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Heterodyn-Streifenzählung – ein neues Primärkalibrierverfahren für tieffrequente Schwingungen

25.09.2015

Mit Hilfe eines neuen Mess- und Auswerteverfahrens wurde es möglich den messtechnischen Aufwand für die Primärkalibrierung mit Heterodyn-Laser-Interferometern für die Anwendung bei tiefen Schwingfrequenzen drastisch zu reduzieren ohne Kompromisse bei der Messunsicherheit einzugehen.

Bei der Primärkalibrierung von Beschleunigungssensoren werden heutzutage typischerweise sogenannte Heterodyninterferometer eingesetzt. Dabei wird die zu messende mechanische Schwingung des Beschleunigungssensors in eine Frequenzmodulation des Ausgangssignals eines Fotodetektors im Interferometer umgesetzt. Die Trägerfrequenz des anschließend zu demodulierenden Messsignals beträgt dann typischerweise einige Megahertz. Zur präzisen Auswertung muss dieses Signal digital abgetastet (gesampelt) werden, wobei die Abtastfrequenz wiederum das Fünf- bis Zehnfache der Trägerfrequenz betragen sollte.

Für langsame Vorgänge, also beispielsweise tieffrequente Schwingungen führt dies zu extrem großen Datenmengen, die für die eigentliche Darstellung der Bewegung gar nicht notwendig wären.
Mit einem neuen Messverfahren wird es nun möglich die Abtastrate des Signals vom Fotodetektor auf ein der mechanischen Bewegung angemessenes Maß zu reduzieren. Beispielsweise kann eine 1 Hz Schwingung nun mit einer Datenrate von 1000 Hz interferometrisch gemessen werden. Dies reduziert die zu verarbeitende Datenmenge um mehr als drei Größenordnungen. Voraussetzung ist lediglich eine Mindestbewegungsamplitude, die über einige Wellenlängen des verwendeten He-Ne-Lasers (633 nm) reicht.
Machbar wird dies durch die Verwendung eines Zählers, der die Interferenzstreifenwechsel auf dem Fotodetektor nur zählt, statt die Helligkeitswerte, wie früher abzutasten. Dieser Zähler kann nun mit vergleichsweise geringer Abtastrate ausgelesen werden. Der Verlauf der gelesenen Zählerstände in Abhängigkeit von der Zeit gibt dann Auskunft über den exakten Bewegungsverlauf (Abb. 1). Er wird über ein angepasstes Auswerteverfahren aus den Messwerten rekonstruiert.

Abbildung 1: Oben: simulierter Verlauf einer 10 Hz Schwingung mit 5 mm Amplitude,
unten: daraus abgeleitetes Signal des ausgelesenen Zählers bei 1 MHz Trägerfrequenz.

Im Vergleich zu früher schon eingesetzten Streifenzählverfahren mit Michelson-Interferometern ist mit der neuen Methodik auch eine Phasenkalibrierung von Beschleunigungssensoren möglich.
Das Potenzial des Verfahrens in Bezug auf Auflösungsvermögen und Messunsicherheit wurden mit gutem Ergebnis theoretisch untersucht und publiziert [1].
Derzeit wird das Verfahren für die Tiefstfrequenzkalibrierung von Beschleunigungssensoren bei der PTB implementiert.

Literatur:

[1]    Thomas Bruns, Frank Blume, Henrik Volkers, „Primary Acceleration Measurement using Fringe counting with Heterodyne Interferometry”, Proc. IMEKO TC22 Conference 2014, Cape Town, SOUTH AFRICA, 2014
(Opens external link in new windowhttp://www.imeko.org/publications/tc22-2014/IMEKO-TC22-2014-004.pdf)
 

Ansprechpartner:

Dr. Thomas Bruns, FB 1. 7, AG 1. 71, E-Mail: Opens window for sending emailthomas.bruns(at)ptb.de