Beiträge zur präzisen optischen Distanzmessung schnell bewegter rauer Festkörperoberflächen

Für die Entwicklung und Überwachung von Maschinen und Anlagen sowie in der Fertigungstechnik ist es aus Qualitäts- und Kostengründen immer wichtiger, die Position bzw. Distanz und die Geschwindigkeit schnell bewegter Bauteile präzise zu bestimmen, um Positionsabweichungen, dynamische Verformungen oder Schwingungen detektieren zu können. Als Beispiele seien das dynamische Auswuchten der Welle einer Turbomolekularpumpe oder die Prozessüberwachung von Dreh- und Schleifprozessen genannt. Dies ist für die Messtechnik eine große Herausforderung, da absolut und berührungslos messende Sensoren nötig sind, die gleichzeitig eine hohe Messrate im Kilohertzbereich und eine geringe Positionsmessunsicherheit bis in den Nanometerbereich aufweisen.

Optische Messverfahren arbeiten berührungslos und bieten im Allgemeinen eine geringe Positionsmessunsicherheit. Jedoch sind die meisten optischen Abstandsmessverfahren durch mechanische Scanprozesse oder Belichtungs- und Auslesezeiten digitaler Kameras in ihrer Messrate limitiert. Zudem verschlechtert sich bei vielen herkömmlichen Sensoren die Messunsicherheit mit steigender Objektgeschwindigkeit deutlich.

Eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems ist der Laser-Doppler-Distanzsensor, der eine Positionsbestimmung entlang der Sensorachse sowie eine Geschwindigkeitsbestimmung quer zu Sensorachse ermöglicht. Im Rahmen dieser Arbeit wird zur Verringerung der Messunsicherheit statt der bisher zur Positionsbestimmung rauer, unbehandelter Oberflächen verwendeten Frequenzauswertung eine Phasenauswertetechnik eingesetzt.

Es werden verschiedene Sensorrealisierungen des phasenauswertenden Laser-Doppler- Distanzsensors vorgestellt und untersucht. Dabei wird gezeigt, dass auch ruhende bzw. rein axial bewegte Objekte vermessen werden können, was bisher nicht möglich war. Die durch den Speckle-Effekt auftretende hohe Positionsmessunsicherheit konnte durch eine grundlegende Betrachtung mittels numerischer Simulationen erstmals erklärt und weitestgehend behoben werden. Mit einem aus den numerischen Untersuchungen folgenden optimierten Sensorsaufbau wurde eine Gesamtmessunsicherheit der Position von bis zu 110 nm erreicht. Es werden Schwingungsmessungen einer mit 48000 min -1 rotierenden Welle sowie die nanometergenaue Messung der radialen Positionsänderung eines Aluminiumzylinders mit einer Oberflächenrauheit von Ra < 50 nm vorgestellt, die den breiten Einsatzbereich des Sensors in der Fertigungstechnik sowie der Anlagenüberwachung demonstrieren.

Außerdem wird der erstmalige Einsatz eines aus drei Laser-Doppler-Distanzsensoren bestehenden Messsystems zur Messung der Radiusaufweitung eines taumelnden und mit 12000 min -1 rotierenden Rotors vorgestellt. Dabei wird erstmals die Vakuumtauglichkeit des Laser-Doppler-Distanzsensors demonstriert, was neue Anwendungsgebiete insbesondere für die Untersuchung neuartiger Rotoren erschließt.