DE19548158C2

DE19548158C2 - Device for the contactless measurement of surface vibrations

Info

Publication number: DE19548158C2
Application number: DE1995148158
Authority: DE
Inventors: Martin Sellhorst; Stefan Seiwert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2015-12-23
Also published as: DE19548158A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Oberflächenschwingungen eines Meßobjekts unter Verwendung eines Laser-Doppler-Vibrometers.The invention relates to a device for the contactless measurement of Surface vibrations of a measurement object using a Laser Doppler vibrometer.

Vorrichtungen zum berührungslosen Erfassen von Oberflächenschwingungen meist mechanischer Objekte mittels eines Laser-Doppler-Vibrometers sind an sich bekannt. So ist aus der DE-OS 31 13 089 ein Meßkopf für ein Laser-Doppler-Vibrometer vorbekannt. Der Meßkopf nach der DE-OS 31 13 089 ist mit einem Laser ausgestattet, einem im Laserstrahl angeordneten Strahlteiler und einer Braggzelle als Frequenzshifter zur Gewinnung sowohl eines Primärstrahls gleicher Frequenz, der auf das Objekt über einen Phasenschieber, der auch von der vom Objekt zurückgestrahlten Strahlung durchsetzt wird, und eine Optik auf das Objekt fokussiert wird, als auch eines gegenüber dem Primärstrahl frequenzverschobenen Vergleichsstrahls. Ferner ist ein weiterer Strahlteiler zur Überlagerung der mittels eines polarisationsselektiven Strahlteilers vom Primärstrahl getrennten rückgestreuten Strahlung und des Vergleichsstrahls vorgesehen. Der Meßkopf ist mit einer Photoelektronik zur Ermittlung der Schwebungsfrequenz der Intensität der resultierenden Strahlung ausgestattet. Die Braggzelle ist dabei unmittelbar hinter dem Laser angeordnet, sie bildet zugleich den Strahlteiler und ihre Steuerspannung wird so gewählt, daß im weiteren Strahlteiler die rückgestreute Strahlung und der Vergleichsstrahl etwa intensitätsgleich sind. Die Braggzelle wird bei dem Gegenstand der DE-OS 31 13 089 als Strahlteiler eingesetzt. Alle Bestandteile des Meßkopfes gemäß der DE-OS 31 13 089 sind auf einer starren Grundplatte fest montiert, das gesamte Laservibrometer ist also bei dem Gegenstand der DE-OS 31 13 089 mit der Auswerteelektronik direkt im Meßkopf untergebracht. Der Meßkopf wird dadurch sehr voluminös und schwer. Die Abmessungen eines derartigen Vibrometerkopfes liegen in dem Bereich von 0,1 × 0,2 × 0,4 Metern und sein Gewicht liegt in der Größenordnung von 5 bis 6 Kilogramm. Sollen die Oberflächenschwingungen des Objekts mehrdimensional erfaßt werden, so ist es erforderlich, mehrere dieser Meßköpfe gleichzeitig auf den zu untersuchenden Meßpunkt des Objekts zu richten. Die in der DE-OS 31 13 089 vorbekannten Meßköpfe lassen sich aufgrund ihrer Größe in beengten Raum- und Platzverhältnissen für eine Mehrfachanordnung zur Ermittlung der Oberflächenschwingungen aus verschiedenen räumlichen Dimensionen praktisch nicht verwenden.Devices for contactless detection of Surface vibrations of mostly mechanical objects using a Laser Doppler vibrometers are known per se. So from DE-OS 31st 13 089 a measuring head for a laser Doppler vibrometer previously known. Of the Measuring head according to DE-OS 31 13 089 is equipped with a laser, a beam splitter arranged in the laser beam and a Bragg cell as Frequency shifter for obtaining both a primary beam of the same type Frequency on the object via a phase shifter, which is also from the radiation reflected by the object is penetrated, and optics is focused on the object, as well as one against the primary beam frequency shifted comparison beam. Another beam splitter for superimposing the beam splitter by means of a polarization selective Primary beam separated backscattered radiation and the comparison beam intended. The measuring head is equipped with photoelectronics to determine the Beat frequency of the intensity of the resulting radiation fitted. The Bragg cell is directly behind the laser arranged, it also forms the beam splitter and its control voltage is chosen so that the backscattered radiation in the further beam splitter and the comparison beam are approximately equal in intensity. The Bragg cell is at the subject of DE-OS 31 13 089 used as a beam splitter. All Components of the measuring head according to DE-OS 31 13 089 are on one rigid base plate permanently mounted, so the entire laser vibrometer is included the subject of DE-OS 31 13 089 with the evaluation electronics directly housed in the measuring head. This makes the measuring head very voluminous and heavy. The dimensions of such a vibrometer head are in the Area of 0.1 × 0.2 × 0.4 meters and its weight is in the The order of 5 to 6 kilograms. Should they Surface vibrations of the object can be recorded multidimensionally, so it is necessary to simultaneously move several of these measuring heads towards the to examine the measuring point of the object. The in DE-OS 31 13th 089 previously known measuring heads can be cramped due to their size Space and space for a multiple arrangement to determine of surface vibrations from different spatial dimensions practically do not use.

