Vibration und Sensorik II

Die Einzelheiten zu jedem Vibrometertyp sind unten angegeben. 

2.1 Referenzstrahlvibrometer

Dies sind die einfachsten Laser-Doppler-Vibrometer. Die folgende Abbildung zeigt, wie LV-1710 und LV-1720A konfiguriert sind.

Von der Lichtquelle abgegebenes Laserlicht wird in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen einer als einfallender Strahl dient, der auf das zu messende Objekt gerichtet ist, während der andere als Referenzstrahl dient, der innerhalb des Vibrometers zurückgeführt wird. Der von dem Objekt reflektierte Strahl erfährt eine Doppler-Verschiebung proportional zur Schwingungsgeschwindigkeit des Objekts. Dieser Strahl wird dann mit dem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht, der vorher durch den akustooptischen Modulator frequenzverschoben wurde, so dass eine Schwebungsfrequenz erhalten werden kann. Aus diesem Schwebungsfrequenzsignal wird nur die Dopplerverschiebungskomponente an der Detektorschaltung herausgetrennt und an den FM-Demodulator gesendet, um als Spannungssignal ausgegeben zu werden, das proportional zur Schwinggeschwindigkeit ist.

2.3 Dreidimensionale Vibrometer

Ein Objekt schwingt nicht immer nur in eine Richtung. Es kann tatsächlich auf komplexe Weise in dreidimensionale Richtungen schwingen. Da Produkte immer kleiner und präziser werden, steigt der Bedarf an der Messung und Analyse dreidimensionaler, komplexer Bewegungen. Das LV-3300 ist ein vibrometrisches System, das aus drei Referenzstrahl-Laser-Doppler-Vibrometereinheiten besteht. Das System führt Vektorberechnungen durch, wenn Signale von diesen drei Vibrometern empfangen werden, um gleichzeitig die X-, Y- und Z-Achsen-Vibrationsgeschwindigkeit und die Richtung zu messen, in der das zu messende Objekt vibriert. Die folgende Abbildung veranschaulicht, wie die optischen Köpfe des LV-3300-Systems konfiguriert sind, und zeigt die Gleichungen zur Berechnung der Vektoren.

Einer der drei optischen Köpfe ist so angeordnet, dass die Richtung seines einfallenden Lichts mit der Richtung (Z-Achse) zusammenfällt, in der sich das Objekt bewegt; während die anderen beiden so angeordnet sind, dass die Richtungen ihres einfallenden Lichts (ZX und ZY) bestimmte Winkel von der Z-Achse entfernt sind. Signale von diesen abgewinkelten optischen Köpfen repräsentieren die Vibrationsgeschwindigkeiten und Vibrationen in den ZX- und ZY-Richtungen. Folglich enthalten von allen drei optischen Köpfen reflektierte Strahlen Signalkomponenten für die Z-, ZX- und ZY-Richtungen, in denen das Objekt vibriert. Somit können wir die Vibrationseigenschaften des Objekts für die Richtungen der X-, Y- und Z-Achse gleichzeitig messen, indem wir diese drei Signale in einen Vektorrechner eingeben.

2.4 Vorteile von Laser-Doppler-Vibrometern, Vorsichtsmaßnahmen

Vorteile

• Berührungslose Messung
• Großer Dynamikbereich für die Messung
• Hohe räumliche Auflösung
• Kleiner Sensorkopf

Vorsichtsmaßnahmen

• Der Sensorkopf muss direkt gegenüber dem Objekt platziert werden.
• Die Lichtenergie eines reflektierten Laserstrahls muss auf einem bestimmten Niveau gehalten werden.
• Das Vibrometer ist anfällig für die Einwirkung von Öl oder Wasser auf ein Objekt.
• Beim Messen eines rotierenden Objekts ist besondere Vorsicht geboten, da das Vibrometer durch die Geräusche rauer Oberflächen beeinträchtigt wird.

2.5 Ergänzende HInweise

1. Laser-Doppler-Vibrometer beeinflussen das Messobjekt aufgrund ihres berührungslosen Messverfahrens nicht. Der Sensorkopf kann in einem angemessenen Abstand vom Objekt platziert werden (normalerweise 0,34 bis 5 m für den LV-1300 oder mehr als 10 m in Kombination mit einem handelsüblichen Objektiv). Diese Funktion ermöglicht es uns, auch Objekte zu messen, die beispielsweise starke Hitze abgeben, ohne den Sensorkopf zu beeinflussen.
   
