Laser-Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen

Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von interferenzstreifenabständen zur Kalibrierung von Laser-Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen, wobei das Laser-Doppler- Velozimeter zumindest einen Laser, mit dem mittels zwei zusammengeführten Laserstrahlen ein Interferenzstretfensystem mit Interferenzstreifenabständen ausgebildet wird, aufweist,

wobei die Anordnung zumindest folgende Baugruppen umfasst:

- eine mechanische Verschiebeeinheit, die zumindest

o einen Linearverstelfer und

o einen Sensor zur Messung von Koordinatenpositionen der Verschiebeein- heit aufweist,

- einen Motor, der mit der Verschiebeeinhett in Verbindung steht, und

- eine mit einem vorgegebenen Objekt versehene Rotationsscheibe, die an den Motor angeschlossen ist und die mit eingestellter konstanter Winkelgeschwindigkeit ω vom Motor gedreht wird, so dass das Objekt durch das Inter- ferenzstreifensystem geführt werden kann,

- einen Detektor zur Aufnahme des Streulichts des durch das Interferenzstreifensystem geführten, vorgegebenen Objektes und

- eine mit dem Detektor in Verbindung stehende Auswerteeinheit. Die Laser-Doppler-Velozimetrie (LDV) ist eine Geschwindigkeitsmesstechnik, die auf dem Doppler-Effekt des Lichts beruht Das Grundprinzip besteht darin, dass die Doppler-Frequenzänderung eines kleinen, in Bewegung versetzten Partikels proportional zu der Geschwindigkeit der physischen Bewegung ist, und folglich wird die lokale Bewegungsgeschwindigkeit gemessen. Die Laser- Doppler-Velozimetrie ist zu einem gängigen Diagnosewerkzeug in der Strömungslehre geworden, das innerhalb eines geringen Messvolumens die Information über die lokale Geschwindigkeit erbringt, wie in den nachgenannten Druckschriften

L. E. Drain: The Laser Doppler Technique, New York: John Wiley & Sons, 1980, F. Durst, A. Meiling, J. H. Whitelaw: Principles and Practice of Laser-Doppler Anemometry, London: Academic Press, 1976,

C. Tropea: Laser Doppler anemometry: recent developments and future chal- lenges, Meas. Sei. Technol. Vol. 6, 1995, pp. 605-619,

R. J. Adrian: Laser velocimetry, In: Fluid Mechanics Measurements (2nd. ed.), ed: R. J. Goldstein, Washington: Taylor & Francis, Chapt. 5, 1996, pp. 155-244, H. E. Albrecht, M. Borys, N. Damaschke, C. Tropea: Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques, Berlin: Springer, 2003 und

J. Czarske: Laser Doppler velocimetry using powerful soiid-state light sources, Meas. Sei. Technol., Vol. 17, 2006, pp. R71-R91 beschrieben ist.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung von Interferenzstreifen 5 mit einem Interferenzstreifenabstand d in einem Messvolumen 1 und das zugehörige Dopplersignal 2 eines Laser-Doppier-Velozimeters (nicht eingezeichnet) gezeigt. Das Messvolumen 1 bildet sich im Überschneidungsberetch zweier kohärenter Laserstrahlen 3, 4 eines zum Laser-Doppler-Velozimeters gehörenden Lasers, und die daraus entstehenden Interferenzstreifen 5 werden in Richtung der optischen Achse (z-Achse) 6 nominal parallet, wenn die Laserstrahlen 3, 4 sich an ihrem Brennpunkt, d.h. der Strahltaille 7 überschneiden. Die Interferenzstreifen- abstände d dieser nominal parallelen Interferenzstreifen 5 können beschrieben werden nach der Gleichung (I) d = λ / 2sina (0. wobei λ die Wellenlänge und σ der halbe Überschneidungswinkel der beiden zusammengeführten, sich überschneidenden Laserstrahlen 3, 4 sind. Wenn ein Partikel 8 die Interferenzstreifen 5 durchquert, streut es das Licht, und das gestreute Licht erzeugt, wie in Fig. 1a schematisch dargestellt ist, in einem Detektor (nicht eingezeichnet) ein Dopplersignal 2, Die Frequenz f _D des Dopplersignals 2 ist proportional zur Geschwindigkeitskomponente u des streuenden Partikels 8 im rechten Winkel zur Winkelhalbierenden a der beiden Laserstrahlen 3, 4 nach Gleichung f _D = u / d (II)

Folglich kann die Geschwindigkeit u des Partikels 8 aus den während des Expe- riments gemessenen Dopplerfrequenzen f _D berechnet werden. Solange die Partikel 8 der Bewegung eines zugehörigen lokalen Fluids 9 ohne Verzögerung folgen, wird die lokale Strömungsgeschwindigkeit v in dem Messvolumen 1 aus der gemessenen Partikelgeschwindigkeit u erhalten. Im Fall der Laser-Doppler-Velozimeter ist das Interferenzstrerfensystem 5 nominal parallel in Richtung der optischen Achse 6, wenn das Messvolumen 1 an den Taillen 7 von Laserstrahlen 3, 4 erstellt wird. Jedoch sind die Interferenzstreifen 5 streng genommen nicht parallel: Die Interferenzstreifenabstände d verändern sich leicht bezüglich des Überschneidungspunktes z~Q in Richtung der optischen Achse 6 (z-Achse), wie in der Druckschrift P. C. Miles: Geometry of the fringe field formed in the intersection of the two Gaussian beams, Appl. Optics, Vol. 35, 1996, pp. 5887-5895 beschrieben ist.

In Fig. 2 sind die Verläufe des Interferenzstreifenabstandes d entlang der opti- sehen Achse (z-Achse) 6 eines Laser-Doppler-Vetozimeters gezeigt. Die Parameter z-zw1 und z=zw2 sind die jeweiligen Positionen der Strahltaillen 7 entlang der optischen Achse 6. Selbst ein perfekt ausgerichtetes Laser-Doppter-Velozimeter hat einen parabel- förmigen Verlauf d = d(z) des Interferenzstreifenabstandes entlang der optischen Achse 6 (z-Achse) mit z.B. z=zw1-zw2-0pm, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Eine leichte Fehlausrichtung der Optik kann bereits eine asymmetrische Abwei- chung des Interferenzstreifenabstandes d verursachen {siehe z=zw1=z 2=0pm in Fig. 2), was letzten Endes die Messunsicherheit erhöht. Die geringen und unvermeidlichen Abweichungen der Interferenzstreifenabstände d von einem konstanten Wert dconst werden durch die Wellenfrantkrümmung realer Laserstrahlstrahlen 3, 4 verursacht, wie in der Druckschrift A.E. Siegman: Lasers, New York: Oxford University Press, 1986 beschrieben ist.

Dieser Umstand nötigt Strömungsforscher dazu, die Interferenzstreifenabstände d zu kalibrieren, wenn in einer Strömungsgeschwtndigkeitsmessung Rückführ- barkeit erforderlich ist.

