Geschwindigkeitsmessung mit Lasern

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1 Geschwindigkeitsmessung mit Lasern Andreas Buschermöhle Universität Osnabrück 3. Juli 2007

2

3 berührungslose Messung

4 berührungslose Messung sehr präzise Messung

5 berührungslose Messung sehr präzise Messung nicht nur punktuelle Messung

6 wiederholte

7 wiederholte Messung der Dopplerverschiebung

8 wiederholte Messung der Dopplerverschiebung

9 wiederholte Messung der Dopplerverschiebung

10 wiederholte Messung der Dopplerverschiebung

11 Lasertriangulation

12 Lasertriangulation nur für kurze Distanzen geeignet (bis 100m)

13 Lasertriangulation nur für kurze Distanzen geeignet (bis 100m) kontinuierliche Messung möglich

14 Lasertriangulation nur für kurze Distanzen geeignet (bis 100m) kontinuierliche Messung möglich Messpunkt möglichst klein und hell

15 Lasertriangulation nur für kurze Distanzen geeignet (bis 100m) kontinuierliche Messung möglich Messpunkt möglichst klein und hell Genauigkeit hängt vom Sensor ab

16 Phasenlage Laserinterferometer misst nur Längenänderungen Sende und Empfangsstrahl interferrieren Zahl der Perioden ergeben Strecke hohe Genauigkeit

17 Phasenlage Laserinterferometer misst nur Längenänderungen Sende und Empfangsstrahl interferrieren Zahl der Perioden ergeben Strecke hohe Genauigkeit Modulation der Laseramplitude misst zeitliche Differenz der Amplitude Mehrdeutigkeit bei Vielfachem der halben Wellenlänge hohe Genauigkeit

18 Laufzeit Messung der Laufzeit eines Laserpulses

19 Laufzeit Messung der Laufzeit eines Laserpulses Erfordert die Messung sehr kurzer Zeiten (ns bis ps)

20 Laufzeit Messung der Laufzeit eines Laserpulses Erfordert die Messung sehr kurzer Zeiten (ns bis ps) Auflösung von einigen Zentimertern

21 Laufzeit Messung der Laufzeit eines Laserpulses Erfordert die Messung sehr kurzer Zeiten (ns bis ps) Auflösung von einigen Zentimertern große Distanzen möglich (Erde-Mond)

22 Frequenzänderung bei Relativbewegung zwischen Sender und Objekt

23 Frequenzänderung bei Relativbewegung zwischen Sender und Objekt ν = ν 1 v c

24 Frequenzänderung bei Relativbewegung zwischen Sender und Objekt ν = ν 1 v c nur geringe Änderung bei geringen Geschwindigkeiten

25 Anemometrie allgemein Messung einer Strömungsgeschwindigkeit

26 Anemometrie allgemein Messung einer Strömungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit von in der Strömung mitgeführten Partikeln

27 Anemometrie allgemein Messung einer Strömungsgeschwindigkeit Geschwindigkeit von in der Strömung mitgeführten Partikeln Partikel sollten schlupffrei in der Strömung mitgeführt werden

28 Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation

29 Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation Wollastonprisma teilt Strahl in senkrecht polarisierte auf

30 Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation Wollastonprisma teilt Strahl in senkrecht polarisierte auf Linse um Laserstrahlen zu schneiden

31 Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation Wollastonprisma teilt Strahl in senkrecht polarisierte auf Linse um Laserstrahlen zu schneiden Schnittpunkt ist das Messvolumen

32 Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation Wollastonprisma teilt Strahl in senkrecht polarisierte auf Linse um Laserstrahlen zu schneiden Schnittpunkt ist das Messvolumen Blende, um nur das Streulicht weiterzuführen

33 Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation Wollastonprisma teilt Strahl in senkrecht polarisierte auf Linse um Laserstrahlen zu schneiden Schnittpunkt ist das Messvolumen Blende, um nur das Streulicht weiterzuführen Linse fokussiert auf Photodetektor

34 Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz

35 Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz Partikel streuen das Licht

36 Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz Partikel streuen das Licht gestreutes Licht hat modulierte Intensität

37 Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz Partikel streuen das Licht gestreutes Licht hat modulierte Intensität Frequenz hängt direkt mit Geschwindigkeit zusammen

38 Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz Partikel streuen das Licht gestreutes Licht hat modulierte Intensität Frequenz hängt direkt mit Geschwindigkeit zusammen Geschwindigkeit nur senkrecht zu Interferenzmuster

39 Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz Partikel streuen das Licht gestreutes Licht hat modulierte Intensität Frequenz hängt direkt mit Geschwindigkeit zusammen Geschwindigkeit nur senkrecht zu Interferenzmuster für 3D werden 3 LDAs mit unterschiedlichen Farben verwendet

40 Funktionsweise II Intensität der Interferenzmaxima ist unterschiedlich

41 Funktionsweise II Intensität der Interferenzmaxima ist unterschiedlich Messignal digitalisieren und Zahl der Maxima pro Zeit zählen

42 Funktionsweise II Intensität der Interferenzmaxima ist unterschiedlich Messignal digitalisieren und Zahl der Maxima pro Zeit zählen alternativ Messignal direkt Fouriertransformieren