Um den zur Messung der Oberflächenschwingungen des Objektes dienenden Meßkopf klein und leichter handhabbar zu erhalten ist es bekannt, den Laserstrahl zur Beleuchtung des Objektes über Lichtwellenleiter zum Objekt zu führen. Aus der DE-OS 29 45 229 ist eine Einrichtung zur berührungslosen Schwingungsmessung mit Hilfe des Laserdopplereffektes bekannt. Bei der Einrichtung gemäß DE-OS 29 45 229 wird der Laserstrahl auf die eine Endfläche und das Zentrum des Faserkerns einer Lichtleitfaser fokussiert. Die Lichtleitfaser transponiert den Fokuspunkt zu ihrer anderen Endfläche, von der das Laserlicht auf das Prüfobjekt fokussiert ist. Das vom Objekt reflektierte Licht wird auf den Lichtaustrittspunkt der objektseitigen Endfläche der Lichtleitfaser fokussiert und durch die Lichtleitfaser zur meßeinrichtungsseitigen Endfläche der Lichtleitfaser zurückgeleitet. Dort tritt das reflektierte Licht aus und wird zur bekannten Weiterverarbeitung einer Meßeinrichtung zugeführt. Bei der Einrichtung gemäß DE-OS 29 45 229 wird als Lichtleitfaser eine Monomodefaser verwendet. Der Laserstrahl ist dabei derart auf die Eintrittsendfläche der Lichtleitfaser fokussiert, daß alle einfallenden Strahlen des Fokussierkegels mit der Achse der Lichtleitfaser einen kleinen Winkel bilden. Dieser kleine Winkel zur Lichtleiterfaserachse ist deshalb erforderlich, daß wenigstens der starke Grundmode in der Lichtleitfaser mit ausreichender Amplitude angeregt wird. Die Monomode-Lichtleitfaser hat in etwa einen Außendurchmesser von 100 µm und einen Faserkern mit einem Durchmesser von etwa 1-5 µm. Deshalb tritt das Laserlicht an der objektseitigen Endfläche annähernd punktförmig aus. Das austretende Licht wird mittels einer Linse auf die Oberfläche eines zu untersuchenden Objektes fokussiert und von dieser diffus reflektiert, wobei jedoch nur ein Teil des vom Objekt reflektierten Lichtes wieder auf den Austrittspunkt der Endfläche der Lichtleitfaser gelangt und zurückgeleitet werden kann. Das vom Objekt reflektierte Licht wird über den selben Monomode- Lichtwellenleiter zum Interferometer zurückgeführt. Diese Monomode- Lichtwellenleiter besitzen wie geschildert nur einen geringen Kerndurchmesser im Bereich einiger Mikrometer und deshalb kommt es bei der Einkopplung des vom Objekt zurückgestrahlten Lichtes in den Monomode-Lichtwellenleiter zu Verlusten von mehr als 20-30%. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Laser-Doppler-Vibrometers erheblich reduziert und in der Praxis verwertbare Messungen sind deshalb nur bei gutem Refleflexionsvermögen der Oberfläche des Objektes und bei kleinen Einstrahlwinkeln bezüglich der Oberflächennormalen im Objektmeßpunkt möglich. Durch die Herabsetzung der Empfindlichkeit eines Laser-Doppler- Vibrometers mit Monomode-Lichtwellenleiter zur Hin- und Rückleitung des Laserlichtes werden die Einsatzmöglichkeiten des Meßgerätes erheblich reduziert. Bei dem Gegenstand der DE-OS 29 45 229 findet die Interferenz des Referenzstrahles mit dem vom Objekt reflektierten Lichtsignal erst in der Auswerteeinheit statt, das heißt, daß das reflektierte Lichtsignal vom Objekt wieder durch den Monomode-Lichtwellenleiter zu der Auswerteeinheit zurückgeführt werden muß. Dies ist erforderlich, um die räumliche Kohärenz des reflektierten Lichtes bis zur Auswerteeinheit erhalten zu können.To measure the surface vibrations of the object serving measuring head is small and easier to maintain known to use the laser beam to illuminate the object Guide fiber to the object. From DE-OS 29 45 229 is one Device for non-contact vibration measurement using the Laser Doppler effect known. In the device according to DE-OS 29 45 229 the laser beam is applied to one end face and the center of the Fiber core of an optical fiber focused. The optical fiber transposes the Focal point to its other end surface from which the laser light onto the Test object is focused. The light reflected by the object is directed onto the Focused light exit point of the object-side end face of the optical fiber and through the optical fiber to the end face of the measuring device Optical fiber returned. There the reflected light emerges and becomes fed to a measuring device for the known further processing. In the Device according to DE-OS 29 45 229 is an optical fiber Single mode fiber used. The laser beam is so on the Entry end face of the optical fiber focuses that all incident Beam the focusing cone with the axis of the optical fiber a small Form an angle. This small angle to the fiber optic axis is therefore required that at least the strong basic mode in the optical fiber with sufficient amplitude is excited. The single mode optical fiber has in about an outer diameter of 100 microns and a fiber core with a Diameter of about 1-5 µm. Therefore, the laser light comes on object-side end surface approximately punctiform. The emerging light is applied to the surface of a subject by means of a lens Object focused and diffusely reflected by this, but only one Part of the light reflected by the object back to the exit point of the End face of the optical fiber arrives and can be returned. The light reflected from the object is transmitted via the same single-mode Optical fiber returned to the interferometer. This monomode As described, optical fibers have only a small number Core diameter in the range of a few micrometers and therefore it comes with the coupling of the light reflected back from the object into the Single-mode optical fiber for losses of more than 20-30%. Thereby the sensitivity of the laser Doppler vibrometer is significantly reduced and measurements that can be used in practice are therefore only good Reflectivity of the surface of the object and small ones Angle of incidence with respect to the surface normal at the object measuring point possible. By reducing the sensitivity of a laser Doppler Vibrometer with single-mode fiber optic cable for forwarding and returning the Laser light, the possible uses of the measuring device are considerable reduced. In the subject of DE-OS 29 45 229 the interference takes place of the reference beam with the light signal reflected from the object only in the evaluation unit instead, that is, the reflected light signal from the object again through the single-mode optical fiber to the evaluation unit must be returned. This is necessary to ensure spatial coherence of the reflected light up to the evaluation unit.

Aus der DE-PS 41 06 572 C2 ist ein Vorrichtung zum berührungslosen Messen von Objektschwingungen mit einem Laserstrahl vorbekannt. Die bekannte Vorrichtung arbeitet auf der Basis des Doppler- Effektes mit einem Laserstrahl, der mit einer die Einstrahlrichtung bestimmenden Strahlablenkeinrichtung nacheinander auf unterschiedliche Meßorte des Meßobjektes gerichtet ist, mit einem vom Meßobjekt herrührendes Streulicht des Laserstrahls aufnehmenden Meßkopf, der an einen das Streulicht empfangenden Empfänger angeschlossen ist, mit einem gegenüber dem Laserstrahl frequenzverschobenen Referenz-Laserstrahl, der in dem Empfänger dem Streulicht des Meßobjekts überlagert ist, mit einer die Relativ- Lage des Meßorts des Laserstrahls ermittelnden Ortsbestimmungseinrichtung und mit einer an den Empfänger angeschlossenen und Informationen der Ortsbestimmungseinrichtung über den Meßort aufnehmenden Auswertungseinrichtung. Der vom Meßobjekt reflektierte Objektstrahl wird einem im Meßkopf angeordneten Empfangsmodul als Teil eines Empfängers zugeleitet, wobei der Empfänger jeweils in den Meßköpfen angeordnet ist. Ein verstärktes elektrisches Signal wird der Auswerteeinheit zugeführt. Dazu ist es erforderlich, daß der Fotoempfänger im Empfangsmodul enthalten ist und dieses elktrische Signal verstärkt wird und zur Lichtwellenleitungsübertragung in ein optisches Signal umgewandelt wird. In dem Meßkopf gemäß DE-PS 41 06 572 befinden sich also elektrische oder elektronische Bauteile und Komponenten. Damit ist bei dem Gegenstand der DE-PS 41 06 572 der Meßkopf und die Auswerteeinheit bzw. das Laser-Doppler-Vibrometergehäuse nicht vollkommen galvanisch getrennt. Er beinhaltet die Nachteile, daß kein Maximum an EMV-Sicherheit bei dem Gegenstand der DE-PS 41 06 572 erreicht werden kann und auch die Oberflächenschwingungen des zu messenden Objekts bei dem Gegenstand der DE-PS 41 06 572 jederzeit durch Hochfrequenzabstrahlungen von Zuleitungen zum Meßkopf verfälscht und beeinflußt werden können. Auch der Einfluß von Temperatur und Luftfeuchtigkeit auf die in dem Meßkopf eingebaute Elektronik des Empfängers kann beim Gegenstand der DE-PS 41 06 572 nicht ausgeschaltet werden. Bei dem Gegenstand der DE-PS 41 06 572 folgt die Rückführung der aus der. Interferenz entstandenen Lichtsignale über Lichtwellenleiter, wobei jedoch nicht zwischen Multimode- und Monomodelichtwellenleiter unterschieden wird. Aus der DE-PS 41 06 572 ist es außerdem bekannt, zum Messen der in drei Raumrichtungen x, y, z erfolgenden und einem Meßort zugeordneten Bewegungen des Meßobjektes insgesamt drei Meßköpfe mit Beobachtungsrichtungen außerhalb der Achse der Einstrahlrichtung des einzigen Laserstrahls ortsfest anzuordnen.From DE-PS 41 06 572 C2 is a device for non-contact measurement of object vibrations with a laser beam. The known device works based on the Doppler Effect with a laser beam, the one with the beam direction determining beam deflecting device successively to different Measuring sites of the measuring object is directed, with one originating from the measuring object Scattered light of the laser beam receiving measuring head, which is attached to a Stray light receiving receiver is connected with one opposite the laser beam frequency-shifted reference laser beam which in the Receiver is superimposed on the scattered light of the measurement object, with a Location of the measuring location of the location determining device determining the laser beam and with a connected to the receiver and information of Location determining device via the measuring location Evaluation device. The object beam reflected by the measurement object becomes a receiving module arranged in the measuring head as part of a receiver supplied, the receiver being arranged in each of the measuring heads. A amplified electrical signal is fed to the evaluation unit. It is for that required that the photo receiver is included in the receiving module and this electrical signal is amplified and used for optical fiber transmission is converted into an optical signal. In the measuring head according to DE-PS 41 06 572 are therefore electrical or electronic components and Components. This is the subject of DE-PS 41 06 572 Measuring head and the evaluation unit or the laser Doppler vibrometer housing not completely galvanically isolated. It has the disadvantages that none Maximum EMC security with the subject of DE-PS 41 06 572 can be achieved and also the surface vibrations of the measuring object at any time in the subject of DE-PS 41 06 572 High-frequency radiation from feed lines to the measuring head falsified and can be influenced. Also the influence of temperature and Humidity on the electronics of the receiver built into the measuring head can not be turned off in the subject of DE-PS 41 06 572. At the subject of DE-PS 41 06 572 follows the return of the. Interference caused light signals via optical fibers, however no distinction is made between multimode and single-mode optical fibers. From DE-PS 41 06 572 it is also known for measuring in three Spatial directions x, y, z occurring and assigned to a measuring location Movements of the measuring object with a total of three measuring heads Observation directions outside the axis of the beam direction of the to arrange single laser beam stationary.

