Der allgemein anhaltende Trend zur Miniaturisierung stellt sehr hohe Anforderungen an die Messsysteme, die die Bewegung der Messobjekte in einem breiten Frequenzbereich und mit Nanometerauflösung erfassen sollen. Für hochpräzise Längen- und Schwingungsmessungen eignen sich hervorragend Laserinterferometer, die neben der sehr guten Linearität im gesamten Messbereich über eine hohe Präzision verfügen.
Dr.-Ing. Denis Dontsov, SIOS Messtechnik GmbH, Ilmenau
Begründet durch das interferometrische Messprinzip sind die Messergebnisse auf internationale Längennormale rückführbar. Der bisherige Hauptnachteil in industriellen Anwendungen der Homodyninterferometer war die erforderliche hohe Reflektivität der Messoberfläche. Das im Folgenden vorgestellte laserinterferometrische Vibrometer eignet sich für hochpräzise berührungslose Schwingungsmessungen auf Oberflächen industrieller Qualität. Das Messsystem erlaubt die punktgenaue Antastung der Messoberfläche, ohne dass das Messobjekt besonders präpariert werden muss und zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit, großen Messbereich und weiten Frequenzgang aus.
Grundlagen
Das Konzept des Laserinterferometers basiert auf der Teilung eines kohärenten Lichtstrahls in zwei optische Teilstrahlen, einen Referenz- und einen Messstrahl. 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 abhängig vom zurückgelegten Weg. Die resultierenden Interferenzmuster werden durch die Streifenanzahl, den Streifenabstand und die Amplitudenverteilung charakterisiert.
Das hier beschriebene Messsystem ist ein modifiziertes Michelson-Interferometer für die berührungslose Schwingungsmessung. Durch die Reflexion des Messstrahls an einer industriell rauen Oberfläche findet eine Mehrfachbeugung statt, die zur Bildung eines sogenannten Speckle-Musters auf der Messoberfläche führt. Die Überlagerung des Speckle-Musters mit dem Referenzstrahl erzeugt in jedem einzelnen Speckle das gleiche Interferenzmuster, das bei der Überlagerung zweier Planwellen entstehen würde. Das beste Signal-Rausch-Verhältnis erreicht man also mit einem Interferometeraufbau, bei dem nur ein Speckle ausgewertet wird. Dieses wird durch den konstruktiven Aufbau des Sensorkopfes gewährleistet.
Die Intensitätsverteilung der Überlagerung des Referenzstrahls mit einem Speckle kann folgendermaßen beschrieben werden:
wobei Iref und dref die Intensität und die Phase des Referenzstrahls und IS und dS entsprechend die Intensität und die Phase des Speckles darstellen. Die Phasendifferenz ist proportional zur Verschiebung des Messobjektes und stellt hiermit die Messgröße dar.
Konzeption des Messsystems
Der Sensorkopf des laserinterferometrischen Vibrometers ist lichtwellenleitergekoppelt. Dadurch wird eine sehr kleine Baugröße erreicht und die Wärmequellen werden aus dem Sensorkopf eliminiert.
Die Verarbeitung der Interferometersignale erfolgt in einer Datenverarbeitungseinheit mit einem speziellen Mikroprozessor zur Steuerung der Signalparameter und des Referenzspiegels. Die Parameter der Schwingung des Messobjektes werden mit Hilfe eines schnellen programmierbaren Logikschaltkreises erfasst. Dadurch können sehr kleine Schwingungsamplituden mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden. Mit dem Messsystem werden Schwingungen mit Amplituden im Subnanometer-Bereich mit einer Auflösung von 0,3 nm erfasst.
Die Datenaufnahme kann mit externen Ereignissen synchronisiert werden. Das wird durch einen Triggereingang der Hochgeschwindigkeitsauswertekarte realisiert. Die Verzögerungszeit des Triggereingangs ist extrem klein, deshalb können mit dem Messsystem auch die Phasengänge eines Objektes bei einer bekannten Anregung gemessen werden.
Die Datenverarbeitungseinheit verfügt zusätzlich über einen speziellen analogen Ausgang, der eine dem Messweg proportionale Spannung liefert und an einen externen Signalanalysator zur Beurteilung der spektralen Parameter der Schwingung angeschlossen werden kann. Durch einen „Set-to-zero“-Eingang kann die Ausgangsspannung zurückgesetzt werden, um die Drift des Messaufbaus in einem geschlossenen bzw. automatisierten Messkreis zu eliminieren. Bei der analogen, kontinuierlichen Datenausgabe können 7 Wegmessbereiche mit 16 Bit Auflösung bei Ausgangsamplituden bis ± 3 V ausgewählt werden. Die Taktfrequenz der Wandler beträgt 10 MHz. Es können somit Frequenzen bis 150 kHz verzerrungsfrei ausgegeben werden.
