Die Laser-Doppler-Vibrometrie ist derzeit das Verfahren mit der höchsten Auflösung von Wegen und Geschwindigkeiten und wird in vielen Bereichen der Grundlagenwissenschaften eingesetzt. Es ermöglicht Auflösungen von Femtometer-Amplituden und ist linear und damit amplitudentreu bis in den Bereich von sehr hohen Frequenzen – derzeit über 1 GHz. Diese Eigenschaften sind unabhängig vom Messabstand, so dass dieses Prinzip sowohl mikroskopisch als auch über sehr weite Distanzen eingesetzt wird. Licht als Sensor beeinflusst das Messobjekt nicht, ist also rückwirkungsfrei, und erlaubt deshalb Messungen auf kleinsten und leichtesten Strukturen. Wegen seiner derzeit unschlagbaren Eigenschaften hat Polytec das Verfahren robust und für Labor und Aussenbereich einsatzfähig gemacht.
Wird die Welle von einem bewegten Objekt reflektiert und einem Messsystem detektiert (wie es im LDV der Fall ist) beträgt die gemessene Frequenzverschiebung der Welle:
fD = 2· v/λ
mit v gleich der Geschwindigkeit des Objektes und λ der Wellenlänge der ursprünglichen Welle. Damit Sie im Umkehrschluss die Geschwindigkeit eines Objektes bestimmen können, messen Sie bei bekannter Wellenlänge die (Doppler-) Frequenzverschiebung. Dies erreichen Sie mit Hilfe eines Interferometers im LDV.
Die Basis der Laser-Doppler-Vibrometer bildet das Prinzip der optischen Interferenz, dessen Kernaussage darin besteht, dass bei der Überlagerung zweier zeitlich kohärenter Licht-Strahlen mit den Einzelintensitäten I1 und I2 die Gesamtintensität beider Strahlen nicht einfach gleich der Summe der Einzelintensitäten ist, sondern nach der Formel:
Itot = I1 + I2 + 2 √(I1 I2) cos [2π(r1 - r2)/λ]
mit einen sog. Interferenzterm moduliert ist. Dieser Interferenzterm bedeutet, dass bei einer Wegdifferenz zwischen beiden Strahlen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des Lichtes entspricht, die Gesamtintensität das Vierfache einer Einzelintensität beträgt.
Wie nun diese physikalische Gesetzmäßigkeit im LDV technisch ausgenutzt wird, zeigt Ihnen die obere Abbildung.
Der Strahl eines Lasers wird von einem Strahlteiler (BS 1) in einen Referenz- und einen Messstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl passiert den zweiten Strahlteiler (BS 2), wird auf das Messobjekt fokussiert und von dort reflektiert. Dieser reflektierte Strahl wird von BS 2 nun (im Bild) nach unten abgelenkt und mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor überlagert.
Da der optische Weg des Referenzstrahls (mit Ausnahme vernachlässigbarer thermischer Effekte auf das Interferometer) zeitlich konstant ist (r2 = const.), erzeugt eine Bewegung des Messobjektes (r1 = r(t)) ein für die Interferometrie typisches Hell-Dunkel-Muster auf dem Detektor. Ein kompletter Hell-Dunkel-Zyklus auf dem Detektor entspricht dabei einer Verschiebung des Objektes von genau einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Im Falle des häufig für Vibrometer verwendeten Helium-Neon-Lasers entspricht dies einem Weg von 316 nm.
Die Änderung der optischen Weglänge pro Zeiteinheit manifestiert sich als Dopplerfrequenzverschiebung des Messstrahls. Messtechnisch wird die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters bestimmt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Messobjektes ist. Da eine Objekt-Bewegung vom Interferometer weg gleiche Modulationsmuster (und -frequenzen) hervorruft wie eine Objekt-Bewegung auf das Interferometer zu, kann mit diesem Aufbau allein noch nicht die Richtung des Objektes eindeutig erkannt werden. Zu diesem Zweck wird in den Referenzstrahl ein akusto-optischer Modulator (Bragg-Zelle) eingesetzt, der eine Verschiebung der Licht-Frequenz um typisch 40 MHz bewirkt (zum Vergleich: das Laser-Licht besitzt eine Frequenz von 4,74 · 1014 Hz). Hierdurch wird eine Modulationsfrequenz des Interferenzmusters von typ. 40 MHz erzeugt, die einen Stillstand des Messobjekts anzeigt. Bewegt sich das Objekt auf das Interferometer zu, wird diese Modulationsfrequenz vergrößert, bewegt es sich hingegen vom Vibrometer weg, sieht der Detektor eine Frequenz, die kleiner als 40 MHz ist. Dadurch ist es möglich, nicht nur die Weglänge, sondern auch die Bewegungsrichtung eindeutig zu bestimmen.
Prinzipiell ist es möglich, mit dem LDV nicht nur Geschwindigkeiten, sondern auch direkt Wege zu messen. In diesem Fall wird nicht die Doppler-Frequenz in eine Geschwindigkeitsproportionale Spannung umgewandelt, sondern die Hell-Dunkelübergänge auf dem Detektor gezählt. Durch geeignete Interpolationstechnik erreichen Polytecs Vibrometer so eine Auflösung von 2 nm, bei digitaler Demodulationstechnik sogar bis in den Bereichen von pm. Bei niedrigen Frequenzen (im sub-HZ-Bereich) sollten Sie eher auf die Weg-, bei höheren Frequenzen eher auf die Geschwindigkeits-Demodulation zurückgreifen, da für die maximalen Amplituden harmonischer Schwingungen gilt:
v = 2π • f • s
Mit zunehmender Frequenz erzeugt eine Schwingung eine relativ große Geschwindigkeit bei schon sehr niedriger Weg-Amplitude.
