Genau, berührungslos und flexibel – das laserinterferometrische Vibrometer

Autoren: Dr.-Ing. Denis Dontsov, Dr.-Ing. Ralf Schüler, SIOS Meßtechnik GmbH

Abb.1: Laserinterferometrisches Vibrometer der Serie LSV

Traditionell arbeitet man bei der Schwingungsmessung mit mechanisch gekoppelten Sensoren. Der allgemein anhaltende Trend zur Miniaturisierung stellt ganz neue Anforderungen an die Messsysteme, die die Bewegung der Messobjekte in einem breiten Frequenzbereich und Sub-Nanometerauflösung erfassen sollen. Hier kommen laserinterferometrische Vibrometer zum Einsatz, die berührungslose und rückwirkungsfreie Messungen an makroskopischen und mikroskopischen Messobjekten bei Messfrequenzen von 0 bis zu 5 MHz und Auflösungen im Sub-Nanometer Bereich ermöglichen. Diese Systeme eignen sich hervorragend auch für Anwendungen, bei denen die Schwingungsanalyse an schwerzugänglichen Messobjekten notwendig ist.

Grundlagen

Das Konzept des laserinterferometrischen Vibrometers basiert auf der Basis eines Michelson-Interferometers, bei dem ein kohärenter Lichtstrahls in zwei optische Teilstrahlen, einen Referenz- und einen Messstrahl, geteilt wird. Der Referenzstrahl hat eine feste Länge. Der Messstrahl wird auf die Messoberfläche fokussiert; seine Länge ändert sich durch die Bewegung des Messobjektes. Nach der Reflexion des Messstrahls am Messobjekt interferieren beide zurückkommenden Teilstrahlen. Ihre Phasendifferenz ist proportional zur Verschiebung des Messobjektes und stellt hiermit die Messgröße dar. Diese Messung ist auch auf internationale Längennormale rückführbar, da die Laserfrequenz als Längenmassstab dient.

Laserinterferometrische Vibrometer sind Interferometer, die hinsichtlich der Messung an optisch rauen Oberflächen optimiert wurden. Als wesentlichstes Unterscheidungsmerkmal zu Längen messenden Interferometern besitzen sie eine Optik, die den Messstrahl auf den Messort fokussiert. Durch Reflexion an einer optisch rauen Oberfläche entsteht ein Speckle – Muster. Der konstruktive Aufbau des Sensorkopfes gewährleistet auch beim Auftreten eines solchen Speckle – Musters ein gutes Signal – Rausch Verhältnis. Durch die Fokussierung des Messstrahls ist der Messbereich allerdings in Abhängigkeit von der Reflexionsfähigkeit der Oberfläche auf einige mm eingeschränkt. Dies ist bei der Schwingungsmessung jedoch meist nicht störend, weil die zu erfassenden Schwingungsamplituden in der Regel kleiner sind. In dem zur Verfügung stehenden Messbereich sind auch normale Wegmessungen möglich.

Messkopf der Serie LSV

Helium-Neon-Laser kommen als Lichtquelle bei der Längen- und Schwingungsmessung aufgrund ihrer für die Messtechnik entscheidenden Eigenschaften wie Kohärenz und Frequenzstabilität zu Einsatz. Um den Messkopf relativ klein und frei von thermischen Abstrahlungen des Lasers zu halten, wird dieser bei den Vibrometern der Serie LSV über Lichtwellenleiter gekoppelt. Zur Vereinfachung des Abgleichs und Verbesserung der Performance kann der Referenzspiegel im Sensorkopf moduliert werden. Neu bei der Serie LSV ist der Einsatz eines Zoomobjektives zur Fokussierung des Messstrahls anstelle einer bisher üblichen Linse mit fester Brennweite. Dadurch ist der Abstand zwischen Messkopf und Messstelle zwischen 20 cm und 2m frei wählbar. Dies gestattet eine große Flexibilität beim Messaufbau und eine Verwendung des Messgerätes für verschiedene Anwendungen.