Deshalb wird üblicherweise die Kalibrierung eines Laser-Doppler-Veloztmeters unter Verwendung eines Streuobjekts 8 ausgeführt, das eine konstante, gut definierte lokale Geschwindigkeit u _ca i hat. Aus den gemessenen Dopplerfrequenzen f _D unter Verwendung der definierten Geschwindigkeit u _ra i wird der Nennwert der Interferenzstreifenabstände d als Kalibrierungsfaktor mit d = u _M t / fD exakt bestimmt. Mit anderen Worten, die Kalibrierung eines Laser-Doppler- Velozimeters entspricht dem Erhalt des Nennwerts der Interferenzstreifenabstände d in Gleichung (II) innerhalb des Messvolumens 1. Die Geschwindigkeitsmessung ist identisch mit der Reproduktion der Kalibrierungsgeschwindigkeit. Somit existiert die Unsicherheit, die aus der Kalibrierung entsteht, als ein systematischer Beitrag zur Gesamtunsicherheitsbtlanz der Geschwindigkeits- messungen. Daher ist die Ermittlung der Kalibrierungsunsicherheit für die optischen Geschwindigkeitsmessungen von Bedeutung. Insbesondere die Etablierung der Ruckführbarkeit wird für qualifizierte Messungen von Strömungsgeschwindigkeiten gefordert.

Letztendlich ist die Folge der Kalibrierung die Realisierung einer konstanten be- kannten Geschwindigkeit u eines Streuobjekts 8. Es sind bereits nationale Normen zur Kalibrierung von Laser-Doppler- Velozimetern aufgestellt worden, die oft teuer sind und entsprechende sperrige Einrichtungen erfordern. Die Kalibrierungsverfahren in den nationalen Messtechnikinstituten der drei Länder USA, Japan und Deutschland werden auf der Basis der Verfügbarkeit von Literatur zusammengefasst. In den Kalibrierungsverfahren wird ein vorgegebenes Streuobjekt eingesetzt, das an einer Rotationsscheibe mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω befestigt ist, um eine konstante Geschwindig- keit Ucai = r ^■ ω (r entspricht dem Radius der Umlaufbahn) für die Kalibrierung zu schaffen. Die Unsicherheiten der Verfahren werden ebenfalls gemäß den Schätzungen erwähnt, die sie selbst in der Literatur machen.

Z.B. setzt das National Institute of Standards and Technology (NIST) in den Ver- einigten Staaten von Amerika ein Laser-Doppler-Velozimeter für ihre Norm für niedrige Windgeschwindigkeit ein, gemäß Fig. 3, in der das Kalibrierungsverfahren im NIST in den USA gemäß der Druckschrift V. E. Bean, J. M. Hall: New primary Standards for air speed measurement at NIST, Prof. 1999 National Conference of Standards Laboratories (NCSL) Workshop and Symposium, Chariotte, North Carolina, USA, July 1999, pp. 413-421 dargestellt ist. Das Laser-Doppler- Velozimeter wird mit einer Rotationsscheibe kalibriert, deren Rotationsachse parallel zur Winkelhalbierenden der beiden sich überschneidenden Laserstrahlen ist, wie in den Druckschriften National Institute of Standards and Technology, Fluid Metrology Group, Facilities, Air Speed, http://www.cstl.nist.gov/div836/ Group 02/facil ities.html, March 2006 und V. E. Bean, J. M. Hall: New primary Standards for air speed measurement at NIST, Prof. 1999 National Conference of Standards Laboratories {NCSL) Workshop and Symposium, Charlotte, North Carolina, USA, July 1999, pp. 4 3-421 beschrieben ist.

Bei dem Kalibrierungsverfahren wird ein an der Kante der Rotationsscheibe be~ festigter Wolframdraht mit einem Durchmesser von 5μηι als Streuobjekt verwendet. Dabei wird die Unsicherheit des Kalibrierungssystems auf ± 0,006m/s mit einem Deckungsfaktor„Zwei" eingeschätzt. Andererseits hat die Fachgruppe für die Gasströmungsnorm im National Metro- (ogy Institute of Japan (NMIJ) ein Kalibrierungsverfahren entwickelt, wie in den Druckschriften N. Kurihara, Y. Terao, S. Nakao, M. Takamoto: An uncertainty anatysis of laser Doppler vefocimeter catibratton for air speed Standard (in Japa- nese), J. Trans. JSME. Series B, Vol. 71, 2005, pp. 136-143, N. Kurihara, Y. Terao, S. Nakao, M. Takamoto: Development and uncertainty anaiysis of a laser Doppler velocimeter calibrator for the flow velocity Standard (in Japanese), J. Trans. JSME. Series B, Vol. 65, , 1999, pp. 93-98 und N. Kurihara, Y. Terao, M. Takamoto: LDV Calibrator for the Air Seed Standard between 1.3 to 40 m/s, Int. Symp. Fluid Flow Measurement (ISFFM), Washington DC, USA, 7-1 Oth April 2002 beschrieben ist, das in Fig. 4 als Kalibrierungsverfahren am NMIJ in Japan gezeigt ist. Bei dem Verfahren wird ein straff zwischen einem Paar Rotationsscheiben befestigter Wolframdraht mit einem Durchmesser von 5μηη als Streuobjekt verwendet.

Da die Rotationsscheibe auf einer linearen Plattform angeordnet ist und die Motorwelle innen eine Durchgangsbohrung hat, kann das von dem Draht erzeugte Doppter-SignaJ an den zwei verschiedenen radiaJen Positionen auf beiden Seiten der rotierenden Welle ertasst werden: einmal, wenn das Messvolumen sich auf der nahen Seite befindet, und das andere Mal auf der abgewandten Seite der Messsonde. Die Verschiebung der linearen Verschiebeeinheit zwischen den beiden Positionen wird mit einem Michelson-Interferometer genau gemessen. Dies ermöglicht die direkte Messung des Rotationsradius des Drahtkreislaufs während seiner Rotation und daraus die genaue Geschwindigkeit. Die Unsicherheit wird für das das rückstreuende Licht erfassende Laser-Doppler- VeJozimeter bei einer Drahtgeschwindigkeit zwischen 1,3m/s und 40m/s auf 0,063% (mit einem Deckungsfaktor von„Zwei") bis 0,50% geschätzt.

Der Fachbereich Gase der Physikalischen Technischen Bundesanstalt (PTB) in Deutschland kalibriert das Laser-Doppler-Velozimeter mit einer speziell entwi- ekelten KaJibrienjngseinricbtung, wie in den Druckschriften R Müller, R, Kramer, V. Strunck, B. Mickan, D. Dopheide: Laser-Doppler-Anemometer zur Darstellung und Weitergabe der Einheit, Strömungsgeschwindigkeit , Fachtagung, Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik; Deutschen Gesellschaft für Laser- Anemometrie (GALA), Winterthur, Switzertand, 18-20th September 2001 , pp. 24.1-24.8 und H, Müiler, V. Strunck, R. Kramer, B. Mickan, D. Dopheide, H.-J. Hotze: Germany's new Optical National Standard for Natural Gas of high pressure at pigsarT , In: Proc. 12th Int. Conf. Flow Measurements, 14-17th Sep* tember 2004, Guilin, People's China, pp. 80-88 beschrieben ist, und wie es in Rg. 5 gezeigt ist.

