3D 激光测振仪

3D 激光测振仪可在所有三个空间方向上捕捉振动。为此，三束激光从不同角度测量同一个点，从而能够完整地采集面内运动和面外运动。

该原理同时应用于 3D 扫描测振仪和 3D 单点系统中。

三轴振动采集：三束激光从不同角度测量同一个点——系统自动将数据转换为笛卡尔坐标（x、y、z）。
面内与面外分离：清晰地分离材料平面内以及垂直于表面的振动分量。
频率范围与测量范围：DC 至 50 MHz，振动速度高达 50 m/s。
FEM 验证：导入 3D 模型（NASTRAN、STL、OBJ），并使用 SMART Lab 软件直接在 FEM 节点上测量。

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Modal analysis of a turbin blade in Smart Lab Software

3d vibration measurement with 3d-single-point vibrometer

3D 激光测振仪可在单个测量点上捕捉所有三个空间方向上的振动。为此，三束激光从不同角度测量同一个点。所测得的振动分量——最初以 u、v、w 分量的形式记录在各自的激光束方向上——随后被转换到笛卡尔坐标系（x、y、z）中。

3D 激光测振仪基本上有两种类型：3D 单点测振仪在固定测量点上测量三维振动。3D 扫描测振仪则额外按顺序自动采集多个点，并在整个测量表面上提供完整的 3D 振型。

重要术语：

面内振动：材料平面内的运动（与表面相切）
面外振动：垂直于表面的运动（法向运动）
3D 位移：包含 x、y、z 方向分量的完整振动矢量

激光多普勒测振仪始终沿激光束方向测量振动。因此，单束激光仅捕捉一个振动分量——这被称为 1D 激光测振仪。

当仅面外运动相关时——即垂直于表面的振动——这种一维测量就足够了。一个典型示例是薄金属板上的振动声学：此类结构中的声辐射主要由表面的法向运动引起。

如果激光束以精确的 90° 角入射到平坦表面上，所测得的分量完全对应于面外运动。然而，如果激光束偏离该角度，测量信号将同时包含面内和面外运动分量。仅凭单束激光无法清晰地分离这些方向。

single-point measurement with laser doppler vibrometer

3D 激光测振仪解决了这一问题：三束激光从不同角度测量同一个点。以此方式记录的振动分量最初存在于三台测振仪的激光束方向上（u、v、w 分量），随后被转换到笛卡尔坐标系（x、y、z）中。只有借助这种完整的 3D 信息，才能精确地分离面内和面外振动。

3D 测量一览

3 束激光测量同一个点
记录的分量：u、v、w（激光束方向）
转换为笛卡尔坐标：x、y、z
结果：完整的 3D 振动矢量

该转换由 SMART Lab 软件自动完成。用户可直接获得以 x、y、z 坐标表示的测量数据——无需手动换算。

3D 激光多普勒测振仪有两种配置可供选择：作为单点系统用于在固定点测量，或作为扫描系统用于自动采集整个表面。

3D single-point vibrometer with faserhead

3D 单点测振仪在固定测量点上测量三维振动。该点保持静止——不会对表面进行空间扫描。系统直接在设备的数字和模拟输出端提供笛卡尔坐标（x、y、z），从而能够在该点精确实现面内/面外分离。

3D 扫描测振仪可按顺序自动测量多个点的三维振动。它提供完整的 3D 振型，并能在整个测量表面上实现面内/面外分离。

该系统适用于模态分析（EMA/OMA）、整体结构评估，以及复杂几何形状和大型部件。通过导入 3D 模型并直接在 FEM 节点（例如 NASTRAN）上测量，3D 扫描测振仪可集成到验证流程中。

对比：3D 扫描测振仪与 3D 单点测振仪

	3D 扫描测振仪	3D 单点测振仪
测量原理	以多个测量点自动扫描表面——捕捉完整的 3D 振型。	在固定、静止的测量点上测量三维振动。
测量点	按顺序自动测量多个点——无需手动重新定位。	单个点——额外的测量点需要重新定位光纤头。
面内 / 面外分离	在整个测量表面上。	在单个测量点上。
典型应用	模态分析（EMA/OMA）、FEM 验证、复杂几何形状和大型部件。	局部振动分析、难以触及的测量位置。
Optomet 产品	SMART 3D-Scan	SMART 3D-Fiber