Aus der CH-659 131 A5 ist ebenfalls eine Meßvorrichtung zur berührungslosen Messung der Oberflächenschwingungen von Meßobjekten bekannt, die in drei Sektionen eingeteilt ist. Die Sektion drei beinhaltet dabei die Meßwertauswertungseinrichtung, in der Sektion zwei und in der Sektion eins sind zur Übertragung der jeweiligen Signale Lichtwellenleiter vorgesehen. Dabei sind die Sektionen zwei und eins frei von elektronischen Bauteilen gehalten und weisen lediglich optische Bauteile zur Messung des Meßobjektes auf. Auch die Übermittlung der Signale von der Sektion zwei zu der Sektion drei mit der Meßwertauswertungseinrichtung erfolgt mittels eines Lichtwellenleiters.From CH-659 131 A5 there is also a contactless measuring device Measurement of the surface vibrations of measuring objects known in three Sections is divided. Section three includes the Measured value evaluation device, in section two and in section one optical fibers are provided for the transmission of the respective signals. Sections two and one are free of electronic components held and have only optical components for measuring the measurement object on. Also the transmission of the signals from section two to the section three with the measured value evaluation device is carried out by means of a Optical fiber.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine einfache und geringe Kosten bei der Herstellung verursachende Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Oberflächenschwingungen unter Verwendung eines Laser- Doppler-Vibrometers zu schaffen, die bei beengten Raum- und Platzverhältnissen auch einen Ausbau in Verbindung mit einer Mehr fachanordnung von Meßköpfen zur Beobachtung eines Meßobjekts aus mehreren Richtungen erlaubt und sich leicht gegen elektromagnetische Störstrahlung abschirmen läßt. The invention is therefore based on the object, a simple and low Cost of manufacturing device causing contactless Measurement of surface vibrations using a laser To create Doppler vibrometers that in confined spaces and spaces also an expansion in connection with a more compartment arrangement of measuring heads for the observation of a Measurement object allowed from multiple directions and itself can be easily shielded against electromagnetic interference.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 8 gekennzeichnet.This object is achieved by the features of claim 1 solved. Beneficial Developments of the subject matter of the invention are in the features of Subclaims 2 to 8 marked.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß durch die Anordnung von entsprechenden rein optischen Bauteilen die Interferenz zwischen dem vom Meßobjekt reflektierten Objektsignal und dem Laserreferenzstrahl direkt im Meßkopf stattfindet. Der Laser selbst, die Auswerteelektronik und die übrigen für das Laser-Doppler-Vibrometer erforderlichen Bauteile sind im Laser- Doppler-Vibrometergehäuse untergebracht. Dadurch ist es möglich, den Meßkopf gewichtsmäßig wie auch räumlich klein auszuführen. Darüber hinaus kann noch vorgesehen sein, die in den Meßkopf eingebauten optischen Bauteile zumindest teilweise als integrierte optische Bauelemente auszuführen. Durch die Integration der Bauelemente ist es weiter möglich, die räumliche Ausdehnung des Meßkopfes zu verkleinern, so daß es mit dem kleinen Meßkopf gemäß der Erfindung möglich ist, auch bei beengten Raum- und Platzverhältnissen eine Mehrfachanordnung von Meßköpfen vorzunehmen, die dann aus verschiedenen räumlichen Richtungen zur Beobachtung eines oder mehrerer Meßpunkte auf dem Objekt angeordnet werden. Aufgrund der Tatsache, daß die Interferenz zwischen dem vom Meßobjekt reflektierten Objektsignal und dem Laserreferenzstrahl bereits im Meßkopf durchgeführt wird und nicht erst durch Weiterleitung mittels Lichtleiter im Laser-Doppler- Vibrometergehäuse, ist es möglich, die Übertragung des durch Überlagerung aus dem reflektierten Objektsignal und dem Laserreferenzstrahl entstandenen Lichtsignals der Rückleitung vom Meßkopf zum Laservibrometergehäuse mittels eines Multimode- Lichtwellenleiters oder eines Lichtleiterwellenleiterfaserbündels vorzunehmen. Aufgrund des bereits überlagerten Lichtsignals muß der Lichtwellenleiter lediglich den Intensitätszeitverlauf des Interferenzsignals bei der Übertragung zur Detektoreinheit bzw. der Auswerteelektronik im Laser-Doppler-Vibrometergehäuse unbeeinflußt übertragen. Dazu genügen Multimode-Lichtwellenleiter. Auf die Verwendung von Monomode- Lichtwellenleitern kann deshalb verzichtet werden, weil die Änderung der räumlichen Kohärenzeigenschaften des übertragenen Lichtsignals nach der Interferenz keine Rolle mehr spielen. Die deshalb verwendeten Multimode- Lichtwellenleiter bzw. Lichtleiterfaserbündel haben bedeutend geringere Ankoppelverluste gegenüber einem Monomode-Lichtwellenleiter. Es läßt sich deshalb mit dem Multimode-Lichtwellenleiter gegenüber dem Monomode-Lichtwellenleiter ein größeres Nutzsignal übertragen und dadurch eine höhere Meßempfindlichkeit bei geringeren Gerätekosten erreichen. Darüber hinaus enthält der Meßkopf nach der Erfindung keine elektrischen oder elektronischen Bauteile. Da der Meßkopf mit dem Laser- Doppler-Vibrometergehäuse nur mittels Lichtleitern verbunden ist, sind Meßkopf und Auswerteeinheit galvanisch gänzlich getrennt. Dadurch wird ein Maximum an EMV-Sicherheit erreicht. Darüber hinaus können die Oberflächenschwingungen des zu messenden Objekts nicht durch Hochfrequenzabstrahlungen von Zuleitungen zum Meßkopf verfälschend beeinflußt werden. Aufgrund der beschriebenen Strahlführung zwischen Meßkopf und Laser-Vibrometer-Dopplergehäuse kann dieser Meßkopf auch unter extremen Umweltbedingungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit ohne Bedenken eingesetzt werden.The advantages of the invention are in particular that the arrangement of corresponding purely optical components, the interference between the object signal reflected by the measurement object and the laser reference beam directly in the Measuring head takes place. The laser itself, the evaluation electronics and the rest Components required for the laser Doppler vibrometer are in the laser Doppler vibrometer housing housed. This makes it possible to The measuring head is small in terms of weight and space. Furthermore, can still be provided, the optical components built into the measuring head at least in part as perform integrated optical components. By integrating the Components it is also possible to extend the spatial extent of the To reduce the size of the measuring head so that it can be used with the small measuring head according to the Invention is possible, even in confined spaces and spaces Multiple arrangement of measuring heads, which are then made different spatial directions for observing one or more Measuring points can be arranged on the object. Due to the fact, that the interference between the object signal reflected by the measurement object and the laser reference beam is already carried out in the measuring head and not only by forwarding via light guide in the laser Doppler Vibrometer housing, it is possible to transfer the through Superposition of the reflected object signal and the Laser reference beam generated light signal of the return line from Measuring head for the laser vibrometer housing using a multimode Optical fiber or a fiber optic fiber bundle to make. Due to the already superimposed light signal, the Optical fibers only the intensity-time profile of the interference signal in the transmission to the detector unit or the evaluation electronics in Laser Doppler vibrometer housing transmitted unaffected. Suffice it Multimode optical fiber. On the use of single-mode Optical fibers can be omitted because the change in spatial coherence properties of the transmitted light signal after the Interference no longer matter. The multimode Optical fibers or fiber optic bundles have significantly smaller ones Coupling losses compared to a single-mode optical fiber. It leaves therefore with the multimode optical fiber compared to Single-mode optical fibers transmit a larger useful signal and thereby a higher measuring sensitivity with lower device costs to reach. In addition, the measuring head according to the invention does not contain any electrical or electronic components. Since the measuring head with the laser Doppler vibrometer housing is only connected by means of optical fibers Measuring head and evaluation unit completely galvanically separated. This will achieved maximum EMC security. In addition, the Surface vibrations of the object to be measured are not High-frequency radiation from leads to the measuring head falsifies to be influenced. Due to the described beam guidance between Measuring head and laser vibrometer Doppler housing can also be used with this measuring head under extreme environmental conditions regarding temperature and Humidity can be used without hesitation.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und von Zeichnungen näher erläutert.The invention based on an embodiment and explained in more detail by drawings.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 als Skizze in Blockdarstellung die Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Aufteilung in Meßkopf und Laser-Doppler-Vibrometergehäuse, Fig. 1 as a sketch in block diagram of the overall arrangement of the inventive device with the division into measuring head and laser Doppler Vibrometergehäuse,

Fig. 2 als Ausschnitt in Skizzendarstellung den Laser mit der Einkopplung der Laserstrahlen in die Lichtleiter, Fig. 2 as a section in outline diagram of the laser with the coupling of the laser beams in the light conductor,

Fig. 3 in Skizzendarstellung den Meßkopf gemäß der Erfindung, Fig. 3 in outline diagram of the measuring head according to the invention,

Fig. 4 als Ausschnitt in Skizzendarstellung eine weitere Einkopplungs vorrichtung der Laserstrahlen in die Lichtleiter und Fig. 4 as a detail in a sketch, a further coupling device of the laser beams in the light guide and

Fig. 5 in Skizzendarstellung einen weiteren Meßkopf entsprechend der Laserstrahlführung nach Fig. 4. Fig. 5 in outline diagram of a further measuring head according to the laser beam guide according to Fig. 4.

Aus Fig. 1 ist eine Prinzipskizze der Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer im wesentlichen in Form einer Blockschaltbilddarstellung gezeigten Form ersichtlich. Die Vorrichtung besteht aus einem Laser-Doppler-Vibrometergehäuse 1 und einem Meßkopf 2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Oberflächenschwingungen von Objekten, die meist mechanische Objekte sind, ist lediglich im Prinzip in den Fig. 1 bis 5 dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu wahren, wurde oft nur eine Teildarstellung der wesentlichsten Elemente für die Erfindung in den Figuren vorgenommen. Es liegt also eine örtliche Trennung des Laser-Doppler-Vibrometers in das Laser-Doppler-Vibrometergehäuse 1 und einen getrennt sowohl örtlich wie räumlich ausgeführten Meßkopf 2 vor. Das Laser-Doppler- Vibrometergehäuse 1 beinhaltet einen Laserstrahler 3, eine Einkopplungsvorrichtung 5 und eine Auswerteelektronik 4 mit Detektoren für das vom Meßobjekt reflektierte Licht, wobei die Detektoren und die Einzelheiten der Auswerteelektronik in der vorliegenden Anmeldung nicht dargestellt sind, da sie dem Stand der Technik entsprechen.From Fig. 1 is a schematic diagram of the overall arrangement of the device according to the invention in a form shown essentially in the form of a block diagram representation. The device consists of a laser Doppler vibrometer housing 1 and a measuring head 2 . The device according to the invention for the contactless measurement of surface vibrations of objects, which are mostly mechanical objects, is only shown in principle in FIGS. 1 to 5, in order to maintain clarity, often only a partial representation of the most important elements for the invention in the figures performed. There is therefore a local separation of the laser Doppler vibrometer into the laser Doppler vibrometer housing 1 and a measuring head 2 which is designed both locally and spatially. The laser Doppler vibrometer housing 1 contains a laser emitter 3 , a coupling device 5 and evaluation electronics 4 with detectors for the light reflected from the measurement object, the detectors and the details of the evaluation electronics not being shown in the present application, since they are state of the art correspond.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besteht die Einkopplungsvorrichtung 5 aus einer λ/2-Platte 6, einem Strahlteiler 7, einem Umlenkspiegel 8, einem akustooptischen Modulator 9 für die Erzeugung des Laserreferenzstrahls 10, den beiden Einkoppeloptiken 11 für den Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung und für den Laserreferenzstrahl 10 in die jeweiligen Monomode-Lichtwellenleiter 13 und 14 zum Meßkopf 2. Die nicht dargestellten Detektoren, die über die Multimode-Lichtwellenleiter 15 und 16 vom Meßkopf gespeist werden, und die ebenfalls in ihren Einzelheiten nicht dargestellte Auswerteelektronik 4 sind gegenüber elektromagnetischen Störungen abgeschirmt, da das Laser-Doppler- Vibrometergehäuse 1 als abgeschirmtes Gehäuse ausgeführt ist. Auf diese Weise können die nicht dargestellten Photodetektoren in unmittelbarer Nähe der Vorverstärker und der übrigen Elektronik der Auswerteelektronik 4 montiert werden.As can be seen from Fig. 2, the coupling device 5 consists of a λ / 2 plate 6 , a beam splitter 7 , a deflecting mirror 8 , an acousto-optical modulator 9 for generating the laser reference beam 10 , the two coupling optics 11 for the laser beam 12 for the Object illumination and for the laser reference beam 10 into the respective single-mode optical fibers 13 and 14 to the measuring head 2 . The detectors, not shown, which are fed from the measuring head via the multimode optical fibers 15 and 16 , and the evaluation electronics 4 , likewise not shown in detail, are shielded from electromagnetic interference, since the laser Doppler vibrometer housing 1 is designed as a shielded housing. In this way, the photodetectors, not shown, can be mounted in the immediate vicinity of the preamplifier and the other electronics of the evaluation electronics 4 .

