Vibromètres laser 3D

Un vibromètre laser 3D capture les vibrations dans les trois directions de l'espace. Pour cela, trois faisceaux laser mesurent le même point sous différents angles, ce qui permet une acquisition complète des mouvements dans le plan (in-plane) et hors plan (out-of-plane).

Ce principe est utilisé aussi bien dans les vibromètres à balayage 3D que dans les systèmes ponctuels 3D.

Acquisition des vibrations selon trois axes : trois faisceaux laser mesurent le même point sous différents angles – le système transforme automatiquement les données en coordonnées cartésiennes (x, y, z).
Séparation in-plane et out-of-plane : séparation nette des composantes de vibration dans le plan du matériau et perpendiculairement à la surface.
Plage de fréquence et plage de mesure : de DC à 50 MHz avec des vitesses de vibration allant jusqu'à 50 m/s.
Validation FEM : import de modèles 3D (NASTRAN, STL, OBJ) et mesure directe sur les nœuds FEM à l'aide du logiciel 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 vibromètre laser 3D capture les vibrations dans les trois directions de l'espace en un seul point de mesure. Pour cela, trois faisceaux laser mesurent le même point sous différents angles. Les composantes de vibration mesurées – d'abord enregistrées dans les directions respectives des faisceaux sous forme de composantes u, v et w – sont ensuite transformées dans un système de coordonnées cartésiennes (x, y, z).

Il existe deux types fondamentaux de vibromètres laser 3D : le vibromètre ponctuel 3D mesure la vibration tridimensionnelle en un point de mesure fixe. Le vibromètre à balayage 3D capture en outre automatiquement de nombreux points les uns après les autres et fournit des déformées modales 3D complètes sur toute une surface de mesure.

Termes importants :

Vibration in-plane : mouvement dans le plan du matériau (tangentiel à la surface)
Vibration out-of-plane : mouvement perpendiculaire à la surface (mouvement normal)
Déplacement 3D : le vecteur de vibration complet avec ses composantes selon les directions x, y et z

Un vibromètre laser à effet Doppler mesure toujours les vibrations selon la direction du faisceau laser. Un seul laser capture donc exactement une composante de vibration – on parle alors de vibromètre laser 1D.

Cette mesure unidimensionnelle est suffisante lorsque seul le mouvement out-of-plane est pertinent – c'est-à-dire la vibration perpendiculaire à la surface. Un exemple typique est la vibroacoustique sur des tôles métalliques fines : le rayonnement acoustique de telles structures est principalement provoqué par le mouvement normal de la surface.

Si le faisceau laser frappe une surface plane sous un angle exact de 90°, la composante mesurée correspond entièrement au mouvement out-of-plane. Cependant, si le faisceau laser s'écarte de cet angle, le signal de mesure contient à la fois des composantes de mouvement in-plane et out-of-plane. Une séparation nette de ces directions n'est pas possible avec un seul laser.

single-point measurement with laser doppler vibrometer

Un vibromètre laser 3D résout ce problème : trois faisceaux laser mesurent le même point sous différents angles. Les composantes de vibration ainsi enregistrées sont d'abord présentes dans les directions des faisceaux des trois vibromètres (composantes u, v, w) et sont ensuite transformées dans un système de coordonnées cartésiennes (x, y, z). Ce n'est qu'avec cette information 3D complète qu'une séparation exacte des vibrations in-plane et out-of-plane devient possible.

La mesure 3D en un coup d'œil

3 faisceaux laser mesurent le même point
Composantes enregistrées : u, v, w (directions des faisceaux)
Transformation en coordonnées cartésiennes : x, y, z
Résultat : vecteur de vibration 3D complet

La transformation est effectuée automatiquement par le logiciel SMART Lab. L'utilisateur reçoit les données de mesure directement en coordonnées x, y et z – sans aucune conversion manuelle requise.

Les vibromètres laser à effet Doppler 3D sont disponibles en deux configurations : en tant que système ponctuel pour la mesure en un point fixe, ou en tant que système à balayage pour l'acquisition automatique de surfaces entières.

3D single-point vibrometer with faserhead

Un vibromètre ponctuel 3D mesure la vibration tridimensionnelle en un point de mesure fixe. Le point reste immobile – il n'y a pas de balayage spatial de la surface. Le système fournit directement les coordonnées cartésiennes (x, y, z) aux sorties numériques et analogiques de l'appareil, permettant la séparation in-plane/out-of-plane exactement en ce point.

