Laservibrometrie verstehen
Definition: Was ist Laservibrometrie?
Laservibrometrie ist ein berührungsloses optisches Verfahren zur Messung Vibration Geschwindigkeit und Verschiebung nutzt die Dopplerverschiebung von Laserlicht, das von vibrierenden Oberflächen reflektiert wird. Ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) richtet einen Laserstrahl auf den Messpunkt. Bei Bewegung der Oberfläche verschiebt sich die Frequenz des reflektierten Lichts proportional zur Oberflächengeschwindigkeit. Durch die interferometrische Erfassung dieser Frequenzverschiebung misst das LDV Vibrationen ohne physischen Kontakt, Massenbelastung oder Oberflächenvorbereitung über die optische Zugänglichkeit hinaus.
Die Laservibrometrie ermöglicht Messungen, die mit Kontaktsensoren nicht möglich oder unpraktisch sind: rotierende Komponenten, Leichtbaustrukturen (wo die Sensormasse die Ergebnisse beeinflusst), unzugängliche Stellen, heiße Oberflächen und schnelle räumliche Vermessungen großer Flächen. Obwohl teuer, sind Laservibrometer unschätzbare Werkzeuge für die Forschung und Fehlersuche bei fortgeschrittenen Modalanalyse und Spezialanwendungen.
Funktionsprinzip
Laser-Doppler-Effekt
- Laseremission: Kohärenter Laserstrahl (typischerweise He-Ne-Rotlaser, 633 nm)
- Strahlteilung: Aufgeteilt in Messstrahl (zum Ziel) und Referenzstrahl
- Spiegelung: Messstrahl wird von vibrierender Oberfläche reflektiert
- Dopplerverschiebung: Durch die Oberflächengeschwindigkeit verschobene Frequenz des reflektierten Lichts
- Interferenz: Reflektierter Strahl wird mit Referenzstrahl rekombiniert
- Erkennung: Schwebungsfrequenz durch Interferenz = Dopplerverschiebung
- Demodulation: Dopplerfrequenz proportional zur Oberflächengeschwindigkeit
Gemessene Parameter
- Primär: Geschwindigkeit (direkt aus der Dopplerverschiebung)
- Integration: Verschiebung (integrierte Geschwindigkeit)
- Differenzierung: Beschleunigung (Geschwindigkeit differenzieren)
- Frequenzbereich: DC bis 1,5 MHz (je nach Modell)
- Amplitudenbereich: nm bis mm (extrem großer Dynamikbereich)
Vorteile
Berührungslos
- Keine Belastungseffekte der Sensormasse
- Ideal für Leichtbaukonstruktionen
- Misst rotierende Oberflächen (Schaufeln, Wellen)
- Keine Installationszeit oder Klebstoff
Zugänglichkeit
- Misst Punkte, die für Kontaktsensoren unzugänglich sind
- Fernmessung (Meter entfernt)
- Heiße Oberflächen, Vakuumkammern, Gefahrenbereiche
- Durch Fenster oder optische Anschlüsse
Räumliche Auflösung
- Schnelles Scannen von Oberflächen
- Hunderte von Messpunkten in Minuten
- Betriebsschwingformen einfach erfassen
- 3D-Vibrometriesysteme verfügbar
Große Bandbreite
- DC-Antwort (tatsächliche Verschiebung)
- Bis zu sehr hohen Frequenzen (MHz möglich)
- Ein einziges Instrument deckt den gesamten Bereich ab
Einschränkungen
Hohe Kosten
- LDV-Systeme: $20.000–200.000+
- Für die Routineüberwachung nicht kosteneffizient
- Begründet für spezialisierte Anwendungen und Forschung
Sichtverbindung erforderlich
- Optischer Pfad zum Messpunkt muss vorhanden sein
- Hindernisse verhindern die Messung
- Geschlossene Geräte problematisch
Oberflächenanforderungen
- Das Ziel muss das Laserlicht reflektieren