对于平坦结构和纯面外分析，1D 激光测振仪可能就足够了。然而，一旦涉及复杂几何形状、面内振动或 FEM 模型验证，只有三维测量才能提供完整的图景。

可视化面内和面外振型：

制动盘既垂直于表面振动（面外），也在盘面内振动（面内）。1D 激光测振仪仅捕捉面外运动。只有 3D 激光测振仪才能使这两种振型类型可见，并揭示其相应的共振频率。

复杂几何形状和自由曲面：

对于平板，在某些情况下 1D 测量可能就足够了。然而，一旦结构包含曲率、倒凹或自由曲面——例如涡轮叶片、空心体或深拉伸部件——则需要 3D 信息才能完整捕捉振动行为。

精确的面内/面外分离：

只有在已知完整的 3D 振动矢量时，才能清晰地分离面内和面外振动。对于 1D 测量，斜激光入射会产生混合信号——无法分离各方向分量。

FEM 验证：

在有限元仿真（例如 NASTRAN、ANSYS、Abaqus）中，会在每个节点上计算完整的 3D 位移矢量。为了正确验证，测量数据和仿真必须处于同一坐标系中。对于复杂结构，为此需要 3D 激光测振仪。

应变和应力计算：

3D 激光测振仪可捕捉所有三个空间方向上的完整位移矢量。这些数据能够计算应变以及由此导出的应力——可作为应变片（SG）的替代方案。结构变形不仅发生在垂直于表面的方向上，也发生在材料平面内。

Optomet 提供两款来自 SMART 系列的 3D 激光测振仪：用于全场采集振型的 SMART 3D-Scan，以及用于三维单点测量的 SMART 3D-Fiber。

SMART 3D-Scan

该系统采用模块化设计：现有的 SMART Scan+ 可随时升级为完整的 3D 扫描系统。SMART Lab 支持整个工作流程——从三台设备与 3D 模型的相机匹配，到自动激光校准，直至扫描期间测量数据的实时可视化。

主要特性：

三台同步的 SMART Scan+ 测振仪
高达 512 × 512 个测量点
自动转换为 x、y、z 坐标
导入 3D 模型（STL、OBJ、PLY、NASTRAN）
直接在 FEM 节点上测量

SMART 3D-Fiber

SMART 3D-Fiber 是一款配备紧凑光纤头的 3D 单点测振仪。三束激光测量同一个点，并直接在数字和模拟输出端提供笛卡尔坐标（x、y、z）。紧凑的 3D 光纤头特别适用于难以触及的测量位置——例如齿轮箱、发动机舱或安装空间狭小的部件。

集成的网络摄像头会在相机图像中显示三束激光是否都击中表面上的同一个点。该系统既可通过 SMART Lab 软件操作，也可直接通过外部 DAQ 系统操作。

主要特性：

紧凑的 3D 光纤头（107 × 100 × 102 mm）
工作距离：83 mm；另有工作距离从 25 mm 至 100 m 的其他光纤头可供选择。
在模拟/数字输出端直接输出 x、y、z 坐标
集成网络摄像头，用于将三束激光对准测量点
适用于难以触及的测量位置

凡是一维测量无法满足需求之处——无论是由于复杂几何形状、相关的面内振动，还是出于完整 FEM 验证的要求——都会用到 3D 激光测振仪。

涡轮叶片和整体叶盘

涡轮叶片和整体叶盘（blade integrated disks）具有带曲率和扭转的复杂几何形状。

振动发生在所有三个空间方向上，无法用 1D 测振仪完整捕捉。3D 扫描测振仪可提供完整的振型，并能与 FEM 仿真直接对比。

复杂几何形状和自由曲面

空心体、深拉伸部件、塑料外壳或复杂面板通常仅凭一维测量难以分析。

表面法向在整个结构上各不相同，这意味着 1D 激光在不同点会捕捉到面内和面外运动的不同混合。3D 激光测振仪可在每个测量点提供完整的振动矢量——与局部表面方向无关。

