Geschwindigkeitsmessung mit Lasern
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- Tobias Hoch
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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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