Berührungsloses Messen von Schwingungen

Die Anwendung eines Laservibrometers ermöglicht die berührungslose Ermittlung des Schwingungsverhaltens eines Objektes während der Nutzung. Durch flexible messtechnische Prozesse können auch 3-dimensionale Problemstellungen für verschiedene Anwendungen effizient realisiert werden.

Fragestellung

Schwingungen entstehen in nahezu allen Anwendungen technischer Produkte als auch in natürlichen Vorgängen. Sie beeinflussen die Funktion und verändern das Material- und Bauteilverhalten. Das Verständnis über die Ursachen der Schwingungen hilft deren Auswirkungen einzuschätzen und beispielsweise konstruktive Veränderungen des betrachteten Bauteils vorzunehmen.

Da Schwingungen sich häufig innerhalb einzelner Baugruppen bilden, ist ein berührungsloses Messverfahren zur Erfassung eines Echtzeitsignals erwünscht. Dieses Messverfahren soll Informationen über verschiedene reale Gegebenheiten, wie dynamische Materialeigenschaften, akustisches Bauteilverhalten sowie biologisch-physiologische Abläufe ermöglichen.

Lösung

Für die Analyse von Schwingungen in technischen und nichttechnischen Systemen stellt die optische Messtechnik eine effiziente Messmöglichkeit dar. Durch die Anwendung der Laservibrometrie können Schwingungen und Bewegung hochaufgelöst gemessen werden. Dabei wird ein Laserstrahl von einer schwingenden Objektoberfläche so reflektiert, dass ein Detektor die Frequenzunterschiede erfassen kann.

Der Messaufbau mit einem Mehrkanal-Laser-Doppler-Vibrometer und verschiedenen Anregungsverfahren ist flexibel einsetzbar. Mit Hilfe von Algorithmen und speziellen Gütemaßen sind wir in der Lage, Schädigungsgrade und weitere Parameter aus den Schwingungsdaten zu extrahieren. Mit einem weiteren Messaufbau, bei dem wir ein Einpunkt-Laser-Doppler-Vibrometer an einen Industrieroboter gekoppelt haben, können wir eine berührungslose Schwingungserfassung dreidimensionaler Bauteile mit beliebig vielen Messpunkten durchführen. Dabei wird das Laservibrometer als Einpunktmessgerät zur punktuellen Schwingungserfassung angewendet und das Messobjekt Punkt für Punkt abgerastert. Außerdem haben wir spezielle Laser-Doppler-Vibrometer für besondere Aufgaben entwickelt, wie der Schwingungsmessung an Mikrosystemen und hochfrequenten Oberflächenwellen bis in den GHz-Bereich.

Entwicklungsstand

Optimierung und Anwendung verschiedener Messszenarien für reale Anwendungen im Labormaßstab.

Vorteile

Die Bestimmung des anwendungsabhängigen Schwingungsverhaltens komplexer Baugruppen oder Objekte ist durch die flexible Anpassung des Messaufbaus realisierbar. Dazu wird neben dem spezifischen Messsystem auch die notwendige Softwarelösung für die Analyse der Messdaten entwickelt. Die Skalierbarkeit auf industrielle Anforderungen ist somit gegeben. Die entwickelten Messaufbauten für die Schwingungsmessung können nach Bedarf auch mit gleichzeitiger berührungsloser Dehnungsmessung kombiniert werden.

Leistungsparameter

Makroskopische Bauteile können bis 100 kHz und kleine Strukturen unter einem Zentimeter können bis 1 GHz analysiert werden.

Anwendungsmöglichkeiten

• Verschleißmessung an Wälzlagern während des Betriebs
• Qualitätskontrolle von Automobilkomponenten, Halbleitern sowie Photovoltaikmodulen
• Optimierung von Fügeverbindungen
• Erfassung physiologischer Daten in der Medizin, beispielsweise Herzfrequenzmessung beim Menschen
• Optimierung des Schwingungsverhaltens von Leichtbaukomponenten
• Analyse der Schwingungseigenschaften von technischen Systemen im Labor
• Charakterisierung des dynamischen Materialverhaltens in der Werkstoffprüfung
• Überwachung des Schwingungsverhaltens bei großen Bauwerken, beispielsweise Eisenbahnbrücken und Chemieanlagen

Schlagworte

Messtechnik, berührungslos, Schwingungsmessung, Laser, Laservibrometrie, Sensortechnik, Verschleißmessung, Qualitätskontrolle, Werkstoffprüfung

03.05.2021