Vibrómetros láser 3D

Un vibrómetro láser 3D capta las vibraciones en las tres direcciones espaciales. Para ello, tres haces láser miden el mismo punto desde distintos ángulos, lo que permite adquirir por completo tanto el movimiento en el plano como el movimiento fuera del plano.

Este principio se utiliza tanto en los vibrómetros de barrido 3D como en los sistemas 3D de punto único.

Adquisición de vibraciones en tres ejes: tres haces láser miden el mismo punto desde distintos ángulos: el sistema transforma automáticamente los datos en coordenadas cartesianas (x, y, z).
Separación de movimiento en el plano y fuera del plano: separación limpia de las componentes de vibración dentro del plano del material y perpendiculares a la superficie.
Rango de frecuencia y rango de medición: de DC a 50 MHz con velocidades de vibración de hasta 50 m/s.
Validación FEM: importación de modelos 3D (NASTRAN, STL, OBJ) y medición directa sobre nodos FEM mediante el software SMART Lab.

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Modal analysis of a turbin blade in Smart Lab Software

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

Un vibrómetro láser 3D capta las vibraciones en las tres direcciones espaciales en un único punto de medición. Para ello, tres haces láser miden el mismo punto desde distintos ángulos. Las componentes de vibración medidas, registradas inicialmente en las respectivas direcciones de los haces como componentes u, v y w, se transforman a continuación a un sistema de coordenadas cartesianas (x, y, z).

Existen dos tipos básicos de vibrómetros láser 3D: El vibrómetro 3D de punto único mide la vibración tridimensional en un punto de medición fijo. El vibrómetro de barrido 3D capta además muchos puntos automáticamente y de forma secuencial, y proporciona modos de vibración 3D completos a lo largo de toda una superficie de medición.

Términos importantes:

Vibración en el plano: movimiento dentro del plano del material (tangencial a la superficie)
Vibración fuera del plano: movimiento perpendicular a la superficie (movimiento normal)
Desplazamiento 3D: el vector de vibración completo con componentes en las direcciones x, y y z

Un vibrómetro láser Doppler siempre mide las vibraciones a lo largo de la dirección del haz láser. Por lo tanto, un único láser capta exactamente una componente de vibración: a esto se le denomina vibrómetro láser 1D.

Esta medición unidimensional es suficiente cuando solo es relevante el movimiento fuera del plano, es decir, la vibración perpendicular a la superficie. Un ejemplo típico es la vibroacústica en chapas metálicas delgadas: la radiación acústica en este tipo de estructuras se debe principalmente al movimiento normal de la superficie.

Si el haz láser incide sobre una superficie plana con un ángulo exacto de 90°, la componente medida corresponde en su totalidad al movimiento fuera del plano. Sin embargo, si el haz láser se desvía de este ángulo, la señal de medición contiene componentes de movimiento tanto en el plano como fuera del plano. Con un único láser no es posible una separación limpia de estas direcciones.

single-point measurement with laser doppler vibrometer

Un vibrómetro láser 3D resuelve este problema: tres haces láser miden el mismo punto desde distintos ángulos. Las componentes de vibración registradas de este modo se presentan inicialmente en las direcciones de los haces de los tres vibrómetros (componentes u, v, w) y, a continuación, se transforman a un sistema de coordenadas cartesianas (x, y, z). Solo con esta información 3D completa es posible una separación exacta de las vibraciones en el plano y fuera del plano.

La medición 3D de un vistazo

3 haces láser miden el mismo punto
Componentes registradas: u, v, w (direcciones de los haces)
Transformación a coordenadas cartesianas: x, y, z
Resultado: vector de vibración 3D completo

La transformación la realiza automáticamente el software SMART Lab. El usuario recibe los datos de medición directamente en coordenadas x, y y z, sin necesidad de ninguna conversión manual.

Los vibrómetros láser Doppler 3D están disponibles en dos configuraciones: como sistema de punto único para medir en un punto fijo, o como sistema de barrido para captar automáticamente superficies completas.

3D single-point vibrometer with faserhead

Un vibrómetro 3D de punto único mide la vibración tridimensional en un punto de medición fijo. El punto permanece estacionario: no hay un barrido espacial de la superficie. El sistema proporciona las coordenadas cartesianas (x, y, z) directamente en las salidas digital y analógica del equipo, lo que permite la separación entre el plano y fuera del plano exactamente en ese punto.

