Lazerinės vibrometrijos supratimas
Lazerinė vibrometrija yra nekontaktinis optinis matavimo metodas vibracija greitis ir poslinkis pagal lazerio šviesos, atspindėtos nuo judančio paviršiaus, Doplerio poslinkį. Lazerinis Doplerio vibrometras (LDV) nukreipia spindulį į tiriamąjį objektą; paviršiui judant, atspindėtos šviesos dažnis pasikeičia tiksliai proporcingai paviršiaus greičiui. Prietaisas interferometriniu būdu nustato tą dažnio poslinkį ir paverčia jį atgal į greičio signalą – visa tai atliekama neliečiant objekto, nepridedant jam masės ir neparuošiant paviršiaus kitaip, nei tik padarant jį optiškai prieinamą.
Ši galimybė išvengti sąlyčio leidžia atlikti matavimus, kurie būtų sudėtingi arba tiesiog neįmanomi, jei prietaisas būtų pritvirtintas akselerometras: besisukantys komponentai, konstrukcijos, kurios yra tokios lengvos, kad pats jutiklio svoris iškreiptų rezultatus, giliai mašinų viduje paslėpti taškai, karšti paviršiai ir greiti matavimai, apimantys šimtus taškų ant didelio plokštės paviršiaus. LDV yra brangūs prietaisai, tačiau pažangiems modalinė analizė o specializuoto gedimų šalinimo srityje jiems nėra lygių.
1. Veikimo principas
Šis metodas grindžiamas optiniu Doplerio efektu – tuo pačiu poslinkiu, dėl kurio artėjančios sirenos garsas tampa aukštesnis, tik šiuo atveju jis taikomas šviesai ir matuojamas interferencijos būdu.
Lazerinė Doplerio grandinė
- Lazerio spinduliavimas: nuoseklusis spindulys, paprastai iš helio-neono lazerio, kurio bangos ilgis yra 633 nm (matoma raudona spalva).
- Pluošto skaidymas: spindulys suskaidomas į matavimo spindulį, nukreiptą į tikslą, ir vidinį etaloninį spindulį.
- Atspindys: matavimo spindulys atsimuša nuo vibruojančio paviršiaus.
- Doppler shift: atspindėtos šviesos dažnis pasikeičia dėl momentinio paviršiaus greičio.
- Interferencija: grįžtamasis spindulys vėl sujungiamas su etaloniniu spinduliu.
- Aptikimas: šios interferencijos sukuriamas dažnių skirtumas lygus Doplerio poslinkiui.
- Demoduliacija: Doplerio dažnis iššifruojamas į greitį, proporcingą paviršiaus judėjimui.
Ką jis matuoja
- Pagrindinis rodiklis — greitis, gautas tiesiogiai iš Doplerio poslinkio.
- Displacement, pateikė integrating the velocity.
- Acceleration, pateikė differentiating greitis — perskaičiavimas į pagreitis tai yra įprastas apdorojimo etapas.
- Dažnių diapazonas: nuo nuolatinės srovės iki maždaug 1,5 MHz, priklausomai nuo modelio — tai gerokai viršija daugumos kontaktinių jutiklių veikimo ribas.
- Amplitudės diapazonas: nuo nanometrų iki milimetrų – nepaprastai platus dinaminis diapazonas.
2. Privalumai
Visi privalumai kyla iš vieno fakto – niekas neliečia apdirbamojo ruošinio.
- Iš tiesų be kontakto: be masės apkrovos, idealiai tinka lengvoms konstrukcijoms, leidžia matuoti besisukančius paviršius, pavyzdžiui, mentis ir velenus, be to, nereikia laiko montavimui ar klijų.
- Prieinamumas: jis pasiekia vietas, į kurias kontaktinis jutiklis nepatenka – matuoja iš kelių metrų atstumo, per langus ar optinius angų, taip pat ant karštų paviršių, vakuuminių kamerų ar pavojingose zonose.
- Erdvinė skiriamoji geba: skenavimo sistema greitai nuskaito paviršių, per kelias minutes užfiksuodama šimtus taškų, todėl eksploatacinės deformacijos formos and full režimo formos lengvai įsisavinama; 3D sistemos išplečia šią galimybę iki visapusiško erdvės judėjimo.
- Platus dažnių juostos plotis: tikrasis nuolatinės srovės atsakas (tikrasis poslinkis) iki megahercų dažnių – visa tai viename prietaiso.
3. Limitations
Tačiau šios galimybės susijusios su realiais apribojimais, dėl kurių LDV lieka specializuota priemonė, o ne kasdienio naudojimo įrankis.
- High cost: Šių sistemų kaina svyruoja nuo maždaug 20 000 iki gerokai daugiau nei 200 000 dolerių, todėl jos netinka kasdieniam stebėjimui ir yra skirtos tik moksliniams tyrimams bei sudėtingų problemų sprendimui.
- Reikalingas tiesioginis matomumas: būtinas laisvas optinis kelias iki taikinio; kliūtys ir visiškai uždara įranga neleidžia taikyti šio metodo.
- Paviršiaus reikalavimai: tikslas turi tinkamai atspindėti lazerio spindulį. Veidrodinio blizgumo paviršiai gali trukdyti detektoriui ir gali prireikti atspindinti juosta arba padengti plonu miltelių sluoksniu, o skaidrios medžiagos yra sudėtingos.
- Jautrumas aplinkos veiksniams: oro srautai, dulkės ir alyvos garai išsklaido spindulį, temperatūros skirtumai verčia jį nukrypti, o bet koks paties LDV vibravimas iškreipia rodmenis – todėl būtinas tvirtas, izoliuotas tvirtinimas.
