Das Messprinzip der Laser Vibrometrie

Von einem bewegten Objekt zurückgestreutes Licht erfährt eine von der Geschwindigkeit abhängige Frequenzänderung (Doppler-Effekt). Mit einem Interferometer wird diese Frequenzverschiebung mit hoher Genauigkeit gemessen, um hieraus die Schwingungsinformationen zu gewinnen.

Dopplereffekt

Werden Wellen von einer sich nähernden (entfernenden) Quelle ausgesandt, erreichen aufeinanderfolgende Wellenberge den Empfänger in kleineren (größeren) Zeitabständen als sie emittiert werden. Dieses als Änderung der Frequenz wahrgenommene Phänomen ist als Doppler-Effekt bekannt. Die akustische Entsprechung lässt sich beispielsweise als scheinbare Änderung der Tonhöhe des Martinshorns beim Vorbeifahren eines Rettungswagens beobachten. Die gemessene Frequenzverschiebung Δf_c eines Lasers mit der Wellenlänge λ_c ist für praktische vibrometrische Anwendungen in sehr guter Näherung proportional zur Geschwindigkeit v,

Δf_c = 2 v/λ_c .

Vibrometrie

Das Messprinzip beruht darauf, aus der ermittelten Frequenzverschiebung die Geschwindigkeit v(t) der Oberfläche zu gewinnen, von welcher das Laserlicht zurückgestreut wird. Auslenkung d(t) und Beschleunigung a(t) lassen sich ebenfalls hieraus ableiten. Im Fall einer harmonischen Schwingung mit Frequenz f und Auslenkung d(t) = D sin(2π f t) stehen die Amplituden D, V und A von Auslenkung, Geschwindigkeit und Beschleunigung miteinander in der Beziehung

A = 2π f V = 4π² f² D .

Interferometer

Die Frequenzänderungen werden mithilfe eines Mach-Zehnder-Interferometers in einen Helligkeitsverlauf gewandelt, dessen Frequenzbereich für die elektronische Weiterverarbeitung zugänglich ist. Im Interferometer zerlegt ein Strahlteiler den Laserstrahl in einen Referenzstrahl und einen Messstrahl. Dessen vom Messobjekt reflektiertes Licht wird wiederum mit dem Referenzstrahl überlagert. Die in einem Photodetektor gemessene Intensität enthält außer der Summe der jeweiligen Intensitäten von Referenzstrahl I_c, und reflektiertem Licht I_v, auch einen Anteil, der von der unterschiedlichen optischen Weglänge Δz der beiden Strahlen abhängt,

I(t) = I_c + I_v + 2 (I_c I_v)^1/2 cos (2 π Δz(t)/λ) .

Heterodynes Messprinzip

Die von der Bewegung des Messobjekts herrührende Änderung in der Intensität ist unabhängig davon, ob sich das Objekt auf das Messgerät zu bewegt oder sich entfernt. Diese Mehrdeutigkeit wird durch ein heterodynes Verfahren beseitigt, indem die Frequenz des Referenzstrahls mittels eines akusto-optischen Kopplers um einen festen Betrag f_b verschoben wird. Die Interferenz der beiden Strahlen führt bei ruhendem Messobjekt zu einem Helligkeitsverlauf mit einer Frequenz f_b, die der Differenz zwischen Referenz- und Messtrahl entspricht.

Dieses Trägersignal ∝ cos (2 π f_b) erfährt durch die Bewegung des Messobjektes eine Modulation. Je nach Bewegungsrichtung verschiebt sich die Frequenz der Hell-Dunkel-Wechsels zu größeren oder kleineren Frequenzen.

Demodulation

Die Bewegungsinformation über das Messobjekt erhält man durch Demodulation des Intensitätsverlaufs. Nach der Umwandlung in ein digitales Signal wird über eine leistungsfähige Signalverarbeitung in Echtzeit die Auslenkung und Geschwindigkeit der Oberfläche des Messobjekts bestimmt. Dabei können sowohl die Geschwindigkeit als auch die Auslenkung demoduliert werden.