Automobil-Meßtechnik: Band B: Optik

255 Pages·1994·7.673 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Horst Klingenberg (auth.)

Horst Klingenberg
Automobil-
MeBtechnik
Band B: Optik
Mit [77 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dr. rer. nat. Horst Klingenberg
Otto-von-Guericke-Universitat Magdeburg
Institut flir MaschinenmeBtechnik
und Kolbenmaschinen
Universitatsplatz 2
39106 Magdeburg
ISBN-13:978-3-642-85710-2 e-ISBN-:978-3-642-85709-6
DOl: 10.1007/978-3-642-85709-6
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1994
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Vorwort
Umweltschutz, Energie-Einsparung und Sicherheit im StraBenverkehr stellen an die
Eigenschaften eines Automobils sHindig wachsende Anforderungen. Bei der Losung
der daraus resultierenden Aufgaben fUr die Automobilforschung und -entwicklung
treten meBtechnische Probleme auf, die oft mit herkommlichen Verfahren oder mit
handelstiblichen MeBgeraten nicht gelOst werden konnen. Dadurch ist die
"MeBtechnik in der Kraftfahrzeugentwicklung" zu einem eigenstandigen Fachgebiet
geworden, auf dem u. a. vorhandene MeBverfahren an die vorliegenden Aufgaben
angepaBt und in vielen F1illen auch meBtechnische Verfahren und Gerate neu
entwickelt werden. Dazu werden Prinzipien aus allen Gebieten der Physik
herangezogen sowie moderne Elektronik und Rechnertechnologie eingesetzt.
Die Anwendung neuer MeBverfahren fUhrt oft zu weitergehenden Erkenntnissen,
die gezielte Verbesserungen am Fahrzeug erst ermoglichen.
Eine Losung der zahlreichen, haufig komplexen Probleme innerhalb der
Automobil-MeBtechnik setzt vertiefte Kenntnisse der Physik, der experimentellen
Methoden sowie der Verfahren der MeBwerterfassung und -verarbeitung voraus
und erfordert neue Ansatze der Modellbildung, der Experimentiertechnik,
effizienter numerischer Methoden und leistungsfahiger Rechnersimulationen.
Die Automobil-MeBtechnik laBt sich in fUnf Hauptgebiete einteilen: Akustik,
Optik, AbgasmeBtechnik, Fahrzeugsicherheit und Fahrzeugerprobung.
In dem vorliegenden Buch sind die Grundlagen der optischen MeBmethoden und
MeBverfahren einschlieBlich spezieller MeBanordnungen dargestellt. Insbesondere
wird auf die LasermeBmethoden eingegangen. Vorausgestellt ist ein sehr kurz
gehaltenes Kapitel der theoretischen Grundlagen der Optik.
Die dargestellten Ergebnisse sttitzen sich auf Erfahrungen, die innerhalb von zwei
Jahrzehnten der Tatigkeit in der Automobilindustrie gesarnmelt wurden.
Die Erstellung dieses Buches ware ohne die Hilfe meiner frtiheren Mitarbeiter
nicht moglich gewesen. Mein besonderer Dank gilt den Herren Dr. A. Felske,
Dr. U. Wittkowski und Dr. D. Karstens fUr ihre Mitarbeit, die Diskussionen tiber
den Inhalt des Buches sowie. die Verdeutlichung schwieriger Zusarnmenhange,
Frau K Lepp und Herrn S. Ropke fUr das Schreiben und die Textgestaltung,
Herrn Dr. K-W. Hofmann fUr die technische Untersttitzung, Herrn H.-J. Wilhelm
und Herrn M. Rost fUr die Gestaltung der Bildvorlagen. Weiterhin bin ich
Herrn Prof. Dr. D. Wolf (Universitat Frankfurt) fUr seine sorgfaItige Durchsicht des
Manuskriptes und viele wertvolle Hinweise sowie Herrn Dr. W. Riechmann fUr
seine Untersttitzung im Abschnitt zur Photogrammetrie dankbar. Ftir die ideelle
Untersttitzung danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Seiffert (Volkswagen AG). Dem
Springer-Verlag danke ich fUr die gute Zusarnmenarbeit.