Das Kalibrierungsverfahren verwendet natürlichen Staub, der an der äußeren Oberfläche eines rotierenden Glasrades haftet. Der Radius des Glasrades wurde mit einem Interferometer genau gemessen und die Rotationsgeschwindigkeit wird durch einen Schrittmotor gesteuert. Das Verfahren hat zwei deutliche Vorteile gegenüber den vorherigen zwei Verfahren, die einen an Rotationsscheiben befestigten Draht verwenden. Der Staub, der als Streuobjekt verwendet wird, ermöglicht nicht nur die Kalibrierung von Interferenzstreifensystemen in Richtung der optischen Achse, sondern auch in der Ebene der Winkelhalbierenden der beiden Strahlen (x-Richtung in Fig. 1). Die Analyse der fnterferenzstreifen- abstände d in der Richtung der Winkelhalbierenden a der beiden sich überschneidenden Strahlen 3, 4 ist mit den Drahtverfahren nicht möglich, da der Draht die Signale von den Interferenzstreifen 5 entlang des ganzen Messvolumens 1 mittelt In der Druckschrift J. Lu, B. Mickan, W. Shu, N. Kurihara, D. Dopheide: Research on the LDA calibration facifity's uncertainty, internal report in Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB) Braunschweig, Germany, 2001, pp. 1-5 ist beschrieben, dass die Gesamtunsicherheit dieses Verfahrens 0,055% mit einer statistischen Sicherheit von 95% (Deckungsfaktor = 2,01) beträgt.

Der Nachteil des Verfahrens ist der Umstand, dass ein Zugriff auf den Radius der Rotationsscheibe nicht möglich ist, und daher muss ein Nennwert für den Radius verwendet werden, ohne mögliche systematische Fehler zu kennen. Zum Beispiel wurde die Bestimmung des äußeren Radius der Scheibe in dem KaJiJ ierungsverfahren der PTB auf Grundlage der Glasscheibe mit einem ho- hen experimentellen Aufwand mit Hiffe eines Interferometers erreicht.

In Fig. 6 ist ein Kalibrierungsverfahren unter Verwendung eines an einem optischen scheibenartigen Chopperblatt (Zerhackerblatt) befestigten gestrafften dünnen Drahtes als Streuobjekt, wie in der Druckschrift L Büttner: Untersuchung neuartiger Laser-Doppter-Verfahren zur hochauflösenden Geschwindigkeitsmessung, Dissertation 2004, ISBN 3-86537-074-8, Göttingen: Cuvillter Verlag beschrieben ist.

Der dünne Draht ist an einer Scheibe befestigt, die das Messvolumen mit einer nominal konstanten Winkelgeschwindigkeit abtastet.

Ein ähnliches Verfahren ist in der Druckschrift US 4,600,301 beschrieben, in dem ebenfalls ein dünner, gestraffter Draht verwendet wird, der an einer Rotationsscheibe befestigt ist.

Das Verfahren am NIST und am NMU verwendet auch einen gestrafften Draht, dessen Richtung rechtwinklig zur Scheibenebene ist, so dass der Draht eine Minimaltänge in radialer Richtung hat. Im Gegensatz dazu ist der Draht so angebracht, dass seine Längsachse identisch mit der radialen Richtung ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Das Merkmal des Drahtverfahrens ist, dass die Streuung ent- fang der ganzen Oberfläche des Drahts auftritt, der das Messvolumens durchquert. Dadurch wird die Streulichtintensität vorteilhaft erhöht, die zur Signalerfassung zur Verfügung steht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit dem Verfahren die Konfigurationen der Empfangsoptik sowohl für Vorwärts- als auch für Rückstreuungss steme geeignet sind. Andererseits werden Unterschiede der Interferenzstreifenabstän- de entlang der Längsrichtung des Drahts im Durchschnitt ermittelt, was den Ein- fiuss verschiedener Geschwindigkeiten der Drahtumlaufbahn und die mögliche Abweichung der Interferenzstreifenabstände d entlang des Drahts in der radialen Richtung verbirgt. Das Verfahren besitzt aufgrund der großen Unsicherheit der Bestimmung des Durchmessers der Umtaufbahn eine große Unsicherheit der Kalibrierungsgeschwindigkeit. Die Unsicherheit des Radius beträgt etwa σ _Γ = ±0,5mm, was zu einer Geschwindigkeitsunsicherheit von σ _ν - 3,65x10 ^"a m/s in der Standard-Messunsicherheit führt. In Fig. 7 ist ein Kalibrierungsverfahren unter Verwendung einer einzelnen Lochblende an einem rotierenden Blatt angegeben, das in der Druckschrift H. Höhne: Untersuchung von Kalibriermethoden für hochauflösende Laser-Doppler-Ge- schwindigkeitsprofilsensoren, Diplomarbeit, Technische Universität Dresden, 2006 beschrieben ist, wobei in Fig. 7a ein Bild der montierten, an dem rotierenden Blatt angebrachten Lochblende und in Fig. 7b eine Konstruktion der Halterung für die Lochblende dargestellt sind.

Die zugehörige Anordnung umfasst zumindest folgende Baugruppen:

- einen Motor und

- ein mit einer definierten Lochblende versehenes rotierendes Blatt, das an den Motor angeschlossen ist und das mit eingestellter konstanter Winkelgeschwindigkeit ω vom Motor gedreht wird, wobei die Lochblende in dem zu vermessenden Interferenzstreifensystem bewegt wird.

Das Verfahren mit einem einzelnen Objekt auf einer Rotationsscheibe verwendet eine einzelne Lochblende {mit einem Öffnungsdurchmesser von einigen Mikrometern) als Streuobjekt. Ein ähnliches Verfahren ist in der Druckschrift F. Durst, R. Müller, A. Naqwi: Measurement accuracy of semiconductor LDA sys- tems, Exp. Fluids, Vol. 10, 1990, pp. 125-137 beschrieben.

Im Vergleich zum Drahtverfahren hat die Verwendung einer einzelnen Lochblende den Vorteil der einfachen Anbringung und langfristigen Stabilität. Die Lochblende selbst ändert ihre Form nicht und besteht fort, ohne nach einer langen Nutzungszeit an Wert zu verlieren. Es wird außerdem erwartet, dass die Positionsunsicherheit des Streuobjekts gegenüber dem Rotationszentrum der Scheibe im Vergleich zu dem Drahtverfahren geringer ist. Das Lochblendenverfahren ermöglicht die Auswertung der Abweichung der Interferenzstreifenab- stände d in Richtung der x-Achse in Fig. 1 wie auch in der PTB-Methode. Dieses Verfahren hat eine Radiusunsicherheit von σ _Γ = ± 0,24mm (aufgrund der ge- sammelten mechanischen Toleranzen), was zu einer Geschwindigkeitsunsicherheit von etwa σ _ν = 1 ,8x10* m/s führt.

