Traditionell arbeitet man bei der Schwingungsmessung mit mechanisch gekoppelten Sensoren. Der allgemein anhaltende Trend zur Miniaturisierung stellt ganz neue Anforderungen an die Messsysteme, die die Bewegung der Messobjekte in einem breiten Frequenzbereich und Sub-Nanometerauflösung erfassen sollen. Hier kommen Laser interferometrische Vibrometer zum Einsatz, die berührungslose und rückwirkungsfreie Messungen an makroskopischen und mikroskopischen Messobjekten bei Messfrequenzen von 0 bis zu 5 MHz und Auflösungen im Sub-Nanometer Bereich ermöglichen. Diese Systeme eignen sich hervorragend auch für Anwendungen, bei denen die Schwingungsanalyse an schwerzugänglichen Messobjekten notwendig ist.
Das Konzept des Laser interferometrischen Vibrometers basiert auf der Basis eines Michelson-Interferometers, bei dem ein kohärenter Lichtstrahls in zwei optische Teilstrahlen, einen Referenz- und einen Messstrahl, geteilt wird. Der Referenzstrahl hat eine feste Länge. Der Messstrahl wird auf die Messoberfläche fokussiert; seine Länge ändert sich durch die Bewegung des Messobjektes. Nach der Reflexion des Messstrahls am Messobjekt interferieren beide zurückkommenden Teilstrahlen. Ihre Phasendifferenz ist proportional zur Verschiebung des Messobjektes und stellt hiermit die Messgröße dar. Diese Messung ist auch auf internationale Längennormale rückführbar, da die Laserfrequenz als Längenmassstab dient.
Laser interferometrische Vibrometer sind Interferometer, die hinsichtlich der Messung an optisch rauen Oberflächen optimiert wurden. Als wesentlichstes Unterscheidungsmerkmal zu Längen messenden Interferometern besitzen sie eine Optik, die den Messstrahl auf den Messort fokussiert. Durch Reflexion an einer optisch rauen Oberfläche entsteht ein Speckle – Muster. Der konstruktive Aufbau des Sensorkopfes gewährleistet auch beim Auftreten eines solchen Speckle – Musters ein gutes Signal – Rausch Verhältnis. Durch die Fokussierung des Messstrahls ist der Messbereich allerdings in Abhängigkeit von der Reflexionsfähigkeit der Oberfläche auf einige mm eingeschränkt. Dies ist bei der Schwingungsmessung jedoch meist nicht störend, weil die zu erfassenden Schwingungsamplituden in der Regel kleiner sind. In dem zur Verfügung stehenden Messbereich sind auch normale Wegmessungen möglich.
Helium-Neon-Laser kommen als Lichtquelle bei der Längen- und Schwingungsmessung aufgrund ihrer für die Messtechnik entscheidenden Eigenschaften wie Kohärenz und Frequenzstabilität zu Einsatz. Um den Messkopf relativ klein und frei von thermischen Abstrahlungen des Lasers zu halten, wird dieser bei den Vibrometern der Serie LSV über Lichtwellenleiter gekoppelt. Zur Vereinfachung des Abgleichs und Verbesserung der Performance kann der Referenzspiegel im Sensorkopf moduliert werden. Neu bei der Serie LSV ist der Einsatz eines Zoomobjektives zur Fokussierung des Messstrahls anstelle einer bisher üblichen Linse mit fester Brennweite. Dadurch ist der Abstand zwischen Messkopf und Messstelle zwischen 24 cm und 2,5 m frei wählbar. Dies gestattet eine große Flexibilität beim Messaufbau und eine Verwendung des Messgerätes für verschiedene Anwendungen.
Der He-Ne- Laser und die Elektronik für Verarbeitung der Interferometersignale vom Messkopf sind in einer 19 Zoll – Auswerteeinheit untergebracht. Die Verarbeitung der Signale sowie die Ansteuerung des Referenzspiegels und der variablen Eingangsverstärker übernehmen mehrere Mikroprozessoren und sehr schnelle programmierbare Logikschaltkreise. Die Auswerteeinheit ist modular aufgebaut, dadurch kann das Messsystem an eine Anwendung durch Aufstockung mit unterschiedlichen Signalverarbeitungskarten flexibel angepasst werden. Es ist möglich die Auswertung von zwei Sensorköpfe der Serie LSV in einem 19 Zoll – Gerät unterzubringen.
