiver, faseroptischer diffraktiver Miniatur-Messkopf (30) ausgebildet ist,
der das aus der Sendefaser (24) emittierte bichromatische Laserlichtbündel (37) mittels eines strahlteilenden Gitters (26) in jeweils zwei Teifstrahlenbün- del (27, 28) in die +1. Beugungsordnung und in die -1. Beugungsordnung aufspaltet, die mittels zweier nachgeschalteter Ablenkeiemente (29, 40) in einem Ortsbereich zur Überlagerung gebracht werden, der das gemeinsame Mess- volumen (31) darstellt, und dass vor dem strahlteilenden Gitter (26) eine Linse (32) angeordnet ist, die die aus der Sendefaser (24) emittierten Laserstrahlenbündel (37) in die Umgebung des Messvolumens (31) fokussiert, wobei durch die Dispersion der Linse (32) eine Separation der Strahitaillen (33, 34) in 2-Richtung derart erfolgt, dass die Strahltaille (33) für die eine Wellenlänge (λι) vor dem Messvolumen (31) und die Strahltaille (34) für die andere Wellenlänge (kz) hinter dem Messvolumen (31) liegen. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Linse (32) eine diffraktive linse oder eine refraktive Linse, vorzugsweise eine Asphäre, ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das strahlteilende Gitter (26) ein Reflexionsgitter oder ein Transmissionsbeugungsgitter ist, das vorzugsweise die Teilstrahlenbündel der +1. Beugungsordnung und der -1. Beugungsordnung favorisierend einstellt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ablenkelemente (29, 40) diffraktive Gitter darsteilen, deren Gitterkonstante kleiner als die Gitterkonstante des strahlteilenden Gitters (26) ist und die vorzugsweise auf die Ausbildung jeweils nur einer (+1. oder -1.) Beugungsordnung orientiert ist.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das strahlteiiende Gitter (26) und die beiden Ablenkelemente (29, 40) auf der Vorderseite (11) und Rückseite (12) eines Substrates (47) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass folgende Parameter
- Laserwellenlängen (Ai.Aa),
- Brennweite und Dispersion der diffraktiven Linse (32), - Gitterperioden des strahlteilenden Gitters (26),
- Ablenkwinkel der Ablenkelemente (29, 40),
- Abstände der Sendefaser (24) zu Linse (32), der Linse (32) zum Gitter (26) und des Gitters (26) zu den Ablenkelementen (29, 40)
im Rahmen eines Dispersipnsmanagements derart gewählt und aufeinander abgestimmt sind, dass gleichzeitig folgende Bedingungen erfüllt sind:
- Die Strahltaillen (33, 34) der Laserstrahlenbündel (27, 28) für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen (λι, λ2) werden ausreichend stark vergrößert zu Taillenradien (w0,i oder w0,2) in der Umgebung des Messvolumens (31), so dass sich aus der resultierenden Ausdehnung der Interferenzstreifensysteme in z-Richtung die gewünschte Messbereichslänge = 2V2 wö, /sin Θ (/ = 1, 2) ergibt und dass eine ausreichend große Anzahl an Interferenzstreir fen (typischerweise a 10) im Messvolumen (31) vorliegt,
- Die Strahltaille (33) liegt für die eine Wellenlänge (λι) vor dem Messvolumen (31) und die Strahltaille (34) für die andere Wellenlänge (λ2) hinter dem Messvolumen (31) und zwar vorzugsweise jeweils etwa um die 1-2 fache Rayleighlänge vom Kreuzungspunkt (35) im Messvolumen (31) entfernt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Streulichtdetektion in Seifwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erfolgt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Streulicht (6) in eine Detektionsfaser (5) eingekoppelt wird, die vorzugsweise parallel zur Sendefaser (24) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Streulicht zur Einkopplung in die Detektionsfaser (5) mittels eines Ablenkelementes (36), vorzugsweise eines Keilprismas, das durchbohrt ist, um die Sendestrahlen (37) nicht zu stören, seitlich leicht abgelenkt und dann mittels der in der Sendeoptik bereits vorhandenen Linse (32) auf den Eingang (13) der Detektionsfaser (5) fokussiert wird.