Un vibrómetro de barrido 3D mide vibraciones tridimensionales a lo largo de muchos puntos automáticamente y de forma secuencial. Proporciona modos de vibración 3D completos y permite la separación entre el plano y fuera del plano a lo largo de toda la superficie de medición.

El sistema es adecuado para análisis modales (EMA/OMA), evaluaciones estructurales globales, así como para geometrías complejas y componentes de gran tamaño. Mediante la importación de modelos 3D y la medición directa sobre nodos FEM (p. ej., NASTRAN), el vibrómetro de barrido 3D puede integrarse en el proceso de validación.

Comparación: vibrómetro de barrido 3D frente a vibrómetro 3D de punto único

	Vibrómetro de barrido 3D	Vibrómetro 3D de punto único
Principio de medición	Barre automáticamente una superficie con muchos puntos de medición: capta modos de vibración 3D completos.	Mide la vibración tridimensional en un punto de medición fijo y estacionario.
Puntos de medición	Muchos puntos automáticamente y de forma secuencial, sin necesidad de reposicionamiento manual.	Un punto: los puntos de medición adicionales requieren el reposicionamiento del cabezal de fibra.
Separación en el plano / fuera del plano	A lo largo de toda la superficie de medición.	En el punto de medición único.
Aplicaciones típicas	Análisis modal (EMA/OMA), validación FEM, geometrías complejas y componentes de gran tamaño.	Análisis local de vibraciones, ubicaciones de medición de difícil acceso.
Producto Optomet	SMART 3D-Scan	SMART 3D-Fiber

Para estructuras planas y el análisis puramente fuera del plano, un vibrómetro láser 1D puede ser suficiente. No obstante, en cuanto entran en juego geometrías complejas, vibraciones en el plano o la validación de modelos FEM, solo la medición tridimensional ofrece la imagen completa.

Visualización de modos en el plano y fuera del plano:

Un disco de freno vibra tanto perpendicularmente a la superficie (fuera del plano) como dentro del plano del disco (en el plano). Un vibrómetro láser 1D capta únicamente el movimiento fuera del plano. Solo un vibrómetro láser 3D hace visibles ambos tipos de modos y revela sus correspondientes frecuencias de resonancia.

Geometrías complejas y superficies de forma libre:

Para una placa plana, una medición 1D puede ser suficiente en algunos casos. Sin embargo, en cuanto la estructura presenta curvaturas, contornos rebajados o superficies de forma libre —como álabes de turbina, cuerpos huecos o componentes embutidos en profundidad—, se requiere información 3D para captar por completo el comportamiento vibratorio.

Separación precisa entre el plano y fuera del plano:

Una separación limpia de las vibraciones en el plano y fuera del plano solo es posible cuando se conoce el vector de vibración 3D completo. En las mediciones 1D, una incidencia láser oblicua produce una señal mixta: las componentes direccionales no pueden separarse.

Validación FEM:

En las simulaciones FE (p. ej., NASTRAN, ANSYS, Abaqus) se calcula un vector de desplazamiento 3D completo en cada nodo. Para una validación correcta, los datos de medición y la simulación deben encontrarse en el mismo sistema de coordenadas. Para estructuras complejas se requiere para ello un vibrómetro láser 3D.

Cálculo de deformaciones y tensiones:

Un vibrómetro láser 3D capta los vectores de desplazamiento completos en las tres direcciones espaciales. Estos datos permiten calcular las deformaciones y las tensiones derivadas de ellas, una alternativa a las galgas extensométricas (SG). Las deformaciones estructurales se producen no solo perpendicularmente a la superficie, sino también dentro del plano del material.

Optomet ofrece dos vibrómetros láser 3D de la SMART Series: el SMART 3D-Scan para la adquisición de campo completo de modos de vibración, y el SMART 3D-Fiber para la medición tridimensional de punto único.

SMART 3D-Scan

El sistema es de diseño modular: un SMART Scan+ existente puede ampliarse en cualquier momento a un sistema de barrido 3D completo. SMART Lab da soporte a todo el flujo de trabajo, desde el ajuste de cámara de los tres equipos con el modelo 3D, pasando por la calibración automática del láser, hasta la visualización en vivo de los datos de medición durante el barrido.