Aus Fig. 3 sind in skizzenhafter Prinzipdarstellung die Bestandteile des Meßkopfes 2 ersichtlich. Von dem Laser-Doppler-Vibrometergehäuse 1 kommt über den Monomode-Lichtwellenleiter 13 der Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung und über den Monomode-Lichtwellenleiter 14 der Laserreferenzstrahl 10. Der Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung durchläuft einen polarisierenden Strahlteiler 17, eine Fokussierlinse 18, eine λ/4-Platte 19 und trifft dann auf die Oberfläche 20 des Meßobjektes 21. Das von der Oberfläche 20 des Meßobjektes 21 reflektierte Objektsignal durchläuft erneut die λ/4-Platte 19 und die Fokussieroptik 18 sowie den polarisierenden Strahlteiler 17. Von dem polarisierenden Strahlteiler 17 wird das reflektierte Objektsignal zu dem weiteren Strahlteiler 22 geleitet, wobei der weitere Strahlteiler 22 ebenfalls von dem Laserreferenzstrahl 10 durchsetzt wird. Die nach der Interferenz in dem weiteren Strahlteiler 22 entstandenen Lichtstrahlen gehen über den Multimode-Lichtwellenleiter 15 und den Multimode-Lichtwellenleiter 16 zu den nicht dargestellten Detektoren in der Auswerteelektronik 4 in dem Laser-Doppler- Vibrometergehäuse 1 zur Verarbeitung und Auswertung zurück. Statt dem Multimode-Lichtwellenleiter können auch Lichtwellenleiterfaserbündel verwendet werden. Aus den vorstehend aufgeführten Bestandteilen des Meßkopfes ergibt sich, daß er nur aus wenigen optischen Bauteilen besteht. Es lassen sich damit das Eigengewicht und die Abmessungen des Meßkopfes gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Meßköpfen klein halten. Zusätzliche Verkleinerungsmöglichkeiten bieten der Einsatz integrierter optischer Bauelemente in den Meßkopf, die in dem Meßkopf gemäß der Erfindung zumindest teilweise verwendet werden können. Der Meßkopf 2 enthält auch keine elektrischen oder elektronischen Bauelemente, er ist mit der Auswerteelektronik 4 in dem Laser-Doppler- Vibrometergehäuse 1 nur mittels optischer Lichtleiter verbunden und deshalb liegt eine gänzliche galvanische Trennung zwischen dem Meßkopf 2 und dem Laser-Doppler-Vibrometer im Laser-Doppler-Vibrometergehäuse 1 vor. Es läßt sich damit ein Maximum an EMV-Sicherheit gewährleisten. Es werden auch jegliche Hochfrequenzstrahlungen von Zuleitungen zum Meßkopf und auf das Meßobjekt vermieden. From Fig. 3, the components of the measuring head 2 can be seen in a sketchy schematic representation. The laser beam 12 for the object illumination comes from the laser Doppler vibrometer housing 1 via the monomode optical waveguide 13 and the laser reference beam 10 via the monomode optical waveguide 14 . The laser beam 12 for object illumination passes through a polarizing beam splitter 17 , a focusing lens 18 , a λ / 4 plate 19 and then strikes the surface 20 of the measurement object 21 . The object signal reflected by the surface 20 of the measurement object 21 again passes through the λ / 4 plate 19 and the focusing optics 18 and the polarizing beam splitter 17 . The reflected object signal is directed from the polarizing beam splitter 17 to the further beam splitter 22 , the further beam splitter 22 likewise being penetrated by the laser reference beam 10 . The light beams created after the interference in the further beam splitter 22 go back via the multimode optical waveguide 15 and the multimode optical waveguide 16 to the detectors (not shown) in the evaluation electronics 4 in the laser Doppler vibrometer housing 1 for processing and evaluation. Instead of the multimode optical fiber, optical fiber bundles can also be used. The components of the measuring head listed above show that it consists of only a few optical components. In this way, the dead weight and the dimensions of the measuring head can be kept small compared to the measuring heads known from the prior art. The use of integrated optical components in the measuring head, which can be used at least partially in the measuring head according to the invention, offers additional reduction possibilities. The measuring head 2 also contains no electrical or electronic components, it is connected to the evaluation electronics 4 in the laser Doppler vibrometer housing 1 only by means of optical light guides and therefore there is a complete galvanic separation between the measuring head 2 and the laser Doppler vibrometer in the laser -Doppler vibrometer housing 1 in front. This ensures maximum EMC security. Any high-frequency radiation from leads to the measuring head and to the test object is also avoided.

Die vorstehend geschilderte Verkleinerung des Meßkopfes 2 gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht es auch, dem Laser-Doppler- Vibrometergehäuse 1 mit dem Laserstrahler 3 und der Auswerteelektronik 4 mehrere Meßköpfe zuzuordnen. Es läßt sich damit ein Mehrkanal-Laser- Doppler-Vibrometer aufbauen, bei dem jeweils mehrere Meßköpfe 2 aus unterschiedlichen räumlichen Richtungen auf einen oder auch auf mehrere Meßpunkte ausgerichtet sind. Die Meßköpfe werden also flexibel im Raum zum Meßobjekt angeordnet und es läßt sich mit einem derartigen Mehrkanal-Laser-Doppler-Vibrometer der Zeitverlauf der Bewegung eines Oberflächenpunktes oder mehrerer Punkte komplett erfassen. Mit den auf diesem Wege gewonnenen Daten kann mit einem Verfahren nach dem Stand der Technik eine Modal- oder Schwingungsformanalyse erstellt werden. Ein derartiges Mehrkanal-Laser-Doppler-Vibrometermeßsystem erfaßt im Gegensatz zu den Verfahren nach dem Stand der Technik die Schwingungseigenschaften des Meßobjektes vollständig ohne die Dynamik des Meßobjektes aufgrund der berührungslosen Messung zu verändern.The above-described reduction in size of the measuring head 2 compared to the prior art also makes it possible to assign a plurality of measuring heads to the laser Doppler vibrometer housing 1 with the laser emitter 3 and the evaluation electronics 4 . A multichannel laser Doppler vibrometer can thus be constructed, in each of which a plurality of measuring heads 2 are aligned with one or more measuring points from different spatial directions. The measuring heads are thus arranged flexibly in the space to the object to be measured and it is possible with such a multi-channel laser Doppler vibrometer to completely record the time course of the movement of a surface point or several points. With the data obtained in this way, a method according to the prior art can be used to create a modal or vibration shape analysis. In contrast to the methods according to the prior art, such a multi-channel laser Doppler vibrometer measuring system detects the vibration properties of the measurement object completely without changing the dynamics of the measurement object due to the contactless measurement.

