Laservibrometrie

Janah Grießhammer, Sommersemester 2015

English translation

Ein Laser-Doppler-Vibrometer (kurz Laservibrometer, LDV) ist ein optisches Messgerät, das der Quantifizierung mechanischer Schwingungen dient.

Funktionsprinzip

Der Laserstrahl wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt - einen Messstahl und einen Referenzstrahl (vgl. Abbildung 2 unten). Der Messstrahl trifft auf die zu untersuchende, schwingende Oberfläche. Dort erfährt er eine Modulation in Frequenz und Phase gemäß den Gesetzen des Doppler-Effekts (siehe Physikalische und technische Grundlagen). Der Referenzstrahl verlässt das LDV nicht. Er wird über eine Bragg-Zelle (siehe Physikalische und technische Grundlagen) auf den Fotodetektor gelenkt, wo er mit dem reflektierte Messstrahl interferiert. Es entsteht eine frequenzmodulierte Spannung am Ausgang des LDV, welche direkt proportional zur Geschwindigkeit des Messobjektes ist. Mittels FFT lassen sich die Messergebnisse weiter analysieren.

Physikalische und technische Grundlagen

Doppler-Effekt beim LDV

Trifft eine elektromagnetische Welle (hier das Laserlicht) auf ein bewegtes Teilchen (hier das Messobjekt), ändert sich entsprechend ihrer Relativgeschwindigkeit zueinander sowohl ihre Frequenz als auch ihre Phase. Die neue Frequenz ist gemäß Formel

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f_1 = f_0 \sqrt{\dfrac{c + v}{c - v}}\end{array} //]]>$

mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f_1\end{array} //]]>$ neue Frequenz,

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}f_0\end{array} //]]>$ Ursprungsfrequenz,

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}c\end{array} //]]>$ Lichtgeschwindigkeit im Medium,

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ Geschwindigkeit des bewegten Objekts.

Da die Geschwindigkeit des Messobjektes im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sehr klein ist, ist auch die Frequenzverschiebung relativ klein. Es gilt folgender Zusammenhang:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}\Delta f = \dfrac{2v}{\lambda}\end{array} //]]>$

Dabei wird die Geschwindigkeit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ für eine Relativbewegung aufeinander zu positiv angenommen.

Beispielrechnung:

geg: HeNe-Laser mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\lambda\end{array} //]]>$ 633 nm, die Membran schwingt mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v_{max}\end{array} //]]>$ 10 $//<![CDATA[ \begin{array}{l}m/s\end{array} //]]>$

ges: maximale FrequenzverschiebungLsg.: $//<![CDATA[ \begin{array}{l}\Delta f\end{array} //]]>$ 31,6 MHzZum Vergleich: Die Frequenz des HeNe-Lasers beträgt $//<![CDATA[ \begin{array}{l}f \frac{c}{\lambda}\end{array} //]]>$ 474 THz

Funktion der Bragg-Zelle

Aus dem Interferenzmuster der beiden Strahlanteile kann der Betrag der Geschwindigkeit des Messobjektes bestimmt werden, nicht aber die Bewegungsrichtung. Die Bragg-Zelle ist ein akustooptischer Modulator und verschiebt die Frequenz des Referenzstahls um 40 MHz. Das bedeutet, dass ein ruhendes Objekt am Detektor als Interferenzmuster mit einer Modulationsfrequenz von 40 MHz erscheint. Bewegt sich das Objekt auf das Interferometer zu, wird diese Modulationsfrequenz vergrößert ^[1] - bei einer Bewegung vom Interferometer weg verringert. Auf diese Weise wird eine Richtungserkennung ermöglicht.

Anwendungsrelevantes

Messmodi

Geschwindigkeitsmessung

Die Geschwindigkeitsmessung eignet sich besonders für hohe Frequenzen. Trotz einer geringen Schwingungsamplitude werden bei hohen Frequenzen hohe Geschwindigkeiten erreicht. Der formelmäßige Zusammenhang lautet:

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}v = 2 \pi f s\end{array} //]]>$

mit $//<![CDATA[ \begin{array}{l}v\end{array} //]]>$ maximale Geschwindigkeit der Membran,

$//<![CDATA[ \begin{array}{l}s\end{array} //]]>$ maximale Amplitude der schwingenden Membran

Weiterhin lässt sich mit Hilfe dieser Formel aus der gemessenen Geschwindigkeit auf die Auslenkung des Messobjektes schließen. Grundsätzlich kann aber auch direkt die Auslenkung mit einem Vibrometer gemessen werden. Hierzu mehr im folgenden Messmodus.

Wegmessung

Die Wegmessung sollte bei Frequenzen kleiner als 1 Hz angewendet werden. Dies impliziert eine große Amplitude und geringe Geschwindigkeiten. In diesem Messmodus wird nicht der Doppler-Effekt genutzt wie bei der Geschwindigkeitsmessung, sondern die Hell-Dunkel-Übergänge beim Durchlaufen des Interferenzmusters auf dem Fotodetektor gezählt. ^[1]

Genauigkeit und Messbereichsgrenzen

• Erreichbare Wegauflösung: 2 pm
• Geschwindigkeitsauflösung: bis zu 2 $//<![CDATA[ \begin{array}{l}nm/s\end{array} //]]>$
• Max. messbare Frequenz: einige MHz
• Arbeitsabstände: mm bis > 100 m

Durch die Beeinflussung der Geräteparameter untereinander können die maximalen Genauigkeiten und Grenzwerte nicht gleichzeitig erreicht werden.

