Comprensione della vibrometria laser
Definizione: Che cos'è la vibrometria laser?
Vibrometria laser è una tecnica ottica senza contatto per la misurazione vibrazione velocità e spostamento Utilizzando l'effetto Doppler della luce laser riflessa dalle superfici vibranti. Un vibrometro laser Doppler (LDV) dirige un raggio laser verso il punto di misurazione e, con il movimento della superficie, la frequenza della luce riflessa varia proporzionalmente alla velocità superficiale. Rilevando questa variazione di frequenza per via interferometrica, l'LDV misura le vibrazioni senza alcun contatto fisico, carico di massa o preparazione della superficie al di fuori dell'accessibilità ottica.
La vibrometria laser consente misurazioni impossibili o poco pratiche con sensori a contatto: componenti rotanti, strutture leggere (dove la massa del sensore influenza i risultati), posizioni inaccessibili, superfici calde e rilievi spaziali rapidi su ampie aree. Sebbene costosi, i vibrometri laser sono strumenti di ricerca e risoluzione dei problemi inestimabili per applicazioni avanzate. analisi modale e applicazioni specializzate.
Principio di funzionamento
Effetto Doppler laser
- Emissione laser: Raggio laser coerente (tipicamente laser rosso He-Ne, 633 nm)
- Divisione del fascio: Diviso in raggio di misura (verso il bersaglio) e raggio di riferimento
- Riflessione: Il raggio di misura si riflette sulla superficie vibrante
- Spostamento Doppler: Frequenza della luce riflessa spostata dalla velocità superficiale
- Interferenza: Raggio riflesso ricombinato con il raggio di riferimento
- Rilevamento: Frequenza di battimento da interferenza = spostamento Doppler
- Demodulazione: Frequenza Doppler proporzionale alla velocità superficiale
Parametri misurati
- Primario: Velocità (direttamente dallo spostamento Doppler)
- Integrazione: Spostamento (velocità integrata)
- Differenziazione: Accelerazione (velocità differenziata)
- Gamma di frequenza: CC a 1,5 MHz (a seconda del modello)
- Gamma di ampiezza: da nm a mm (gamma dinamica estremamente ampia)
Vantaggi
Senza contatto
- Nessun effetto di carico di massa del sensore
- Ideale per strutture leggere
- Misura le superfici rotanti (lame, alberi)
- Nessun tempo di installazione o adesivo
Accessibilità
- Misura punti inaccessibili ai sensori di contatto
- Misurazione remota (a metri di distanza)
- Superfici calde, camere a vuoto, aree pericolose
- Attraverso finestre o porte ottiche
Risoluzione spaziale
- Scansiona rapidamente le superfici
- Centinaia di punti di misurazione in pochi minuti
- Forme di deflessione operative facilmente catturate
- Sistemi di vibrometria 3D disponibili
Ampia larghezza di banda
- Risposta CC (spostamento reale)
- A frequenze molto alte (possibili MHz)
- Un singolo strumento copre l'intera gamma
Limitazioni
Costo elevato
- Sistemi LDV: $20.000-200.000+
- Non conveniente per il monitoraggio di routine
- Giustificato per applicazioni e ricerche specializzate
Linea di vista richiesta
- Deve avere un percorso ottico verso il punto di misurazione
- Le ostruzioni impediscono la misurazione
- Apparecchiature chiuse problematiche
Requisiti di superficie
- Il bersaglio deve riflettere la luce laser
- Le superfici lucide potrebbero richiedere un trattamento (nastro retroriflettente, verniciatura a polvere)
- Materiali trasparenti difficili
Sensibilità ambientale
- Le correnti d'aria influenzano il raggio
- Polvere e nebbia d'olio diffondono la luce
- La vibrazione dell'LDV stessa influisce sulla misurazione
- I gradienti di temperatura causano lo spostamento del raggio
Applicazioni
Misurazione dei componenti rotanti
- Vibrazioni delle pale in turbine, ventilatori, compressori
- Frequenza e deflessione delle singole pale
- Vibrazione torsionale degli alberi
- Vibrazione dei denti degli ingranaggi
Test di strutture leggere
- Schede elettroniche, dispositivi MEMS
- Pannelli sottili e membrane
- Dove la massa del sensore influenzerebbe i risultati
Analisi modale
- Misurazioni della forma di deflessione operativa (ODS)
- Determinazione della forma modale
- Rilievi spaziali rapidi (centinaia di punti)
- Rappresentazione animata del movimento strutturale
Ambienti speciali
- Alta temperatura (da lontano)
- Camere a vuoto (attraverso le finestre)
- Camere bianche (nessuna contaminazione dai sensori)
- Aree pericolose (misurazione da distanza di sicurezza)
Tipi di vibrometri laser
LDV a punto singolo
- Misura una singola posizione alla volta
- Scansione manuale o motorizzata
- Il più comune ed economico
Scansione LDV
- Il sistema a specchio esegue rapidamente la scansione laser sulla superficie
- Misurazione sequenziale di molti punti
- Misurazioni ODS automatizzate
LDV 3D
- Tre raggi laser da diverse angolazioni
- Risolve la vibrazione nelle componenti X, Y, Z
- Caratterizzazione completa del movimento 3D
- Il più costoso
LDV rotazionale
- Specializzato per la misurazione di superfici rotanti
- Traccia un punto specifico durante la rotazione
- Misurazione delle vibrazioni torsionali
Migliori pratiche di misurazione
Impostare
- Montaggio rigido dell'LDV (treppiede o supporto)
- Allineamento perpendicolare alla superficie (misura il movimento verso/lontano da LDV)
- Distanza ottimale (tipicamente 0,3-5 metri)
- Ridurre al minimo i disturbi ambientali
Superficie bersaglio
- Superficie pulita e otticamente riflettente migliore
- Il nastro retroriflettente migliora il segnale sulle superfici difficili
- Evitare riflessi speculari (simili a specchi)
- Rivestimento superficiale leggero se necessario
Confronto con i sensori di contatto
| Caratteristica | Sensori di contatto | Vibrometria laser |
|---|---|---|
| Carico di massa | Può influenzare i risultati | Zero (senza contatto) |
| Installazione | Montaggio richiesto | Indica e misura |
| Superfici rotanti | Difficile/impossibile | Semplice |
| Costo | Basso ($100-5000) | Alto ($20k-200k+) |
| Monitoraggio di routine | Ideale | Non pratico |
| Ricerca/Speciale | Limitato | Eccellente |
La vibrometria laser offre capacità uniche di misurazione delle vibrazioni senza contatto, consentendo misurazioni impossibili con i tradizionali sensori a contatto. Sebbene costi e complessità ne limitino l'uso di routine, i vibrometri laser sono strumenti di ricerca e risoluzione dei problemi preziosi per l'analisi di componenti rotanti, i test su strutture leggere e i rilievi rapidi delle vibrazioni spaziali in applicazioni avanzate di diagnostica di macchinari e dinamica strutturale.
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