Nachstehend soll die Funktionsweise der Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Oberflächenschwingungen eines Meßobjektes mit einem Laser-Doppler-Vibrometer geschildert werden. Der Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung fließt durch die λ/2-Platte 6, den Strahlteiler 7, die Einkoppeloptik 11 über den polarisierenden Strahlteiler 17 zu der Fokussierlinse 18 über die λ/4-Platte 19 zu der Oberfläche 20 des Meßobjektes 21. Der ursprüngliche Laserstrahl des Laserstrahlers 3 wird parallel dazu in dem Strahlteiler 7 aufgeteilt zu dem Umlenkspiegel 8 und fließt über den akustooptischen Modulator und die Einkoppeloptik 11 zu dem weiteren Strahlteiler 22. Dort wird der Laserreferenzstrahl 10 mit dem von der Oberfläche 20 des Meßobjektes 21 reflektierten Objektsignal 23, das von dem polarisierenden Strahlteiler 17 zu dem Strahlteiler 22 geleitet wird, in Interferenz gebracht. Der Laserreferenzstrahl 10 und das vom Meßobjekt reflektierte Objektsignal 23 überlagern sich also bereits im Meßkopf. Aus diesem Grunde müssen die Lichtwellenleiter, die das Licht zur Auswerteelektronik 4 bzw. den Detektoren in das Laser-Doppler- Vibrometergehäuse 1 zurückübertragen, keine besonderen Anforderungen bezüglich der Erhaltung der räumlichen Kohärenzeigenschaften des Lichtes bei der Übertragung erfüllen. Die Lichtwellenleiter zur Rückleitung der Signale vom Meßobjekt bzw. dem Meßkopf müssen lediglich den Intensitäts-Zeitverlauf des interferierten Objektsignals bei der Rückübertragung zur Auswerteelektronik 4 unbeeinflußt lassen. Es ist nicht erforderlich, wie dies bisher beim Stand der Technik nötig war, die räumliche Kohärenzeigenschaft des rückübertragenen Objektsignals zur Auswerteelektronik 4 bzw. dem Laser-Doppler-Vibrometergehäuse 1 zu erhalten. Aus diesem Grund lassen sich zur Rückübertragung der bereits interferierten Signale Multimode-Lichtwellenleiter oder einfach Faserbündel einsetzen. Es fallen deshalb die bei Monomode-Lichtwellenleitern aufgrund des erforderlichen kleinen Einfallswinkel auftretenden Objektsignalverluste weg.The mode of operation of the device for the contactless measurement of surface vibrations of a measurement object with a laser Doppler vibrometer will be described below. The laser beam 12 for object illumination flows through the λ / 2 plate 6 , the beam splitter 7 , the coupling optics 11 via the polarizing beam splitter 17 to the focusing lens 18 via the λ / 4 plate 19 to the surface 20 of the measurement object 21 . The original laser beam from the laser emitter 3 is divided in parallel in the beam splitter 7 to the deflection mirror 8 and flows via the acousto-optical modulator and the coupling optics 11 to the further beam splitter 22 . There the laser beam 10 with the reference reflected by the surface 20 of the measurement object 21 object signal 23 which is passed by the polarizing beam splitter 17 to the beam splitter 22 is brought into interference. The laser reference beam 10 and the object signal 23 reflected by the measurement object are therefore already superimposed in the measurement head. For this reason, the optical waveguides that transmit the light back to the evaluation electronics 4 or the detectors in the laser Doppler vibrometer housing 1 do not have to meet any special requirements with regard to maintaining the spatial coherence properties of the light during transmission. The optical waveguides for returning the signals from the measurement object or the measurement head only have to leave the intensity-time profile of the interfered object signal unaffected during the retransmission to the evaluation electronics 4 . It is not necessary, as was previously necessary in the prior art, to maintain the spatial coherence property of the retransmitted object signal to the evaluation electronics 4 or the laser Doppler vibrometer housing 1 . For this reason, multimode optical fibers or simply fiber bundles can be used to retransmit the already interfered signals. The object signal losses which occur in single-mode optical fibers due to the required small angle of incidence are therefore eliminated.

Für die Hinleitung vom Laser-Doppler-Vibrometer zum Meßkopf ist dagegen für den mittels des akustooptischen Modualtors frequenzverschobenen Laserreferenzstrahl 10 wie auch für den Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung eine Einhaltung der räumlichen Kohärenz der Strahlung bei der Übertragung zu erhalten. Aus diesem Grunde werden für die Hinleitung vom Laser-Doppler-Vibrometergehäuse 1 zum Meßkopf 2 die Monomode-Lichtwellenleiter 13 und 14 verwendet, während für die Rückleitung der interferierten Signale die Multimode-Lichtwellenleiter 15 und 16 zum Einsatz kommen, da die Interferenz zwischen dem Laserreferenzstrahl 10 und dem reflektierten Objektsignal 23 bei der vorliegenden Erfindung bereits im Meßkopf stattfindet.For the forwarding from the laser Doppler vibrometer to the measuring head, on the other hand, the spatial coherence of the radiation during transmission can be maintained for the laser reference beam 10, which is frequency-shifted by means of the acousto-optical modular gate, as well as for the laser beam 12 for object illumination. For this reason, the monomode optical fibers 13 and 14 are used for the forwarding from the laser Doppler vibrometer housing 1 to the measuring head 2 , while the multimode optical fibers 15 and 16 are used for the return of the interfered signals, since the interference between the laser reference beam 10 and the reflected object signal 23 in the present invention already takes place in the measuring head.

Die Trennung des hinlaufenden Laserstrahls 12 für die Objektbeleuchtung und des zurücklaufenden vom Meßobjekt reflektierten Objektsignals ermöglicht die λ/4-Platte 19 im Meßstrahlengang, die das linear polarisierte hinlaufende Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt und mit Hilfe des polarisierenden Strahlteilers 17 zu dem Strahlteiler 22 leitet.The separation of the incoming laser beam 12 for the object illumination and the returning object signal reflected by the measurement object enables the λ / 4 plate 19 in the measurement beam path, which converts the linearly polarized incoming light into circularly polarized light and guides it to the beam splitter 22 with the aid of the polarizing beam splitter 17 .

Bei einer Bewegung der Oberfläche 20 des vom Laserstrahl 12 beleuchteten Meßobjektes in Richtung des Laserstrahls 12 ist das von dort zurückgestreute Objektsignal dopplerverschoben. Aus der zeitabhängigen Dopplerverschiebung des reflektierten Objektsignals wird der Zeitverlauf der Komponente des Schnellevektors in Richtung des Laserstrahls 12 detektiert. Zur Frequenzverschiebung des Laserreferenzstrahls 10 wird in dem Ausführungsbeispiel ein akustooptischer Modulator 9 verwendet. Auf diese Weise wird die Richtung der Bewegung des Meßobjektes eindeutig bestimmt. Am Ausgang der hier nicht dargestellten Photodetektoren in der Auswerteelektronik 4 liegt ein im Takt der Bewegung des Meßobjektes 21 frequenzmoduliertes Signal an, dessen Mittenfrequenz mit der Anregungsfrequenz des akustooptischen Modulators 9 übereinstimmt. Diese Frequenz liegt üblicherweise bei 40 MHz. Das beschriebene Laser- Doppler-Vibrometer ist jedoch auch ohne frequenzverschobenen Laserreferenzstrahl 10 einsetzbar. Bei der Vorrichtung gemäß den Fig. 2 und 3 und der entsprechenden Beschreibung wird das optische Heterodynverfahren zur Auswertung eingesetzt. Dabei wird die Frequenz der verwendeten optischen Signale in einen Frequenzbereich verschoben, der von einer Signalverarbeitungselektronik nach dem Stand der Technik ohne Aufwand und Probleme verarbeitet werden kann.When the surface 20 of the measurement object illuminated by the laser beam 12 moves in the direction of the laser beam 12 , the object signal scattered back from there is Doppler shifted. The time profile of the component of the fast vector in the direction of the laser beam 12 is detected from the time-dependent Doppler shift of the reflected object signal. In the exemplary embodiment, an acousto-optical modulator 9 is used to shift the frequency of the laser reference beam 10 . In this way, the direction of movement of the measurement object is clearly determined. At the output of the photodetectors (not shown here) in the evaluation electronics 4 , a frequency-modulated signal is present in time with the movement of the measurement object 21 , the center frequency of which coincides with the excitation frequency of the acousto-optical modulator 9 . This frequency is usually around 40 MHz. However, the laser Doppler vibrometer described can also be used without a frequency-shifted laser reference beam 10 . In the device according to FIGS. 2 and 3 and the corresponding description, the optical heterodyne method is used for evaluation. The frequency of the optical signals used is shifted into a frequency range that can be processed by signal processing electronics according to the prior art without effort and problems.