   

2. Der LV-1300 hat folgende Messbereiche:

   Geschwindigkeit: 0,3 J m/s bis 5 m/s

   Frequenz: 1 Hz bis 1,5 MHz (kann auf bis zu 20 MHz erhöht werden)

   Das bedeutet, dass Sie bis zu 0,01 nm (0,00001 Jm) messen können in Bezug auf die Verschiebung im Hochfrequenzbereich.
   
   

3. Der Laserstrahlfleck auf einem Objekt ist winzig klein und misst nur einige zehn bis mehrere hundert Mikrometer Breite (20 Jm `400 Jm für den LV-1300). Folglich kann die Vibration sogar eines mikroskopischen Objekts gemessen werden. Wenn der Sensorkopf in einem speziellen Mikroskop montiert wird, kann das Vibrometer sogar kleinere Objekte messen.
   
   

4. Ein Merkmal des LV-1100 ist der extrem kleine Sensorkopf, der nur etwa 10 mm breit und 40 mm lang ist. Der Sensorkopf des LV-1300 ist ebenfalls kompakt und misst ungefähr 44 mm ~ 60 mm ~ 170 mm für einen Typ, der ein Interferometer umfasst. Das LV-1100 ist daher einfach zu handhaben und leicht zu fokussieren. Mit einer großen Auswahl an optionalen Spiegeln ist es möglich, Vibrationen auch an normalerweise schwer zu messenden Stellen zu messen.
   
   

5. Bei Vibrometern zur Messung von Vibrationen außerhalb der Ebene muss der Laserstrahl mit der Richtung ausgerichtet sein, in der das zu messende Objekt vibriert. Wird der Laserstrahl schräg auf das Objekt emittiert, erfasst das Vibrometer die durch die Richtung der Schwingung und den Laserstrahl gegebene Vektorkomponente als Amplitude der Schwingung. Folglich erhält das Vibrometer nicht die richtige Schwingungsamplitude. In einigen Fällen kann es sogar vorkommen, dass keine Amplitude erfasst wird, wenn der Winkel zwischen der Richtung, in der der Laserstrahl verläuft, und der Richtung, in der das Objekt vibriert, zu groß ist.
   
   

6. Ein Laser-Doppler-Vibrometer verwendet denselben optischen Kanal sowohl für den Projektionsabschnitt als auch für den Empfangsabschnitt. Wenn die Lichtenergie des Laserlichts, das vom Objekt reflektiert wird und zum Lichtsensor zurückkehrt, unter einem bestimmten Wert liegt, verschlechtert sich das Signal-Rausch-Verhältnis. Diese Verschlechterung führt manchmal dazu, dass die Messung nicht durchgeführt werden kann. Aus diesem Grund wird das Laser-Doppler-Vibrometer am besten für Objekte verwendet, die Strahlen in völlig entgegengesetzte Richtungen reflektieren. Dieses Vibrometer kann auch Objekte messen, die Strahlen streuen, wenn die Lichtenergie des reflektierten Laserlichts, das zum Objektiv im Sensorkopf zurückkehrt, über dem angegebenen Wert liegt. Genauer, selbst Objekte wie schwarzer Gummi, die wenig Lichtenergie reflektieren, können mit den Vibrometern LV-1100/1500 gemessen werden, wenn die zurückgestrahlte Energie mindestens 4 % der ursprünglichen beträgt, oder mit dem Vibrometer LV-1300, wenn sich der Sensorkopf nahe am Objekt befindet . Wenn die Lichtenergie wahrscheinlich nicht ausreicht, müssen reflektierende Materialien wie eine Reflexionsfolie oder reflektierende Farbe an dem Objekt angebracht oder darauf aufgetragen werden.
   
   

7. Eine vibrometrische Messung ist nicht möglich, wenn Öl oder Wasser auf die Oberflächen des Messobjekts fließen. Messfehler entstehen, wenn das Objekt mit Öl oder Wasser nass ist; wenn möglich, müssen solche Fremdkörper entfernt werden. Diese Probleme sind auf die unerwünschte Reflexion von Laserstrahlen an der Oberfläche eines Öl- oder Wasserfilms zurückzuführen. Eine solche Reflexion kann nicht nur verhindern, dass das Vibrometer die Vibrationsamplitude des Objekts genau misst, sondern kann auch dazu führen, dass aufgrund zufälliger Reflexion keine Messung möglich ist.
   
