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TECHNOLOGIEN
Laser-Doppler-Distanz –Sensor (LDD)
Laser misst Geschwindigkeit und Ort

Die Forschergruppe Professor Jürgen Czarske und seine Mitarbeiter Dr. Lars Büttner und Dr. Thorsten Pfister an der Technischen Universität Dresden wurde für den von ihnen entwickelten Laser-Doppler-Distanz –Sensor (LDD) mit dem 3. Preis der Berthold Leibinger Stiftung ausgezeichnet. 

Der LDD-Sensor erlaubt grundsätzlich neue Anwendungsmöglichkeiten: er misst nicht nur die Geschwindigkeit, sondern gleichzeitig auch die Entfernung eines Objektes mit einer Genauigkeit, die unabhängig von der Geschwindigkeit des gemessenen Objektes ist. Die moderne Lasertechnik hat damit zu einer Renaissance der Laser-Doppler-Messtechnik geführt, die bereits als abgeschlossen galt. Sie erlaubt es nun, Positionen und Geschwindigkeiten von Teilchen und Körpern mit Mikrometerauflösung zu messen.

Damit eröffnen sich neue Perspektiven für die Vibrationsanalyse von sich schnell drehenden Wellen und Rotoren, beispielsweise bei Vakuumpumpen und Turboladern. Bei der Entwicklung des Lasersensors arbeiteten die Dresdner Wissenschaftler in enger Kooperation mit dem Kölner Institut für Antriebstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Das zugrundeliegende Messprinzip beruht auf der elektronischen Auswertung der Doppler-Frequenzverschiebung des Streulichtes von bewegten Objekten. Hierbei wird ein Laserstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei Strahlen aufgeteilt und in dem Messvolumen, in dem sich eine Probe befindet, wieder zusammengeführt.
Mit der Strömung bewegte Teilchen streuen das Licht der beiden Laserstrahlen, wobei eine Doppler-Frequenzverschiebung auftritt. Im Photodetektor findet eine Interferenz der beiden erzeugten Streulichtwellen statt. Dabei entsteht ein optoelektronisches Schwebungssignal, aus dem sich mit einer Fourier-Transformation die Geschwindigkeit berechnen lässt. Wird bei der konventionellen Laser-Doppler-Messtechnik das Messvolumen verkleinert, begrenzen Beugungseffekte diese Methode. Hier liegt eine Unschärferelation zwischen der Auflösung am Ort und in der Geschwindigkeit vor, die mit einer Fourier-Transformation zwischen Fokusgröße und Divergenzwinkel verknüpft ist.

Prof. Czarske und sein Team überwanden diese Grenze durch eine zusätzliche Ortsbestimmung der Teilchen im Messvolumen mit dem optischen Doppler-Effekt. Dann lässt sich die Geschwindigkeitsverteilung im Messvolumen mit einer sequentiellen Messung von Position und Geschwindigkeit der Streuteilchen erfassen. Bei dem neuen Messprinzip des LDD-Sensors werden daher für die elektronische Signalverarbeitung zwei Doppler-Frequenzen – statt wie bisher üblich eine - von zwei verschiedenen Laserwellenlängen (rotes und infrarotes Licht) für die mathematische Berechnung der Geschwindigkeit und des Ortes benutzt. Die zwei Laserwellenlängen werden über ein Glasfaserkabel an einen Messkopf gesendet, der sich z.B. an der Außenwand der Turbine befindet. Von dort gelangen die Laserstrahlen über ein Fenster an die Schaufeln, die die Strahlen reflektieren.

Der Trick ist die gleichzeitige Vermessung der beiden Laserstrahlen, die sich am Messpunkt kreuzen. Dabei wird auch der bisher als Störung betrachtete Einfluss der Wellenfrontkrümmung realer Laserstrahlen vorteilhaft genutzt. Eine spezielle Ausführung des LDD als Laser-Doppler-Liniensensor eignet sich wegen seiner hohen Ortsauflösung von etwa einem Mikrometer besonders für die Vermessung von Mikrokanalströmungen. Kombiniert man mehrere Sensoren dieser Art, kann man sogar dreidimensionale Strömungsfelder von turbulenten Strömungen untersuchen. Moderne Ausführungen erlauben die Vermessung von technischen rauen Oberflächen. Beispielsweise kann auch die Spaltweite von Turbomaschinen gemessen werden, was für eine Erhöhung des Wirkungsgrads von Bedeutung ist. Schwingungen, die bei den Umdrehungsgeschwindigkeiten der Schaufeln im Überschallbereich entstehen, lassen sich noch präziser als je zuvor bestimmen.
 
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Laser-Doppler-Distanzsensor in Messposition am Vakuumkanal.
Quelle Berthold Leibinger Stiftung



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