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Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Anordnung.
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Die Messung mehrdimensionaler Bewegungen ist im Bereich der Schwingungsanalyse von großer Bedeutung und insbesondere im Zusammenhang mit der Betriebsschwingungsanalyse und der Modalanalyse von hohem Interesse. Zur Würdigung des Standes der Technik auf dem Gebiet der flächenhaften, laseroptischen Messung mehrdimensionaler Schwingungen soll nachstehend auf zwei Lösungen eingegangen werden.
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Das System CLV-3D des Herstellers Polytec GmbH (76337 Waldbronn, Deutschland) umfasst ein 3D-Laser-Vibrometer in Kombination mit einer mechanischen Verfahreinheit (siehe auch
EP 1 431 740 B1 ). Ein 3D-Laser-Vibrometer ermöglicht die Messung dreidimensionaler Schwingungen an einem Punkt eines Messobjektes. Dazu werden drei Laserstrahlen aus verschiedenen Raumrichtungen auf einen Messobjektpunkt fokussiert. Durch die drei Messstrahlen werden die Geschwindigkeitskomponenten des Messobjektes an dem Punkt jeweils in Strahlrichtung bestimmt, welche im Anschluss durch Nutzung der bekannten Winkel der Strahlen zur Messobjektnormalen in die Geschwindigkeitskomponenten im kartesischen Koordinatensystem überführt werden können.
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Zur flächenhaften Messung kann ein derartiges 3D-Laser-Vibrometer auf einer mechanischen Verfahreinheit montiert werden. Zwischen den Messungen an den verschiedenen Messpunkten wird das Laservibrometer durch die Verfahreinheit bewegt um nacheinander definierte Messobjektpunkte abzutasten.
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Theoretisch kann mit diesem Verfahren auch an großen Messobjekten gemessen werden, in der Praxis sind jedoch die Verfahrwege der mechanischen Verfahreinrichtungen begrenzt. Auch die Genauigkeit ist durch das mechanische Verfahren des Vibrometers eingeschränkt und das Bewegen des 3D-Laser-Vibrometers führt zu einer erhöhten Messdauer.
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Das System PSV400-3D (ebenfalls Polytec) umfasst drei Laser-Scanning-Vibrometer mit je einem Laser-Messstrahl, welche aus drei Richtungen auf einen Messobjektpunkt fokussiert werden. Bei einem Laser-Scanning-Vibrometer handelt es sich um ein Laser-Vibrometer, welches eine Scanvorrichtung aufweist, mittels derer der jeweilige Laser-Messstrahl in zwei Richtungen ablenkbar ist und somit eindimensionale Messungen flächenhaft durchführbar sind.
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Durch die Verwendung von drei einzelnen Laser-Scanning-Vibrometern ist es möglich, dreidimensionale Schwingungen flächenhaft zu messen. Das Abtasten der Fläche geschieht über die Scaneinrichtung der Laser-Scanning-Vibrometer. Durch die bekannten Winkel können aus den Messergebnissen die Geschwindigkeitskomponenten im kartesischen Koordinatensystem berechnet werden. Da bei diesem Aufbau drei Laser-Scanning-Vibrometer zum Einsatz kommen, ist dieses Verfahren sehr kostenintensiv. Des Weiteren ist der Raumbedarf groß, da die drei Laser-Scanning-Vibrometer räumlich um das Messobjekt herum angeordnet werden müssen. Auch die Ausrichtung der drei Laser-Scanning-Vibrometer zueinander erfordert einen gewissen Aufwand und wird beispielsweise durch ein Stativ oder einen Roboterarm realisiert.
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Das Messprinzip eines solchen Vibrometers beruht darauf, dass ein Laserstrahl des Vibrometers intern in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl aufgeteilt wird, wobei der Referenzstrahl direkt auf einen Licht-Sensor trifft. Der Messstrahl trifft einen Messpunkt am Messobjekt und wird dort reflektiert und/oder gestreut. Das reflektierte und/oder gestreute Licht hat je nach Schwingung der Oberfläche im Messpunkt eine zum Referenzstrahl unterschiedliche Phase und/oder Wellenlänge. Durch Überlagerung des Referenzstrahls mit dem reflektierten/gestreuten Licht (ggfs. nach einer Kollimation) auf dem Lichtsensor kann diese Information anhand des Interferenzsignals ausgewertet werden.