Es ist auch ein quasi-statisches Verfahren bekannt, das darin besteht, die lokale optische Intensität des Interferenzstreifensystems innerhalb des ganzen Messvolumens zu visualisieren. Es ist für die Kalibrierung in Flüssigkeiten wie etwa Wasser entwickelt worden, bei dem die auf Rotationsscheiben beruhenden Verfahren nicht verwendet werden können. Eine kleine Lochblende, die an einer dreiachsigen linearen Präzisionsverschiebeeinheit befestigt ist, tastet das Inter- ferenzstreifensystem ab. Die lokale optische Intensität ist proportional zur gestreuten Intensität. Die optische Intensität wird im ganzen Messvolumen abgetastet, und es wird eine dreidimensionale Karte des Interferenzstreifensystems erhalten. Die Interferenzstteifenabstände d werden mit einer Fourier-Transfor- mation der erhaltenen Intensitätsverteilung berechnet. Über die Einzelheiten wird in der Druckschrift H. Höhne: Untersuchung von Kalibriermethoden für hochauflösende Laser-Doppler-Geschwindtgkeitsprofilsensoren, Diplomarbeit 2006, Technische Universität Dresden geschrieben. Das Verfahren hat den Vorteil, dass die tnterferenzstreifenabstände d dreidimensional gemessen werden, jedoch wird eine Dauer von mehreren Stunden für die Abtastung des ganzen Messvolumens mit einer sehr stabilen Bedingung der Kalibrierungseinrichtung benötigt

Ein bekanntes Verfahren mit sich bewegender Lochblende und linearer Ver~ schiebeeinheit dient wie das quasi-statische Verfahren zur Kalibrierung in Flüssigkeiten. Mit dem Verfahren kann eine Kalibrierung in viel kürzerer Zeit als bei dem quasi-statischen Verfahren durchgeführt werden.

Die bekannte Anordnung enthält zumindest folgende Baugruppen:

- eine Verschiebeeinheit, die zumindest

o einen Linearversteller und

o einen Positionssensor aufweist,

- einen Schrittmotor und

- eine am Schrittmotor befestigte Lochblende, die in linearer Richtung durch das Interferenzstreifensystem bewegt wird.

Im Gegensatz zum quasi-statischen Verfahren verwendet das Verfahren mit sich bewegender Lochblende und linearer Verschiebeeinheit die Doppier- Signale, die durch die Bewegung der an einem Linearversteller angebrachten Lochblende verursacht werden. Die Lochblende bewegt sich, wie in Fig. 8 ge- zeigt ist, aufgrund der Transtationsbewegung 19 der Verschiebeeinheit 14 wiederholt durch das Interferenzstreifensystem 5 vor und zurück.

Die Kalibrierung erfolgt durch Messung der Frequenz fo der Dopplersignale, die durch die Translation 19 der Lochblende 113 in Fig. 8 erzeugt werden. Die Be- wegungsgeschwindigkeit einer Verschiebeeinheit kann durch einen Weggebersensor wie etwa einen Laser-Triangufationssensor überwacht werden. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass es wie das Verfahren mit der einzelnen Lochblende 113 in der Lage dazu ist, die Abweichung der Interferenzstreifenabstände d, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in Richtung der Ebene der Winkelhalbierenden σ der beiden Laserstrahlen 3, 4 zu messen, und dass die Dauer der Kalibrierung viel kürzer als bei dem quasi-statischen Verfahren ist.

Zusätzlich ist die Stabilität der Bewegungsgeschwindigkeit der Verschiebeeinheit von entscheidender Bedeutung, wenn eine Verschiebeeinheit auf der Basis eines Schrittmotors verwendet wird.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die genaue Bestimmung der Kalibrierungsgeschwindigkeit weiterhin ein großes Problem bei der Kalibrierung für eine optische Geschwindigkeitsmessung bleibt. Insbesondere ist die Genau- igkeit der Radiusbestimmung im Vergleich zur Größe des Objekts im Bereich einiger Mikrometer weiterhin viel zu groß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestimmung von Interferenzstreifenabständen zur Kalibrierung von Laser- Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Messunsicherheit mit einer relativ einfachen Realisierung vermindert werden kann. Damit kann die systematische Unsicherheit bei der Radiusbestimmung bei der Kalibrierung einer optischen Geschwindigkeitsmessung wesentlich reduziert werden.

Es sollen die Interferenzstreifenabstände d genau bestimmt werden, ohne den Rotationsradius kennen zu müssen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 6 gelöst.

Die Anordnung zur Bestimmung von Interferenzstreifenabständen zur Kalibrierung von Laser-Doppter-Velozimetem für optische Geschwindigkeitsmessungen, wobei das Laser-Doppler-Velozimeter zumindest einen Laser, mit dem mittels zwei zusammengeführten Laserstrahlen ein Interferenzstreifensystem mit Inter- ferenzstreifenabstanden ausgebildet wird, aufweist,

wobei die Anordnung zumindest folgende Baugruppen umfasst:

- eine mechanische Verschiebeeinheit, die zumindest

o einen Linearversteller und

o einen Sensor zur Messung von Koordinatenpositionen x der Verschiebeeinheit aufweist,

- einen Motor, der mit der Verschiebeeinheit in Verbindung steht, und

- eine mit einem vorgegebenen Objekt versehene Rotationsscheibe, die an den Motor angeschlossen ist und die mit eingestellter konstanter Winkelgeschwindigkeit ω vom Motor gedreht wird, so dass das Objekt durch das Interferenzstreifensystem des Laser-Doppler-Velozimeters bewegt werden kann,

- einen Detektor zur Aufnahme des Streulichts des durch das Interferenzstrei- fensystem geführten, vorgegebenen Objektes und

- eine mit dem Detektor in Verbindung stehende Auswerteeinheit,

wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1

^• die Rotationsscheibe mindestens zwei vorgegebene Objekte, deren Streulicht aus dem Interferenzstreifensystem aufgenommen wird, enthält, wobei die j - N Objekte mit j = 1 , 2, 3, 4, . . ., N sich an unterschiedlichen radialen Positionen in Abständen zur Drehachse der Rotationsscheibe, aber an derselben axialen Position Za befinden,

• die Rotationsscheibe mit dem Motor der mechanischen Verschiebeeinheit verbunden ist, deren radiale Position bestimmt wird,

· die Rotationsschetbe so angeordnet wird, dass sich die Ebene der Objekte in dem Interferenzstreifensystem befindet und dass die mechanische Verschiebeeinheit mittels des Linearverstellers und somit die Rotationsscheibe in radialer Richtung η einstellbar sind,

• die Auswerteeinheit mit dem Linearversteller und dem Sensor der Verschte- beeinheit zur Übernahme von Signalen des Sensors zur Position x der Verschiebeeinheit in Verbindung steht,

^• die Rotationsscheibe mittels des Unearversteilers so verfahren wird, bis eines der Objekte das Interferenzstreifensystem durchquert und die Amplitude des von dem zugehörigen Detektor registrierten Streulichtsignals als maximiert festgestellt wird,

• an der derart festgestellten, der Verschiebeeinheit zugeordneten Position ima bei der maximalen Amplitude des Streuüchtsignals die Dopplerfrequenz f _D i des Streulichtsignals für das j=1. Objekt bestimmt und die Position x _1max der Verschiebeeinheit aufgezeichnet werden,

• die letzten beiden Schritte: Bestimmung der Dopplerfrequenz foy+i) und Aufzeichnung der Position Χ^Π,Μ ΑΪΓ mindestens eines der anderen Objekte der Rotationsscheibe durchgeführt werden, und

· in der Auswerteetnheit eine lineare Regression zwischen den Dopplerfrequenzen fpj und den Positionen der Verschiebeeinheit für die Objekte mit j = 1 , 2, 3, 4 . . .N für die Objekte mit der Beziehung

fpj = A- jmax + B durchgeführt wird, wobei aus dem Anstieg A der Beziehung foj = A xjmax + B unter Berücksichtigung der konstanten Winkelgeschwindig- keit ω der Rotationsscheibe der Interferenzstreifenabstand d mit d = ω / A bestimmt wird.

