Laser-Doppler-Vibrometrie an dynamischen Strukturen von Windenergieanlagen
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Benjamin Göhler
Benjamin Göhler erhielt sein Diplom in Mathematik 2007 von der Technischen Universität Karlsruhe (heute KIT). Im selben Jahr nahm er die Arbeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung „Optronik“ am Vorgänger des Fraunhofer IOSB auf. Dort arbeitet er in der Gruppe „Lasersensoren“. Sein Forschungsgebiet beinhaltet die theoretische Modellierung kohärent und direkt detektierender Lasersysteme, sowie die Signal- und Bildverarbeitung von Daten aus Feldmessungen.
Peter Lutzmann erhielt sein Diplom in Physik von der Universität Ulm 1985. Im selben Jahr begann er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in einem der Vorläuferinstitute des heutigen Fraunhofer IOSB in Tübingen. In der Abteilung „Optronik“ leitet er heute die Arbeitsgruppe „Lasersensoren“. Sein Forschungsgebiet umfasst Konzeption und Untersuchungen zur Anwendung von Laser-Radar-Systemen sowohl mit kohärenter als auch inkohärenter Detektionstechnik.
Clemens Scherer-Klöckling erhielt sein Diplom in Elektrotechnik 1998 von der Technischen Universität Karlsruhe (heute KIT). Im selben Jahr begann er bei „VIONA Development“ im Bereich Bild- und Bildfolgenkomprimierung an der Dekodierung, Skalierung und Darstellung zu arbeiten und speziell auf „embedded systems“ die damit verbundenen Limitierungen zu überwinden. In der Folge konnte er seine Arbeit bei „STMicroelectronics“ fortsetzen, bis zum Ende diesbezüglicher Arbeiten in Europa im Jahr 2005. Nach vier Jahren selbständiger Betätigung wurde er 2009 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Vorläuferinstitut des Fraunhofer IOSB in Ettlingen. In der Abteilung „Objekterkennung“ arbeitet er in der Gruppe „heterogene Hardwarestrukturen und Echtzeitsysteme“.
Simon Brunner erhielt sein Diplom in Sensorik von der Hochschule Karlsruhe 2008. Nach sechs Jahren einer Forschungstätigkeit im Bereich der elektrochemischen Gassensorik nahm er 2014 seine Arbeit am Fraunhofer IOSB auf. Dort ist er in der Abteilung „Optronik“ für die Arbeitsgruppe „Lasersensoren“ mit der Weiterentwicklung und Pflege der Hard- und Softwarekomponenten verschiedener Messsysteme betraut.
Dr. Ilja Kaufmann erhielt sein Diplom in Physik von der Universität Würzburg 1998, wo er 2009 zu bildgebenden Verfahren in der Biophysik promovierte. Seit 2006 arbeitet er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter in der Abteilung „Optronik“ des Fraunhofer IOSB bzw. dessen Vorläuferinstitut in Ettlingen. Sein Arbeitsschwerpunkt in der Gruppe „Optronische Sensorsysteme“ sind Anwendungen und Systemaspekte von passiven und aktiven optronischen Sensoren auf der Schnittstelle zwischen Sensorphysik und Datenverarbeitung.
Das Fraunhofer IOSB wurde 2010 durch Fusion der Vorläuferinstitute Fraunhofer IITB und Fraunhofer FOM, dem ehemaligen FGAN-FOM gegründet. Letzteres entstand im Jahr 2000 aus der Fusion von FGAN-FIM in Ettlingen mit dem FGAN-FfO aus Tübingen.
Zusammenfassung
Zahlreiche Fragestellungen bei Design, Errichtung und Betrieb von Windenergieanlagen erfordern Vibrationsmessungen, insbesondere auch an Rotorblättern unter Betriebsbedingungen. Verbaute Sensoren können diese Aufgabe nur punktuell, extern angebrachte nur mit großem Aufwand und eventueller Beeinflussung des Messobjektes erfüllen. Als anlagenunabhängiges, distantes Messverfahren soll hier eine Kombination aus Laser-Doppler-Vibrometer mit einem Trackingverfahren für die Verfolgung der Rotordrehung vorgestellt werden. Es erfordert eine Trennung der Effekte, die durch die makroskopische Bewegung des Rotors auftreten, von den zu messenden Vibrationsbewegungen. Neben dem Doppler-Effekt der schnellen Rotorbewegung werden dazu das Signalrauschen der zurückgestreuten kohärenten Laserstrahlung, sowie Bewegungsartefakte aufgrund des schrägen Blickwinkels erörtert. Erste Testmessungen konnten trotz dieser Herausforderungen die Anwendbarkeit der Methode demonstrieren.
Abstract
Numerous issues in the design, construction and operation of wind turbines require vibration measurements, especially on rotor blades under operating conditions. Built-in sensors can only perform this task selectively, externally mounted sensors only with great effort and possible influence on the object to be measured. A system-independent, distant measuring method will be presented here: the combination of a laser Doppler vibrometer with a method for tracking the rotation of the rotor. It requires a separation of the effects caused by the macroscopic movement of the rotor from the real vibration movements. One is the Doppler effect of the fast rotor movement, additionally, the signal noise of the backscattered coherent laser radiation and motion artifacts due to the oblique viewing angle are discussed. First test measurements demonstrated the applicability of the method despite these challenges.