Un vibromètre à balayage 3D mesure les vibrations tridimensionnelles sur de nombreux points automatiquement les uns après les autres. Il fournit des déformées modales 3D complètes et permet la séparation in-plane/out-of-plane sur toute la surface de mesure.

Le système convient aux analyses modales (EMA/OMA), aux évaluations structurelles globales, ainsi qu'aux géométries complexes et aux grands composants. Grâce à l'import de modèles 3D et à la mesure directe sur les nœuds FEM (par ex. NASTRAN), le vibromètre à balayage 3D peut être intégré au processus de validation.

Comparaison : vibromètre à balayage 3D vs. vibromètre ponctuel 3D

	Vibromètre à balayage 3D	Vibromètre ponctuel 3D
Principe de mesure	Balaye automatiquement une surface avec de nombreux points de mesure – capture des déformées modales 3D complètes.	Mesure la vibration tridimensionnelle en un point de mesure fixe et immobile.
Points de mesure	De nombreux points automatiquement les uns après les autres – aucun repositionnement manuel requis.	Un point – les points de mesure supplémentaires nécessitent un repositionnement de la tête fibrée.
Séparation in-plane / out-of-plane	Sur toute la surface de mesure.	Au point de mesure unique.
Applications typiques	Analyse modale (EMA/OMA), validation FEM, géométries complexes et grands composants.	Analyse locale de vibrations, emplacements de mesure difficiles d'accès.
Produit Optomet	SMART 3D-Scan	SMART 3D-Fiber

Pour les structures planes et l'analyse purement out-of-plane, un vibromètre laser 1D peut suffire. Cependant, dès que des géométries complexes, des vibrations in-plane ou la validation de modèles FEM entrent en jeu, seule la mesure tridimensionnelle fournit une image complète.

Visualiser les modes in-plane et out-of-plane :

Un disque de frein vibre à la fois perpendiculairement à la surface (out-of-plane) et dans le plan du disque (in-plane). Un vibromètre laser 1D ne capture que le mouvement out-of-plane. Seul un vibromètre laser 3D rend visibles les deux types de modes et révèle leurs fréquences de résonance correspondantes.

Géométries complexes et surfaces de forme libre :

Pour une plaque plane, une mesure 1D peut suffire dans certains cas. Cependant, dès que la structure comporte des courbures, des contre-dépouilles ou des surfaces de forme libre – telles que des aubes de turbine, des corps creux ou des composants emboutis – une information 3D est nécessaire pour capturer pleinement le comportement vibratoire.

Séparation précise in-plane/out-of-plane :

Une séparation nette des vibrations in-plane et out-of-plane n'est possible que lorsque le vecteur de vibration 3D complet est connu. Avec les mesures 1D, une incidence laser oblique produit un signal mixte – les composantes directionnelles ne peuvent pas être séparées.

Validation FEM :

Dans les simulations EF (par ex. NASTRAN, ANSYS, Abaqus), un vecteur de déplacement 3D complet est calculé à chaque nœud. Pour une validation correcte, les données de mesure et la simulation doivent exister dans le même système de coordonnées. Pour les structures complexes, un vibromètre laser 3D est nécessaire à cette fin.

Calcul des déformations et des contraintes :

Un vibromètre laser 3D capture les vecteurs de déplacement complets dans les trois directions de l'espace. Ces données permettent le calcul des déformations et des contraintes qui en découlent – une alternative aux jauges de déformation (jauges extensométriques). Les déformations structurelles se produisent non seulement perpendiculairement à la surface, mais aussi dans le plan du matériau.

Optomet propose deux vibromètres laser 3D de la SMART Series : le SMART 3D-Scan pour l'acquisition pleine-champ des déformées modales, et le SMART 3D-Fiber pour la mesure ponctuelle tridimensionnelle.

SMART 3D-Scan

Le système est de conception modulaire : un SMART Scan+ existant peut être mis à niveau à tout moment vers un système de balayage 3D complet. SMART Lab prend en charge l'ensemble du flux de travail – du recalage caméra des trois appareils avec le modèle 3D, à la calibration laser automatique, jusqu'à la visualisation en direct des données de mesure pendant le balayage.

