Kontaktloser Optischer Dehnungssensor

Die vorliegende Erfindung schlägt ein neuartiges laserbasiertes System vor, das eine
berührungslose Messung von Verformungen/Dehnungen ermöglicht. Das System lässt sich einfach in komplexen Testaufbauten implementieren und liefert verbesserte Leistungsmerkmale. Die vorliegende Erfindung schlägt ein neuartiges laserbasiertes System vor, das eine berührungslose Messung von Verformungen/Dehnungen ermöglicht. Das System lässt sich einfach in komplexen Testaufbauten implementieren und liefert verbesserte
Leistungsmerkmale.

Herausforderung

Die Messung mechanischer Spannungen und Dehnungen ist unverzichtbar und von besonderer Bedeutung, wenn es um die Erfassung und Bewertung des mechanischen Verhaltens von Werkstoffen und/oder komplexen, technischen Bauteilen geht. Aufgrund der einfachen Anwendung, Flexibilität und indirekten Ankopplung an Proben/Objekte erfreuen sich Geräte zur berührungs-   losen Dehnungsmessung immer größerer Beliebtheit. Entsprechende laserbasierte Systeme
stehen in Form sogenannter Laser-Doppler-Messgeräte zur Verfügung. Typischerweise bestehen solche Geräte aus zwei (gekoppelten) Laser-Doppler-Komponenten, die beide eine Laserstrahlquelle und einen Detektor zur Messung der Geschwindigkeit oder der Verschiebung eines vorgegebenen Messpunktes am Messobjekt in einer vorgegebenen Richtung aufweisen. Trotz ihrer
bewährten und weit verbreiteten praktischen Anwendung können solche Systeme in ihrem Aufbau kompliziert sein und es fehlt ihnen an wünschenswerten Leistungsmerkmalen (z. B. Präzision, Auflösung und effiziente Signalauswertung), was ihre Anwendung einschränken kann.

Unsere Lösung

Die vorliegende Erfindung greift einige der oben genannten Konzepte auf und führt zu einer Reihe entscheidender Verbesserungen (siehe Abschnitt Vorteile), die neue Wege für die Anwendung in industriellen und/oder wissenschaftlichen Bereichen eröffnen. Gemäß der Erfindung und im
Interesse der konstruktiven Einfachheit besteht das System (Abb. 1) aus nur einer Laserstrahl-   quelle, einer Strahlteilereinrichtung und einer Einrichtung zur Frequenzverschiebung der vom
Laser emittierten Strahlung. Bei Erzeugung zweier (gegeneinander) frequenzverschobener Laserstrahlen werden die Strahlen unter einem bestimmten Winkel auf dem Messobjekt zur Interferenz gebracht. Dadurch wird ein Interferenzstreifenmuster erzeugt, dessen erster und zweiter (disjunktiver) Abschnitt/Bereich von zwei unabhängigen Photodetektoren erfasst wird (siehe Fig. 2),
gefolgt von einer Intensitätsauswertung. Im Unterschied zu den verfügbaren laserbasierten
Dehnungsmesssystemen können aus einem Interferenzstreifenmuster durch optische Abbildung und elektronische Auswertung zwei unabhängige Messpunkte gewonnen werden. Um die
Dehnung bzw. Dehnungsgeschwindigkeit über die Zeit auszuwerten, kann die Differenz der Dopplerverschiebungen der beiden Signale berechnet werden. Vorzugsweise werden beide demodulierten Signale durch einen sogenannten Frequenzsubtrahierer voneinander subtrahiert. Somit kann aus Signalen, die von den Fotodetektoren stammen, die Geschwindigkeit oder die Auslenkung in Richtung senkrecht zu den Interferenzstreifen gemäß Δs·φ/2π gemessen werden (wobei φ die Phase des demodulierten Signals und Δs der Abstand zwischen den Interferenzstreifen ist). 

Vorteile

• Berührungslose Messung (Proben/Bauteile nicht von Messmitteln beeinflusst)
• Hohe Dehnungsauflösung (auch im elastischen Verformungsbereich)
• Einfache Implementierung für komplexe Versuchs-/Testaufbauten
• Erhöhte Präzision (im Vergleich zu verfügbaren Laser-Doppler-Systemen)
• Verbesserte und effizientere Ausnutzung der Interferenzstreifenmuster
• Das System wird während des Versuchs/Tests und beim Bruch der Probe/des Objekts nicht gefährdet

Anwendungen

• Dehnungsmessung und Erfassung mechanischer Spannungen jeglicher Art
• Schwingungs- und Vibrationsmessung
• Geeignet für industrielle und wissenschaftliche Aufgaben

Entwicklungsstatus

Die Funktionalität des Systems wurde in Vibrationstestanlagen im industriellen Maßstab bestätigt.

04.04.2023