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Gegenüber dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, welche mit einem einzigen Vibrometer auskommt und auf eine mechanische Verfahreinheit hierfür verzichtet. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Anordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Es wird eine Anordnung zur mehrdimensionalen Messung von Schwingungen eines Objektes vorgeschlagen, umfassend ein Vibrometer und eine erste Ablenkeinheit, mittels derer der Messstrahl des Vibrometers in wenigstens zwei erste Raumrichtungen ablenkbar ist, sowie wenigstens eine zweite Ablenkeinheit, mittels welcher der aus einer der wenigstens zwei ersten Raumrichtungen eintreffende Messstrahl derart ablenkbar ist, dass ein, bevorzugt ein und derselbe Messpunkt des Objekts aus einer ersten Raumrichtung und wenigstens einer zweiten Raumrichtung oder wenigstens zwei zweiten Raumrichtungen damit erfassbar ist.
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Verfahrensgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß des Anspruchs 5 gelöst. Der Messstrahl eines Vibrometers wird in wenigstens zwei erste Raumrichtungen z. B. mit einer ersten Ablenkeinheit abgelenkt, woraufhin wenigstens ein Messstrahl einer ersten Raumrichtung, z. B. der aus einer der wenigstens zwei ersten Raumrichtungen auf eine zweite Ablenkeinheit eintreffende Messstrahl derart abgelenkt wird, dass ein, bevorzugt ein und derselbe Messpunkt des Objekts aus einer ersten Raumrichtung und wenigstens einer zweiten Raumrichtung oder wenigstens zwei zweiten Raumrichtungen mit dem Messstrahl erfasst wird, insbesondere so, dass die zu untersuchenden Bewegungskomponenten in den Messsignalen, welche entlang der ersten und zweiten Raumrichtungen gewonnen werden, enthalten sind.
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Mit einem Messstrahl „erfassbar” bzw. „erfassen” bedeutet hier bevorzugt, dass der Messpunkt durch den jeweiligen Laser-Messstrahl beleuchtet und dass das von dem Messpunkt reflektierte Laserlicht mit dem Vibrometer empfangen werden kann. Hierbei erfolgen Beleuchtung des Messpunktes und Empfang des reflektierten Licht über denselben Lichtweg, d. h. ggfs über eine zweite Ablenkeinheit.
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Gegenüber dem ersten eingangs genannten Stand der Technik benötigt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Anordnung keine mechanische Verfahreinheit. Neben den Kostenvorteilen weist die erfindungsgemäße Lösung eine höhere Genauigkeit auf, da keine mechanischen Toleranzen einer Verfahreinheit ins Gewicht fallen. Zudem ergeben sich durch das Entfallen der Verfahreinheit kürzere Messzeiten.
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Gegenüber dem zweiten eingangs genannten Stand der Technik wird anstelle dreier Laser-Scanning-Vibrometer lediglich eine Messeinheit verwendet. Hieraus ergibt sich ein deutlicher Kostenvorteil. Des Weiteren ist der Raumbedarf erheblich geringer, da nicht drei Messeinheiten räumlich um das Messobjekt angeordnet werden müssen. Auch entfällt der Aufwand der Ausrichtung dreier Messeinheiten zueinander.
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Wird die erste Ablenkeinheit als Abtasteinheit (wie z. B. die Scanvorrichtungen bei Laser-Scanning-Vibrometern) ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Anordnung mehrdimensionale Schwingungen eines Messobjektes flächenhaft erfassen, ohne dass ein mechanisches Verfahren der Messeinheit nötig ist.
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Ein weiterer Vorteil ist dadurch gegeben, dass z. B. keine Modifikationen an bestehenden Laser-Scanning-Vibrometern nötig sind, da das System lediglich durch wenigstens eine zweite Ablenkeinheit erweitert wird. Somit kann in bevorzugter Ausführung eine erste Ablenkeinheit im Vibrometer integriert sein und wenigstens eine zweite Ablenkeinheit extern zu diesem angeordnet sein.
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Wird die Anordnung bzw. das Verfahren so betrieben, dass ein Messpunkt aus einer ersten Raumrichtung und einer zweiten Raumrichtung nach einer zweiten Ablenkung beleuchtet wird, so erfolgt die zweite Ablenkung so, dass die Ebene, in welcher die zweite Ablenkung des Messstrahls mittels der zweiten Ablenkeinheit erfolgt, den Messstrahl der ersten Raumrichtung umfasst.
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Erfolgt weiterhin eine Ablenkung eines Messtrahls aus einer ersten Raumrichtung in eine zweite Raumrichtungen und aus einer anderen ersten Raumrichtung in eine andere zweite Raumrichtung jeweils zu dem selben Messpunkt, so erfolgt dies bevorzugt so, dass die Ebene, in welcher die eine der zweiten Ablenkung erfolgt senkrecht orientiert ist zu der Ebene in welcher die andere der zweiten Ablenkung erfolgt. Bevorzugt schneiden sich diese Ebenen in einer Linie, welche einen Messstrahl einer ersten Raumrichtung repräsentiert.
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Um in den jeweiligen zweiten Ablenkeinheiten die Ablenkung des Messstrahls aus den jeweiligen ersten Richtungen vorzunehmen, kann eine solche zweite Ablenkeinheit z. B. Spiegel umfassen, die mit einer Aktorik einstellbar sind, um den Messtrahl aus der jeweiligen zweiten Raumrichtung auf einen Messpunkt treffen zu lassen, insbesondere denselben Messpunkt der auch aus einer ersten oder eine weiteren zweiten Richtung beleuchtet wird/wurde bzw. erfassbar ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus den nachfolgenden rein beispielhaften und nichtbeschränkenden Beschreibungen vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Sie umfasst ein Vibrometer 2 und eine erste Ablenkeinheit 3, mittels derer der Messstrahl des Vibrometers 2 in wenigstens zwei, hier konkret drei erste Raumrichtungen 4, 5 und 6 ablenkbar ist, sowie wenigstens eine zweite, hier konkret zwei zweite Ablenkeinheiten 7, 8, mittels welcher der aus einer der wenigstens zwei ersten Raumrichtungen 4, 5, 6 auf die jeweilige Ablenkeinheit eintreffende Messstrahl derart ablenkbar ist, dass ein Messpunkt 9 des Objekts 1 aus einer ersten Raumrichtung 5 und wenigstens einer zweiten Raumrichtung (4', 6' oder wenigstens zwei zweiten Raumrichtungen 4', 6' mit einem Messstrahl erfassbar ist, d. h. mit einem dieser Messstrahlen beleuchtbar ist und das vom Messpunkt zum Vibrometer zurückreflektierte Licht mit dem Vibrometer erfassbar ist.
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Der Messstrahl muss dabei derart umgelenkt werden, dass die zu untersuchende Bewegungskomponente mit dem Messstrahl erfasst werden kann. Die y-Komponente kann z. B. gemäß 1 direkt aus der ersten Richtung 5 erfasst werden. Die Erfindung ist auf die direkte Erfassung der y-Komponente aus der ersten Richtung 5 nicht beschränkt. Die y-Komponente ist grundsätzlich auch mit einem Messstrahl erfassbar, der über eine weitere Ablenkeinheit 7, 8 aus seiner vorherigen ersten Raumrichtung in eine zweite Raumrichtung abgelenkt ist.
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Soll mit der Anordnung gemäß 1 zusätzlich zur y-Komponente die x-Komponente erfasst werden, so kann anschließend eine Ablenkung des Messstrahls über die Ablenkeinheit 7 derart erfolgen, dass der vom Vibrometer zunächst in die erste Raumrichtung 4 abgelenkte Messstrahl nach der Ablenkeinheit 7 aus der zweiten Raumrichtung 4' auf denselben Messpunkt 9 trifft.
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Soll die z-Komponente erfasst werden, so kann in analoger Weise eine Ablenkung des zunächst vom Vibrometer in die erste Raumrichtung 6 abgelenkten Messtrahls über die Ablenkeinheit 8 in die Raumrichtung 6' erfolgen, um aus dieser Raumrichtung 6' auf denselben Messpunkt 9 zu treffen.
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Gemäß 1 kann über die Ablenkeinheit 8 nicht die x-Komponente und über die Ablenkeinheit 7 nicht die z-Komponente erfasst werden. Darauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Insgesamt muss die Ablenkung des Messstrahls und mithin die Anordnung der Ablenkeinheiten 7, 8 derart erfolgen, dass die zu untersuchenden Bewegungskomponenten in den Messsignalen, welche entlang der ersten und zweiten Raumrichtungen 4, 5, 6, 4', 6' gewonnen werden, enthalten sind. Dies kann beispielsweise auch gewährleistet werden, indem die Anordnung der Ablenkeinheiten 7, 8 in einem geeigneten Winkel um die durch die erste Raumrichtung 5 definierte Achse gedreht wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist – wie vorstehend erwähnt – vorgesehen, die erste Ablenkeinheit 3 als Abtasteinheit auszuführen, um eine Mehrzahl von Messpunkten 9 flächenhaft zu erfassen. Besonders vorteilhaft ist, das Vibrometer 2 als Laser-Scanning-Vibrometer auszuführen, welches bereits eine Scaneinrichtung aufweist, die eine solche Abtasteinheit ausbilden kann. Alternativ kann aber auch ein Vibrometer ohne Scaneinrichtung um eine solche Scan- bzw. Abtasteinheit erweitert werden.
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Bei Messungen an unebenen Oberflächen kann eine Nachstellung des Fokus des Messstrahls notwendig sein, wenn einige Messpunkte einen anderen Abstand zum Vibrometer haben als die anderen Messpunkte. Um eine hohe Signalqualität bei allen Messpunkten gewährleisten zu können, ist in diesem Fall der Fokus des Messstrahls nachzujustieren.
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Dazu muss zunächst erkannt werden, wann eine Nachjustierung nötig ist. Hierzu ist in einer bevorzugten Weiterbildung ein Messmittel vorgesehen, das beispielhaft die Qualität der Messsignale als Maß für die Fokusqualität ermittelt. Hiermit in Wirkverbindung steht eine Aktorik, welche die Fokussierung des Messstrahls erforderlichenfalls nachjustiert. Wird ein Scanning-Laser-Vibrometer verwendet, so kann der Fokus mittels der integrierten Aktorik nachjustiert werden. Bei Verwendung eines Vibrometers mit manueller Fokussierung müsste die Messeinheit ggf. um eine Aktorik oder eine zusätzliche Fokussierungseinrichtung erweitert werden.
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Die Ablenkeinheiten 7, 8 können als einfache Spiegel, bevorzugt ansteuerbar bewegliche Spiegel ausgeführt sein, die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind zusätzliche, ggfs. auch ansteuerbare Spiegel, bzw. Ablenkeinheiten vorgesehen, mittels derer an nicht direkt zugänglichen Stellen gemessen wird. Eine beispielhafte Anordnung ist in 2 dargestellt, in welcher der Messstrahl über die Spiegel 7 und 7' um das Hindernis 10 herum auf das Messobjekt 1 fokussiert wird.
