Laser-Doppler-Scanner

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Laser-Doppler-Scanner

Funktionsprinzip

Der Laser-Doppler-Scanner oder Laser-Doppler-Anemometer (LDA) ist ein Laserextensometer, welches in der Werkstoffprüfung zur Hochgeschwindigkeitsmessung an sich bewegenden Prüfobjekten dient. Es ist aufgrund seiner Systemdaten für Hochgeschwindigkeitszugversuche bis 50 m/s, Messung von sich bewegenden Oberflächen von Folien oder Rohren sowie Drähten und Kabeln geeignet. Der erzeugte Laserstrahl wird vereinfacht auf einen Strahlteiler abgelenkt, wodurch zwei kohärente Teilstrahlen mit halber Intensität entstehen (Bild 1).

Bild 1:

Schematische Darstellung der Funktion des Laser-Doppler-Scanners

Diese Teilstrahlen schneiden sich unter einem definierten Winkel und erzeugen auf der Prüfkörperoberfläche eine Schnittfläche, die ein konstantes Messfenster bildet. Im Messfenster wird ein Interferenzmuster erzeugt, welches durch den Streifenabstand Δx, die Wellenlänge des Laserstrahls λ und den Schnittwinkel 2φ charakterisiert ist. Bewegen sich in dem Messfenster Partikel, die durch die Oberflächenrauigkeiten (Speckles) gebildet werden, dann wird durch die Hell-Dunkel-Übergänge amplitudenmoduliertes Licht zurück gestreut, welches im Detektor ausgewertet wird. Die Modulationsfrequenz oder Dopplerfrequenz f_d ist proportional zur Geschwindigkeit v der streuenden Partikel (Streuzentrum). Die entstehenden Signale werden mittels eines Multi-Stop-Counters aufgezeichnet und durch Detektion der Nulldurchgänge des Dopplersignals kann dessen Frequenz bestimmt werden, aus der dann die Geschwindigkeit und der zurückgelegte Weg des Streuzentrums berechnet wird (Bild 2).

Technische Daten

• Messrate = 50 MHz (selbstkalibrierend)
• Auflösung = 0,1 – 0,5 µm
• Objektabstand vorzugsweise 200 oder 250 mm
• Messlänge frei justierbar
• Prüfgeschwindigkeit bis 50 m/s

Bild 2:

Auswerteprinzip des Laser-Doppler-Scanners und Laser-Doppler-Velocimeter der Fa. Fiedler-Optoelektronik GmbH, Lützen

Infolge der fixierten Initial- oder Messlänge L₀ ermittelt dieses Prüfsystem bei Verwendung von zwei Detektoren die wahre Dehnung (siehe: Zugversuch Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm) zwischen den Detektoren. Bei Nutzung von 4 oder 6 Doppler-Systemen kann auch die lokale Dehnungsverteilung im Hochgeschwindigkeitszugversuch bestimmt werden. Probleme treten allerdings bei Prüfkörpern mit hoher Oberflächengüte oder spiegelnder Messfläche auf.

Anwendung

Dieser Laser-Doppler-Scanner kann in der Werkstoffprüfung zur Untersuchung des Spannungs-Dehnungs-Verhaltens bei hohen Prüfgeschwindigkeiten für metallische Werkstoffe und Kunststoffe verwendet werden. Bild 3 zeigt das Verlängerungs-Zeit-Diagramm der beiden Messfenster, aus dem die wahre Dehnung (siehe: Zugversuch Wahres Spannungs-Dehnungs-Diagramm) unter Nutzung der Messlänge von L₀ = 25 mm berechnet werden kann, für einen Aluminium-Prüfkörper bei einer Prüfgeschwindigkeit von 10 m/s. Das zugehörige Spannungs-Dehnungs-Diagramm zeigt die typischen Oszillationen bei Hochgeschwindigkeitsversuchen.

Bild 3:

Anwendung des Laser-Doppler-Scanners für Aluminium im Hochgeschwindigkeitszugversuch (Fa. Fiedler Optoelektronik GmbH, Lützen)

Literaturhinweise

• Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage S. 534−539, ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18
• Grellmann, W., Bierögel, C.: Laserextensometrie anwenden. Einsatzmöglichkeiten und Beispiele aus der Kunststoffprüfung. Materialprüfung 40 (1998) 11–12, 452–459
• Laser-Doppler-Velocimeter LDV250 für Geschwindigkeits- und Längenmessung. Firmenschrift der Fa. Fiedler-Optoelektronik GmbH, Lützen, www.foe.de