Die mechanische Verschiebeeinheit kann einen als Posittonssensor ausgebildeten Linearencoder enthalten, wobei das Positionssignal der mechanischen Ver- schiebeeinheit von dem in der Verschiebeeinheit integrierten Linearencoder stammt.

Die Rotationsscheibe kann zusätzlich mit einem optischen Positionsmessgerät zur Positionsbestimmung der Rotationsscheibe in Verbindung stehen.

Das optische Positionsmessgerät kann ein Triangulationssensor oder ein Autofokussensor sein.

Die das Streulicht abgebenden Objekte der Rotattonsscheibe können Lochblen- den oder auch dünne Drähte darstellen.

Das Verfahren zur Bestimmung von Interferenzstreifenabständen zur Kalibrierung von Laser-Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen, wobei das Laser-Doppier-Velozimeter zumindest einen Laser aufweist, mit dem mittels zwei zusammengeführten Laserstrahlen ein Interferenzstreifensystem mit Interferenzstreifenabständen ausgebildet wird, erfolgt unter Einsatz der vorgenannten Anordnung,

wobei folgende Schritte gemäß dem Patentanspruch 6 durchgeführt werden: a) Auswahl eines Streulicht aus dem Interferenzstoreifensystem abgebenden j = 1. Objekts aus einer mindestens zwei Streulicht aus dem Interferenzstreifensystem abgebenden (j = N) Objekte aufweisenden, mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Rotationsscheibe, wobei die Objekte im Interferenzstreifensystem des Laser-Doppler- Velozimeters bewegt werden,

b) Lineare Verschiebung der Verschiebeeinheit längs der Koordinate xi , bis zur erkennbaren Feststeilung eines Dopplersignal durch einen Detektor,

c) Finale Verschiebung längs der Koordinate i solange, bis eine maximale Amplitude des Dopplersignals festgestellt wird,

d) Registrierung der Koordinate ximax, bei der die maximale Amplitude des Dopplersignals auftritt und der zugehörigen Dopplerfrequenz foi in einer mit dem Detektor in Verbindung stehenden Auswerteeinheit, in der auch die nachfolgenden Schritte f), g), h) absolviert werden:

e) Wiederholung der Schritte a), b), c) und d) jeweils nacheinander für zumindest das j=2. Objekt, wahlweise für das j-3. Objekt und/oder schließlich für das j=N. Objekt,

f) Durchführung einer linearen Regression zwischen den aus den Schritten a) bis e) ermittelten Dopplerfrequenzen foj und den erfassten

Koordinaten der Verschiebeeinheit und

g) nachfolgende Ermittlung der zugehörigen Konstanten A, 6 aus der linearen Gleichung f _0J - A ^■ Xjma* + B, wobei A den Anstieg der linearen Funktion darstellt sowie

h) Bestimmung des Interferenzstreifenabstandes d aus der Gleichung

d = ωί A, wobei d der Interferenzstreifenabstand, ω die konstante Winkelgeschwindigkeit der Rotationsscheibe und der Anstieg 5if?d Der Detektor und die Auswerteinheit der erfindungsgemäßen Anordnung können ats selbständige Funktionseinheiten der Anordnung ausgebildet sein, beide können aber auch Teile der Detektoreinrichtung und Auswerteeinrichtung des zu kalibrierenden Laser-Doppler-Velozimeters sein, wobei die Auswerteinrichtung zusätzliche programmtechnische Mittel zumindest für die Geschwindigkeitsmessungen für die durch ein mit einem Interferenzstreifensystem ausgebildeten Messvolumen strömenden und streuenden Partikel enthält.

Weiterbildungen und weitere spezielle Ausgestaltungen des Anmeldegegen- Standes sind in weiteren Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung und deren Unterschiede zum Stand der Technik werden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Interferenzstreifen in einem Messvolumen und Fig. 1a das zugehörige Dopplersignat eines Laser- Doppler-Velozimeters, einen Verlauf des Interferenzstretfenabstandes entlang der optischen Achse (z-Achse) eines Laser-Doppler-Veiozimeters, wobei die Parameter z=zw1 und z=zw2 dabei die jeweiligen Positionen der Strahltail len entlang der optischen Achse (z-Achse) sind,

Kalibrierungsverfahren im NIST in den USA,

Kalibrierungsverfahren am NMIJ in Japan,

Kaltbrierungsverfahren an der PTB in Deutschland, Fig. 6 Kalibrierungsverfahren unter Verwendung eines an einem optischen

Chopperblatt befestigten straffen dünnen Drahts, Fig. 7 Kalibrierungsverfahren unter Verwendung eines einzelnen Streulicht abgebenden Objektes/einer einzelnen Lochblende an einem rotierenden Blatt, wobei

Fig. 7a eine montierte, an einem rotierenden Blatt angebrachte

Lochblende und

Fig. 7b eine Konstruktion der Halterung für eine Lochblende zeigen,

Fig. 8 eine Darstellung eines Teils eines Messvolumens mit fnterferenzstrei- fen, durch die eine Lochblende translatorisch geführt wird, nach dem Stand der Technik,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei r der Umlaufbahnradius und x die Verschiebetischkoordinate sind,

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Lochscheibe mit vier Lochblenden gemäß Fig.

9,

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer tischförmigen Verschiebeeinheit,

Fig. 12 eine Darstellung der Beziehung fo _j = A · Xj _maK ⁺ B zwischen

Dopplerfrequenzen foj und Positionen Xj _max der linear verschiebbaren Verschiebeeinhett bei maximaler Amplitude des Dopplersignals nach Anwendung der linearen Regression,

Fig. 13 ein Ablaufdiagramm des erftndungsgemäßen Verfahrens.

Im Folgenden werden die Fig. 9 und 10 gemeinsam betrachtet.

In Fig. 9 ist eine Anordnung 10 zur Bestimmung von Interierenzstreifenabstän- den d zur Kalibrierung von Laser-Doppler-Velozimetern 16 für optische Geschwindigkeitsmessungen, wobei das Laser-Doppler-Velozimeter 16 zumindest einen Laser, mit dem mittels zwei zusammengeführten Laserstrahlen 3, 4 ein von einem Streuobjekt 111 durchquertes Interferenzstreifensystem 5 mit Interfe- renzstreifenabständen d ausgebildet wird, aufweist, dargestellt,

wobei die Anordnung 10 zumindest folgende Baugruppen umfasst:

- eine mechanische Verschiebeeinheit 14, die zumindest

o einen Linearversteller 141 und

o einen Sensor 142 zur Messung von Positionen x der Verschiebeeinheit 14 aufweist,

- einen Motor 13, der am Linearversteller 141 der Verschiebeeinheit 14 befestigt ist,

- eine mit einem vorgegebenen j=1. Streuobjekt 111 versehene Rotationsscheibe 12, die an den Motor 13 angeschlossen ist und die mit eingestellter konstanter Winkelgeschwindigkeit ω vom Motor 3 gedreht wird, so dass das vorgegebene j=1. Streuobjekt 111 durch das Interferenzstreifensystem 5 bewegt werden kann,

- einen Detektor 18 zur Aufnahme des Streulichts des durch das Interferenzstreifensystem 5 bewegten, vorgegebenen j=1. Streuobjektes 111 und

- eine mit dem Detektor 18 in Verbindung stehende Auswerteeinheit 17.

