Optische Multisensorik für zeitkritische Schwingungsmessungen

Berührungsloses, schnelles, flächenhaftes Verfahren zur Messung von Schwingungen

Die Laser-Scanning-Vibrometrie hat sich als berührungsloses, schnelles, flächenhaftes Verfahren zur Messung von Schwingungen in vielen Anwendungsbereichen bewährt. Wenn transiente, also zeitkritische bzw. unwiederbringliche Momente erfasst werden sollen, stößt das Verfahren jedoch an seine Grenzen. Aber auch für solche Messaufgaben gibt es jetzt eine berührungslose Methode.

Schnell ablaufende Ereignisse wie Stoß- und Schaltvorgänge oder z.B. das Zuschlagen einer Tür lassen sich mit der herkömmlichen Laser-Scanning-Vibrometrie nicht durch sequentielles Scannen erfassen. Sogenannte Multipoint-Vibrometer schaffen hier Abhilfe.
Schwingungsmessungen in realen Situationen stellen meist ganz besonders hohe Anforderungen an die Messsysteme. Unter Betriebsbedingungen muss oft direkt der erste Schuss sitzen. Typische Beispiele dafür finden sich bei der Schwingungsanalyse von Strömungsmaschinen oder Ventilen, beim Hochlauf von elektrischen Antrieben oder Verbrennungsmotoren, Abgasanlagen, Absprengvorgängen einzelner Raketenstufen in der Raumfahrt oder ähnlichem. In etlichen Fällen sind entsprechende Tests zwar möglich, indem eine entsprechende Anzahl von Beschleunigungsaufnehmern an neuralgischen Punkten der Messobjekte befestigt wird. Manche Objekte lassen aber eine Befestigung entsprechender Sensorik gar nicht zu, z.B. weil ihre Oberfläche zu heiß, zu weich oder zu empfindlich ist. Außerdem gilt es zu berücksichtigen, dass sich durch die Masse der Sensoren auch das Schwingverhalten des Messobjekts verändert. Beschleunigungsaufnehmer z.B. an einem heißen Abgaskrümmer anzubringen, ist unmöglich. Schwingungsmessungen unter realen Bedingungen waren bisher in solchen Fällen überhaupt nicht realisierbar; denn die einzige Alternative, nämlich berührungslose Messsysteme für viele Messpunkte, würden eine praktisch nicht zu stemmende Investition erfordern.

Mit bis zu 48 Augen sehen
Doch auch für solche schwierigen schwingungsmesstechnischen Momentaufnahmen gibt es eine praxisgerechte, optische und damit berührungslose sowie rückwirkungsfreie Lösung. Das neue Multipoint Vibrometer MPV-800 von Polytec kann erstmals unwiederbringliche Momente flächenhaft erfassen, und das selbst bei sehr sensiblen Objekten und unter schwierigen Bedingungen.

Es ermöglicht eine synchrone Messung aus allen Perspektiven mit bis zu 48 individuell einstellbaren faseroptischen Sensoren, die flexible Messungen als Messfeld aus einer Richtung oder um komplex geformte Objekte herum erlauben. Je nach Konfiguration lassen sich dabei sogar dreidimensionale Schwingungsvektoren erfassen. Die hohe optische Empfindlichkeit (mehr als 100 % höher als bei den bewährten Einpunkt-Vibrometern) sorgt dafür, dass Messungen mit niedrigem Rauschpegel auf beliebigen Oberflächen und ohne Vorbehandlung der Testobjekte oder Proben möglich sind.
Das neue Vibrometer ist modular aufgebaut. Dadurch lassen sich Systemkomponenten mehrfach nutzen, was die Anschaffungskosten senkt. Durch dieses Plus an Wirtschaftlichkeit lassen sich die Vorzüge der berührungslosen Messung überall dort nutzen, wo bisher  große Mengen von Beschleunigungssensoren verwendet werden mussten oder es schlichtweg keine geeigneten Testmethoden gab. Außerdem kann der Anwender das System durch den modularen Aufbau gut an die jeweiligen Applikationsanforderungen anpassen.

Modular und anpassungsfähig
Die Grundlage bildet immer das Basissystem mit einer Workstation für die Datenerfassung. Dieses besitzt acht optische Vibrometerkanäle, acht Referenzkanäle (z.B. für Beschleunigungsaufnehmer) und eine spezielle Software. Diese Basis lässt sich bei Bedarf mit weiteren Optikeinheiten leicht auf ein Vibrometer-System mit bis zu 48 Kanälen erweitern. Jede Optikeinheit enthält ein 8-Kanal-Interferometer, eine gemeinsame augensichere Laserlichtquelle sowie Anschlüsse für acht Faserköpfe. Da sich die bis zu 48 Faserköpfe praktisch beliebig anordnen lassen, sind ganz unterschiedliche Messaufgaben realisierbar.
Mit einer Multisensor-Anordnung, z.B. auf einem Stativ, können Amplituden- und Phasenverteilung auf der Oberfläche vollflächig ausgewertet werden. Bei transienten, nicht reproduzierbaren Vorgängen erfasst das System dann komplette dynamische Strukturen in Echtzeit in nur einer einzigen Messung. Bei Bedarf lassen sich die Messköpfe aber auch frei im Raum um das Messobjekt herum anordnen. Durch die so gewonnenen Erkenntnisse können transiente Vorgänge oft besser gedeutet werden, da beim Auswerten der Ergebnisse alle Blickwinkel bekannt sind. Werden drei Sensoren auf einen Punkt fokussiert, sind sowohl In-Plane- als auch Normalkomponenten der Schwingungen messbar, und somit auch dreidimensionale Schwingungsmessungen möglich. Das Multipoint Vibrometer misst also wahlweise bis 48 Einzelpunkte, 16 3D-Punkte oder beliebige Kombinationen aus 1D- und 3D-Punkten.

Software schafft Überblick
Die MPV-Software unterstützt dabei sämtliche Aufgabenstellungen. Sie ist speziell darauf ausgelegt, mit vielen Kanälen die Prüfdaten auf räumlich ausgedehnten Testobjekten zu erfassen und die Konfiguration des Systems zu verwalten. Darüber hinaus bietet sie gleich eine ganze Reihe praxisgerechter Features, welche die Messungen komfortabel machen und eine hohe Testqualität unterstützen.
So spart zum Beispiel eine automatische Messpunktidentifikation beim Einrichten des Prüfaufbaus Zeit und verhindert Fehlversuche. Für die Messung lassen sich dann die Geometriedaten der Prüfobjekte direkt aus dem CAE-System oder aus Simulationsprogrammen importieren. Werden anschließend die Messergebnisse darüber gelegt, ergeben sich sehr anschauliche, aussagekräftige Bilder. Genauso elegant lassen sich aber auch die Flächennormale errechnen, was den Akustikern entgegenkommt.
Da die Software mit Objektkoordinaten arbeitet, ist ein direkter Vergleich mit Simulationsdaten oder akustischen Simulationen möglich. Für die Analyse werden die Schwingungen getrennt nach Zeit und Frequenz flächenhaft z.B. als 3D-Modell angezeigt. Zur Nachbearbeitung und Dokumentation sind Exportfilter in verschiedene Formate erhältlich. Alles in allem erschließt das System der optischen, berührungslosen und damit rückwirkungsfreien Schwingungsmessung eine neue Dimension, von der zahlreiche Anwendungen profitieren können.

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