Konzeption der elektronischen Auswerteeinheit

 Der He-Ne- Laser und die Elektronik für Verarbeitung der Interferometersignale vom Messkopf sind in einer 19 Zoll – Auswerteeinheit untergebracht. Die Verarbeitung der Signale sowie die Ansteuerung des Referenzspiegels und der variablen Eingangsverstärker übernehmen mehrere Mikroprozessoren und sehr schnelle programmierbare Logikschaltkreise. Die Auswerteeinheit ist modular aufgebaut, dadurch kann das Messsystem an eine Anwendung durch Aufstockung mit unterschiedlichen Signalverarbeitungskarten flexibel angepasst werden. Es ist möglich die Auswertung von zwei Sensorköpfe der Serie LSV in einem 19 Zoll – Gerät unterzubringen.

Die Datenaufnahme kann mit externen Ereignissen synchronisiert werden. Das wird durch einen Triggereingang mit extrem kleiner Verzögerungszeit realisiert. Dies gestattet auch die Messung der Phasengänge eines Objektes bei einer bekannten Anregung.

Je nach Einsatzzweck kann die Auswerteeinheit mit unterschiedlichen Interfacekarten ausgestattet werden:

  • PC-Schnittstellenkarte
    Die PC-Schnittstellenkarte stellt ein USB- und RS232-Interface zum Anschluss an einen PC bereit. Zudem bietet sie einen Triggereingang zum Synchronisieren der Schwingungsmessung mit einer externen Anregungsquelle. Über diese Auswertekarte können sowohl verschiedene Funktionen des Vibrometers gesteuert als auch Signale mit einer maximalen Abtastfrequenz von 12,5 MHz (entspricht einer maximal möglichen Frequenz im Signal von 5 MHz) bei einer Blocklänge von 32768 Samples erfasst werden. Das Programmierinterface (API) zur Kommunikation mit dieser Karte ist für den Anwender verfügbar. Eine DLL, eine Matlab-Bibliothek und entsprechende VI-Module helfen bei der Integration in eigene Anwendungen.
  • Hochgeschwindigkeit – Parallelschnittstelle
    Die Parallelschnittstellenkarte stellt das demodulierte Interferometersignal als digitales paralleles 36-bit Wort zur Verfügung. Die Auflösung (ein LSB dieses Wortes) ist wählbar und entspricht in der feinsten Stufe etwa 5pm. Der parallele Wert steht mit einer sehr geringen Latenz zur Verfügung und kann mit einer Abtastrate von bis zu 12.5 MHz ausgelesen werden. Die Datenblocklänge hängt in diesem Fall nur von der PC Auswertung ab und ist nicht durch eine Hardware begrenzt. Typische Anwendungsgebiete dieses Interfaces sind hochauflösende Frequenzanalyse von erzwungenen Schwingungen an Mikroobjekten. Zur Einbindung dieser Schnittstelle auf der PC-Seite kann beispielsweise eine Parallel-Input-Karte von National Instruments benutzt werden.
  • Analoge Schnittstelle
    Oftmals bieten Systeme zur Schwingungsanalyse analoge Eingänge für die Sensoren. Die analoge Schnittstelle stellt deshalb einen Analogausgang zur Einbindung in solche Systeme zur Verfügung. Somit können auch konventionelle Schwingungssensoren einfach durch ein laserinterferometrisches Vibrometer ersetzt werden. Der Dynamikbereich der Vibrometer der Serie LSV übersteigt bei weitem den Messbereich herkömmlicher Sensoren und die mit vernünftigem Aufwand handhabbare analoge Auflösung. Deshalb kann zur Anpassung an unterschiedliche Einsatzgebiete am analogen Ausgang abgebildete Messbereich in sieben Stufen (+- 0.63 µm bis +- 2.6 mm) gewählt werden. Dies erfolgt normalerweise durch einen Drehknopf an der Frontplatte, kann aber auch über das PC-Interface durch eine entsprechende Software umgeschaltet werden. Ein zusätzlicher Eingang zum Zurück-/Nullsetzen des Analogsignals vereinfacht weiter die Anwendung. Insgesamt bietet die Analog-Interface-Karte eine Auflösung von 16-bit bei einer maximalen Ausgaberate von 10 MHz.