Erfindungsgemäß sind folgende Merkmale vorhanden, wobei

· die Rotationsscheibe 12 mindestens ein zweites vorgegebenes j+1. Streuobjekt 112, 113 oder 114 mit j = 1, 2, 3, 4 enthält, wobei die j=4 Streuobjekte 111, 12, 113, 114 sich an unterschiedlichen radialen Positionen r _j in Abständen zur Drehachse 15 der Rotationsscheibe 12, aber an möglichst derselben axialen Position z _a befinden,

· die Rotationsscheibe 12 mit dem Motor 13 der mechanischen Verschiebeeinheit 14 verbunden ist, deren radiale Position η bestimmt wird,

• die Rotationsscheibe 12 so angeordnet ist, dass sich die Ebene der Streuobjekte 111 , 112, 113, 114 in dem Interferenzstreifensystem 5 befindet und dass die mechanische Verschiebeeinheit 14 mittels des Linearversteiters 141 und somit die Rotationsscheibe 12 in radialer Richtung einstellbar sind,

• die Auswerteeinheit 17 mit dem Linearversteller 141 der Verschiebeeinheit 14 zur Übernahme von Signalen des Sensors 142 zu den Positionen x der Verschiebeeinheit 14 in Verbindung steht, • die Rotationsscheibe 12 mittels des Linearverstellers 141 und dem Sensor 142 so verfahren wird, bis eines der Streuobjekte 111, 112, 113, 114 das Interferenzstreifensystem 5 durchquert und die Amplitude des von dem zugehörigen Detektor 18 registrierten Streulichtsignals afs maximiert festgestellt wird,

• an der derart festgestellten, der Verschiebeeinheit 1 zugeordneten Position Xmax bei der maximalen Amplitude des Streulichtsignals die Dopplerfrequenz des Streulichtsignals für ein j=1. Streuobjekt 111 bestimmt und die Position imax der Verschiebeeinheit 14 aufgezeichnet werden,

* die letzten beiden Schritte: Bestimmung der Dopplerfrequenz fpj und Aufzeichnung der Position Xmax für mindestens ein zweites der anderen j+1 Streuobjekte 112, 113, 114 der Rotationsscheibe 12 durchgeführt wird, und

• in der Auswerteeinheit 7 eine lineare Regression zwischen den Dopplerfrequenz f _Dj und den Positionen Xjmax der Verschiebeeinheit 14 für die Streuob- jekte (mit j = 1 , 2, 3, 4 für die Streuobjekte 111 , 112, 113, 114) für eine so bestimmte Gleichung foj = A- xjmax + B durchgeführt wird, wobei aus dem Anstieg A der Gleichung foj = A x^ + B unter Berücksichtigung der konstanten Winkelgeschwindigkeit ω der Rotationsscheibe 12 der Interferenzstreifenabstand d mit Hilfe der Gleichung d - ω / A bestimmt wird.

Die mechanische Verschiebeeinheit 14 kann anstelle des Positionssensors 141 einen Linearencoder enthalten, wobei die Signale der Positionen Xj _maj< der mechanischen Verschiebeeinheit 14 von dem in der Verschiebeeinheit 14 integrierten Linearencoder stammen.

Die Rotationsscheibe 12 kann mit einem optischen, in Fig. 11 dargestellten Positionsmessgerät 21 zur Positionsbestimmung der Rotationsscheibe 12 in Verbindung stehen.

Das optische Positionsmessgerät 21 kann ein Triangulationssensor oder ein Autofokussensor sein. Die auf der Rotationsscheibe in Fig. 9 und Fig. 10 sowie Fig. 11 aufgebrachten, das Streulicht abgebenden Objekte - Streuobjekte - 111, 112, 113, 114 können als Lochblenden ausgebildet sein. Das neue Verfahren kann die systematische Unsicherheit bei der Radiusbestimmung reduzieren, indem sie die lineare Beziehung fpj = A- x^« + B zwischen dem Rotationsradius und dem erzielten Messwert, der Dopplerfrequenz fDj, ausnutzt. Es werden mehrere Streuobjekte 111, 112, 113, 114 wie etwa mehrere Lochblenden und eine Präzisionsverschiebeeinheit 14 eingesetzt Die- se Kombinatton kann den Rotationsradius mit dem gleichen Präzisionsniveau wie die Präzisionsverschiebeeinheit 14 durch eine einfache lineare Regression ableiten. Die Sache ist die, dass der absolute Radius r ₀ mit r ₀ =B/A ein nicht greifbarer Wert ist, der nicht im Voraus bekannt ist. Stattdessen liefern mehrere Messungen mit verschiedenen Radien rj die genaue Schätzung des Rotations- radius durch die Präzisionsverschiebeeinheit 14.

Der Vorteil der Erfindung ist der Umstand, dass letztendlich die genauen Interfe- renzstreifenabstände d sogar erhalten werden, ohne den genauen Rotationsradius im Falle eines Laser-Doppler-Velozimeters wissen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet mehrere Streuobjekte (z.B. Lochblenden), die an einem einzigen rotierenden Objekt (z.B. einer Rotationsscheibe) befestigt sind. Der Einfachheit halber werden Lochblenden als punktförmige j- Streuobjekte 111, 112, 113, 114 festgelegt. Sie befinden sich absichtlich in verschiedenen radialen Positionen .

Das erfindungsgemäße Verfahren verfügt auf der Rotationsscheibe 12 über mehrere Streuobjekte 111, 112, 113, 114, die jeweils eine einzelne Streuung und damit unterschiedliche Dopplerfrequenzen in Abhängigkeit von der radialen Position r _j hervorrufen. Der Messwert der Dopplerfrequenz foj ist proportional zum Rotationsradius .

Ein Präzisionsverschiebetisch 14 wird verwendet, um die die Rotationsbewegung 20 (Fig. 9, Fig. 11) durchführende Rotationsscheibe 12 mechanisch in radialer Richtung zu verschieben. Die radiale Verschiebung zwischen den streuenden Positionen ist aus der linearen Verschiebung x _j der Verschiebeeinheit 14 bekannt. Solange die Rotationsscheibe 12 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω rotiert, nimmt die Geschwindigkeit u der Lochblenden 111, 1 12, 1 13, 114 in Abhängigkeit von der radialen Position r _j gegenüber dem Rotationsmittelpunkt linear zu. Somit ist es möglich, den Interferenzstreifenabstand d aus den gemessenen Dopplerfrequenzen f _Dj zu bestimmen, ohne die Radien rj zu den Lochblenden 111 , 112, 113, 114 absolut zu kennen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der linearen Beziehung zwischen dem Rotationsradius r und der Dopplerfrequenz f _D .