4. Paraiškos
Lazerinė vibrometrija pasiteisina ten, kur kontaktiniai jutikliai nepajėgia.
- Sukamieji komponentai: menčių vibracija turbinose, ventiliatoriuose ir kompresoriuose; atskirų menčių dažnis ir deformacija; torsinė vibracija velenų; ir krumplių dantų vibracija. Ji papildo specializuotas besisukančių mentelių technologijas, pavyzdžiui, mentės galo laiko nustatymas.
- Lengvosios konstrukcijos: elektroninės plokštės ir MEMS įrenginiai, plonos plokštės ir membranos – visur, kur montuojamas jutiklis masė pakeistų patį matuojamą judesį.
- Modalinė analizė: eksploatacinių deformacijų formų ir modalinių formų nustatymas, greitas šimtų taškų matavimas erdvėje bei animaciniai vaizdai, parodantys, kaip konstrukcija iš tikrųjų deformuojasi.
- Ypatingos aplinkos: aukštos temperatūros paviršiai, matuojami iš saugaus atstumo, vakuuminės kameros ir švariosios patalpos (jokio jutiklio užteršimo) bei nuotoliniu būdu tikrinamos pavojingos zonos.
5. Lazerinio vibrometro tipai
Ši produktų serija apima viską – nuo vienos fiksuotos sijos iki visiškai trimatės sistemos, derindama funkcionalumą ir kainą.
- Vieno taško LDV: matuoja po vieną vietą, nuskaitoma rankiniu būdu arba varikliu; labiausiai paplitęs ir ekonomiškiausias tipas.
- Scanning LDV: Valdomas veidrodis nukreipia spindulį per paviršių, paeiliui matuodamas daugybę taškų, kad būtų galima atlikti automatizuotą ODS darbą.
- 3D LDV: Trys spinduliai, nukreipti iš skirtingų kampų, išskaido judesį į X, Y ir Z komponentus, taip užtikrinant išsamų trimatį apibūdinimą – tai brangiausias variantas.
- Sukamasis LDV: skirta stebėti tašką ant besisukančio paviršiaus, skirta sukimosi vibracijų matavimui.
6. Geriausia matavimo praktika
Patikimi LDV duomenys priklauso tiek nuo nustatymų, tiek nuo prietaiso.
Nustatymas: tvirtai pritvirtinkite LDV prie trikojo arba stovo, nustatykite jį statmenai paviršiui, kad jis fiksuotų judesį tiesiai link jo ir nuo jo, dirbkite optimaliu atstumu (paprastai 0,3–5 m) ir sumažinkite oro srautus, rūką bei pašalinius virpesius spindulio kelyje.
Taikinys paviršius: švarus, difuziai atspindintis paviršius užtikrina geriausią signalą; atšvaitinė juosta padeda aptikti sunkiai pastebimus ar tamsius objektus; reikėtų vengti veidrodinio atspindžio, nes jis nukreipia atspindį nuo ašies; o ten, kur atspindžio savybės yra menkos, gali padėti plonas paviršiaus padengimas.
7. Palyginimas su kontaktiniais jutikliais
Palyginus su įprastais keitikliais, LDV pranašumas tampa akivaizdus: jis puikiai pasirodo būtent ten, kur kontaktiniai jutikliai susiduria su sunkumais, ir atvirkščiai.
| Funkcija | Kontaktiniai jutikliai | Lazerinė vibrometrija |
|---|---|---|
| Mass loading | Gali paveikti rezultatus | Nulis (bekontaktis) |
| Įrengimas | Reikalingas montavimas | Nukreipkite ir išmatuokite |
| Besisukantys paviršiai | Sunku arba neįmanoma | Paprasta |
| Kaina | Žema ($100–5 000) | Didelis (20 000–200 000 USD ir daugiau) |
| Įprastas stebėjimas | Idealus | Nepraktiška |
| Tyrimai / specialūs | Ribotas | Puiku |
Kalbant apie kasdienį balansavimą ir būklės stebėjimą, kontaktinis jutiklis vis dar pirmauja pagal kainą, patvarumą ir patogumą. Nešiojamas dviejų kanalų analizatorius, pavyzdžiui, Balanset-1A matuoja vibraciją naudojant patvarius, nebrangius akselerometrus, kurių charakteristikos yra žinomos jautrumas ir naudoja fazės atskaitą iš optinis tachometras atspindinčios juostelės matavimas – tai kur kas praktiškesnis būdas subalansuoti rotorių jo pačių guoliuose nei interferometrinio spindulio suderinimas veikiančioje gamykloje. Todėl lazerinė vibrometrija ir kontaktiniai matavimo prietaisai vienas kitą papildo: LDV tinka tyrimams laboratorijoje ir matavimams, kuriuos atlikti neįmanoma, o kontaktinis analizatorius – gamybos cechuose.
Lazerinė vibrometrija suteikia unikalią galimybę atlikti bekontakčius matavimus, leidžiančius nustatyti vibraciją, kurios tradiciniai jutikliai tiesiog negali užfiksuoti. Dėl didelių sąnaudų ir sudėtingumo ši technologija dažniausiai taikoma tik moksliniams tyrimams ir specializuotam gedimų šalinimui, tačiau besisukančių komponentų analizei, lengvųjų konstrukcijų bandymams ir greitiems erdviniams tyrimams ji išlieka nepakeičiama priemone pažangioje mašinų diagnostikoje ir konstrukcijų dinamikoje.