Das entwickelte Messsystem kann für Schwingungsmessungen an Objektoberflächen beliebiger Rauheit eingesetzt werden, wobei der Reflexionsgrad mindestens 5×10–4 betragen muss. Der Arbeitsabstand wird durch die Wahl der Fokuslinse im Messstrahl definiert. Der maximal mögliche Fokussierabstand von 480 mm ermöglicht die Messung von Schwingungsamplituden bis ± 20 mm bei gut reflektierenden Oberflächen. Die Spektralanalyse der Messbewegung kann in einem Bereich von 0 bis 500 kHz erfolgen. Die mitgelieferte Auswertesoftware bietet die Möglichkeit der Darstellung der Messergebnisse, der Nachbearbeitung und der Spektralanalyse.
Anwendungen
Anwendungen für laserinterferometrische Vibrometer gibt es in allen Bereichen, in denen mechanische Schwingungen berührungslos analysiert und gemessen werden müssen. Auch die Ermittlung von Schwingungsspektren, die Bestimmung von Eigenfrequenzen und Schwingungsformen ist möglich. Mit Hilfe von Mehrfachsystemen können Mehrkoordinatenmessungen ebenso wie Differenzmessungen durchgeführt werden.
Die hohe Auflösung des Messsystems, verbunden mit den Anforderungen an den breiten Frequenzmessbereich lässt sich gut an der folgenden Applikation zeigen.
Es wurde die Eigenfrequenz und die dazugehörige Schwingungsamplitude einer dünnen Piezofolie (70 µm) bestimmt. Den Aufbau zur Messung der Resonanzfrequenz zeigt Abbildung 3.
Die Piezofolie wird durch einen digitalen Signalgenerator angeregt. Die Änderungen der Foliendicke werden mit Hilfe des laserinterferometrischen Vibrometers gemessen. Die gesamte Messprozedur wird von einem PC gesteuert. Zur Eliminierung der niederfrequenten Einflüsse auf das Messergebnis und zur Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses werden digitale Filter in der Software verwendet.
Nach jeder Änderung der Anregungsfrequenz wurde die Schwingungsamplitude gemessen. Die Ermittlung der Schwingungsamplituden erfolgte mit Hilfe einer FFT-Transformation und mit schmalbandigen frequenzabhängigen digitalen Filtern.
Abbildung 4 zeigt das Ergebnis der Messungen. Die Resonanzfrequenz von 310 kHz mit einer Amplitude von 19 nm ist deutlich erkennbar.
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. Damit wird es zu einem wichtigen Messmittel in der Qualitätssicherung und Forschung.
Literatur
[1] G.Jäger: “Lasernanomesstechnik – Möglichkeiten, Grenzen und Anwendungen in der modernen Gerätetechnik“, 44th International Scientific Colloquium, TU Ilmenau September 20 – 23, 1999
[2] H.Büchner, G.Jäger: “Interferometrisches Meßverfahren zur berührungslosen und quasi punktförmigen Antastung von Meßoberflächen”, Technisches Messen 59 (1992) 2. pp. 43–47
[3] D.Dontsov, G.Jäger, H.-J.Büchner, U.Gerhard: „Homodyne fiber coupled laser vibrometer“, EUSPEN conference , Aachen, 2003
[4] D.Dontsov, W.Schott, G.Jäger, H.-J.Büchner, U.Gerhard: „Fiber-coupled homodyne interferometer for vibration analysis“, Optatec conference, Frankfurt/M., 2004
SIOS Messtechnik, Ilmenau
QE 526
<fliesstext_kennziffer> <tlink type=“url“ dest=“<a href="http://www.sios.de“ target=“_blank“ title=“http://www.sios.de„>http://www.sios.de“ newtarget=““>www.sios.de</tlink></fliesstext_kennziffer>
Unsere Whitepaper-Empfehlung
Im GRATIS-Whitepaper finden Sie Tipps für die Optimierung der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien – von der Optimierung einzelner Prozessschritte bis zum Gesamtprozess mit Smart Manufacturing. So erhöhen Sie die Qualität, verkürzen Prozesszeiten, verringern die Betriebskosten…
Teilen:
