Laservibrometrie präziser, schneller und für alle Oberflächen tauglich machen

Einfach mal die Perspektive wechseln

Laser-Doppler-Vibrometer werden heute in den unterschiedlichsten Branchen zur Untersuchung ganz verschieden großer Objekte eingesetzt: angefangen von kompletten Autokarosserien, großen Luft- und Raumfahrtteilen über Motoren und Aktuatoren bis hin zu Mikrobausteinen wie MEMS, biomedizinischen Proben oder Elektronikkomponenten mit Abmessungen im Millimeterbereich. Zahlreiche Forschungsanwendungen auch im Maschinen- und Bauwesen, in der Biologie oder Medizin profitieren vom Prüfen und Messen mit optischer Schwingungsmesstechnik (Titelbild). Simulationsmodelle lassen sich präzise abgleichen, akustische Schwachstellen beseitigen und Produkte kommen schneller auf den Markt. Eine neue patentierte Technologie, die das Signal-Rauschverhältnis signifikant verbessert, bietet jetzt eine bisher nicht erreichbare optische Empfindlichkeit und ermöglicht hochpräzise Messungen auf allen Oberflächen, selbst auf dunklen, biologischen, rotierenden oder bewegten Objekten und das bei deutlich kürzeren Messzeiten.

Vom Prinzip her ist die Laser-Doppler-Vibrometrie ein sehr robustes, berührungsloses Messverfahren und die grundsätzliche Funktionsweise ist einfach zu verstehen: Wird ein Lichtstrahl von einem bewegten Objekt reflektiert, so ändert sich die Frequenz des Lichtes proportional zur Objektgeschwindigkeit (Bild 2). Die Geschwindigkeitsinformation der Schwingung ist dann in der Frequenzverschiebung kodiert und wird als Messgröße genutzt. Ein Präzisionsinterferometer und eine digitale Dekodierungselektronik wandeln diese Frequenzverschiebung dann in ein Spannungssignal um, das von allen herkömmlichen Datenerfassungssystemen verarbeitet werden kann.

Die Signalqualität verbessern

Die Signalqualität einer Laservibrometer-Messung hängt dabei immer von der Intensität des zurückgestreuten Lichts ab. Die Oberfläche des Messobjekts bestimmt die räumliche Verteilung des zurückgestreuten Lichts und damit die Güte der Informationen, die der Photodetektor an seiner Position im Raum erhält. Sie bestimmt demzufolge auch, auf welchen Oberflächen gemessen werden kann, und ist verantwortlich für den Signal-Rauschpegel, den Messabstand und bei einem Scanning-Vibrometer auch für die Größe der scanbaren Fläche.

Auf einer optisch glatten Oberfläche wird das reflektierte Laserlicht verlustfrei zum Photodetektor zurückgeführt. Messoberflächen in der Praxis sind jedoch meist optisch rau. Das Licht wird nicht mehr reflektiert, sondern gestreut. Es enthält dunkle und helle Bereiche, sogenannte Speckles (Flecken). Der Laserpunkt sieht körnig aus und sein Muster ändert sich je nach Perspektive des Beobachters. Hierdurch entstehen Schwankungen der Lichtintensität am Photodetektor bis hin zu einem kurzzeitig möglichen völligen Einbruch der Lichtintensität. Diese Effekte können bei optischen Messungen zu breitbandigem Rauschen und unerwünschten Signalaussetzern führen.

Multi-Detektor-Konzept

Genau hier setzt die patentierte QTec®-Technologie an, die von Polytec (vgl. Firmenkasten) entwickelt wurde. Sie verbessert den Signal-Rauschpegel bei Schwingungsmessungen signifikant (Bild 3). Den Schlüssel dazu liefert ein Multi-Detektor-Konzept, das heißt, die zurückgestreuten Signale erreichen unterschiedliche Photodetektoren (Bild 4). Unregelmäßigkeiten der Oberfläche spielen dadurch kaum noch eine Rolle, weil – vereinfacht ausgedrückt – bei der Reflexion weniger Licht verloren geht. Jeder Detektor ist ein Beobachter des Messpunkts mit eigener Perspektive und sieht ein eigenes Speckle-Muster. Zu jedem Zeitpunkt variiert der Signalpegel entsprechend dem Speckle-Muster. Da die Speckle-Muster der einzelnen Detektoren voneinander unabhängig und quasi zufällig sind, ergibt die Kombination der Signale der räumlich verteilten Detektoren einen statistisch stabilen Signalpegel.

Eine schnelle Elektronik im Messkopf gewichtet die Detektorsignale in Echtzeit und nur der stabile Teil des Signals wird als Nutzsignal ausgegeben. Der Anwender bekommt ein gemeinsames Messsignal zur Verfügung gestellt, sodass die neuen Messköpfe kompatibel mit den vorhandenen Einkanal-Vibrometer-Decodern sind.

Verlässliche Daten bei anspruchsvollen Messaufgaben

Von der höheren Signalqualität kann der Anwender gleich in mehrfacher Hinsicht profitieren: Selbst bei anspruchsvollen Messaufgaben verhilft das neue Konzept der Mehrkanal-Interferometrie zu verlässlichen Messdaten, zum Beispiel auch auf bewegten, entfernten oder rotierenden Prüflingen. Gute Messdaten mit niedrigem Rauschen lassen sich damit auch von eher schlecht reflektierenden Oberflächen erhalten, zum Beispiel sogar von menschlicher Haut. Außerdem müssen kritische Objektoberflächen nicht zwangsläufig vorbehandelt werden. Dadurch verkürzt sich die Vorbereitungszeit für Prüfungen, und Messungen sind nun selbst bei Oberflächen möglich, die keine Veränderungen erlauben, z.B. bei biologischen Anwendungen oder in der Raumfahrt. Eine höhere optische Empfindlichkeit ist damit der Schlüssel zu mehr Datenqualität und höherer Produktivität.

Kürzere Messzeit durch weniger Mittelungen

Bislang wurde ein schlechtes Signal-Rauschverhältnis durch die Mittelung mehrerer Messungen zum Teil kompensiert. Mit dem neuen Ansatz sind je nach Anwendungen vier- bis zehnmal weniger Mittelungen notwendig Das verkürzt die Messzeit deutlich. Zudem werden sogar rauscharme Schwingungsmessungen möglich, bei denen man gar nicht mitteln kann, weil der Zeitfaktor einfließt, zum Beispiel wenn der Weg bestimmt werden soll, den ein Objekt zurücklegt, oder die Pulsmessung beim Menschen. Bei der Pulsmessung (Bild 5) verursacht die seitliche Bewegung der Haut aufgrund der Patientenbewegung und der Druckschwankungen in der Halsarterie normalerweise Speckles. Bei der neuen Technologie dagegen ist das Signal-Rauschverhältnis deutlich besser und das Messsignal wird von den sonst auftretenden Aussetzern nicht mehr beeinflusst.

Die neue QTec®-Technologie gibt es wahlweise als Messkopf für das bestehende VibroFlex-System (Bild 6), optional mit der Software VibSoft-VL für die digitale Erfassung und Auswertung der Daten, und als Scanning-Vibrometer (Bild 7) in einer Kompaktausführung oder als 3D-Variante zur Erfassung aller Schwingrichtungen. Die Scanning-Vibrometer werden immer als schlüsselfertiges System mit integrierter Datenerfassung und 3D-Visualisierung der Schwingformen geliefert.

Weitere Informationen zum Thema finden Sie unter: www.polytec.com/qtec

Titelbild: Polytec