Caractéristiques principales :

Trois vibromètres SMART Scan+ synchronisés
Jusqu'à 512 × 512 points de mesure
Transformation automatique en coordonnées x, y, z
Import de modèles 3D (STL, OBJ, PLY, NASTRAN)
Mesure directement sur les nœuds FEM

En savoir plus sur SMART 3D-Scan | Fiche technique SMART 3D-Scan (PDF)

SMART 3D-Fiber

Le SMART 3D-Fiber est un vibromètre ponctuel 3D doté d'une tête fibrée compacte. Trois faisceaux laser mesurent le même point et fournissent les coordonnées cartésiennes (x, y, z) directement à la sortie numérique et analogique. La tête fibrée 3D compacte convient particulièrement aux emplacements de mesure difficiles d'accès – par exemple dans les boîtes de vitesses, les compartiments moteur ou les composants aux espaces d'installation restreints.

La webcam intégrée indique sur l'image de la caméra si les trois lasers frappent le même point de la surface. Le système peut être piloté soit via le logiciel SMART Lab, soit directement par un système DAQ externe.

Caractéristiques principales :

Tête fibrée 3D compacte (107 × 100 × 102 mm)
Distance de travail : 83 mm ; des têtes fibrées supplémentaires avec des distances de travail de 25 mm à 100 m sont disponibles.
Sortie directe des coordonnées x, y, z à la sortie analogique/numérique
Webcam intégrée pour aligner les trois lasers sur le point de mesure
Adapté aux emplacements de mesure difficiles d'accès

En savoir plus sur SMART 3D-Fiber | Fiche technique SMART 3D-Fiber (PDF)

Les vibromètres laser 3D sont utilisés partout où les mesures unidimensionnelles ne suffisent pas – que ce soit en raison de géométries complexes, de vibrations in-plane pertinentes ou de l'exigence d'une validation FEM complète.

Aubes de turbine et blisks

Les aubes de turbine et les blisks (disques aubagés monoblocs) présentent des géométries complexes avec courbure et vrillage.

Les vibrations se produisent dans les trois directions de l'espace et ne peuvent pas être pleinement capturées avec un vibromètre 1D. Un vibromètre à balayage 3D fournit des déformées modales complètes et permet une comparaison directe avec les simulations FEM.

Géométries complexes et surfaces de forme libre

Les corps creux, les composants emboutis, les boîtiers plastiques ou les panneaux complexes sont souvent difficiles à analyser à l'aide des seules mesures unidimensionnelles.

La normale à la surface varie sur toute la structure, ce qui signifie qu'un laser 1D capture différents mélanges de mouvements in-plane et out-of-plane en différents points. Un vibromètre laser 3D fournit le vecteur de vibration complet en chaque point de mesure – indépendamment de l'orientation locale de la surface.

Systèmes de freinage

Dans l'analyse des disques de frein sur les bancs d'essai de freinage, les modes in-plane jouent un rôle clé – par exemple dans l'étude du crissement de frein.

Ces vibrations tangentielles dans le plan du disque ne sont pas visibles avec un vibromètre à balayage 1D. Seule la mesure 3D révèle ces modes et permet une caractérisation complète du comportement vibratoire.

Géométries complexes et surfaces de forme libre (structures légères)

Les structures légères en composites renforcés de fibres ou en constructions sandwich présentent souvent un comportement vibratoire complexe avec des composantes in-plane prononcées.

Une information de vibration 3D complète est nécessaire pour la caractérisation et la validation de ces composants – en particulier lorsque les données de mesure doivent être alignées sur des modèles FEM.

Une mesure par balayage 3D avec le SMART 3D-Scan suit un flux de travail structuré – de l'acquisition de la géométrie à la calibration automatique et enfin à la visualisation des résultats. Le logiciel SMART Lab guide l'utilisateur tout au long du processus.

Étape 1 : importer la géométrie 3D

Dans un premier temps, la géométrie 3D de l'objet à tester est chargée dans SMART Lab. Le logiciel prend en charge les formats courants tels que STL, OBJ et PLY, ainsi que les modèles FEM de NASTRAN. La géométrie peut également être capturée directement via l'image de la caméra.

3D-Modell in Vibrometer Software zum Abgleich per Kamera

Étape 2 : recalage caméra

Lors du recalage caméra, les trois vibromètres à balayage sont alignés sur le modèle 3D. Cela crée un jumeau numérique : l'orientation et la position de chaque appareil dans l'espace, par rapport à l'objet à tester, sont connues avec précision.

Kalibrierung des Lasers für die Schwingungsmessung per Software

Étape 3 : calibration laser

À l'étape suivante, les trois faisceaux laser sont calibrés. SMART Lab effectue ce processus de manière entièrement automatique. La qualité de la calibration peut être vérifiée à tout moment – y compris par un calcul mathématique de l'erreur.