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Justierung der Detektionsoptik (36, 32, 5) derart erfolgt, dass über eine Verschiebung des Prismas (36) mittels einer Verschiebe-/Dreheinrich- tung (38) in Richtung der optischen Achse, der z-Richtung, die radiale Position eines Streulichtspots (39) justiert wird, wobei die azimutale Lage des Streulichtspots (39) mithilfe der Verschiebe-/Dreheinrichtung (38) über eine Drehung des Keilprismas (36) veränderbar ist, wobei alternativ eine Justierung der Detektionsoptik (36, 32, 5) über die azimutale und radiale Position der Detektionsfaser (5) erreichbar ist. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektionsfaser (5) außerhalb der Ebene liegt, welche durch die Teilstrahlenbündel (27, 28) des Sendelichtfelds aufgespannt ist. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ablenkung und Fokussierung des Streulichtes (6) auf die Detektionsfaser (5) anstatt des Keilprismas (36) und der einzeln angeordneten Sendelinse (32) alternativ auch diffraktive Elemente (45, 46) eingesetzt sind, die in der Umgebung des strahlteilenden Gitters (26) oder der Ablenkelemente (29, 0) in mindestens ein Substrat (47) integriert sind.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Linse (32) vor dem strahlteilenden Gitter (26) in das Substrat (47) integriert ist.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
dass das im Substrat befindliche strahlteilende Gitter (26) ein Reflexionsgitter ist und im Substrat (47) Umlenkelemente (51, 52) zur Führung der Teilstrahlenbündel (27, 28) zu den Ablenkelementen (29, 0) vorhanden sind.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass anstelle einer Sendefaser (24) und einer Detektionsfaser (5) nur eine einzige Glasfaser (48) für Sendelichtstrahlenbündel (37) und Streu lichtdetek- tion eingesetzt ist, die z.B. als Dopplerkemfaser ausgebildet ist, durch deren SMF-Kem (49) das bichromatische Sendelicht (37) zum Messkopf (30) geleitet und deren MMF-Kern (50) für die Ableitung des Streulichtes (6) eingesetzt ist. 16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere oder alle optischen Elemente von Sendeoptik und von Empfangsoptik auf einem Substrat (47) integriert sind, wobei ggf. zusätzliche Umlenkelemente (51, 52) notwendig sind und der Strahlengang auch faltbar ist..
17. Vonrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wirkung der Linse (32) auch in das Gitter (26), in die Umlenkelemente (51, 52) oder in die Ablenkelemente (29, 40) auf diffraktive oder holographi- sehe Weise integriert ist.
18. Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeich et,
dass alle optischen Elemente transmittiv oder reflektiv ausgelegt sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass die diffraktiven Elemente (45, 46) auch holographisch ausgeführt sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Integration der optischen Elemente oder die Lichtleitung innerhalb des Substrates (47) auch mittels Lichtwellenleitertechnik realisiert ist, wofür auch photonische Kristallstrukturen eingesetzt sind.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,,
dadurch gekennzeichnet,
dass für alle optischen Elemente, vorzugsweise Linse (32), Keifprisma (36), sowie für die Substrate (47) der diffraktiven Elemente, insbesondere ein strahlteiiendes Gitter (26) und Ablenkelemente (29, 40), temperaturbeständiges Quarzglas eingesetzt ist. 22. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Glasfasern (24, 5, 48) Hochtemperaturfasern eingesetzt sind.
23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
dass der gesamte Messkopf (30) unter Einsatz von Quarzglasoptiken, Hochtemperaturfasern und speziellen Werkstoffen für das Gehäuse, das aus Zero- dur, Keramik oder Hochtemperaturstahl gefertigt ist, für hohe Umgebungstemperaturen ausgelegt ist, ohne dass eine aktive Kühlung erforderlich ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung (1) alternativ auch mittels Zeitbereichsmultiplex (TD ) realisiert ist, wobei gleichzeitig in den Messkopf (30) eine adaptive Optik in- tegriert ist.
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