Laser-Doppler-Vibrometrie mit hoher Auflösung im Frequenzbereich unter 10 Hz

Dr.-Ing. Marvin Schewe

Diese Forschung wurde im Rahmen des DFG-Projekts „Chemische Expansion von Praseodym-Cer-Mischoxidschichten bei hohen Temperaturen“ (Projektnummer 404875250) finanziert.

Motivation

In der industriellen Produktion und der Energieversorgung gewinnen Hochtemperatur-Prozesse immer mehr an Bedeutung. In diesem Zusammenhang besteht ein Bedarf an Sensor-Aktor-Systemen. Dabei sind verfügbare Sensor/Aktor-Systeme, wie z.B. Piezoelemente durch zu geringe Einsatztemperaturen nur eingeschränkt einsetzbar. Eine vielversprechende Alternative ist die chemische Expansion von Volumenkristallen wie Praseodym-Cer-Mischoxiden (PCO), die in Abhängigkeit der Temperatur bzw. der Sauerstoffaktivität eine starke reversible Dehnung erzeugen. Die Sauerstoffaktivität lässt sich dabei auch über ein geeignetes Substrat mit einer Spannung steuern. Dabei sind die zugrundeliegenden Prozesse sehr langsam und die Schwingungen liegen im Millihertz-Bereich bei Auslenkungen weniger Nanometer. Zur Vermessung der verursachten Auslenkung durch die chemische Expansion eignen sich Laser-Doppler-Vibrometer (LDV). Allerdings werden kommerziell verfügbare LDVs durch starke niederfrequente Rauscheinflüsse durch Störungen aus der Umwelt (wie Hitzeflimmern und mechanische Schwingungen) limitiert.

Methoden

Das Ziel dieses DFG geförderten Projekts ist, ein geeignetes Messverfahren zu entwickeln, das die Messung von Schwingungen im Millihertz-Bereich ermöglicht. Dazu ist es erforderlich niederfrequente Rauschquellen im Frequenzbereich von wenigen mHz bis zu etwa 10 Hz zu analysieren. Zur Kompensation der Umwelteinflüsse, wurde ein differentielles Laser-Doppler-Vibrometer (DLDV) entwickelt, mit dem Störeinflüsse signifikant verringert werden können.

Der in Kooperation mit der Arbeitsgruppe der Hochtemperatur-Sensorik am IEPT realisierte Messaufbau zur Untersuchung der chemischen Expansion mit Hilfe des entwickelten DLDVs ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt:

Hierbei werden der Mess- und Referenzstrahl des DLDVs über zwei Stellspiegel auf der im Hochtemperaturofen befindlichen PCO-Probe positioniert. Durch die differentielle Messung können Störungen durch Umgebungseinflüsse so signifikant reduziert werden. Dies ist im nachfolgenden Spektrum verdeutlicht.

In der Abbildung ist der Rauschpegel einer LDV- und DLDV-Messung bei einer Messung einer PCO-Schicht bei 650 °C dargestellt. Insbesondere im niederfrequenten Bereich < 0,1 Hz liegt der Rauschpegel einer DLDV-Messung signifikant unter dem einer LDV-Messung.

Veröffentlichungen:

• M. Schewe, D. Kohlmann, H. Wulfmeier, H. Fritze, C. Rembe:
  Differential laser Doppler vibrometry for displacement measurements down to 1 mHz with 1 nm amplitude resolution in harsh environments
  ^{In: Measurement, p. 112576, 2023. DOI: 10.1016/j.measurement.2023.112576.}
• D. Kohlmann, H. Wulfmeier, M. Schewe, T. Defferriere, C. Rembe, H.Tuller, H. Fritze:
  High-temperature chemical expansion of Pr_0.1Ce_0.9O_2-δ thin films determined by Differential Laser Doppler Vibrometry
  ^{In: Solid State Ionics. vol. 392, p. 116151, 2023. DOI: 10.1016/j.ssi.2023.116151.}
• D. Kohlmann, H. Wulfmeier, M. Schewe, I. Kogut, C. Steiner, R. Moos, C. Rembe, H. Fritze:
  Chemical expansion of CeO_2−δ and Ce_0.8Zr_0.2O_2−δ thin films determined by laser Doppler vibrometry at high temperatures and different oxygen partial pressures
  ^{In: Journal of Materials Science. vol. 58, p. 1481-1504, 2023. DOI: 10.1007/s10853-022-07830-4.}
• M. Schewe, D. Kohlmann, H. Wulfmeier, H. Fritze und C. Rembe:
  Methoden zur Minimierung des Rauscheinflusses durch Hitzeflimmern bei einem heterodynen Laser-Doppler-Vibrometer
  ^{In: tm - Technisches Messen. Vol. 87, Issue s1, pp. 44-49, Aug. 2020. DOI: 10.1515/teme-2020-0023}
• D. Kohlmann, H. Wulfmeier, M. Schewe, C. Rembe, H. Fritze:
  Chemische Ausdehnung von Sensor- und Elektrolytmaterialien bei hohen Temperaturen
  ^{Konferenzbeitrag: 15. Dresdener Sensor-Symposium 2021. DOI: 10.5162/15dss2021/7.2.}

Da bei einigen Proben raue Oberflächen auftreten, wurde in zwei Veröffentlichungen außerdem der Einsatz von Signaldiversität zur Verringerung des Einflusses von Speckle-Effekten untersucht:

• M. Schewe and C. Rembe:
  Signal Diversity for Laser-Doppler Vibrometers with Raw-Signal Combination
  ^{In: Sensors 2021, 21(3), 998, DOI: 10.3390/s21030998.}
• M. Schewe and C. Rembe:
  Analyzing real-time capability of raw laser-Doppler vibrometer signal combination for signal diversity
  ^{In: Proc. SPIE 11782, Optical Measurement Systems for Industrial Inspection XII, 117820E (20 June 2021), DOI: 10.1117/12.2592048.}