Erstellung von Messpunkten in der Software für Schwingungsmessung

Étape 4 : définir les points de mesure

Les points de mesure sont créés directement sur le modèle 3D ou dans l'image de la caméra. Pour la validation FEM, les points peuvent être automatiquement placés sur les nœuds du modèle de simulation – garantissant que la mesure et la simulation se situent dans le même système de coordonnées.

Messaufbau mit 3 Scanning Vibrometern zur 3D-Schwingungsanalyse

Étape 5 : balayage automatique

Le système balaie tous les points de mesure définis automatiquement et les uns après les autres. La mesure est en phase, garantissant que les vibrations de tous les points sont correctement alignées dans le temps. Pendant le balayage, SMART Lab affiche les données de mesure en direct – permettant de commencer l'analyse alors que la mesure est encore en cours.

Schwingungsanalyse in Smart Lab Software

Étape 6 : transformation et visualisation

Les composantes de vibration mesurées (u, v, w) sont automatiquement transformées en coordonnées cartésiennes (x, y, z). SMART Lab visualise les résultats sous forme de FRF, de déformées modales ou de signaux temporels – aussi bien dans le domaine temporel que fréquentiel.

La mesure ponctuelle 3D avec le SMART 3D-Fiber se met en place en quelques étapes seulement. Le système fournit les données de vibration 3D soit via le logiciel SMART Lab, soit directement par les sorties analogiques et numériques.

Étape 1 : établir la connexion

Le SMART 3D-Fiber est connecté au PC via Ethernet. Le système peut également être connecté directement à un système DAQ externe – les coordonnées x, y et z sont disponibles à la fois à la sortie numérique et aux sorties analogiques.

Étape 2 : aligner la tête fibrée

La tête fibrée 3D est alignée sur l'objet à tester. La webcam intégrée indique sur l'image de la caméra si les trois faisceaux laser frappent le même point de la surface. Cela garantit que la mesure capture le vecteur de vibration 3D complet en exactement un point.

Étape 3 : exciter l'objet à tester

L'objet à tester est mis en vibration – par exemple à l'aide du générateur de signaux intégré du SMART 3D-Fiber ou via une source d'excitation externe.

Étape 4 : démarrer la mesure et analyser

Après le démarrage de la mesure, les données de vibration 3D sont disponibles en temps réel. L'analyse est réalisée dans le logiciel SMART Lab ou directement dans le système DAQ connecté.

Portrait de Tobias Schröder, Head of Sales & Marketing chez Optomet

« Depuis plus de deux décennies, Optomet est synonyme de mesure de vibrations précise. Nos vibromètres laser à balayage 3D fournissent des données fiables – de l'analyse en laboratoire au contrôle qualité industriel. »

Tobias Schröder (M.Sc. Génie mécanique)
Head of Sales & Marketing

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Avantages par rapport aux capteurs conventionnels

	Capteurs de contact conventionnels	Vibromètre laser 3D
Directions de mesure	Des capteurs triaxiaux sont nécessaires pour l'acquisition 3D – ils sont plus grands, plus lourds et influencent davantage le comportement vibratoire	Capture simultanément les trois directions de l'espace (x, y, z) en chaque point de mesure
In-plane / Out-of-plane	Séparation nette possible uniquement avec des dispositions de capteurs complexes	Séparation exacte des vibrations in-plane et out-of-plane en chaque point de mesure
Géométries complexes	Applicabilité limitée pour les surfaces courbes ou de forme libre	Acquisition 3D complète même pour des structures complexes telles que des aubes de turbine ou des corps creux
Validation FEM	Attribution complexe des positions des capteurs aux nœuds FEM	Mesure directe sur les nœuds FEM ; données de mesure et simulation dans le même système de coordonnées
Calcul des déformations et des contraintes	Nécessite des jauges de déformation supplémentaires à l'installation exigeante	Calcul possible à partir des vecteurs de déplacement 3D complets – sans capteurs supplémentaires
Influence sur les fréquences propres	La masse additionnelle influence le comportement vibratoire	Mesure sans contact, sans charge de masse
Plage de fréquence mesurable	Généralement limitée de quelques kHz à plusieurs dizaines de kHz	Jusqu'à 50 MHz (SMART Series)

Réponses aux questions fréquentes sur le principe de mesure, les domaines d'application et la configuration des systèmes de vibromètres laser 3D.