Características principales:

Tres vibrómetros SMART Scan+ sincronizados
Hasta 512 × 512 puntos de medición
Transformación automática a coordenadas x, y, z
Importación de modelos 3D (STL, OBJ, PLY, NASTRAN)
Medición directa sobre nodos FEM

Más información sobre SMART 3D-Scan | Ficha técnica SMART 3D-Scan (PDF)

SMART 3D-Fiber

El SMART 3D-Fiber es un vibrómetro 3D de punto único con un cabezal de fibra compacto. Tres haces láser miden el mismo punto y proporcionan las coordenadas cartesianas (x, y, z) directamente en la salida digital y analógica. El compacto cabezal de fibra 3D es especialmente adecuado para ubicaciones de medición de difícil acceso, por ejemplo en cajas de cambios, compartimentos del motor o componentes con espacios de instalación reducidos.

La cámara web integrada muestra en la imagen de la cámara si los tres láseres inciden en el mismo punto de la superficie. El sistema puede operarse mediante el software SMART Lab o directamente a través de un sistema DAQ externo.

Características principales:

Cabezal de fibra 3D compacto (107 × 100 × 102 mm)
Distancia de trabajo: 83 mm; hay disponibles cabezales de fibra adicionales con distancias de trabajo de 25 mm a 100 m.
Salida directa de las coordenadas x, y, z en la salida analógica/digital
Cámara web integrada para alinear los tres láseres con el punto de medición
Adecuado para ubicaciones de medición de difícil acceso

Más información sobre SMART 3D-Fiber | Ficha técnica SMART 3D-Fiber (PDF)

Los vibrómetros láser 3D se utilizan siempre que las mediciones unidimensionales no son suficientes, ya sea debido a geometrías complejas, vibraciones relevantes en el plano o la necesidad de una validación FEM completa.

Álabes de turbina y blisks

Los álabes de turbina y los blisks (blade integrated disks) presentan geometrías complejas con curvatura y torsión.

Las vibraciones se producen en las tres direcciones espaciales y no pueden captarse por completo con un vibrómetro 1D. Un vibrómetro de barrido 3D proporciona modos de vibración completos y permite la comparación directa con simulaciones FEM.

Geometrías complejas y superficies de forma libre

Los cuerpos huecos, los componentes embutidos en profundidad, las carcasas de plástico o los paneles complejos suelen ser difíciles de analizar utilizando únicamente mediciones unidimensionales.

La normal de la superficie varía a lo largo de la estructura, lo que significa que un láser 1D capta diferentes mezclas de movimiento en el plano y fuera del plano en distintos puntos. Un vibrómetro láser 3D proporciona el vector de vibración completo en cada punto de medición, con independencia de la orientación local de la superficie.

Sistemas de frenos

En el análisis de discos de freno en bancos de ensayo de frenos, los modos en el plano desempeñan un papel clave, por ejemplo en la investigación del chirrido de frenos.

Estas vibraciones tangenciales dentro del plano del disco no son visibles con un vibrómetro de barrido 1D. Solo la medición 3D revela estos modos y permite una caracterización completa del comportamiento vibratorio.

Geometrías complejas y superficies de forma libre (estructuras ligeras)

Las estructuras ligeras fabricadas con compuestos reforzados con fibra o construcciones tipo sándwich suelen mostrar un comportamiento vibratorio complejo con pronunciadas componentes en el plano.

Para la caracterización y validación de estos componentes se requiere información de vibración 3D completa, especialmente cuando los datos de medición deben alinearse con modelos FEM.

Una medición de barrido 3D con el SMART 3D-Scan sigue un flujo de trabajo estructurado, desde la adquisición de la geometría hasta la calibración automática y, finalmente, la visualización de los resultados. El software SMART Lab guía al usuario a lo largo de todo el proceso.

Paso 1: Importar la geometría 3D

En el primer paso, la geometría 3D del objeto de ensayo se carga en SMART Lab. El software admite formatos habituales como STL, OBJ y PLY, así como modelos FEM de NASTRAN. Como alternativa, la geometría puede captarse directamente a través de la imagen de la cámara.

3D-Modell in Vibrometer Software zum Abgleich per Kamera

Paso 2: Ajuste de cámara

Durante el ajuste de cámara, los tres vibrómetros de barrido se alinean con el modelo 3D. Así se crea un gemelo digital: la orientación y la posición de cada equipo en el espacio, en relación con el objeto de ensayo, se conocen con precisión.

Kalibrierung des Lasers für die Schwingungsmessung per Software

Paso 3: Calibración del láser

En el siguiente paso se calibran los tres haces láser. SMART Lab realiza este proceso de forma totalmente automática. La calidad de la calibración puede comprobarse en cualquier momento, incluido el cálculo matemático del error.