制动系统

在制动测试台上分析制动盘时，面内振型起着关键作用——例如在制动尖叫的研究中。

这些盘面内的切向振动无法用 1D 扫描测振仪看到。只有 3D 测量才能揭示这些振型，并实现对振动行为的完整表征。

复杂几何形状和自由曲面（轻量化结构）

由纤维增强复合材料或夹层结构制成的轻量化结构通常表现出具有显著面内分量的复杂振动行为。

对这些部件进行表征和验证需要完整的 3D 振动信息——尤其是当测量数据必须与 FEM 模型对齐时。

使用 SMART 3D-Scan 进行的 3D 扫描测量遵循结构化的工作流程——从几何采集到自动校准，最后到结果的可视化。SMART Lab 软件引导用户完成整个流程。

步骤 1：导入 3D 几何模型

第一步，将被测对象的 3D 几何模型加载到 SMART Lab 中。该软件支持 STL、OBJ、PLY 等常见格式，以及来自 NASTRAN 的 FEM 模型。或者，也可以直接通过相机图像采集几何形状。

3D-Modell in Vibrometer Software zum Abgleich per Kamera

步骤 2：相机匹配

在相机匹配过程中，三台扫描测振仪与 3D 模型对齐。由此创建一个数字孪生：每台设备在空间中相对于被测对象的方向和位置都被精确知晓。

Kalibrierung des Lasers für die Schwingungsmessung per Software

步骤 3：激光校准

下一步，校准三束激光。SMART Lab 全自动执行此过程。可随时检查校准质量——包括数学误差计算。

Erstellung von Messpunkten in der Software für Schwingungsmessung

步骤 4：定义测量点

测量点直接在 3D 模型上或在相机图像中创建。对于 FEM 验证，可将测量点自动放置在仿真模型的节点上——确保测量和仿真处于同一坐标系中。

Messaufbau mit 3 Scanning Vibrometern zur 3D-Schwingungsanalyse

步骤 5：自动扫描

系统按顺序自动扫描所有已定义的测量点。测量是相位精确的，确保所有点的振动在时间上正确对齐。在扫描期间，SMART Lab 实时显示测量数据——使得在测量仍在进行时即可开始分析。

Schwingungsanalyse in Smart Lab Software

步骤 6：转换与可视化

所测得的振动分量（u、v、w）被自动转换为笛卡尔坐标（x、y、z）。SMART Lab 将结果以 FRF、振型或时域信号的形式可视化——在时域和频域中均可呈现。

使用 SMART 3D-Fiber 进行的 3D 单点测量只需几个步骤即可设置完成。系统通过 SMART Lab 软件或直接通过模拟和数字输出端提供 3D 振动数据。

步骤 1：建立连接

SMART 3D-Fiber 通过以太网连接到 PC。或者，系统也可直接连接到外部 DAQ 系统——x、y、z 坐标在数字输出端和模拟输出端均可获得。

步骤 2：对准光纤头

将 3D 光纤头对准被测对象。集成的网络摄像头会在相机图像中显示三束激光是否都击中表面上的同一个点。这确保测量能在恰好一个点上捕捉到完整的 3D 振动矢量。

步骤 3：激励被测对象

使被测对象产生振动——例如使用 SMART 3D-Fiber 的集成信号发生器，或通过外部激励源。

步骤 4：启动测量并分析

启动测量后，3D 振动数据即可实时获得。分析在 SMART Lab 软件中或直接在连接的 DAQ 系统中进行。

“二十多年来，Optomet 始终代表着精确的振动测量。我们的 3D 激光扫描测振仪提供可靠的数据——从实验室分析到工业质量控制。”

Tobias Schröder（机械工程硕士）
销售与市场总监

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相比传统传感器的优势

	传统接触式传感器	3D 激光测振仪
测量方向	3D 采集需要三轴传感器——它们更大、更重，并且对振动行为的影响更大	在每个测量点同时捕捉所有三个空间方向（x、y、z）
面内 / 面外	只有借助复杂的传感器布置才能实现清晰分离	在每个测量点精确分离面内和面外振动
复杂几何形状	对曲面或自由曲面的适用性有限	即使对涡轮叶片或空心体等复杂结构也能完整进行 3D 采集
FEM 验证	将传感器位置分配到 FEM 节点的过程复杂	直接在 FEM 节点上测量；测量数据和仿真处于同一坐标系中
应变和应力计算	需要额外的应变片，且安装要求高	可从完整的 3D 位移矢量进行计算——无需额外传感器
对固有频率的影响	附加质量影响振动行为	非接触式测量，无质量负载
可测量的频率范围	通常限于几 kHz 至几十 kHz	高达 50 MHz（SMART 系列）