- Glänzende Oberflächen müssen ggf. behandelt werden (Reflexfolie, Pulverbeschichtung)
- Transparente Materialien schwierig
Umweltempfindlichkeit
- Luftströmungen beeinflussen den Strahl
- Staub, Ölnebel Streulicht
- Die Vibration des LDV selbst beeinflusst die Messung
- Temperaturgradienten verursachen Strahlwanderung
Anwendungen
Messung rotierender Komponenten
- Schaufelschwingungen in Turbinen, Ventilatoren, Kompressoren
- Individuelle Blattfrequenz und Auslenkung
- Torsionsschwingungen von Wellen
- Zahnradzahnvibration
Leichtbau-Strukturprüfung
- Elektronikplatinen, MEMS-Geräte
- Dünne Platten und Membranen
- Wo die Sensormasse die Ergebnisse beeinflussen würde
Modalanalyse
- Messungen der Betriebsschwingform (ODS)
- Bestimmung der Eigenform
- Schnelle räumliche Vermessungen (Hunderte von Punkten)
- Animierte Darstellungen struktureller Bewegungen
Besondere Umgebungen
- Hohe Temperatur (aus der Ferne)
- Vakuumkammern (durch Fenster)
- Reinräume (keine Kontamination durch Sensoren)
- Gefahrenbereiche (Messung aus sicherer Entfernung)
Arten von Laservibrometern
Einzelpunkt-LDV
- Misst jeweils einen einzelnen Standort
- Manuelles oder motorisiertes Scannen
- Am häufigsten und wirtschaftlichsten
LDV scannen
- Spiegelsystem scannt mit Laser schnell über die Oberfläche
- Sequentielle Messung vieler Punkte
- Automatisierte ODS-Messungen
3D-LDV
- Drei Laserstrahlen aus unterschiedlichen Winkeln
- Zerlegt Vibrationen in X-, Y- und Z-Komponenten
- Vollständige 3D-Bewegungscharakterisierung
- Am teuersten
Rotations-LDV
- Spezialisiert auf die Messung rotierender Oberflächen
- Verfolgt einen bestimmten Punkt bei der Drehung
- Torsionsschwingungsmessung
Best Practices für Messungen
Aufstellen
- Starre Montage des LDV (Stativ oder Ständer)
- Senkrechte Ausrichtung zur Oberfläche (Bewegung zum/vom LDV messen)
- Optimaler Abstand (typischerweise 0,3–5 Meter)
- Minimieren Sie Umweltstörungen
Zieloberfläche
- Saubere, optisch reflektierende Oberfläche am besten
- Retroreflektierendes Klebeband verstärkt das Signal auf schwierigen Oberflächen
- Vermeiden Sie spiegelnde (spiegelartige) Reflexionen
- Leichte Oberflächenbeschichtung bei Bedarf
Vergleich mit Kontaktsensoren
| Besonderheit | Kontaktsensoren | Laservibrometrie |
|---|---|---|
| Massenbeladung | Kann Ergebnisse beeinflussen | Null (berührungslos) |
| Einrichtung | Montage erforderlich | Punkt und Messung |
| Rotierende Oberflächen | Schwierig/unmöglich | Einfach |
| Kosten | Niedrig ($100-5000) | Hoch ($20k-200k+) |
| Routineüberwachung | Ideal | Nicht praktikabel |
| Forschung/Spezial | Beschränkt | Exzellent |
Die Laservibrometrie bietet einzigartige Möglichkeiten zur berührungslosen Schwingungsmessung und ermöglicht Messungen, die mit herkömmlichen Kontaktsensoren nicht möglich sind. Kosten und Komplexität schränken den routinemäßigen Einsatz zwar ein, Laservibrometer sind jedoch unschätzbar wertvolle Forschungs- und Spezialwerkzeuge zur Fehlersuche bei der Analyse rotierender Komponenten, der Prüfung von Leichtbaustrukturen und schnellen räumlichen Schwingungsmessungen in der fortgeschrittenen Maschinendiagnose und Strukturdynamik.
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