Die geschätzte Gesamtunsicherheit des neuen Verfahrens, die nach Theorie und {Experimenten geschätzt wird, ist geringer als 0,25%, was weniger als die Hälfte der konventionellen Verfahren ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert nur einfache Bauteile ohne den Bedarf hoch anspruchsvoller Geräte wie ein Michelson-Interferometer, um eine angemessene Unsicherheit zu erreichen, und ist somit geeignet zur Kalibrierung einer optischen Geschwindigkeitsmessung vor Ort mit nur wenigen verfügbaren Geräten.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Inter- ferenzstreifenabständen d zur Kalibrierung von Laser-Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen gemäß Fig. 13 näher mit folgenden Schritten beschrieben.

a) Auswahl eines ersten j * 1. Streuobjekts 111 auf der z.B. vier (N = 4) Streuobjekte 111, 112, 113, 114 aufweisenden, mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω rotierenden Rotationsscheibe 12,

b) Lineare Verschiebung der Verschiebeeinheit 14 längs der Koordinate xi, bis ein Dopplersignal erscheint,

c) Finale Verschiebung längs der Koordinate xi solange, bis eine maximale Amplitude des Dopptersignals durch den Detektor 18 festgestellt wird, d) Registrierung der Koordinate imax, bei der die maximale Amplitude des Dopplersignals auftritt, und der zugehörigen Dopplerfrequenz f _D i, e) Wiederholung der Schritte a), b), c) und d) jeweils nacheinander zumindest für das j= Streuobjekt 112 _^ und oder wahlweise für das j=3. Streuobjekt 113 und/oder für das j=4. Streuobjekt 114,

f) Durchführung einer linearen Regression zwischen den Dopplerfrequenzen f _D j und den Koordinaten von mindestens zwei Streuobjekten der vier

Streuobjekte 111, 112, 113, 114 und nachfolgende Ermittlung der zugehörigen Konstanten A, B aus der linearen Gleichung/Funktion f _Dj = A · Xj _max + B, wobei A den Anstieg der linearen Funktion in Fig. 12 darstellt, und

g) Bestimmung des I terferenzstreifenabstandes d aus der Gleichung ό - ω / Α, wobei der Interferenzstreifenabstand d gleich der konstanten

Winkelgeschwindigkeit ω der Rotationsscheibe 12 dividiert durch den Anstieg A ist.

Zur Altgemeingültigkeit wird als Objekt eine Lochblende als Beispiel für das punktförmige Streuobjekt 111 verwendet, aber das neue Verfahren ist nicht auf die Lochblende beschrankt Für den Wiesswert wird die Doppterfrequenz foj als Beispiel für ein Laser-Doppler-Velozimeter betrachtet. Es wird angenommen, dass alle j Lochblenden an einer einzelnen Rotationsscheibe 12 an derselben axialen Position befestigt sind und ihre radialen Positionen η nicht identisch miteinander sind.

Die Rotationsscheibe 12 ist an einem Präzisionsverschiebetisch 14 befestigt der in der radialen Richtung verschiebbar ist was im Folgenden die Verschie- beeinheitskoordinate x ist Die Winkelgeschwindigkeit der Rotationssc eihp i? ist auf einen konstanten Wert ω eingestellt. Zuerst wird die Fig. 10 und Fig. 12 dargestellte, innerste j=1. Lochblende 111 so positioniert, dass es den Mittel- punkt des Wiessvolumens 1 im rechten Winkel zu den Interferenzstreifen 5 durchläuft (identisch zur maximalen Umfangsgeschwindigkeit u-t), wie ein Fig. 8 gezeigt ist. Der Mittelpunkt des Messvotumens 1 kann herausgefunden werden, indem der Präzisionsverschiebetisch 14 verfahren wird, so dass der maximale Ausschlag/die maximale Amplitude und die Modulationstiefe festgestellt werden können. Dies beruht auf dem Umstand, dass der Ausschlag und die Modulationstiefe aufgrund der gaußschen Intensitätsverteilung von beiden Laserstrahlen 3, 4 am Mittelpunkt des Messvolumens 1 in einer gegebenen Schnittoberfläche in einer frei wählbaren Position z ₃ entlang der optischen Achse 6 als maximiert festgelegt sind.

Das Durchlaufen der j=1. Lochblende 111 erzeugt gleichförmige Dopplersignale, wobei die zugehörige Dopplerfrequenz foi proportional zur Lochblendenge- schwindigkeit ui gemäß Gleichung (III)

ist.

Mit der gegebenen Winkelgeschwindigkeit ω wird die Umfangsgeschwindigkeit ui an einem frei wählbaren Punkt (Ort des Lochblende 111) auf der Rotations- scheibe 12 als eine Funktion des Radius ri ausgedrückt. Somit wird die Geschwindigkeit ui an der ersten Position n mittels Gleichung (IV)

u^r! ^■ ω (IV),

wobei n der Umlaufbahnradius der Lochbtende 111 ist, der noch nicht bekannt ist. Die Verschiebeeinheit 14 liefert an diesem Punkt jedoch die Position xima*. Die Winkelgeschwindigkeit ω ergibt sich aus der Gleichung (V) ω = 2 Tf _tot (V) aus der Rotationsfrequenz f _ro t der Rotationsscheibe 12. Sie kann als f _ro t = 1/ΔΤ gemessen werden, wobei ΔΤ der Zeitunterschied der aufeinander folgenden Doppiersignale ist. Genauer kann sie mit dem Impulsausgang des Motorantriebs gemessen werden, wenn der Motorantrieb mit einem Impulsgeber ausgestattet ist.

Dann wird die Lochscheibe 111 mit Hilfe der Verschiebeeinheit 14 in radialer Richtung verfahren, bis das nächste Dopplersignal von der in Fig. 10 und Fig. 12 dargestellten zwettinnersten j = 2. Lochblende 112 erscheint. Die Verschiebeeinheit 14 wird an einer Position X2ma* gestoppt, an der Signalausschlag und Modulationstiefe als maximal festgestellt werden. Die Dopplerfrequenz f _D 2 der zweiten j=2. Lochblende 112 wird nach Gleichung (VI) f _D2 = u ₂ /d (VI) an der radialen Position r ₂ , die wiederum nicht bekannt ist, ermittelt. Stattdessen liefert die Verschiebeeinheit 14 die Position X2max- Die Geschwindigkeit der zweiten -2. Lochbtende 1 12 wird nach Gleichung (VII) berechnet als u ₂ =r ₂ · ω. (VH)

Durch eine Wiederholung dieses Verfahrens wird die Geschwindigkeit Uj der j- ten Lochblende nach Gleichung (VIII) berechnet als f _D j = u d (VIII).

Es sei hier daran erinnert, dass die lokale Dopplerfrequenz. f _Dj zum wahren Um- taufsbahnradius r _} gemäß Gleichung (IX)

ist

Tatsächlich braucht der wahre Radius η nicht bekannt zu sein. Stattdessen ist die Information der Position X2 _m8 x der Verschiebeeinheit 14 vorhanden. Da die Verschiebeeinheit 14 immer in radialer Richtung verfahren wird, ist die Glei- chung (X) zwischen der Dopplerfrequenz und der Verschiebeeinheitskoordinate Xj linear

fDj = A ^■ xj _max + B. (X), die in Fig. 12 dargestellt ist.

