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Optische Schwingungsmessung Laservibrometrie: Mit Doppler-Effekt rückwirkungsfrei testen

| Autor / Redakteur: Martin Beck* / Sariana Kunze

Für Entwickler stellt das dynamische Verhalten von neuen Produkten oft eine Herausforderung dar. Um Dynamik und Akustik rückwirkungsfrei testen zu können, macht sich die Laservibrometrie den Doppler-Effekt zur optischen Schwingungsmessung zunutze.

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Zur differentiellen Schwingungsmessung bei Relativbewegungen oder für schwer zugängliche Bereiche kann das Vibroflex Fiber mit Faseroptik eingesetzt werden.
Zur differentiellen Schwingungsmessung bei Relativbewegungen oder für schwer zugängliche Bereiche kann das Vibroflex Fiber mit Faseroptik eingesetzt werden.
(Bild: Polytec)

Das Leben ist ohne Schwingungen nicht denkbar. Wenn sich Schwingungsquelle und -empfänger relativ zueinander bewegen, entsteht ein Doppler-Effekt. Dieser Effekt bezeichnet die Veränderung von Frequenz und Wellenlänge von Licht, die bei einer Relativbewegung zwischen Lichtquelle und Empfänger auftritt. Bei der Laservibrometrie ist dieser Effekt gleich zweimal zu beobachten, sowohl beim ausgesendeten Laserstrahl, der auf ein schwingendes Objekt trifft, als auch bei der rückgestreuten Laserwelle, die dann in einem Messgerät mit der ursprünglichen Welle (Referenzlicht) verglichen wird. Bekannt ist dieses Phänomen beispielsweise von einem vorbeifahrenden Einsatzwagen von Polizei oder Rettungsdienst.

Die Tonhöhe des Martinshorns verrät, mit welcher Geschwindigkeit sich das Fahrzeug nähert oder entfernt, denn die Änderung der Tonhöhe, sprich die Frequenzänderung der Schallwelle, ist direkt proportional zur Relativgeschwindigkeit von Schallquelle und Empfänger. Diese Frequenzverschiebung der Welle, auch Doppler-Frequenz genannt, macht sich nun die Laservibrometrie zunutze, um berührungslos Objekte auf Schwingung, Akustik und Dynamik zu untersuchen. Alles, was sich bewegt, rüttelt oder im Betrieb wummert und klackert, wird damit messbar.

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Mit Laservibrometrie wird alles messbar

Entwickler von neuen Technologien und Produkten stehen oftmals vor Herausforderungen hinsichtlich Schwingung, Dynamik oder Akustik. Denn das optimale dynamische Verhalten ist der Schlüssel für die Qualität, Funktionalität oder Langlebigkeit vieler technischer Systeme. Zur effizienten Charakterisierung des Schwingverhaltens werden deshalb in der industriellen Forschung und Entwicklung (F&E) Vibrometer zur Untersuchung unterschiedlichster Objekte eingesetzt. Die Größe spielt dabei ebenso wenig eine Rolle wie seine Oberflächenbeschaffenheit. Die Bandbreite reicht von Flugzeugteilen, Autokarosserien, Antriebssystemen über Feinmechanik, Medizin- und Ultraschalltechnik bis hin zu Mikrosystemen. Die Herausforderungen sind dabei vielseitig: Vibrometer meistern Messungen auf glühend heißen Objekten, prüfen die Qualität im Takt der Produktionslinie oder untersuchen kleinste, komplexe und filigrane Strukturen. Hierfür bietet Polytec mit Vibroflex ein Laservibrometersystem, das über wechselbare Long- oder Short-Range-Objektive, faseroptische Sonden sowie Kompaktmessköpfe mit integrierter HD-Kamera und Mikroskopobjektive mit Beleuchtung verfügt. Damit können Schwingungen auf Mikrosensoren genauso gemessen werden wie auf makroskopischen industriellen Prüflingen. Das Laservibrometer detektiert in einem Messsystem sowohl kleinste Schwingungsamplituden im Subpikometer-Bereich, als auch hochdynamische, transiente Prozesse mit bis zu 30 m/s schnellen Bewegungen. Die Frequenzbandbreite umfasst einen Bereich von quasi-statischen Zuständen bis hin zu Bewegungen mit 24 MHz Schwingfrequenz.

Störungsfrei: Messkopf bleibt unbeeinflusst

Kern des Schwingungsmesssystems ist das Front-End Vibroflex Connect – für das vier Vibroflex Laser-Messköpfe zur Verfügung stehen. Neben dem Geschwindigkeitssignal sind ein Weg- oder Beschleunigungsausgang und Optionen bei Frequenzbandbreite, Messbereichen und Filtern verfügbar. Diese erlauben die Anpassung an die messtechnischen Anforderungen des Anwenders. Ein Trackingfilter soll verlässliche Messergebnisse selbst unter herausfordernden Bedingungen wie an öligen, nassen, glänzenden oder dunklen Oberflächen gewährleisten. Mit dem großen 7“ Farb-Touchscreen kann das Gerät einfach und intuitiv bedient werden und alle Einstellungen sind übersichtlich dargestellt. Die Bedienung aus der Ferne von einem Computer, Tablet oder anderen Endgerät aus ist ebenso möglich und gibt dem Anwender Freiraum bei der Gestaltung des Messaufbaus, beispielsweise bei der Integration in Prüfstände, die während der Messung nicht mehr zugänglich sind. Für störungsfreie Messvorgänge bleibt der Messkopf dabei unbeeinflusst und unberührt. Mit der Vibrolink-Digitalschnittstelle werden Messdaten zur Analyse einfach und direkt voll-digital auf den Computer übertragen.

Messaufgaben von Nano bis Makro

Durch die Wahl des Messkopfs kann ein Anwender das Vibrometersystem an die jeweilige Messaufgabe anpassen: neben den universell einsetzbaren Labormessköpfen Vibroflex Neo und Vibroflex Xtra mit Autofokus, die auch bei größerem Messabstand eine gute Signalqualität bieten, sind die fasergekoppelten Messköpfe Vibroflex Compact und Vibroflex Fiber geeignet für beengte Verhältnisse und Spezialaufgaben, etwa die Messung der Relativbewegung zweier Punkte. Das modulare Vibrometersystem passt sich bei unterschiedlichen Messaufgaben an kleine bis große Prüflinge und die speziellen Anforderungen in F&E an sowie analysiert Schwingungen, Akustik und Dynamik laserpräzise und berührungsfrei.

* Martin Beck, Produktmarketing, Geschäftsbereich Optische Messsysteme, Polytec

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