Lehre, im Frtihjahr 1994 Horst Klingenberg
Inhaltsiibersicht
Verwendete Formelzeichen ....................................................................... .xI
1 Ubersicht
1.1 Einleitung ............................................................................................... 1
1.2 Inhalt des Bandes ..................................................................................... 1
2 Physikalische Grundlagen der Optik
2.1 Obersicht ................................................................................................ 2
2.2 Wellenoptik ................................................ . ................... 3
2.2.1 Wellengleichung fUr isotrope Medien ...................................................... 3
2.2.2 L6sungen der Wellengleichung fur verlustfreie Medien
und fur das Vakuum ................................................................................. 7
2.2.3 Hertzscher Oszillator im Vakuum ........................................................... l0
2.2.4 Energiestr6mung / Poyntingscher Vektor ............................................... 11
2.2.5 Interferenz ............................................................................................. 12
2.2.5.1 OberJagerung ebener Wellen .................................................................. 13
2.2.5.2 Stehende ebene Welle ............................................................................ 14
2.2.5.3 Intensitat interferierender ebener Wellen ................................................. 15
2.2.5.4 Zeitliche Koharenzbedingung ................................................................. 17
2.2.5.5 Raumliche Koharenzbedingungen ........................................................... 19
2.2.6 Huygenssches Prinzip ............................................................................. 20
2.2.7 Beugung ................................................................................................ 21
2.2.7.1 Definition ............................................................................................... 21
2.2.7.2 Beugung am Spalt ................................................................................. 21
2.2.7.3 Beugung am Strichgitter ........................................................................ 23
2.2.8 Brechung ............................................................................................... 24
2.2.9 Grundlagen der Holografie ..................................................................... 25
2.2.10 Speckle-Effekt ....................................................................................... 31
2.2.11 Wellengleichung in anisotropen Medien .................................................. 33
2.2.11.1 Optische Anisotropie .............................................................................. 33
2.2.11.2 Beschreibung der Wellengleichung ......................................................... 34
VIII
2.3 Geometrische Optik ............................................................................... 36
2.3.1 Begriffsbestimmung ............................................................................... 36
2.3.2 Brechung und Reflexion ......................................................................... 36
2.3.3 Reflexion und Transmission ................................................................... 40
2.3.4 Erzeugung polarisierten Lichtes ............................................................. 43
2.3.5 Abbildung durch dunne Linsen ............................................................... 44
2.3.6 Abbildung durch dicke Linsen ................................................................ 47
2.3.7 Lichtbundelbegrenzung .......................................................................... 49
2.3.8 Abbildungsfehler .................................................................................... 51
2.4 Laser ..................................................................................................... 51
2.4.1 Einfiihrung ............................................................................................. 51
2.4.1.1 Lichtverstiirkung im aktiven Laserwerkstoff. .......................................... 52
2.4.l.2 Selbsterregung im Laser-Resonator ........................................................ 56
2.4.1.3 Steuer-und andere Hilfseinrichtungen .................................................... 57
2.4.2 Laserarten .............................................................................................. 61
3 Messen mit Laserlicht
3.1 Generelles .............................................................................................. 62
3.2 MeBverfahren ........................................................................................ 63
3.2.1 Leitstrahlverfahren ................................................................................. 63
3.2.2 Triangulationsverfahren ......................................................................... 63
3.2.3 Fokus-Verfahren .................................................................................... 64