Un vibromètre laser 1D mesure la vibration selon la direction du faisceau laser – c'est-à-dire exactement une composante. Un vibromètre laser 3D utilise trois faisceaux laser pour mesurer les trois directions de l'espace et fournit le vecteur de vibration complet en coordonnées cartésiennes (x, y, z).

Un vibromètre laser 3D est nécessaire lorsque les vibrations in-plane sont pertinentes, lorsque des géométries complexes avec courbures ou surfaces de forme libre doivent être analysées, ou lorsqu'une validation FEM doit être réalisée à l'aide de vecteurs de déplacement 3D complets.

Out-of-plane désigne la vibration perpendiculaire à la surface (mouvement normal). In-plane désigne la vibration dans le plan du matériau, c'est-à-dire tangentielle à la surface. Seul un vibromètre laser 3D peut séparer nettement ces composantes.

Les trois lasers mesurent d'abord dans leurs directions de faisceau respectives (u, v, w). Le logiciel SMART Lab calcule automatiquement les composantes de vibration dans un système de coordonnées cartésiennes (x, y, z) – aligné sur l'objet à tester ou le modèle FEM.

Un vibromètre ponctuel 3D (SMART 3D-Fiber) mesure la vibration tridimensionnelle en un point de mesure fixe. Un vibromètre à balayage 3D (SMART 3D-Scan) se déplace automatiquement sur de nombreux points les uns après les autres et fournit des déformées modales 3D complètes sur toute une surface.

Oui. La SMART Series est modulaire. Un SMART Scan+ existant peut être étendu à tout moment avec deux appareils supplémentaires pour former un SMART 3D-Scan complet.

SMART Lab prend en charge les formats courants tels que STL, OBJ et PLY, ainsi que les modèles FEM de NASTRAN. Les points de mesure peuvent être placés directement sur les nœuds FEM.

La calibration des trois faisceaux laser est entièrement automatisée dans SMART Lab. Le logiciel vérifie la qualité de la calibration et affiche les calculs mathématiques de l'erreur.

Avec la SMART Series, des fréquences de DC à 50 MHz peuvent être mesurées.

Oui. Les déformations et les contraintes qui en découlent peuvent être calculées à partir des vecteurs de déplacement 3D complets – offrant une alternative aux jauges de déformation.

Les vibromètres SMART 3D utilisent des sources laser sans danger pour les yeux. Le laser de mesure SWIR invisible (1550 nm) est classé en classe laser 1 (< 10 mW) et ne nécessite pas de lunettes de protection. Le laser pilote visible utilisé pour l'alignement est de classe laser 2 (< 1 mW) et est également sans danger pour les yeux.

Les trois lasers d'un système 3D mesurent le même point simultanément sous différents angles. Dans un vibromètre à balayage 3D, les différents points de mesure sont approchés séquentiellement. À l'aide d'un signal de référence, les mesures décalées dans le temps sont combinées en phase.

L'excitation dépend de la tâche de mesure et peut être réalisée à l'aide d'un marteau de choc modal, d'un pot vibrant, d'un actionneur piézoélectrique ou par des conditions de fonctionnement réelles. La SMART Series comprend un générateur de signaux intégré qui peut être utilisé comme source d'excitation définie.

Oui. Les données de mesure sont disponibles à la fois sous forme numérique et analogique et peuvent être intégrées aux bancs d'essai et chaînes de mesure existants via des interfaces ouvertes. Des déclencheurs externes permettent des processus de mesure synchronisés.

SMART 3D-Scan : le système permet des distances de travail d'environ 6,5 mm à 100 m – selon la taille de l'objet et la configuration.

SMART 3D-Fiber : la tête fibrée 3D compacte a une distance de travail fixe de 83 mm. Des têtes fibrées supplémentaires avec des distances de travail de 25 mm à 100 m sont également disponibles.

Sources laser
Principes fondamentaux des types de laser utilisés en vibrométrie – Hélium-Néon, SWIR et systèmes couplés par fibre.

Vibrométrie laser à effet Doppler
Structure, principe de fonctionnement et domaines d'application de la vibrométrie laser à effet Doppler.

Mesure de vibrations
Méthodes, montage de mesure et évaluation des données de vibration dans la recherche et l'industrie.

Effet Doppler
Principe physique de la vibrométrie laser à effet Doppler – la base d'une mesure de vitesse précise.

Traitement du signal
Analyse des données de vibration à l'aide de la FFT, évaluation dans le domaine fréquentiel et traitement en temps réel.

Les spécifications techniques complètes se trouvent sur les pages produit respectives et dans les fiches techniques.