La vibrométrie laser Doppler est actuellement le procédé disposant de la plus haute résolution de déplacement et de vitesse, elle est utilisée dans de nombreux domaines des sciences fondamentales. Elle permet d'obtenir une résolution de l'amplitude du fentomètre, linéaire, fiable, jusqu'à des fréquences très hautes, actuellement supérieures à 1 GHz. Ces propriétés sont indépendantes de la distance de mesure, ce principe est utilisé aussi bien sur de petites distances que sur de très longues distances. Le laser utilisé comme capteur de mesure n'a aucune incidence sur l'objet mesuré, elle ne présente donc aucune rétroaction, ce qui permet d'effectuer des mesures sur les structures les plus petites et les plus légères. Grâce aux propriétés jusque-là inégalées, Polytec a su parfaitement adapter le procédé aux laboratoires et aux environnements extérieurs.
Si l'onde émise par une structure en mouvement est détectée par le système de mesure (comme cela est le cas pour LDV), la fréquence mesurée (déplacement) est caractérisée par la formule suivante :
fD = 2· v/λ
La valeur v représente la vitesse et λ la longueur de l'onde émise. Afin de déterminer la vitesse des vibrations émises par la structure, le déplacement de la fréquence doit être mesuré à une longueur d'onde connue. La mesure peut notamment être réalisée avec le LDV basé sur la technologie d'interférométrie laser.
Le vibromètre laser a effet Doppler est basé sur le principe de l'interférence. Il intègre deux faisceaux lumineux, dont les intensités respectives sont I1 et I2. L'intensité résultante n'est pas seulement la somme des deux intensités, mais elle est modulée selon la formule:
Itot = I1 + I2 + 2 √(I1 I2) cos [2π(r1 - r2)/λ]
avec ce qu'on appelle un terme d'interférence. Ce terme d'interférence se rapporte à la différence de longueur de trajet entre les deux faisceaux. Si cette différence est un multiple de nombre entier de la longueur d'onde de laser, l'intensité globale est quatre fois plus intense. Et l'intensité sera égale à zéro si les deux faisceaux ont une différence de longueur de trajet de moitié d'une longueur d'onde.
La figure ci-dessus indique comment se comporte l'interféromètre laser avec la solution LDV (Laser Doppler Vibrometry).Le faisceau laser hélium-néon est dédoublé par un beamsplitter (BS 1) dans un faisceau de référence et un faisceau de mesure. A l'aide d'un deuxième beamsplitter (BS 2), les faisceaux de mesure sont focalisés sur l'objet à caractériser, qui le reflète. Ce faisceau reflété est maintenant braqué vers le bas par les BS 2 (voir le chiffre), est alors fusionné avec le faisceau de référence par le troisième séparateur de faisceau (les BS 3) et sont alors dirigés sur le détecteur.
Car la longueur de trajet du faisceau de référence est constante au fil du temps (excepté des effets thermiques négligeables sur l'interféromètre) (r2 = const.), un mouvement de l'objet à l'étude (r1 = r (t)) produit d'un modèle foncé et lumineux (de frange) typique de l'interférométrie sur le détecteur. Un cycle complet de darkbright sur le détecteur correspond à un déplacement d'objet exactement de la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Dans le cas du laser hélium-néon utilisé presque exclusivement pour des vibromètres, ceci correspond à un déplacement de 316 nanomètre !
Le changement de la longueur de trajet optique par unité de temps se manifeste comme déplacement Doppler-Fizeau Du faisceau de mesure. Ceci signifie que la fréquence de modulation du modèle d'interféromètre déterminé est directement proportionnelle à la vitesse de l'objet. Pendant que le mouvement d'objet à partir de l'interféromètre produit du même modèle d'interférence (et du déplacement de fréquence) que le mouvement d'objet vers l'interféromètre, cette installation ne peut pas déterminer la direction que l'objet se déplace dedans. À cet effet, un modulateur acousto-optique (cellule de Bragg) est placé dans le faisceau de référence, qui décale la fréquence légère par 40 mégahertz (par comparaison, la fréquence de la lumière laser est 4,74 · 1014 hertz). Ceci produit d'une fréquence de modulation du modèle de frange de 40 mégahertz quand l'objet est au repos. Si l'objet se déplace alors vers l'interféromètre, cette fréquence de modulation est réduite et si elle s'éloigne du vibromètre, le détecteur reçoit des que 40 mégahertz une fréquence plus élevés. Ceci signifie qu'il est maintenant possible non seulement de détecter l'amplitude de mouvement mais de définir également clairement la direction du mouvement.
En principe, le LDV permet de mesurer à la fois des vitesses et des déplacements. Dans ce cas, la fréquence Doppler n'est pas convertie en une tension proportionnelle à la vitesse, au lieu de cela le LDV compte les franges lumineux-foncées sur le détecteur. Utilisant des techniques appropriées d'interpolation, les vibromètres de Polytec atteignent une résolution de 2 nanomètre, et avec des techniques numériques de démodulation même vers le bas à la gamme de P.M. ! La démodulation de déplacement approprié mieux aux mesures basses fréquences et la démodulation de vitesse est meilleure pour de plus hautes fréquences, parce que les amplitudes maximum de vibrations harmoniques peuvent être exprimées comme suit :
v = 2π • f • s
À mesure que sa fréquence augmente, une certaine vibration produit des vitesses plus élevées aux amplitudes inférieures de déplacement.
