Scanning-Vibrometer rüsten auf:Mehr Licht für höhere Produktivität
Die Laser-Scanning-Vibrometrie hat sich als berührungsloses, rückwirkungsfreies, schnelles und flächenhaftes Verfahren zur Messung von Schwingungen in vielen Anwendungsbereichen bewährt. Beispiele gibt es im Fahrzeug-, Flugzeug- und Maschinenbau, in der Mikrosystem- und der Datentechnik. Die Anforderungen an die optische Empfindlichkeit der Vibrometer steigen jedoch, denn für die Entwicklung hochwertiger Produkte wird es zunehmend wichtiger, verlässliche Werte möglichst schnell zu erzeugen, z.B. um Computersimulationen zu validieren oder Daten zu visualisieren.
Obwohl heute nahezu jedes Produkt am Bildschirm entsteht und leistungsfähige Modelle es erlauben, wichtige Produkteigenschaften präzise zu gestalten und vorherzusagen, ist nach wie vor die Analyse des Prototyps unverzichtbar und der Prüfstein für jedes Modell. Da sich die tatsächlichen dynamischen Eigenschaften anhand der optischen Schwingungsanalyse zuverlässig ermitteln lassen, sind Scanning-Vibrometer überall dort ein wichtiges Testinstrument, wo die dynamischen und akustischen Eigenschaften zu den wesentlichen Qualitätsmerkmalen der Produkte gehören.
Die optische Empfindlichkeit bestimmt die Leistung
Das Verfahren, das sich für Modaltests großer Strukturen ebenso eignet wie für Schwingformanalysen kleinerer Geräte, basiert auf der Laser-Doppler-Vibrometrie. Bei dieser werden aus dem von einer schwingenden Struktur zurück gestreuten Laserlicht die Schwingfrequenz und die -amplitude bestimmt. Bei einem Scanning-Vibrometer ist das Laser-Doppler-Vibrometer nun mit einer Scanner-Spiegel-Einheit und einer Videokamera in einem gemeinsamen Messkopf integriert. Während der Messung scannt der Laserstrahl die Oberfläche des Messobjekts und liefert so eine räumlich hoch aufgelöste Reihe von Einzelpunktmessungen. Diese sequenziell gemessenen Schwingungsdaten werden zu einem gemeinsamen flächenhaften Datenmodell zusammengesetzt und lassen sich dann je nach Applikation entsprechend auswerten.
Dabei definiert die optische Empfindlichkeit die Leistungsfähigkeit eines Scanning-Vibrometers. Sie bestimmt, auf welchen Oberflächen gemessen werden kann und ist verantwortlich für den Signal-Rauschpegel, den Messabstand und damit auch für die Größe der scanbaren Fläche. Von einer höheren Empfindlichkeit kann der Anwender also gleich in mehrfacher Hinsicht profitieren: Gute Messdaten mit niedrigem Rauschen lassen sich dann z.B. auch von eher schlecht reflektierenden Oberflächen erhalten. Außerdem müssen kritische Objektoberflächen nicht zwangsläufig vorbehandelt werden. Dadurch verkürzt sich die Vorbereitungszeit für Prüfungen und Messungen sind selbst bei Oberflächen möglich, die keine Veränderungen erlauben, z.B. bei biologischen Anwendungen oder in der Raumfahrt. Auch der realisierbare Abstand zwischen Messkopf und -objekt vergrößert sich, wenn die optische Empfindlichkeit des Vibrometers steigt. Daraus ergibt sich ein größerer Scanbereich. Große Testobjekte müssen dann nicht so oft umpositioniert werden, was Zeit und damit Kosten spart. Eine höhere optische Empfindlichkeit ist damit der Schlüssel zu mehr Datenqualität und Produktivität.
Achtmal stärkerer Signalpegel
Polytec, der Spezialist für optische Schwingungsmessung hat jetzt entsprechend gehandelt. Mit der Zusatzoption Xtra erhalten die bewährten Vibrometer der Baureihe PSV-500 und PSV-500-3D eine deutlich höhere optische Empfindlichkeit. Die Grundlage dafür liefert ein leistungsstarker, dabei aber nach wie vor augensicherer Infrarotlaser (Lasersicherheit Klasse 2). Durch seinen Einsatz erhöht sich die Menge des von der Oberfläche reflektierten Lichts. Das Plus an Streulicht sorgt für einen achtmal stärkeren Signalpegel als beim Basismodell, das dadurch wesentlich resistenter gegen Signalrauschen ist. Das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert sich und Resonanzfrequenzen im FFT-Spektrum (Fast Fourier Transform) werden sehr deutlich sichtbar. Das Resultat ist eine präzisere Datenanalyse und FE-Modellvalidierung, und das bei deutlich kürzeren Messzeiten. Das neue PSV-Xtra ist sowohl als neues System als auch als Upgrade für die Basismodelle verfügbar.
Von den Vorzügen der höheren optischen Empfindlichkeit können viele Anwendungsbereiche profitieren, denn überall lässt sich Zeit sparen, sei es, dass die Oberflächenvorbehandlung nicht mehr notwendig ist, oder die Objekte durch die größere Messdistanz nicht mehr umpositioniert werden müssen. Gleichzeitig wurde die Geschwindigkeitsgrenze auf 30 m/s erhöht, was den Einsatz bei Ultraschallanwendungen und Dauerschwingtests mit hohen Amplituden erweitert. Hinzu kommt, dass durch das bessere Signal-Rauschverhältnis die Anzahl der notwendigen Mittelungen deutlich sinkt. Die Einsparungen, die sich allein dadurch ergeben sind beachtlich, wie die beiden folgenden Beispiele belegen.
Messzeiten verkürzen sich um über 60 %
Bei einer typischen Periodic-Chirp-Anwendung, also einer zeitabhängigen Frequenzänderung, wurde die Anzahl der Mittelungen von 15 beim Basismodell auf 5 bei der Ausführung mit dem Xtra-Upgrade geändert. Alle anderen Parameter blieben gleich, also Bandbreite, Frequenzauflösung, Anzahl der FFT-Linien und Messpunkte. Das Anregungssignal ist periodisch, sodass nur das Rauschen durch die Mittelungszahl reduziert wird. Bei gleicher Ergebnisqualität reduzierte sich hier die Messzeit für 143 Messpunkte von 1 h 54 min auf 38 Minuten, also um satte 66 %. Bei gutem Signal kann bei dieser Art der Schwingungsmessung die Mittelungszahl theoretisch sogar auf 1 reduziert werden; eine Überlappung der Zeitfenster ist hier nicht anwendbar.
Ähnlich hoch ist die Zeitersparnis, wenn mit einer Rauschanregung gearbeitet wird. Die Amplitude des Anregungssignals ist hier statistisch verteilt. Deshalb sind Mittelungen zwingend notwendig, auch um eine stabile Übertragungsfunktion zu erhalten. Bei gutem Signal kann die Mittelungszahl reduziert werden, muss aber deutlich über 1 belassen werden. „Überlappung“ ist hier zulässig, ihr Wert ist aber unabhängig von der Signalqualität. Für die gleiche Ergebnisqualität genügen mit dem Xtra-Upgrade 12 Mittelungen statt bisher 30. Dadurch verkürzt sich die Messzeit bei gleicher Messpunktanzahl von 1 h 16 min auf 30 Minuten, was einer Zeitersparnis von 61 % entspricht. Dadurch sind pro Tag deutlich mehr Messungen durchführbar und komplexe Produktentwicklungen sind effizienter denn je zu realisieren.
Titelbild: Polytec