Software

Auch wenn sich das laserinterferometrische Vibrometer der Serie LSV aufgrund der verschiedenen verfügbaren Schnittstellen in fast jedes Messsystem einbinden lässt, erfolgt erfahrungsgemäß in einem überwiegenden Teil der Anwendungen der autonome Betrieb mit einer PC-Software. Die INFAS-Vibro Software bedient das Vibrometer über die USB- oder RS232-Schnittstelle oder über eine DIO Karte von National Instruments (PCI-6534) im Zusammenspiel mit der Hochgeschwindigkeitsparallelschnittstelle des Vibrometers. Die Software erlaubt das Anzeigen, Speichern und Vorverarbeiten der Schwingungssignale. Durch die Aufzeichnung der Rohsignale können die Messungen ohne Einschränkung auch offline analysiert werden. Ein konfigurierbarer Export in ASCII-Daten erlaubt die Weiterverarbeitung sowohl der Roh- als auch von vorverarbeiteten Signalen. Zur Integration in eigene Anwendungen ist INFAS-Vibro über TCP-IP durch ein einfaches Protokoll ansteuerbar. Komplexere Messabläufe können durch die eingebaute einfache Skriptsprache automatisiert werden. Dabei ist auch eine Ansteuerung von einigen XY-Tischen und nahezu allen Frequenzgeneratoren mit entprechender Schnittstelle möglich.

Abb. 2: Messung mit der INFAS-Vibro Software

Anwendungen

Anwendungen für laserinterferomertrische Vibrometer der Serie LSV gibt es in allen Bereichen, in denen mechanische Schwingungen berührungslos analysiert und gemessen werden müssen. Wesentliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Schwingungsmessung sind die berührungslose und somit rückwirkungsfreie Arbeitsweise, der große Messbereich bei einer Wegauflösung von weniger als einem Nanometer im Zeitbereich, der durch die FFT im Frequenzbereich noch weiter auf unter 5 Pikometer gesteigert wird, und natürlich der Frequenzbereich von 0 Hz bis derzeit max. 5 MHz. Auch die Ermittlung von Schwingungsspektren, die Bestimmung von Eigenfrequenzen und Schwingungsformen ist möglich. Mit Hilfe von Mehrfachsystemen können Mehrkoordinatenmessungen ebenso wie Differenzmessungen durchgeführt werden.

Messungen im Vakuum

Eine vakuumtaugliche Sonderausführung des Vibrometers der Serie LSV ist möglich, aber technisch sehr aufwendig. Oftmals ist es aber möglich, das Messobjekt durch ein Fenster der Vakuumkammer zu sehen und so die Messung durch das Fenster hindurch mit außen platziertem Messkopf durchzuführen. So ist sehr einfach eine Messung von in Vakuum liegenden Messobjekten möglich.

Abb. 3: Einfache Messungen im Hochvakuum durch Aufstellen des berührungslos messenden Vibrometers außerhalb der Vakuumkammer

 

 

Fazit

Das laserinterferometrische Vibrometer ist ein wertvolles Werkzeug für alle Anwendungen, bei denen eine genaue und berührungslose Messung der Objektbewegung erforderlich ist. Durch die berührungslose Arbeitweise bieten sich die Möglichkeiten der schnellen Analyse der Objekte an unterschiedlichen Positionen ohne eine mechanische Beeinflussung durch den Sensor. Das System zeichnet sich durch hohe Präzision, hohe Auflösung und einen sehr breiten Frequenzbereich aus. Der durch das Zoomobjektiv flexible Messbereich, die vielfältigen Interfaces der Auswerteelektronik sowie die umfangreiche Softwareunterstützung machen die Vibrometer der Serie LSV zu einem wichtigen Messmittel in der Produktion, der Qualitätssicherung sowie Forschung und Entwicklung.

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