Erstellung von Messpunkten in der Software für Schwingungsmessung

Paso 4: Definir los puntos de medición

Los puntos de medición se crean directamente sobre el modelo 3D o en la imagen de la cámara. Para la validación FEM, los puntos pueden colocarse automáticamente sobre los nodos del modelo de simulación, garantizando que la medición y la simulación se encuentren en el mismo sistema de coordenadas.

Messaufbau mit 3 Scanning Vibrometern zur 3D-Schwingungsanalyse

Paso 5: Barrido automático

El sistema barre todos los puntos de medición definidos automáticamente y de forma secuencial. La medición es precisa en fase, lo que garantiza que las vibraciones de todos los puntos queden correctamente alineadas en el tiempo. Durante el barrido, SMART Lab muestra los datos de medición en vivo, lo que permite comenzar el análisis mientras la medición aún está en curso.

Schwingungsanalyse in Smart Lab Software

Paso 6: Transformación y visualización

Las componentes de vibración medidas (u, v, w) se transforman automáticamente a coordenadas cartesianas (x, y, z). SMART Lab visualiza los resultados como FRF, modos de vibración o señales en el dominio del tiempo, tanto en el dominio temporal como en el de la frecuencia.

La medición 3D de punto único con el SMART 3D-Fiber se configura en unos pocos pasos. El sistema proporciona los datos de vibración 3D mediante el software SMART Lab o directamente a través de las salidas analógica y digital.

Paso 1: Establecer la conexión

El SMART 3D-Fiber se conecta al PC mediante Ethernet. Como alternativa, el sistema puede conectarse directamente a un sistema DAQ externo: las coordenadas x, y y z están disponibles tanto en la salida digital como en las salidas analógicas.

Paso 2: Alinear el cabezal de fibra

El cabezal de fibra 3D se alinea con el objeto de ensayo. La cámara web integrada muestra en la imagen de la cámara si los tres haces láser inciden en el mismo punto de la superficie. Esto garantiza que la medición capte el vector de vibración 3D completo exactamente en un punto.

Paso 3: Excitar el objeto de ensayo

El objeto de ensayo se excita para que vibre, por ejemplo mediante el generador de señales integrado del SMART 3D-Fiber o a través de una fuente de excitación externa.

Paso 4: Iniciar la medición y analizar

Tras iniciar la medición, los datos de vibración 3D están disponibles en tiempo real. El análisis se lleva a cabo en el software SMART Lab o directamente en el sistema DAQ conectado.

Retrato de Tobias Schröder, director de Ventas y Marketing en Optomet

«Desde hace más de dos décadas, Optomet es sinónimo de medición precisa de vibraciones. Nuestros vibrómetros láser de barrido 3D ofrecen datos fiables, desde el análisis de laboratorio hasta el control de calidad industrial.»

Tobias Schröder (M.Sc. en Ingeniería Mecánica)
Director de Ventas y Marketing

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Ventajas frente a los sensores convencionales

	Sensores de contacto convencionales	Vibrómetro láser 3D
Direcciones de medición	Se requieren sensores triaxiales para la adquisición 3D: son más grandes, más pesados e influyen en mayor medida en el comportamiento vibratorio	Capta simultáneamente las tres direcciones espaciales (x, y, z) en cada punto de medición
En el plano / fuera del plano	La separación limpia solo es posible con disposiciones de sensores complejas	Separación exacta de las vibraciones en el plano y fuera del plano en cada punto de medición
Geometrías complejas	Aplicabilidad limitada para superficies curvas o de forma libre	Adquisición 3D completa incluso para estructuras complejas como álabes de turbina o cuerpos huecos
Validación FEM	Asignación compleja de las posiciones de los sensores a los nodos FEM	Medición directa sobre nodos FEM; datos de medición y simulación en el mismo sistema de coordenadas
Cálculo de deformaciones y tensiones	Requiere galgas extensométricas adicionales con una instalación exigente	Cálculo posible a partir de los vectores de desplazamiento 3D completos, sin sensores adicionales
Influencia en las frecuencias naturales	La masa adicional influye en el comportamiento vibratorio	Medición sin contacto y sin carga másica
Rango de frecuencia medible	Normalmente limitado de unos pocos kHz a varias decenas de kHz	Hasta 50 MHz (SMART Series)

Respuestas a las preguntas más frecuentes sobre el principio de medición, las áreas de aplicación y la configuración del sistema de los vibrómetros láser 3D.