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In weiterhin vorteilhafter Weiterbildung lässt sich mit zusätzlichen Spiegeln auch der von dem Vibrometer abtastbare Bereich erweitern, um große Messobjekte abzutasten. Die 3 zeigt einen derartigen Aufbau. Ohne zusätzliche Spiegel ist durch den begrenzten Winkelbereich 11 des Variometers 2 maximal der Messpunkt 9 zu erreichen. Durch zusätzliche Spiegel 12, 12' kann der Messstrahl den Messpunkt 9' erreichen und somit einen weiteren Bereich abtasten.
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Anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels soll das Zusammenwirken der Vorrichtungs- und Verfahrensmerkmale der Erfindung abschließend noch einmal erläutert werden.
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Es wird ein Vibrometer 2, welches bevorzugt als Laser-Scanning-Vibrometer ausgestaltet ist, in Verbindung mit einer einzelnen zweiten Ablenkeinheit 7, 8, welche als einzelner Spiegel ausgestaltet ist, verwendet. Das Laser-Scanning-Vibrometer wird derart platziert, dass sowohl direkte Messungen als auch Messungen über den zusätzlichen Spiegel durchführbar sind. Gemäß 4 wird ein Netz von Messpunkten 9 direkt auf dem Messobjekt 1 und ein weiteres Netz von Messpunkten 9' auf dem Spiegelbild des Messobjektes 1' definiert. Bevorzugt definieren die Messpunkte 9' auf dem Spiegelbild dieselben Messpunkte 9 des ungespiegelten Objekts.
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Das Netz auf dem Spiegelbild ist, abhängig vom Winkel des Spiegels zur Messobjektnormalen β, um einen Faktor gestaucht. Die Draufsicht und die Frontansicht von Messobjekt und Spiegel mit den entsprechenden Winkeln sind in 5a bzw in 5b zu betrachten. Das Verhältnis der Breite/des Spiegelbildes zur Breite W des Messobjektes wird durch die Formel 1 beschrieben. Damit ist der Faktor, um den das Netz auf dem Speigelbild gestaucht werden muss, bekannt.
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Formel 1: Verhältnis Spiegelbildbreite zu Objektbreite
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/ IW = cos(2β)
- Hierin bedeuten:
- I
- = Breite des Spiegelbildes
- W
- = Breite des Messobjektes
- β
- = Winkel des Spiegels zur Messobjektnormalen (0.5τ)
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Das Laser-Scanning-Vibrometer wird nun wie bei eindimensionalen Messungen verwendet und scannt die vordefinierten Messpunkte
9,
9' der Netze ab. Die Messergebnisse (Geschwindigkeitsamplitude und Phase zum Referenzsignal) werden für jeden Punkt
9,
9' der definierten Netze gespeichert. Zusätzlich werden auch die Koordinaten der Messpunkte
9,
9' gespeichert, so dass bekannt ist, welche gemessenen Geschwindigkeitskomponenten zu einem Messpunkt auf dem Messobjekt gehören. Die Umrechnung der gemessenen Geschwindigkeitskomponenten in die Geschwindigkeitskomponenten im kartesischen Koordinatensystem erfolgt mit Hilfe der in Formel 2 beschriebenen Zusammenhänge. Formel 2: Umrechnung der gemessenen Geschwindigkeitskomponenten in kartesische Koordinaten
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Hierin bedeuten:
- |Vx,y,z|
- = Geschwindigkeitskomponente in X, Y, Z Richtung
- |Vd,h,v|
- = Geschwindigkeitsamplituden direkt, von einem horizontal angeordneten und von einem vertikal angeordneten Spiegel
- Φx,y,z,d,h,v
- = Phase der Geschwindigkeitskomponenten bezogen auf die direkt gemessene Komponente
- β
- = Winkel des Spiegels zur Objektnormalen
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Da die Geschwindigkeitssignale phasenverschoben sein können, muss auch die Phase bei der Transformation berücksichtigt werden. Als Referenz wird dabei das Signal der direkten Messung verwendet. Die in Formel 2 dargestellte Transformation ist für Messungen mit zwei zweiten Umlenkeinheiten bzw. Spiegeln 7, 8 gültig. Wird nur ein zusätzlicher Spiegel verwendet, entfällt eine Komponente.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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