Funding statement: Die Arbeiten wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages, Förderkennzeichen 0325287A.
Über die Autoren
Benjamin Göhler erhielt sein Diplom in Mathematik 2007 von der Technischen Universität Karlsruhe (heute KIT). Im selben Jahr nahm er die Arbeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung „Optronik“ am Vorgänger des Fraunhofer IOSB auf. Dort arbeitet er in der Gruppe „Lasersensoren“. Sein Forschungsgebiet beinhaltet die theoretische Modellierung kohärent und direkt detektierender Lasersysteme, sowie die Signal- und Bildverarbeitung von Daten aus Feldmessungen.
Peter Lutzmann erhielt sein Diplom in Physik von der Universität Ulm 1985. Im selben Jahr begann er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter in einem der Vorläuferinstitute des heutigen Fraunhofer IOSB in Tübingen. In der Abteilung „Optronik“ leitet er heute die Arbeitsgruppe „Lasersensoren“. Sein Forschungsgebiet umfasst Konzeption und Untersuchungen zur Anwendung von Laser-Radar-Systemen sowohl mit kohärenter als auch inkohärenter Detektionstechnik.
Clemens Scherer-Klöckling erhielt sein Diplom in Elektrotechnik 1998 von der Technischen Universität Karlsruhe (heute KIT). Im selben Jahr begann er bei „VIONA Development“ im Bereich Bild- und Bildfolgenkomprimierung an der Dekodierung, Skalierung und Darstellung zu arbeiten und speziell auf „embedded systems“ die damit verbundenen Limitierungen zu überwinden. In der Folge konnte er seine Arbeit bei „STMicroelectronics“ fortsetzen, bis zum Ende diesbezüglicher Arbeiten in Europa im Jahr 2005. Nach vier Jahren selbständiger Betätigung wurde er 2009 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Vorläuferinstitut des Fraunhofer IOSB in Ettlingen. In der Abteilung „Objekterkennung“ arbeitet er in der Gruppe „heterogene Hardwarestrukturen und Echtzeitsysteme“.
Simon Brunner erhielt sein Diplom in Sensorik von der Hochschule Karlsruhe 2008. Nach sechs Jahren einer Forschungstätigkeit im Bereich der elektrochemischen Gassensorik nahm er 2014 seine Arbeit am Fraunhofer IOSB auf. Dort ist er in der Abteilung „Optronik“ für die Arbeitsgruppe „Lasersensoren“ mit der Weiterentwicklung und Pflege der Hard- und Softwarekomponenten verschiedener Messsysteme betraut.
Dr. Ilja Kaufmann erhielt sein Diplom in Physik von der Universität Würzburg 1998, wo er 2009 zu bildgebenden Verfahren in der Biophysik promovierte. Seit 2006 arbeitet er als Wissenschaftlicher Mitarbeiter und Projektleiter in der Abteilung „Optronik“ des Fraunhofer IOSB bzw. dessen Vorläuferinstitut in Ettlingen. Sein Arbeitsschwerpunkt in der Gruppe „Optronische Sensorsysteme“ sind Anwendungen und Systemaspekte von passiven und aktiven optronischen Sensoren auf der Schnittstelle zwischen Sensorphysik und Datenverarbeitung.
Das Fraunhofer IOSB wurde 2010 durch Fusion der Vorläuferinstitute Fraunhofer IITB und Fraunhofer FOM, dem ehemaligen FGAN-FOM gegründet. Letzteres entstand im Jahr 2000 aus der Fusion von FGAN-FIM in Ettlingen mit dem FGAN-FfO aus Tübingen.
Danksagung
Die Autoren bedanken sich bei F. Willutzki für die technische Unterstützung bei der Durchführung der Messungen, bei F. van Putten für die Hilfe bei Auswahl, Zusammenstellung und Design der Vibrometer-Hardware, bei P. Fischer und seinen Kollegen vom Fraunhofer ICT in Pfinztal für die Zurverfügungstellung ihrer Windenergieanlage sowie Unterstützung und Organisation rund um die daran durchgeführten Messungen.
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© 2020 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
Artikel in diesem Heft
- Frontmatter
- Editorial
- Modern non-destructive testing
- Beiträge
- Ellipsometric inline inspection of dielectric substrates with nonplanar surfaces
- Laser-Doppler-Vibrometrie an dynamischen Strukturen von Windenergieanlagen
- Optical coherence tomography for non-destructive testing
- Heat flow thermography for non-destructive testing of composites and natural materials – An application-oriented overview
- Micromagnetic materials characterization using machine learning
- Application of the total focusing method for quantitative nondestructive testing of anisotropic welds with ultrasound
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- Optical coherence tomography for non-destructive testing
- Heat flow thermography for non-destructive testing of composites and natural materials – An application-oriented overview
- Micromagnetic materials characterization using machine learning
- Application of the total focusing method for quantitative nondestructive testing of anisotropic welds with ultrasound