Die Konstanten A und B dort sind

A = 2TTf _rot / d (XI)

B = (2rr <J) - (XU),

mit r ₀ = B / A (XIII). r ₀ ist eine konstante radiale Verschiebung, die in die Koordinate der Verschiebeeinheit 14 mit einbezogen wird. Die radiale Verschiebung ist nicht bekannt und ist hier nicht relevant. Die Konstanten A und B werden mit einer linearen Ausgleichung der kleinsten Quadrate der gemessenen Dopplerfrequenzen fpj und Verschiebeeinheitspositionen Xj _max erhalten. Das Verfahren liefert immer eine gute Einschätzung der Position des Rotationsmittelpunkts, solange die Position der Verschiebeeinheit 14 genau bekannt ist Die Verschiebung kann etwa mit einem in der Verschiebeeinheit 14 eingelassenen Impulsgeber oder mit einem Laser-Triangulationssensor 141 mit einer Positionsunsicherheit im Mikrometerbereich mit relativ hoher Präzision bekannt sein. Das obige Verfahren geht von der innersten Lochblende 1 11 aus, es kann aber auch die äußerste Lochblende 114 oder jede andere j-3. Lochbfende 112 oder j=4. Lochblende 113 als Ausgangslochblende gewählt werden. Schließlich kann der zur Kalibrierung des La- ser-Doppter-Velozimeters 16 für optische Geschwindigkeitsmessungen erforderliche Interferenzstreifenabstand d mit Hilfe der Gleichung (XIV) d = 2TTf _ro t/ A = w /A (XIV) ermittelt werden.

Die Rotationsfrequenz f, ₀ t ist bekannt, und die Konstante A (Anstieg der linearen Regression) wird auf Basis des linearen Ausgleichs bestimmt.

Der Hauptvorteil des Verfahrens zur Bestimmung von Interferenzstreifenabstän- den (d) zur Kalibrierung von Laser-Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen ist der, dass zur Bestimmung der Interferenzstreifenabstände d die Kenntnis des absoluten Rotationsradius zur Kalibrierung des Laser-Doppler-Velozimeters nicht notwendig ist und daher sowohl eine geringe statistische Messunsicherheit ats auch eine geringe systematische Messunsicherheit aufweist.

Die geschätzten Kalibrierungsunsicherheiten für die zu vergleichenden Verfall- ren werden in Tabelle 1 aufgeführt.

Die Tabelle 1 enthält außerdem die Dauer der Kalibrierung und geeignete Anwendungen (Labor oder praktischer Einsatz). Nach der Tabelle 1 werden kleine Unsicherheitswerte bei zwei Kalibrierungsverfahren festgestellt: bei dem quasi- statischen Verfahren und dem Verfahren mit mehreren Lochblenden. Der Grund für diese kleine Unsicherheit für das quasistatische Verfahren ist die Tatsache, dass sie nicht auf einem rotierenden Streuobjekt beruht, was immer die Haupt- quelte der Unsicherheit für die anderen Kalibrierungsverfahren ist Der Unsi- cherheitswert von 0,049% in der Tabelle 1 wird einfach aus der Reproduzierbarkeit der Verschiebeeinheit geschlossen. Der Wert bleibt bei etwa 0,1%, was der niedrigste unter den untersuchten Verfahren ist, selbst wenn, die mögliche Winkelfehlausrichtung besteht.

Der Nachteil des quasi-statischen Verfahrens ist die Zeitdauer zur Erfassung des ganzen Interferenzstreifensystems 5 in dem Messvolumen 1 , wie in der Druckschrift H. Höhne; Untersuchung von Kalibriermethoden für hochauflösende Laser-Doppler-Geschwindigkeitsprofitsensoren, Diplomarbeit 2006, Technische Universität Dresden beschrieben ist, wobei es mehrere Stunden dauert, um das [nterferenzstreifensystem 5 eines einzelnen Messvolumens 1 zu erhalten. Es kann eingeschätzt werden, dass das quasi-statische Verfahren ein Kalibrierungsverfahren mit geringer Unsicherheit, aber mit großem Zeitaufwand ist

Tabelle 1 : Liste der geschätzten Unsicherheiten und Merkmale der in der vorliegenden Beschreibung angegebenen Verfahren.

Einzelne Loch0,77 Einige Minugering beide blende ten

Quasi-statisch 0,049 mehrere hoch Labor

Stunden

Sich bewegende 60 ein paar mittelmäßig beide

Lochblende Stunden Erfindungsgemäß 0,2 Einige Minumittelmäßig beide mehrere Lochten

blenden

Ein weiteres mögliches Problem ist die Stabilität des ganzen Interferenzstreifensystems 5 während des mehrere Stunden dauernden Scannens des Messvolumens 1. Zum Beispiel könnten bei einer so langen Kalibrierungszeit Tempera- turschwankungen Abweichungen der sich ergebenden Interferenzstreifenab- stände d verursachen.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit mehreren Streulicht abgebenden Objekten/Lochblenden aber bietet auf Basis einer einfachen Methode des Ausgleichs der kleinsten Quadrate eine relativ geringe Unsicherheit. Diese Methode hat im Vergleich immer noch eine mindestens zweimal so hohe Unsicherheit wie das quasi-statische Verfahren, sollte aber für viele praktische Anwendungen wertvoll sein.

Das Verfahren mit mehreren j=N Lochblenden 111, 112, 113, 114 . . . 11 N braucht keine lange Kalibrierungszeit und keine hoch entwickelten Geräte wie ein Michelson-lnterferometer zur Realisierung der Kalibrierung. Damit ist das Verfahren geeignet zur Kalibrierung vor Ort, wenn eine angemessen geringe Unsicherheit mit relativ geringem Aufwand erforderlich ist. Eine derartige Situation tritt beispielsweise auf, wenn ein Verdacht auf Unsicherheit des Sensors nach Transport für eine Messung im praktischen Einsatz besteht

Das Verfahren zur Bestimmung von Interferenzstreifenabständen d zur Kalibrierung von Laser-Doppler-Velozimetern für optische Geschwindigkeitsmessungen mit mehreren Lochblenden kann als automatisierte, mit automatischer Scan- nung gesteuerte Kalibrierung eines Laser-Doppler-Velozimeters für optische Geschwindigkeitsmessungen realisiert werden. Bezugszeichenliste

1 Messvolumen

2 Dopplersigna!

3 Erster Laserstrahl des Laser-Doppler-Velozimeters 4 Zweiter Laserstrahf des Laser-Doppler-Velozimeters

5 Interferenzstreifen

6 Optische Achse z-Ache

7 Strahltailte

8 Objekt/Partikel

9 Fluid

10 Erfindungsgemäße Anordnung

11 Streulicht abgebendes Objekt

11 1 erstes Objekt

112 zweites Objekt

113 drittes Objekt

114 viertes Objekt

12 Rotationsscheibe

13 Motor

14 Verstelleinheit

141 Linearversteller

142 Positionssensor für Verschiebeeinheitskoordinaten

15 Rotationsachse

16 Laser-Doppler-Velozimeter

7 Auswerteeinheit

18 Detektor

19 Transiatiansbewegung

20 Rotationsbewegung

21 Positionsmessgerät für Rotatiansscheibe 30 Auswahl

31 lineare Verschiebung

32 Feststellung

33 finale Verschiebung Registrierung Wiederholung Regression Ermittlung Bestimmung