Eine Laserstrahlführung ohne das zunächst beschriebene optische Heterodynverfahren ist mittels des Quadratursignalverfahrens möglich. In den Fig. 4 und 5 wird eine derartige Strahlführung mit dem Quadratursignalverfahren als zweites Ausführungsbeispiel für die Laserstrahlführung beschrieben. Wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist, enthält die Einkopplungsvorrichtung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel für die Strahlführung zwischen dem Laserdoppler-Vibrometer-Gehäuse 1 und dem Meßkopf 2 keinen akkustooptischen Modulator. Gemäß Fig. 4 enthält das Laserdoppler-Vibrometer-Gehäuse 1 einen Laserstrahler 3, eine Einkopplungsvorrichtung bestehend aus einer λ/2-Platte 6 in Kombination mit einem polarisierenden Strahlteiler 24. Der Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung durchläuft anschließend eine Einkopplungsoptik 11 in den polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 13. Ein Teilstrahl des Lasers 3 läuft von dem polarisierenden Strahlteiler 24 über den Umlenkspiegel 8 über eine Einkopplungsoptik 11 in den polarisationserhaltenden Monomode-Lichtwellenleiter 14 für den Laserreferenzstrahl 10. In dem Laserdoppler-Vibrometer-Gehäuse 1 wie auch bei dem zuerst geschilderten Ausführungsbeispiel ist eine nachgeschaltete Auswerteelektronik 4 mit Detektoren vorgesehen. Es werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 und 5 nur die Funktionen und Teile beschrieben, die nicht identisch mit dem in den Fig. 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel sind. Alle bei den Fig. 4 und 5 nicht beschriebenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung gelten entsprechend den Ausführungen bei dem eingangs geschilderten Ausführungsbeispiel.Laser beam guidance without the optical heterodyne method described first is possible using the quadrature signal method. In Figs. 4 and 5, such a beam guidance with the quadrature signal process as the second embodiment will be described for laser beam delivery. As can be seen from FIG. 4, the coupling device in the second exemplary embodiment for the beam guidance between the laser Doppler vibrometer housing 1 and the measuring head 2 does not contain an acousto-optical modulator. According to FIG. 4, the laser Doppler vibrometer housing 1 includes a laser emitter 3, a coupling device consisting of a λ / 2 plate 6 in combination with a polarizing beam splitter 24. The laser beam 12 for object illumination then passes through a coupling optics 11 into the polarization-maintaining monomode optical waveguide 13 . A partial beam of the laser 3 runs from the polarizing beam splitter 24 via the deflection mirror 8 via a coupling optics 11 into the polarization-maintaining monomode optical waveguide 14 for the laser reference beam 10 . In the laser Doppler vibrometer housing 1, as in the first embodiment described, a downstream evaluation electronics 4 with detectors is provided. In the exemplary embodiment according to FIGS. 4 and 5, only the functions and parts are described which are not identical to the exemplary embodiment described in FIGS. 2 and 3. All of the properties of the device according to the invention that are not described in FIGS. 4 and 5 apply in accordance with the statements made in the exemplary embodiment described at the beginning.

Der Meßkopf 2 ist bei einem Aufbau für die Laserstrahlführung nach dem Quadratursignalverfahren wie folgt aufgebaut. Der Laserreferenzstrahl 10 wird über eine Auskopplungsoptik 25, einem Umlenkprisma 26, einer λ/4- Platte 33, dem Strahlteiler 22, einem Umlenkprisma 32, einem Polarisator 29 mittels der Einkopplungsoptik 31 dem Multimode- Lichtwellenleiter 16 zugeführt. Ferner wird das von der Oberfläche 20 des Meßobjektes 21 reflektierte Objektsignal 23 über ein Objektiv 27, einen Polarisator 28, den Strahlteiler 22, einen Polarisator 30 mittels der Einkopplungsoptik 31 dem Multimode-Lichtwellenleiter 15 zugeführt.The measuring head 2 is constructed as follows for a structure for laser beam guidance according to the quadrature signal method. The laser reference beam 10 is optical fiber 16 fed via a coupling-out optical system 25, a deflecting prism 26, a λ / 4 plate 33, the beam splitter 22, a deflecting prism 32, a polarizer 29 by means of the coupling optic 31 the multimode. Furthermore, the object signal 23 reflected by the surface 20 of the measurement object 21 is fed to the multimode optical waveguide 15 via an objective 27 , a polarizer 28 , the beam splitter 22 , a polarizer 30 by means of the coupling optics 31 .

Bei dem Quadratursignalverfahren wird die Strahlaufteilung von dem Laserstrahler 3 über eine λ/2-Platte 6 in Kombination mit dem polarisierenden Strahlteiler 24 vorgenommen. Als Lichtwellenleiter werden wiederum polarisationserhaltende Monomode-Lichtwellenleiter verwendet. Die Laserstrahlführung im Meßkopf enthält für den Laserreferenzstrahl 10 den Durchlauf einer λ/4-Platte 33. Diese λ/4-Platte erzeugt eine Phasenverschiebung von π/2 zwischen s- und p-polarisierendem Laserstrahl. In dem Strahlteiler 22 wird das Referenzlicht mit dem vom Meßobjekt 21 kommenden reflektierten Objektsignal 23 überlagert. Aus Übersichtlichkeitsgründen wurde der Laserstrahl 12 für die Objektbeleuchtung in der Fig. 5 nicht dargestellt. Das von der Oberfläche 20 des Meßobjektes 21 reflektierte Objektsignal 23 wird durch den Polarisator 28 so polarisiert, daß die Polarisationsrichtung mit der Zeichenebene einen Winkel von 45 Grad einschließt. Die vor den Multimode-Lichtwellenleitern 15 und 16 angeordneten Polarisatoren 30 und 29 sind so orientiert, daß sie nur die s- bzw. p- Komponente sowohl des Laserreferenzstrahls 10 als auch des reflektierten Objektsignals 23 transmittieren. Da die s-Komponente des Laserreferenz strahls 10 gegenüber der p-Komponente eine Phasenverschiebung von ± π/2 aufweist, entstehen auf der Einkoppelfläche zwei Interferenzsignale mit identischer Intensitätsverteilung über die Einkoppelfläche, die zueinander ebenfalls um einen Wert von ± π/2 in der Phase verschoben sind. Diese Phasenverschiebung wechselt mit der Richtungsänderung der Bewegung des Meßobjektes 21 ihr Vorzeichen. In der weiteren Signalverarbeitung wird diese Änderung der Phasenverschiebung zur Richtungsdetektion benutzt.In the quadrature signal method, the beam splitting is carried out by the laser emitter 3 via a λ / 2 plate 6 in combination with the polarizing beam splitter 24 . In turn, polarization-maintaining single-mode optical fibers are used as optical fibers. The laser beam guidance in the measuring head contains the passage of a λ / 4 plate 33 for the laser reference beam 10 . This λ / 4 plate produces a phase shift of π / 2 between the s- and p-polarizing laser beam. The reference light with the reflected object signal 23 coming from the measurement object 21 is superimposed in the beam splitter 22 . For reasons of clarity, the laser beam 12 for object illumination has not been shown in FIG. 5. The object signal 23 reflected by the surface 20 of the measurement object 21 is polarized by the polarizer 28 so that the direction of polarization includes an angle of 45 degrees with the plane of the drawing. The polarizers 30 and 29 arranged in front of the multimode optical waveguides 15 and 16 are oriented such that they transmit only the s and p components of both the laser reference beam 10 and the reflected object signal 23 . Since the s-component of the laser reference beam 10 has a phase shift of ± π / 2 compared to the p-component, two interference signals with identical intensity distribution over the coupling-in area arise on the coupling-in area, which are also mutually in phase by a value of ± π / 2 are moved. This phase shift changes its sign when the direction of the movement of the measurement object 21 changes . In the further signal processing, this change in the phase shift is used for direction detection.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel für die Laserstrahlführung nach dem Quadratursignalverfahren wird also für die Hinleitung der Laserstrahlung von dem Laserdoppler-Vibrometer-Gehäuse zu dem Meßkopf ein Monomode- Lichtwellenleiter verwendet, während für die Rückleitung aufgrund der Interferenz des reflektierten Objektsignals mit dem Referenzstrahl im Meßkopf lediglich Multimode-Lichtwellenleiter erforderlich sind. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Meßkopf nur aus wenigen optischen Teilen. Es läßt sich damit das Eigengewicht und die Abmessung des Meßkopfes sehr klein halten. Weiterhin bestehen die schon beim ersten Ausführungsbeispiel bestehenden Verkleinerungsmöglichkeiten durch die Benutzung integrierter optischer Bauelemente im Meßkopf fort. Der Meßkopf 2 gemäß dem Quadratursignalverfahren enthält wie beim ersten Ausführungsbeispiel keine elektrischen oder elektronischen Bauelemente, sondern er ist mit der Auswerteelektronik und dem Laserdoppler-Vibrometer-Gehäuse 1 nur mittels optischer Lichtleiter verbunden.Also in the exemplary embodiment for the laser beam guidance according to the quadrature signal method, a monomode optical waveguide is used for the forwarding of the laser radiation from the laser Doppler vibrometer housing to the measuring head, while only multimode is used for the return line due to the interference of the reflected object signal with the reference beam in the measuring head - Optical fibers are required. In this embodiment too, the measuring head consists of only a few optical parts. The weight and the dimensions of the measuring head can thus be kept very small. Furthermore, the reduction possibilities already existing in the first exemplary embodiment continue to exist through the use of integrated optical components in the measuring head. As in the first exemplary embodiment, the measuring head 2 according to the quadrature signal method does not contain any electrical or electronic components, but rather is connected to the evaluation electronics and the laser Doppler vibrometer housing 1 only by means of optical light guides.

