Nicht jede Schwingungsmessung lässt sich mit Beschleunigungsaufnehmern oder Mikrofonen gleichermaßen sinnvoll umsetzen. Beschleunigungssensoren benötigen eine geeignete Befestigung am Bauteil und können dessen dynamisches Verhalten beeinflussen, während Mikrofone den Schalldruck im umgebenden akustischen Feld erfassen und eine Schwingung damit nicht unmittelbar einem einzelnen Messpunkt auf der Struktur zuordnen können.
Laser-Doppler-Vibrometer (LDVs) erfassen dagegen die Schwinggeschwindigkeit berührungslos und gezielt am anvisierten Messpunkt. Dafür benötigen sie lediglich eine geeignete optische Sichtverbindung zum Messpunkt. Ihre Vorteile zeigen sich deshalb besonders bei masseempfindlichen Strukturen, eingeschränkter Zugänglichkeit, Messstellen mit hohen Oberflächentemperaturen sowie bei wiederkehrenden oder automatisierten Messungen (z. B. Inline/EOL).
Wann LDVs besonders sinnvoll sind
Leichte Strukturen ohne zusätzliche Sensor- und Kopplungsmasse: Bei kleinen, dünnwandigen oder sehr leichten Komponenten kann bereits die Masse eines Sensors das dynamische Verhalten der Struktur beeinflussen. Hinzu kommt die zur Befestigung verwendete Kopplung, beispielsweise Magnetfuß, Klemmhalterung oder Wachs. Diese bringt nicht nur zusätzliche Masse in das System ein, sondern besitzt auch eigene mechanische Eigenschaften und beeinflusst somit die Übertragung zwischen Struktur und Sensor. Dadurch kann sich die gemessene Schwingungsantwort zusätzlich verändern.
Das betrifft insbesondere Messungen, bei denen modale Größen, Schwingformen oder lokale Resonanzen untersucht werden. Ein aufgeklebter Beschleunigungsaufnehmer kann beispielsweise bei filigranen Bauteilen die lokalen dynamischen Eigenschaften verändern. Mit einem LDV wird die Schwinggeschwindigkeit berührungslos erfasst, sodass weder Sensor- noch Kopplungsmasse aufgebracht und keine zusätzliche mechanische Kopplung zur Struktur hergestellt werden muss.
Gezielte Messung der Oberflächenschwingung: Ein Mikrofon erfasst den Schalldruck als skalare Größe an seiner Position. Dieser resultiert aus der Überlagerung der Beiträge benachbarter Schallquellen, Reflexionen und Umgebungsgeräusche.
Ein LDV erfasst dagegen gezielt die Schwinggeschwindigkeit am anvisierten Messpunkt. Soll beispielsweise untersucht werden, wie stark eine bestimmte Komponente oder ein definierter Bereich einer Baugruppe schwingt, lässt sich die Messgröße dadurch unmittelbar einem konkreten Messpunkt auf der Struktur zuordnen. Gerade in komplexen Prüfaufbauten mit mehreren gleichzeitig arbeitenden oder schallabstrahlenden Komponenten kann dies mit einem Mikrofon nicht erreicht werden.
Wenig Platz am Messpunkt: In dicht aufgebauten Baugruppen oder kompakten Prüfständen fehlt häufig der Raum, um einen Beschleunigungsaufnehmer einschließlich Kabel sicher am gewünschten Messpunkt anzubringen. Ein LDV kann außerhalb des unmittelbaren Bauraums positioniert und auf die relevante Oberfläche ausgerichtet werden. Ein typischer Fall ist eine Baugruppe, bei der sich der relevante Messpunkt zwischen benachbarten Komponenten befindet. Während ein kontaktierender Sensor zusätzlichen Montage- und Verkabelungsraum benötigt, reicht für die optische Messung ein geeigneter Sichtkorridor zum Messpunkt.
Messungen aus größerem Abstand oder durch Sichtfenster: Da für die Messung kein direkter Kontakt zum Prüfling erforderlich ist, muss sich das LDV nicht unmittelbar am Messpunkt befinden. So können Schwingungen beispielsweise durch ein geeignetes transparentes Sichtfenster erfasst werden, während sich das Messsystem außerhalb eines abgeschlossenen Prüfbereichs befindet. Das kann bei Prüfständen mit Schutzumhausung, rotierenden Komponenten oder anderen Bereichen relevant sein, bei denen ein unmittelbarer Zugang während des Betriebs nicht vorgesehen oder nicht sinnvoll ist. Voraussetzung bleibt eine geeignete optische Verbindung zwischen LDV und Messpunkt.