Stroboskopische Videomikroskopie
Die stroboskopische Videomikroskopie (SVM) nutzt die Tatsache, dass hochfrequente Schwingungen in der Bauteilebene auch mit normalen Videokameras visualisiert werden können, indem schnelle Bewegungen mit Hilfe von kurzen Lichtblitzen visuell eingefroren werden.
Das zeitliche Auflösungsvermögen des Systems wird durch die Pulsbreite des LED-Stroboskopblitzes bestimmt, da die Kamera nicht schnell genug ist, um sehr kurze Ereignisse scharf aufzunehmen. Wenn das Stroboskoplicht ausgeschaltet ist, kann der CCD-Sensor kein Bild aufnehmen. Daher wird nur während ausgewählter Bewegungsphasen, in denen das Blitzlicht eingeschaltet ist, Licht erfasst, und es können Ereignisse über einen Zeitraum aufgezeichnet werden, der kürzer ist als die kürzestmögliche Belichtungszeit der Kamera. Das Anregungssignal, das die Probe in Schwingung versetzt, die LED-Stroboskopblitze und die Kamerabelichtungszeit müssen zeitlich exakt aufeinander abgestimmt sein.
Kombination mit der Laser-Doppler-Vibrometrie
Mit einem kombinierten System aus SPV und LDV identifizieren Sie die mechanischen Resonanzen von Strukturen, die sich in allen drei Raumrichtungen bewegen.
Der Laserstrahl eines Laser-Doppler-Vibrometers und das Stroboskop-Licht werden über Strahlteiler-Einheiten in den Strahlengang der integrierten Mikroskop-Optik eingekoppelt. Der Computer steuert in Verbindung mit den Signalgenerator und dem Vibrometer Controller die Bewegung des Laserstrahls (scannendes LDV), die stroboskopische Beleuchtung, die Verarbeitung der interferometrischen Signale, des Kamerabilds und ggf. auch die Anregung der Probe. Die Auswertung und bildhafte Darstellung der Messungen erfolgt schließlich über die leistungsfähige System-Software.
Einen besonderen Stellenwert besitzt das Kombiverfahren bei der Charakterisierung von mikromechanischen Bauteilen (MEMS).
Einpunkt-Vibrometer messen die Schwingungen eines Objektes in Richtung des Laserstrahls. Ist das System senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet, so wird auch der Begriff "Out-of-Plane"-Vibrometer verwendet. Dieser allgemeine Fall eines LDV Sensors findet sich in mikroskopischen Anwendungen als auch in Messungen über große Distanzen wieder. Einpunkt-Sensoren liefern Amplituden und Übertragungsfunktionen. Durch Kombination von Einpunkt-Sensoren zu Multipoint-Vibrometers lassen sich auch Betriebsschwingformen berührungslos messen. Für stationäre Vorgänge werden scannende Verfahren eingesetzt (siehe separaten Abschnitt).
Differentielle Vibrometrie beschreibt die Schwingungsmessung an zwei Punkten, die relativ zueinander schwingen. Zwei Verfahren sind gebräuchlich:
Die Differenz wird direkt im optischen Pfad gebildet (der Referenzstrahl des Interferometers wird auf das Objekt geleitet). Der Vorteil ist eine absolute Phasentreue bei der Differenzbildung – deshalb eignet sich dieses Verfahren für hohe Frequenzen.
Die Differenz wird elektronisch mit 2 unabhängigen Interferometern gebildet. Dieses Verfahren ist flexibler im Aufbau.
Die In-Plane Vibrometrie beschreibt die Messung von Schwingungen und Bewegungen senkrecht zur Messachse. Berührungslos detektiert die In-Plane-Vibrometrie z. B. Hubbewegungen von Kolben, Ventilschäften oder Werkzeuge und wird für hochdynamische Dehnungsmessungen eingesetzt.
Rotatorische Verfahren bezeichnen die Messung von Winkelgeschwindigkeit und Schwingwinkel von Drehschwingungen an beliebig geformten rotierenden Strukturen. So werden die Rotationsdynamik beispielsweise an Antriebssträngen, Gasturbinen, elektrischen Generatoren, Druckern und Kopierern analysiert.
Mikroskopische Vibrometrie beschreibt die Schwingungsmessung an kleinen Bauteilen und Mikrosystemen mithilfe von Mikroskop-Optiken sowie, bei scannenden Verfahren, die kombinierte Anwendung der vollflächigen oder auch scannenden Laser-Doppler-Vibrometrie zusammen mit der stroboskopischen Videomikroskopie.
Scannende Vibrometrie beschreibt die Messung von Schwingungen, wobei der Laserstrahl die Oberfläche des Messobjekts anhand einer Reihe von Einzelpunktmessungen sequentiell abscannt. Das Ergebnis sind Übertragungsfunktionen für jeden Messpunkt. Im Frequenzbereich werden diese als Betriebsschwingform dargestellt. Im Zeitbereich kann der flächenhafte simultane Bewegungsablauf der untersuchten Struktur animiert werden.
Sind Schwingformen von zeitlich veränderlichen oder transienten Vorgängen zu erfassen, eignet sich die Multipoint Vibrometrie ideal dazu. Im Gegensatz zu scannenden Verfahren werden die Messdaten zeitsynchron an allen Kanälen gleichzeitig erfasst. Das Multisensorkonzept ermöglicht es, Schwingungen flächenhaft im Zeit- und Frequenzbereich zu analysieren.
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