Reference list

11

Laser-Doppler-Vibrometergehäuse
Laser Doppler vibrometer housing

22nd

Meßkopf
Measuring head

33rd

Laserstrahler
Laser emitter

44th

Auswerteelektronik
Evaluation electronics

55

Einkopplungsvorrichtung
Coupling device

66

λ/2-Platte
λ / 2 plate

77

Strahlteiler
Beam splitter

88th

Umlenkspiegel
Deflecting mirror

99

akustooptischer Modulator
acousto-optical modulator

1010th

Laserreferenzstrahl
Laser reference beam

1111

Einkopplungsoptiken
Coupling optics

1212th

Laserstrahl für die Objektbeleuchtung
Laser beam for object lighting

1313

Monomode-Lichtwellenleiter
Single-mode optical fiber

1414

Monomode-Lichtwellenleiter
Single-mode optical fiber

1515

Multimode-Lichtwellenleiter
Multimode optical fiber

1616

Multimode-Lichtwellenleiter
Multimode optical fiber

1717th

polarisierender Strahlteiler
polarizing beam splitter

1818th

Fokussierungslinse
Focusing lens

1919th

λ/4-Platte
λ / 4 plate

2020th

Oberfläche
surface

2121

Meßobjekt
Target

2222

weiterer Strahlteiler
further beam splitter

2323

reflektiertes Objektsignal
reflected object signal

2424th

polarisierender Strahlteiler
polarizing beam splitter

2525th

Auskopplungsoptik
Decoupling optics

2626

Umlenkprisma
Deflection prism

2727

Objektiv
lens

2828

Polarisator
Polarizer

2929

Polarisator
Polarizer

3030th

Polarisator
Polarizer

3131

Einkopplungsoptiken
Coupling optics

3232

Umlenkprisma
Deflection prism

3333

λ/4-Platte
λ / 4 plate

Claims

1. Device for the contactless measurement of surface vibrations of a measurement object ( 21 ) using a laser Doppler vibrometer, which contains a laser Doppler vibrometer housing ( 1 ), which contains a laser emitter ( 3 ) and evaluation electronics ( 4 ), and one Free of electronic components and measuring head ( 2 ) with only optical components, a laser beam ( 12 ) for illuminating the object illuminates the measuring object, the object signal ( 23 ) reflected by the measuring object ( 21 ) with a laser reference beam ( 10 ) in the measuring head ( 2 ) is superimposed on interference, a local separation of the measuring head ( 2 ) from the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) is carried out, each monomode optical waveguide for the forwarding of laser reference beam and laser beam for object illumination from the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) Measuring head ( 2 ) are used, and the transmission of the reflected by the overlay from the Object signal ( 23 ) and the superimposed laser reference beam ( 10 ) resulting light signals in the return lines from the measuring head ( 2 ) to the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) by means of multimode optical fibers ( 15 , 16 ) or fiber optic fiber bundles.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) with the laser emitter ( 3 ) and the evaluation electronics ( 4 ) are assigned to several measuring heads, and that in each case several measuring heads from different spatial directions on one or more Measuring points are aligned.

3. Device according to one or more of claims 1 to 2, characterized in that the built-in components of the measuring head ( 2 ) are at least partially designed as integrated, optical components.

4. Device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the measuring head ( 2 ) has a polarizing beam splitter ( 17 ), a focusing lens ( 18 ), a λ / 4 plate ( 19 ) and a further beam splitter ( 22 ) contains.

5. The device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) in addition to the laser emitter ( 3 ) a coupling device ( 5 ) consisting of a λ / 2 plate ( 6 ) , a beam splitter ( 7 ), a deflecting mirror ( 8 ) and an acousto-optical modulator ( 9 ) for the laser beam ( 10 ), the respective coupling optics ( 11 ) for the laser beam ( 12 ) for the object lighting and the laser reference beam ( 10 ) in the respective Monomo de-optical waveguide ( 13 , 14 ) to the measuring head ( 2 ) and detectors of the evaluation electronics ( 4 ).

6. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the one hand in the measuring head ( 2 ) the laser reference beam ( 10 ) via a deflection prism ( 26 ), a λ / 4 plate ( 32 ), a beam splitter ( 22 ) , a deflecting prism ( 32 ) and a polarizer ( 29 ) by means of a coupling optics ( 31 ) leads to the multimode optical waveguide ( 16 ), and that on the other hand the object signal ( 23 ) reflected by the surface ( 20 ) of the measurement object ( 21 ) Via a lens ( 27 ), a polarizer ( 28 ), the beam splitter ( 22 ) and a polarizer ( 30 ) by means of a coupling optics ( 31 ) the multimode optical fiber ( 15 ) is supplied.

7. Device according to one of claims 1 to 3 or according to claim 6, characterized in that the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) in addition to the laser beam ler ( 3 ), a coupling device consisting of a λ / 2 plate ( 6 ), a polarizing beam splitter ( 24 ), a deflecting mirror ( 8 ) and coupling optics ( 11 ) for the polarization-maintaining monomode optical waveguide ( 13 ) for the laser beam ( 12 ) and for the polarization-maintaining monomode optical waveguide ( 14 ) for the laser reference beam ( 10 ), and detectors of the evaluation electronics ( 4 ).

8. The device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the laser Doppler vibrometer housing ( 1 ) is designed as an electromagnetically shielded housing.