Vidéo-microscopie stroboscopique
La vidéo-microscopie stroboscopique (SVM) utilise le fait que des vibrations à haute fréquence, au niveau des composants peuvent également être visualisées avec des caméras vidéo classiques, en figeant visuellement des mouvements rapides à l'aide de petits flashs.
La capacité de résolution temporelle du système est déterminée par la largeur d'impulsion du flash stroboscopique du LED, la caméra n'étant pas suffisamment rapide pour enregistrer avec précision des événements très courts. Lorsque la lumière stroboscopique est éteinte, le capteur CCD ne peut enregistrer aucune image. La lumière est donc détectée uniquement au cours de phases de mouvement sélectionnées, où la lumière du flash est allumée et des évènements peuvent être enregistrés sur une période, inférieure au temps d'exposition le plus court possible de la caméra. Le signal d'excitation faisant vibrer l'échantillon, les flashs stroboscopiques du LED et le temps d'exposition de la caméra doivent être synchronisés temporellement, avec précision. L'image suivante illustre le chronogramme de synchronisation du logiciel PMA, par un exemple d'enregistrement de deux caméras, lors de différentes phases de stimulation périodique d'échantillon.
Combinaison avec la vibrométrie laser doppler
Un système combiné SPV/LDV vous permet d'identifier les résonances mécaniques de structures se déplaçant dans trois axes de direction.
Le faisceau laser d'un vibromètre laser doppler et la lumière stroboscopique sont couplés par des unités de séparation de faisceau dans le trajet optique du microscope intégré. L'ordinateur contrôle avec le générateur de signal et le dispositif de contrôle du vibromètre le mouvement du faisceau laser (LDV numérisé), l'éclairage stroboscopique, le traitement des signaux interférométriques de l'image de la caméra et le cas échéant l'excitation de l'échantillon également. L'analyse et la représentation imagée des mesures s'effectuent ensuite via le logiciel système efficace.
Le procédé combiné dispose d'une valeur importante lors de la caractérisation d'éléments micro mécaniques (MEMS).
Les vibromètres monopoint mesurent les vibrations d'un objet dans le sens du faisceau laser. Si le système est perpendiculaire à la surface, le terme vibromètre « hors plan » est également utilisé. Ce cas général d'un capteur LDV se retrouve dans des applications microscopiques et également dans des mesures à grandes distances. Les capteurs en un point fournissent des amplitudes et des fonctions de transfert. La combinaison de capteurs en un point et de vibromètres multipoints permet également de mesurer sans contact des déformées opérationnelles. Des procédés à balayage sont utilisés pour des opérations stationnaires (voir section distincte).
La vibrométrie différentielle décrit la mesure des vibrations en deux points oscillant l'un par rapport à l'autre. Deux procédés sont couramment utilisés :
La différence est représentée directement dans la trajectoire optique (le faisceau de référence de l'interféromètre est dirigé sur l'objet). L'absence de déphasage absolu constitue un avantage lors de la formation de différence, c'est pourquoi ce procédé est adapté pour les hautes fréquences.
La différence est représentée de manière optique à l'aide de 2 interféromètres indépendants. Ce procédé est plus flexible en montage.
La vibrométrie dans le plan décrit la mesure de vibrations et de déplacements perpendiculairement à un axe de mesure. La vibrométrie dans le plan détecte sans contact, par exemple des mouvements de levage de pistons, de tiges de soupape ou d'outils, elle est utilisée pour des mesures de déformation extrêmement dynamiques.
Les procédés rotationnels désignent la mesure de vitesse angulaire et d'angle vibratoire de rotation, sur toute structure rotative. La dynamique de rotation, par exemple sur des lignes motrices, des turbines à gaz, des générateurs électriques, des imprimantes et des photocopieurs est ainsi analysée.
La vibrométrie sous microscope décrit la mesure de vibrations sur de petits composants et micro systèmes. A l'aide d'optiques de microscope et, pour des procédés de balayage, l'utilisation combinée de la vibrométrie laser de surface ou de balayage avec la vidéo-microscopie stroboscopique.
La vibrométrie à balayage décrit la mesure de vibrations, où le faisceau laser explore par balayage, de manière séquentielle la surface de l'objet de mesure. La mesure à balayage est faite à l'aide d'une série de mesures de points individuels. Il en résulte des fonctions de transfert pour chaque point de mesure. Elles sont représentées sous forme de déformées opérationnelles dans la bande de fréquences. Dans la plage de temps, la séquence de mouvements simultanée, superficielle de la structure examinée peut être animée.
La vibrométrie multipoint est idéale pour la capture de processus variables ou transitoires dans le temps. Contrairement au procédé de balayage, les valeurs mesurées sont enregistrées simultanément sur tous les canaux de manière synchrone. Le concept multisensor permet d’analyser les données soit par intervalles de temps, soit par plages de fréquence.
Channel 