3.2.4 Laufzeitverfahren ................................................................................... 65
3.2.5 Interferometrie ....................................................................................... 66
3.2.6 Oberflachenabtastung mit Polygonspiegel .............................................. 66
3.2.7 Schattenverfahren .................................................................................. 67
3.2.8 Anwendungsbeispiele ............................................................................. 68
3.2.8.1 Ebenheitsprufung an Fahrzeugspiegeln ................................................... 68
3.2.8.2 Sehunschiirfe durch Schwingungen von Fahrzeugspiegeln ...................... 69
3.3 Hilfsvorrichtungen und Bauelemente ...................................................... 70
3.3.1 Lichtleiter .............................................................................................. 70
3.3.2 Bragg-Zelle ........................................................................................... 71
3.3.3 Bildderotator ......................................................................................... 73
3.3.4 Weitere Bauelemente ............................................................................. 74
3.4 MeBverfahren der Fahrzeug-Aerodynamik ............................................. 75
3.4.1 Fahrzeug-Querschnittsflachenvermessung .............................................. 75
3.4.1.1 Aerodynamische GroBen ........................................................................ 75
3.4.1.2 Schattenverfahren .................................................................................. 76
3.4.1.3 Laser-Reflexions-MeBverfahren zur Konturabtastung ............................. 76
3.4.2 Laser- Lichtschnittverfahren zur Stromungsmessung ............................... 81
3.4.2.1 Laserlichtschnitt ..................................................................................... 81
IX
3.4.2.2 Versuchsanordnung ................................................................................ 82
3.4.2.3 Ergebnisse ....... .. ............................................................................... 85
3.4.3 Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) zur Messung der lokalen
Stromungsgeschwindigkeit ..................................................................... 86
3.4.3.1 Dopplereffekt ......................................................................................... 86
3.4.3.2 Lichtstreuung am bewegten Teilchen ...................................................... 88
3.4.3 .3 Interferenzstreifenverfahren .................................................................... 90
3.4.3.4 Anwendungsbeispie1... ............................................................................ 93
3.5 Untersuchungen im Motorbrennraum ..................................................... 94
3 .5. 1 Einfuhrung ............................................................................................. 94
3.5.2 Optischer lugang zum Motorbrennraum ................................................ 94
3.5.3 Anwendung des Laser-Lichtschnit1-Verfahrens ....................................... 95
3.5.4 Die Particle-Image-Velocimetry ............................................................. 97
3.5.5 Laser-Doppler-Anemometrie .................................................................. 98
3.5.6 Laser-Schlieren-Verfahren .................................................................... 101
3.5.7 Laser-Schatten-Verfahren .................................................................... 105
3.5.8 Spektroskopische Verfahren ................................................................ 106
3.5.8.1 Chemisch-thermische Fluoreszenz.. .................... . ............... 107
3.5.8.2 Laser-Induzierte Fluoreszenz ............................................................... 107
3.5.8.3 Ramanspektroskopie ............................................................................ 110
3.5.8.4 Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) ............................ 113
3.6 Untersuchungen am Fahrzeug und an Fahrzeugbauteilen ...................... 117
3.6.1 Speckle-Analyse fur Dehnungsmessungen an Oberflachen .................... 118
3.6.1.1 Speckles ............................................................................................... 118
3.6.1.2 Vollautomatisches Specklegramm-Auswertegerat ................................ 123
3.6.1.4 lwei Anwendungsbeispiele der Speckle-Me/3technik ............................ 124
3.6.2 Laser-Doppler-Vibrometrie fur Schwingungsmessungen ....................... 126
3.6.2.1 Prinzip ................................................................................................. 126
3.6.2.2 Faseroptisches Vibrometer ................................................................... 127
3.6.2.3 Flachenabtastendes Laser-Doppler-Vibrometer .................................... 129
3.6.3 Untersuchungen mittels holografischer Interferometrie ......................... 132
3.6.3.1 Allgemeines ......................................................................................... 132
