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.

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 berührungslosen 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 Laserstrahlquelle, 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).

Abb. 1: Aufbau des berührungslosen, optischen Extensometers (Anpassung gemäß Patentanmeldung)

Abb. 2: Interferenzstreifenmuster, die den ersten bzw. zweiten Musterabschnitt/-bereich zeigen, der auf den Photodetektoren abgebildet ist (Anpassung gemäß Patentanmeldung)