Geschwindigkeitsmessung mit Lasern

Geschwindigkeitsmessung mit Lasern Andreas Buschermöhle Universität Osnabrück 3. Juli 2007

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berührungslose Messung

berührungslose Messung sehr präzise Messung

berührungslose Messung sehr präzise Messung nicht nur punktuelle Messung

wiederholte

wiederholte Messung der Dopplerverschiebung

Lasertriangulation

Lasertriangulation nur für kurze Distanzen geeignet (bis 100m)

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

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

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

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

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

Laufzeit Messung der Laufzeit eines Laserpulses

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

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

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

Frequenzänderung bei Relativbewegung zwischen Sender und Objekt

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

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

Anemometrie allgemein Messung einer Strömungsgeschwindigkeit

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

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

Aufbau λ 4 Platte für zirkulare Polarisation

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

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

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

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

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

Funktionsweise I im Schnittpunkt kommt es zu Interferenz

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

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

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

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

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

Funktionsweise II Intensität der Interferenzmaxima ist unterschiedlich

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

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

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

2 parallele Laserstrahlen in definiertem Abstand

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

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

L2F: Probleme Bewegung führt nicht durch beide Strahlen

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

Verfolgung mehrerer Partikel über die Zeit

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

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

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

PIV Funktionsweise I Gepulster Laser wird auf Lichtebene Aufgeweitet

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

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

PIV Funktionsweise II Alle Möglichen Verschiebungen testen und Anzahl aufsummieren

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

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

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

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

einfache beruhen auf wiederholter Entfernungsmessung

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

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

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

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

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

[Uni-Karlsruhe, 1997/1998] o.prof.dr.ing. Herbert Oertel, Dipl.Ing. Klaus Debatin http://www-isl.mach.uni-karlsruhe.de/labor/ experimentelle/expsm-node27.html Experimentelle Strömungsmechanik [Wikipedia, DE] Geschwindikeitsmessung http://de.wikipedia.org/wiki/geschwindigkeitsmessung [Uni-Hohenheim, 2006] Dr. Andreas Behrendt http://www.uni-hohenheim.de/www120/downloads/ F-Praktikum/LDA SoSe2006 skript.pdf Laser-Doppler-Anemometrie [Polytec GmbH, 2006] http://www.polytec.com/ger/ files/lm AN INFO 0104 D Velocimetrie Grundlagen.pdf