Die Datenaufnahme kann mit externen Ereignissen synchronisiert werden. Das wird durch einen Triggereingang mit extrem kleiner Verzögerungszeit realisiert. Dies gestattet auch die Messung der Phasengänge eines Objektes bei einer bekannten Anregung.
Je nach Einsatzzweck kann die Auswerteeinheit mit unterschiedlichen Interfacekarten ausgestattet werden:
Auch wenn sich das Laser interferometrische Vibrometer der Serie LSV aufgrund der verschiedenen verfügbaren Schnittstellen in fast jedes Messsystem einbinden lässt, erfolgt erfahrungsgemäß in einem überwiegenden Teil der Anwendungen der autonome Betrieb mit einer PC-Software. Die InfasVIBRO Software bedient das Vibrometer über die USB- oder RS232-Schnittstelle oder über eine DIO Karte von National Instruments (PCI-6534) im Zusammenspiel mit der Hochgeschwindigkeitsparallelschnittstelle des Vibrometers. Die Software erlaubt das Anzeigen, Speichern und Vorverarbeiten der Schwingungssignale. Durch die Aufzeichnung der Rohsignale können die Messungen ohne Einschränkung auch offline analysiert werden. Ein konfigurierbarer Export in ASCII-Daten erlaubt die Weiterverarbeitung sowohl der Roh- als auch von vorverarbeiteten Signalen. Zur Integration in eigene Anwendungen ist InfasVIBRO über TCP-IP durch ein einfaches Protokoll ansteuerbar. Komplexere Messabläufe können durch die eingebaute einfache Skriptsprache automatisiert werden. Dabei ist auch eine Ansteuerung von einigen XY-Tischen und nahezu allen Frequenzgeneratoren mit entsprechender Schnittstelle möglich.
Anwendungen für laserinterferomertrische Vibrometer der Serie LSV gibt es in allen Bereichen, in denen mechanische Schwingungen berührungslos analysiert und gemessen werden müssen. Wesentliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Schwingungsmessung sind die berührungslose und somit rückwirkungsfreie Arbeitsweise, der große Messbereich bei einer Wegauflösung von weniger als einem Nanometer im Zeitbereich, der durch die FFT im Frequenzbereich noch weiter auf unter 5 Pikometer gesteigert wird, und natürlich der Frequenzbereich von 0 Hz bis derzeit max. 5 MHz. Auch die Ermittlung von Schwingungsspektren, die Bestimmung von Eigenfrequenzen und Schwingungsformen ist möglich. Mit Hilfe von Mehrfachsystemen können Mehrkoordinatenmessungen ebenso wie Differenzmessungen durchgeführt werden.
Eine vakuumtaugliche Sonderausführung des Vibrometers der Serie LSV ist möglich, aber technisch sehr aufwendig. Oftmals ist es aber möglich, das Messobjekt durch ein Fenster der Vakuumkammer zu sehen und so die Messung durch das Fenster hindurch mit außen platziertem Messkopf durchzuführen. So ist sehr einfach eine Messung von in Vakuum liegenden Messobjekten möglich.
Das Laser interferometrische Vibrometer ist ein wertvolles Werkzeug für alle Anwendungen, bei denen eine genaue und berührungslose Messung der Objektbewegung erforderlich ist. Durch die berührungslose Arbeitweise bieten sich die Möglichkeiten der schnellen Analyse der Objekte an unterschiedlichen Positionen ohne eine mechanische Beeinflussung durch den Sensor. Das System zeichnet sich durch hohe Präzision, hohe Auflösung und einen sehr breiten Frequenzbereich aus. Der durch das Zoomobjektiv flexible Messbereich, die vielfältigen Interfaces der Auswerteelektronik sowie die umfangreiche Softwareunterstützung machen die Vibrometer der Serie LSV zu einem wichtigen Messmittel in der Produktion, der Qualitätssicherung sowie Forschung und Entwicklung.
In diesem Webinar erhalten Sie theoretische und praktische Informationen zur Vibrometrie.
variabler Arbeitsabstand von 240 mm bis 2500 mm
hochauflösende Schwingungsmessung mit festem Arbeitsabstand bis 5 MHz
hochauflösende Schwingungsmessung mit Wechsellinsenvorsatz
Software zur Schwingungsmessung
FFT-Analyse
Datenfilterung
Spectrenmittelung
Scriptsteuerung