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Transportabel/Vorortanalysen möglich
• Berührungslose Messung möglich (wichtig, wenn Montage eines Sensors das Schwingungsspektrum zu stark beeinflussen würde)
• Teilweise Entfernungen von mehreren Metern zwischen Messobjekt und LDV möglich (abhängig von Geräteparametern wie Laserleistung und Kohärenzlänge, sowie von den Messbedingungen: Reflexionsvermögen des Messobjektes, Lichtabsorbtion des Mediums zwischen LDV und Messobjekt)
• Unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen ^[2]
• Schwingungsmessung auch an rotierenden oder glühenden Oberflächen ^[2]
• Kalibrierungsfrei in der Anwendung
• Großer messbarer Frequenzbereich/nahezu alle technisch relevanten Frequenzen messbar
• Lineare Verstärkung der gemessenen Frequenzen/ keine Resonanzfrequenzen wie bei anderen Schwingungssensoren (z.B. Piezosensoren))

 Nachteile

• Einhaltung der Sicherheitsvorschriften für Laseranwendungen notwendig (z.B. Tragen einer Schutzbrille)
• Materialeinschränkungen: Für gute Messergebnisse muss die Messoberfläche ausreichend reflektierend sein. Es ist keine direkte Messung von transparenten Materialien möglich, wobei der unterschiedliche Transmissionsgrad eines Materials in Abhängigkeit der Wellenlänge des Lichtes beachtet werden muss. Ein für das menschliche Auge transparentes Material kann für elektrische Wellen außerhalb des sichtbaren Bereiches (ca. 380 - 780 nm) undurchlässig sein. Unter Umständen kann das Aufkleben einer dünnen Folie auf die zu untersuchende Oberfläche Abhilfe schaffen
• Punktmessung

Anwendungsgebiete

• Akustik: Vermessung von Lautsprechern und Musikinstrumenten ^[3]
• Automobilindustrie: Schwingungsanalyse einzelner Bauteile und des Gesamtfahrzeugs
• Biologie: Analyse von Tierkommunikation z. B. Bienen
• Ingenieurwesen: Überprüfung und Dauerüberwachung des Schwingungsverhaltens von Gebäuden und Brücken, auch mittels Drohnen
• Medizin: Trommelfelluntersuchungen ^[4]
• Turbinen-und Maschinenbau ^[3]

Anforderungen an den Laser für LDVs

Voraussetzungen für jede interferometrische Messung sind eine hohe Strahlqualität und eine große Kohärenzlänge der Lichtquelle. Einige Laserarten haben sich daher als besonders geeignet herausgestellt - beispielsweise der HeNe-Laser. Er kann eine Kohärenzlänge von über 100 m besitzen. Die am häufigsten verwendeten Wellenlänge sind 632,8 nm und 1152,3 nm.

Ebenfalls beliebt ist der Argon-Ionen-Laser. Seine Kohärenzlänge ist etwas kleiner als beim HeNe-Laser aber mit bis zu 100 m immer noch sehr groß. Seine typischen Nutzwellenlängen liegen bei 514,5 nm und die 488,0 nm. Beide Laser arbeiten also im sichtbaren Bereich.

Begriffliche Abgrenzungen

Laserinterferometer

Das Laser-Doppler-Vibrometer ist eine Form der Laserinterferometer. Laserinterferometer sind allgemein dadurch gekennzeichnet, dass sie die Überlagerung von Wellen nutzen (Interferenz).

Laser-Scanning-Vibrometrie

Flächenhafte Anwendung eines Laser-Doppler-Vibrometer, indem sein Laserstrahl mit Hilfe von Spiegeln das Messobjekt rastert und eine Reihe von Einzelpunktmessungen durchführt.

Laser-Doppler-Anemometrie (LDA)

Bestimmung der Teilchengeschwindigkeit in Fluiden.

Literatur

• Feser, M.: Scanning Laser Vibrometer. In Waidelich, W.: Laser in der Technik / Laser in Engineering. S. pp 296 - 298. Springer Verlag. Berlin Heidelberg, 1994.
• Helmut Selbach, A. L.: Differentielles fiberoptisches Laser Doppler Vibrometer zur Schwingungsanalyse. In Waidelich, W.: Laser/Optoelektronik in der Technik / Laser/Optoelectronics in Engineering. S. 254 - 259. Springer Verlag. Berlin Heidelberg, 1987. doi:10.1007/978-3-642-83174-4_56
• Löffler-Mang, M.: OptischeSensorik / Lasertechnik, Experimente, Light Barriers. Vieweg+Teubner Verlag, Springer Fachmedien. Heidelberg, 2012. DOI:10.1007/978-3-8348-8308-7_11
• Turcanu, D. e.: Laser-Doppler-vibrometrische Messungen von DPOAE an Menschen. HNO, Volume 55, Issue 12. S. 930 - 937. 01.12.2007.

Einzelnachweise

1. Grundlagen der Vibrometrie.
2. Helmut Selbach, A. L.: Differentielles fiberoptisches Laser Doppler Vibrometer zur Schwingungsanalyse. In Waidelich, W.: Laser/Optoelektronik in der Technik / Laser/Optoelectronics in Engineering. S. 254 - 259. Springer Verlag. Berlin Heidelberg, 1987. doi:10.1007/978-3-642-83174-4_56
3. Feser, M.: Scanning Laser Vibrometer. In Waidelich, W.: Laser in der Technik / Laser in Engineering. S. pp 296 - 298. Springer Verlag. Berlin Heidelberg, 1994.
4. Turcanu, D. e.: Laser-Doppler-vibrometrische Messungen von DPOAE an Menschen. HNO, Volume 55, Issue 12. S. 930 - 937. 01.12.2007.

Weblinks

• https://de.wikipedia.org/wiki/Akustooptischer_Modulator
• https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_Doppler_vibrometer
• http://www.optomet.de/technologie/
• http://www.akustik.uni-oldenburg.de/literatur/Asendorf/Tobias_Asendorf_Laservibrometer.pdf