43 Funktionsweise II Intensität der Interferenzmaxima ist unterschiedlich Messignal digitalisieren und Zahl der Maxima pro Zeit zählen alternativ Messignal direkt Fouriertransformieren alternative Herleitung: Überlagerung des Ausgangsstrahls und des dopplerverschobenen Streulichts führt ebenfalls zu Intensitätsmodulation und zum gleiches Ergebnis

44 2 parallele Laserstrahlen in definiertem Abstand

45 2 parallele Laserstrahlen in definiertem Abstand durchfliegendes Partikel löst zwei Lichtimpulse aus

46 2 parallele Laserstrahlen in definiertem Abstand durchfliegendes Partikel löst zwei Lichtimpulse aus Messung der Zeitdifferenz zwischen den Signalen

47 L2F: Probleme Bewegung führt nicht durch beide Strahlen

48 L2F: Probleme Bewegung führt nicht durch beide Strahlen Lösung: Drehung eines Strahls um den anderen Zahl der Vorkommen über Geschwindigkeit und Winkel auftragen Maximum ergibt Hauptrichtung und Geschwindigkeit des Mediums

49 Verfolgung mehrerer Partikel über die Zeit

50 Verfolgung mehrerer Partikel über die Zeit Ausleuchtung einer Ebene mit einem gepulsten Laser

51 Verfolgung mehrerer Partikel über die Zeit Ausleuchtung einer Ebene mit einem gepulsten Laser Vergleich der Aufnahmen von zwei aufeinander folgenden Pulsen

52 Verfolgung mehrerer Partikel über die Zeit Ausleuchtung einer Ebene mit einem gepulsten Laser Vergleich der Aufnahmen von zwei aufeinander folgenden Pulsen 3 Varianten: Partikel Image Velocimetry nutzt Korrelationsalgorythmus Partikel Tracking Velocimetry trackt jeden einzelnen Partikel Laser Speckle Velocimetry nutzt Interferrenzmuster des reflektierten Lichts

53 PIV Funktionsweise I Gepulster Laser wird auf Lichtebene Aufgeweitet

54 PIV Funktionsweise I Gepulster Laser wird auf Lichtebene Aufgeweitet Aufnahme des Bildes mit CCD über rotierenden Spiegel

55 PIV Funktionsweise I Gepulster Laser wird auf Lichtebene Aufgeweitet Aufnahme des Bildes mit CCD über rotierenden Spiegel Auswertung am Rechner

56 PIV Funktionsweise I Gepulster Laser wird auf Lichtebene Aufgeweitet Aufnahme des Bildes mit CCD über rotierenden Spiegel Auswertung am Rechner

57 PIV Funktionsweise II Alle Möglichen Verschiebungen testen und Anzahl aufsummieren

58 PIV Funktionsweise II Alle Möglichen Verschiebungen testen und Anzahl aufsummieren Häufigste Verschiebung auswählen

59 PIV Funktionsweise II Alle Möglichen Verschiebungen testen und Anzahl aufsummieren Häufigste Verschiebung auswählen Richtung ist zweideutig

60 PIV Funktionsweise II Alle Möglichen Verschiebungen testen und Anzahl aufsummieren Häufigste Verschiebung auswählen Richtung ist zweideutig durch Spiegel künstlich zusätzliche Geschwindigkeit

61 PIV Funktionsweise II Alle Möglichen Verschiebungen testen und Anzahl aufsummieren Häufigste Verschiebung auswählen Richtung ist zweideutig durch Spiegel künstlich zusätzliche Geschwindigkeit Richtung wird eindeutig

62 einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung

63 einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung der direkte ist zu gering für Messungen

64 einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung der direkte ist zu gering für Messungen Laser werden eingesetzt, um Strömungen von Gasen und Flüssigkeiten zu messen

65 einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung der direkte ist zu gering für Messungen Laser werden eingesetzt, um Strömungen von Gasen und Flüssigkeiten zu messen LDA kann punktuell Strömungen messen

66 einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung der direkte ist zu gering für Messungen Laser werden eingesetzt, um Strömungen von Gasen und Flüssigkeiten zu messen LDA kann punktuell Strömungen messen L2FA kann punktuell messen, kleiner gebaut werden aber technisch aufwendig

67 einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung der direkte ist zu gering für Messungen Laser werden eingesetzt, um Strömungen von Gasen und Flüssigkeiten zu messen LDA kann punktuell Strömungen messen L2FA kann punktuell messen, kleiner gebaut werden aber technisch aufwendig LSA kann komplette Felder vermessen

68 [Uni-Karlsruhe, 1997/1998] o.prof.dr.ing. Herbert Oertel, Dipl.Ing. Klaus Debatin experimentelle/expsm-node27.html Experimentelle Strömungsmechanik [Wikipedia, DE] Geschwindikeitsmessung [Uni-Hohenheim, 2006] Dr. Andreas Behrendt F-Praktikum/LDA SoSe2006 skript.pdf Laser-Doppler-Anemometrie [Polytec GmbH, 2006] files/lm AN INFO 0104 D Velocimetrie Grundlagen.pdf

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