Messungen an heißen Messstellen: Bei hohen Oberflächentemperaturen kann der zulässige Einsatzbereich von IEPE/ICP-Sensoren schnell zum begrenzenden Faktor werden. Da beim Laser-Doppler-Vibrometer kein Sensor direkt auf dem Messobjekt angebracht wird, lässt sich die Schwingung auch an Messstellen erfassen, deren Temperatur für eine konventionelle Sensorapplikation ungeeignet ist. Entscheidend dabei ist, dass die optischen und thermischen Randbedingungen der Messung berücksichtigt werden.
Messung ohne zusätzliche Sensorverkabelung am Prüfling: Kontaktierende Sensor benötigt neben ihrer Befestigung in der Regel auch eine entsprechende Verkabelung. In bewegten, kompakten oder regelmäßig wechselnden Prüfaufbauten muss diese bei der Umrüstzeit zusätzlich berücksichtigt werden. Ein LDV benötigt dagegen keine elektrische Verbindung zum Messpunkt. Das vereinfacht beispielsweise Untersuchungen an beweglichen Baugruppen oder Prüflingen, bei denen zusätzliche Kabel geführt, befestigt oder bei jedem Bauteilwechsel erneut angeschlossen werden müssten.
Wiederkehrende Messungen bei gleichbleibender Messposition: Bleibt die Messgeometrie weitgehend unverändert, kann ein LDV auf den jeweiligen Messpunkt ausgerichtet bleiben oder diesen automatisiert wiederholt anfahren. Die erneute mechanische Applikation eines Sensors am Prüfobjekt entfällt. Das kann insbesondere bei schnellen Schwingungsmessungen in Inline- und End-of-Line-Prüfungen von Vorteil sein, bei denen viele gleichartige Bauteile in kurzer Folge vermessen werden. In Verbindung mit automatisierten Positionier- oder Scansystemen lassen sich zudem mehrere Messpunkte nacheinander erfassen, beispielsweise für Laserscanning oder automatisierte Modalanalysen (AMA).
LDVs in Entwicklung, Prüfständen und Instandhaltung
Die beschriebenen Messsituationen treten in unterschiedlichen Anwendungsbereichen auf.
In der Entwicklung werden LDVs beispielsweise für Untersuchungen an Prototypen, leichten Strukturen oder dicht aufgebauten Baugruppen eingesetzt. Die berührungslose Messung ist insbesondere dann hilfreich, wenn eine Beeinflussung der Strukturdynamik durch Sensor- und Kopplungsmasse oder die mechanische Kopplung vermieden beziehungsweise die Schwingung gezielt an einzelnen Punkten einer komplexen Baugruppe untersucht werden soll.
In Prüfständen kommen LDVs unter anderem bei begrenztem Bauraum, wiederkehrenden Messungen an vergleichbaren Prüflingen sowie bei Messungen durch Sichtfenster oder aus größerem Abstand zum Einsatz. Bei geeigneter Messgeometrie ist auch die Einbindung in automatisierte oder halbautomatisierte Prüfabläufe möglich. In Prüfständen mit mehreren Schwingungs- und Schallquellen kann die punktbezogene Erfassung der Oberflächenschwingung zudem eine gezieltere Untersuchung einzelner Komponenten ermöglichen.
Im MRO-Umfeld können LDVs bei Zustandsbewertungen, Fehlersuchen oder Untersuchungen an eingebauten und schwer zugänglichen Komponenten eingesetzt werden, insbesondere wenn für die Messung möglichst wenig demontiert werden soll.
Voraussetzungen für ein zuverlässiges Signal
Ganz ohne Randbedingungen kommt auch die optische Messung nicht aus – für eine zuverlässige Erfassung müssen Sichtlinie, Oberflächeneigenschaften sowie Ausrichtung und Fokussierung des LDV auf den Messpunkt berücksichtigt werden. Stark spiegelnde, sehr dunkle oder ungünstig orientierte Oberflächen können zusätzliche Maßnahmen erfordern. Ändert sich die Messposition deutlich, muss das LDV gegebenenfalls neu positioniert, ausgerichtet und fokussiert werden, was zusätzlichen Zeitaufwand verursacht.
LDVs als Ergänzung zur klassischen Schwingungsmesstechnik
Laser-Doppler-Vibrometer ersetzen Beschleunigungsaufnehmer oder Mikrofone daher nicht grundsätzlich. Die Verfahren erfassen unterschiedliche Messgrößen und besitzen je nach Aufgabenstellung eigene Stärken. LDVs erweitern die bestehenden Messmöglichkeiten insbesondere dann, wenn eine berührungslose und punktbezogene Erfassung der Oberflächenschwingung Vorteile bietet – etwa bei masseempfindlichen oder schwer zugänglichen Strukturen, hohen Oberflächentemperaturen oder Messaufgaben, bei denen eine zusätzliche Sensorbefestigung und Verkabelung am Prüfling vermieden werden soll. Darüber hinaus eignen sie sich besonders für wiederkehrende und automatisierte Messungen, bei denen Messpunkte reproduzierbar angefahren oder mehrere Positionen nacheinander erfasst werden sollen.