Un vibrómetro láser 1D mide la vibración a lo largo de la dirección del haz láser, es decir, exactamente una componente. Un vibrómetro láser 3D utiliza tres haces láser para medir las tres direcciones espaciales y proporciona el vector de vibración completo en coordenadas cartesianas (x, y, z).

Se necesita un vibrómetro láser 3D cuando las vibraciones en el plano son relevantes, cuando deben analizarse geometrías complejas con curvaturas o superficies de forma libre, o cuando debe realizarse una validación FEM utilizando vectores de desplazamiento 3D completos.

Fuera del plano hace referencia a la vibración perpendicular a la superficie (movimiento normal). En el plano hace referencia a la vibración dentro del plano del material, es decir, tangencial a la superficie. Solo un vibrómetro láser 3D puede separar de forma limpia estas componentes.

Los tres láseres miden inicialmente en sus respectivas direcciones de haz (u, v, w). El software SMART Lab calcula automáticamente las componentes de vibración en un sistema de coordenadas cartesianas (x, y, z), alineado con el objeto de ensayo o el modelo FEM.

Un vibrómetro 3D de punto único (SMART 3D-Fiber) mide la vibración tridimensional en un punto de medición fijo. Un vibrómetro de barrido 3D (SMART 3D-Scan) se desplaza automáticamente a lo largo de muchos puntos de forma secuencial y proporciona modos de vibración 3D completos a lo largo de toda una superficie.

Sí. La SMART Series es modular. Un SMART Scan+ existente puede ampliarse en cualquier momento con dos equipos adicionales para formar un SMART 3D-Scan completo.

SMART Lab admite formatos habituales como STL, OBJ y PLY, así como modelos FEM de NASTRAN. Los puntos de medición pueden colocarse directamente sobre nodos FEM.

La calibración de los tres haces láser está totalmente automatizada en SMART Lab. El software comprueba la calidad de la calibración y muestra cálculos matemáticos del error.

Con la SMART Series pueden medirse frecuencias de DC a 50 MHz.

Sí. Las deformaciones y las tensiones derivadas de ellas pueden calcularse a partir de los vectores de desplazamiento 3D completos, lo que ofrece una alternativa a las galgas extensométricas.

Los vibrómetros SMART 3D utilizan fuentes láser seguras para la vista. El láser de medición SWIR invisible (1550 nm) está clasificado como láser de clase 1 (< 10 mW) y no requiere gafas de protección. El láser piloto visible utilizado para la alineación es de clase 2 (< 1 mW) y también es seguro para la vista.

Los tres láseres de un sistema 3D miden el mismo punto de forma simultánea desde distintos ángulos. En un vibrómetro de barrido 3D, los puntos de medición individuales se abordan de forma secuencial. Mediante una señal de referencia, las mediciones desfasadas en el tiempo se combinan de forma correcta en fase.

La excitación depende de la tarea de medición y puede realizarse mediante un martillo modal, un excitador (shaker), un actuador piezoeléctrico o a través de condiciones de funcionamiento reales. La SMART Series incluye un generador de señales integrado que puede utilizarse como fuente de excitación definida.

Sí. Los datos de medición están disponibles tanto de forma digital como analógica y pueden integrarse en bancos de ensayo y cadenas de medición existentes a través de interfaces abiertas. Los disparadores (triggers) externos permiten procesos de medición sincronizados.

SMART 3D-Scan: el sistema permite distancias de trabajo de aprox. 6,5 mm a 100 m, según el tamaño del objeto y la configuración.

SMART 3D-Fiber: el compacto cabezal de fibra 3D tiene una distancia de trabajo fija de 83 mm. Como alternativa, hay disponibles cabezales de fibra adicionales con distancias de trabajo de 25 mm a 100 m.

Fuentes láser
Fundamentos de los tipos de láser utilizados en vibrometría: helio-neón, SWIR y sistemas acoplados por fibra.

Vibrometría láser Doppler
Estructura, principio de funcionamiento y áreas de aplicación de la vibrometría láser Doppler.

Medición de vibraciones
Métodos, configuración de medición y evaluación de datos de vibración en investigación e industria.

Efecto Doppler
Principio físico de la vibrometría láser Doppler: la base para una medición precisa de la velocidad.

Procesamiento de señales
Análisis de datos de vibración mediante FFT, evaluación en el dominio de la frecuencia y procesamiento en tiempo real.

Las especificaciones técnicas completas pueden consultarse en las respectivas páginas de producto y en las fichas técnicas.