3.6.3.2 Doppelbildholografie fur statische Messungen ...................................... 137
3.6.3.3 Doppelpulsholografie fur Kurzzeit-Messungen ..................................... 138
3.6.3.4 Automatische Auswertung mit Zweifachreferenz und nachtraglicher
Phasenverschiebung ............................................................................. 142
3.6.3.5 leitmittelungs-Holografie ................................................................... 145
3.6.3.6 Stroboskopische Holografie ................................................................. 149
3.6.3.7 Echtzeit-Holografie.................... . ............................. 151
3.6.3.8 Holografische Interferometrie an rotierenden Objekten mittels Bild-
derotator ............................................................................................ 153
3.6.3.9 Holografisches Reifenpriifgerat ........................................................... 154
3.6.3.10 Ausgewahlte Beispiele ......................................................................... 156
x
4 Messen mit WeiBlicht
4.1 Optische Eigenschaften der Fahrzeugverglasung .................................. 162
4.1.1 Optische Fehler von Glasscheiben ........................................................ 162
4.1.2 Transmissionsmessungen ..................................................................... 167
4.1.2.1 Grundlagen .......................................................................................... 167
4.1.2.2 TransmissionsmeBgerat ........................................................................ 169
4.1.2.3 Messung und Auswertung .................................................................... 172
4.2 MeBverfahren der Fahrzeugsicherheit ................................................... 173
4.2.1 Obersicht ............................................................................................. 173
4.2.2 Hochfrequenz-Kinematografie ............................................................. 175
4.2.2.1 Schrittbildkamera ................................................................................. 176
4.2.2.2 Drehprismenkamera ............................................................................. 177
4.2.2.3 Trommelkameras ................................................................................. 178
4.2.2.4 Anwendungsbeispiele ........................................................................... 180
4.3 Festigkeitsuntersuchungen mit Spannungsoptischen Verfahren ............. 182
4.3.1 Ahnlichkeitsanforderungen ................................................................... 182
4.3.2 Physikalisches Prinzip .......................................................................... 182
4.3.3 Thermoelastischer Spannungsanalysator (THESA) ............................... 186
4.4 Digitale-N ahbereichs-Photogrammetrie ............ '" ................................. 192
4.4.1 Obersicht ............................................................................................. 192
4.4.2 Wichtige Begriffe der Photogrammetrie ............................................... 194
4.4.3 Photogrammetrische Authahmekameras ............................................... 196
4.4.4 Grundgleichungen der Biindeltriangulation ........................................... 199
4.4.5 Anwendungsbeispiele aus der Off-line-Photogrammetrie ...................... 203
4.4.5.1 Ein Mehrbild-Triangulations-MeBsystem und seine Anwendungen ....... 203
4.4.5.2 Hochgeschwindigkeits-Photogrammetrie ............................................. 209
4.4.5.3 Hochgenaue stereoskopische Formerfassung ganzer Fahrzeuge ............ 212
4.4.6 On-line-Photogrammetrie ..................................................................... 213
4.4.7 Objektgestiitzte Mehrbildzuordnung .................................................... 217
Literaturverzeichnis ...................................................................... 223
Sachwortverzeichnis ...................................................................... 233
Verwendete Formelzeichen
F onnelzeichen Bedeutung
Sonderzeichen
1\ Kennzeichnung von Amplituden, tiber Symbol
Kennzeichnung einer Strecke, Dberstreichung
Mittelwert
Kennzeichnung von komplexen Gro/3en, Unterstreichung
Kennzeichnung von Vektoren, tiber Symbol
rechtwinklig, senkrechte Koordinate
~
II parallel
* Kennzeichnung von Hilfskoordinaten
Indizes
a absorbiert
AS Anti-Stokes
B Brewster
CARS Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy
D Detektor
Doppler
H Hauptpunkt
Original, Hauptausfuhrung
L Laser
Licht, Lichtquelle
M Me/3-
Modell, Modellraum
MS Modellsystem
m Mitten-
XII
Formelzeichen Bedeutung
max maximal, Maximum
mm minimal, Minimum
o
Objektraum
P Pump-
Partikel, Teilchen
R Raman
Referenzwelle
r Raman
Referenz
reflektiert
S Schall
Stokes
Strahl
s Signal
tr durchgelassen, Transmission
Lateinische Buchstaben
A Amplitude
au13erordentlicher Strahl
Ausgangspunkt
Kalibrierungsfaktor
Querschnittsflache
Verzeichnungsparameter
Lichtvektor
Vektorpotential
Anm Ubergangswahrscheinlichkeit,
Emissionswahrscheinlichkeit
a Abstand
Ausdehnung
Gegenstandsweite
Intensitatsamplitude