   

8. Beim Messen von Objekten wie einem rotierenden Körper mit einer erheblichen Vibrations- oder Bewegungskomponente, die senkrecht zur Richtung eines Laserstrahls verläuft, ist Vorsicht geboten. Abhängig von der Rauheit und Form der Objektoberfläche kann es zu einem kurzzeitigen Fehlen von reflektiertem Laserlicht kommen. Dies kann zum Auftreten von Spitzenrauschen im Ausgangssignal führen, was zu Messfehlern führt.

3. Torsionsvibrometer

Torsionsschwingungen treten auf, wenn sich ein Objekt dreht. Diese Art von Vibration kann aus verschiedenen Gründen auftreten. In einem rotierenden System, in dem die Antriebseinheit und der Lastabschnitt direkt gekoppelt sind, wird eine solche Vibration durch eine Änderung der Umdrehung des rotierenden Teils verursacht. In einem Mehrwellensystem, in dem Zahnräder, Riemen und Ketten miteinander verbunden sind, wird eine solche Vibration durch einen Übertragungsfehler verursacht, der aus einer schlechten Bearbeitungsgenauigkeit oder einer Verformung der Kraftübertragungen oder aus einer Änderung der Umdrehung der rotierenden Teile resultiert. Normalerweise sind Drehzahländerungen, Drehschwingungen und Übertragungsfehler in komplexer Weise miteinander verwoben. In Systemen, die diese erfahren, entwickeln sich eine Vielzahl von nachteiligen Wirkungen, wie zum Beispiel:

1. Zunahme von Vibrationen und/oder Geräuschen
2. Verschlechterung der Positioniergenauigkeit
3. Verschlechterung der Vorschubgenauigkeit
4. Ausfall aufgrund von Ermüdung

Daher ist es in einem System aus rotierenden Teilen und Kraftübertragungen wichtig, diese drei Parameter zu messen: -Drehzahländerung, Torsionsschwingung und Übertragungsfehler--um die Ursache-Wirkungs-Beziehung zu analysieren.

3.1 Veränderungen in der Revolution

Eine Drehzahländerung kann entweder auf eine Erhöhung oder Verringerung der Drehwinkelgeschwindigkeit gegenüber der durchschnittlichen Winkelgeschwindigkeit an einem bestimmten Punkt auf einer rotierenden Welle zurückzuführen sein. Bei dieser Messung kommt ein hochauflösender Drehgeber zum Einsatz. Das Ausgangssignal des Encoders wird bei hohen Geschwindigkeiten Impuls für Impuls von Frequenz in Spannung (FV) umgewandelt, um die Änderung bei jeder Umdrehung zu bestimmen.

3.2 Torsionsschwingung

Torsionsschwingungen repräsentieren Änderungen in der relativen Winkelverschiebung zwischen zwei Punkten auf einer rotierenden Welle. Normalerweise wird für diese Messung ein Paar elektromagnetischer Umdrehungssensoren verwendet. Das Vibrometer misst die sich über Antriebs- und Lastseite der Welle entwickelnde Torsion als Phasendifferenz. Die erhaltene Phasendifferenz wird bei hohen Geschwindigkeiten FV-gewandelt und unter Verwendung von Frequenzberechnungen verarbeitet, um die Torsionsschwingung zu bestimmen.

3.3 Übertragungsfehler

Ein Übertragungsfehler ist das Voreilen oder Nacheilen des Drehwinkels an den vorderen und hinteren Stellen einer Kraftübertragungseinheit in einer Rotationsmaschine mit mehreren Wellen. Dies wird aus der Phasendifferenz zwischen den vorderen und hinteren Positionen einer Kraftübertragung gemessen, ähnlich wie bei der zuvor erwähnten Erkennung von Torsionsschwingungen. Der Übertragungsfehler pro Teilung wird aus der Phasendifferenz bestimmt und dann durch Frequenzberechnungen verarbeitet, um den Übertragungsfehler zu bestimmen.

3.4 PD-8700 Torsionswinkelkonverter (Produkt ausgelaufen)

Dieser Konverter wurde für die Ausführung von präzisen digitalen 16-Bit-Berechnungen und Pulsmodus-Berechnungen über vier Perioden entwickelt und ermöglicht die Messung relativer Winkelverschiebungen mit einer Auflösung, die mehr als 16-mal höher ist als bei herkömmlichen Konvertern, für Anwendungen, bei denen Phasenunterschiede zwischen Impulsen gemessen werden zur Bestimmung von Torsionsschwingungen, Übertragungsfehlern in Zahnrädern und anderen Variablen.