3D レーザー振動計

3D レーザー振動計は、3 つの空間方向すべての振動を捕捉します。これを実現するために、3 本のレーザービームが同じ点を異なる角度から計測し、面内運動と面外運動の両方を完全に取得します。

この原理は、3D 走査型振動計と 3D 単点システムの両方で用いられています。

  • 3 軸振動取得:3 本のレーザービームが同じ点を異なる角度から計測し、システムが自動的にデータを直交座標(x, y, z)へ変換します。
  • 面内・面外の分離:材料面内の振動成分と表面に垂直な振動成分をクリーンに分離します。
  • 周波数範囲と計測範囲:DC から 50 MHz、振動速度は最大 50 m/s。
  • FEM 検証:3D モデル(NASTRAN、STL、OBJ)のインポートと、SMART Lab ソフトウェアによる FEM 節点上での直接計測。
Modal analysis of a turbin blade in Smart Lab Software
3d vibration measurement with 3d-single-point vibrometer
SMART Scan 3D laser vibrometer

3D レーザー振動計とは?

3D レーザー振動計は、単一の計測点において 3 つの空間方向すべての振動を捕捉します。これを実現するために、3 本のレーザービームが同じ点を異なる角度から計測します。各ビーム方向において u、v、w 成分として最初に記録された振動成分は、その後直交座標系(x, y, z)へ変換されます。

3D レーザー振動計には基本的に 2 つのタイプがあります。3D 単点振動計は、固定された計測点での 3 次元振動を計測します。3D 走査型振動計は、さらに多数の点を自動的に順次捕捉し、計測面全体にわたる完全な 3D モード形状を提供します。

重要な用語:

  • 面内振動:材料面内の運動(表面に対して接線方向)
  • 面外振動:表面に垂直な運動(法線方向の運動)
  • 3D 変位:x、y、z 方向の成分をもつ完全な振動ベクトル

3D レーザー振動計 対 1D レーザー振動計

レーザードップラー振動計は、常にレーザービームの方向に沿った振動を計測します。したがって、1 本のレーザーはちょうど 1 つの振動成分を捕捉します。これを 1D レーザー振動計と呼びます。

1D で十分なのはどのような場合か?

この 1 次元計測は、面外運動のみが重要な場合、つまり表面に垂直な振動が対象の場合に十分です。典型的な例は、薄い金属板における振動音響です。こうした構造における音響放射は、主に表面の法線方向の運動によって生じます。

斜め入射の問題:

レーザービームが平らな表面にちょうど 90° の角度で当たる場合、計測される成分は完全に面外運動に対応します。しかし、レーザービームがこの角度から外れると、計測信号には面内運動成分と面外運動成分の両方が含まれます。これらの方向を 1 本のレーザーでクリーンに分離することはできません。

single-point measurement with laser doppler vibrometer

3D による解決策:

3D レーザー振動計はこの問題を解決します。3 本のレーザービームが同じ点を異なる角度から計測します。こうして記録された振動成分は、最初は 3 台の振動計のビーム方向(u、v、w 成分)に存在し、その後直交座標系(x, y, z)へ変換されます。この完全な 3D 情報があってはじめて、面内振動と面外振動の正確な分離が可能になります。

3D 計測の一覧

  • 3 本のレーザービームが同じ点を計測
  • 記録される成分:u、v、w(ビーム方向)
  • 直交座標への変換:x、y、z
  • 結果:完全な 3D 振動ベクトル

変換は SMART Lab ソフトウェアによって自動的に行われます。ユーザーは計測データを直接 x、y、z 座標で受け取り、手動による変換は一切不要です。

3D 走査 対 3D 単点

3D レーザードップラー振動計には 2 つの構成があります。固定点で計測する単点システムと、複数の面を自動的に捕捉する走査システムです。

3D single-point vibrometer with faserhead

3D 単点振動計

3D 単点振動計は、固定された計測点での 3 次元振動を計測します。その点は静止したままで、表面の空間的な走査は行われません。システムは、装置のデジタル出力およびアナログ出力で直交座標(x, y, z)を直接提供し、まさにこの点での面内/面外の分離を可能にします。

3D 走査型振動計

3D 走査型振動計は、多数の点を自動的に順次計測することで 3 次元振動を計測します。完全な 3D モード形状を提供し、計測面全体にわたる面内/面外の分離を可能にします。

このシステムは、モーダル解析(EMA/OMA)、構造全体の評価、さらには複雑な形状や大型部品に適しています。3D モデルをインポートし、FEM 節点(例:NASTRAN)上で直接計測することで、3D 走査型振動計を検証プロセスに組み込むことができます。

比較:3D 走査型 対 3D 単点振動計

3D 走査型振動計
3D 走査型振動計
3D 単点振動計
3D 単点振動計
計測原理多数の計測点で表面を自動的に走査し、完全な 3D モード形状を捕捉します。固定された静止計測点での 3 次元振動を計測します。
計測点多数の点を自動的に順次計測し、手動による再配置は不要です。1 点のみ。追加の計測点にはファイバーヘッドの再配置が必要です。
面内/面外の分離計測面全体にわたって。単一の計測点で。
典型的な用途モーダル解析(EMA/OMA)、FEM 検証、複雑な形状や大型部品。局所的な振動解析、アクセスが困難な計測箇所。
Optomet 製品SMART 3D-ScanSMART 3D-Fiber

3D レーザー振動計が必要になるのはどのような場合か?

平らな構造や純粋な面外解析であれば、1D レーザー振動計で十分な場合があります。しかし、複雑な形状、面内振動、または FEM モデルの検証が焦点となる場合、完全な全体像を提供できるのは 3 次元計測だけです。

面内モードと面外モードの可視化:

ブレーキディスクは、表面に垂直に(面外)も、ディスク面内に(面内)も振動します。1D レーザー振動計は面外運動のみを捕捉します。両方のモードタイプを可視化し、それぞれに対応する共振周波数を明らかにできるのは、3D レーザー振動計だけです。

複雑な形状と自由曲面:

平らな板であれば、1D 計測で十分な場合もあります。しかし、構造に曲率、アンダーカット、または自由曲面が含まれる場合、たとえばタービンブレード、中空体、深絞り部品などでは、振動挙動を完全に捕捉するために 3D 情報が必要になります。

正確な面内/面外の分離:

面内振動と面外振動のクリーンな分離は、完全な 3D 振動ベクトルがわかっている場合にのみ可能です。1D 計測では、斜めのレーザー入射が混合信号を生み、方向成分を分離することができません。

FEM 検証:

FE シミュレーション(例:NASTRAN、ANSYS、Abaqus)では、各節点で完全な 3D 変位ベクトルが計算されます。正しい検証のためには、計測データとシミュレーションが同じ座標系に存在する必要があります。複雑な構造の場合、この目的のために 3D レーザー振動計が必要です。

ひずみと応力の計算:

3D レーザー振動計は、3 つの空間方向すべての完全な変位ベクトルを捕捉します。これらのデータにより、ひずみおよびそこから導かれる応力の計算が可能になり、ひずみゲージ(SG)に代わる手段となります。構造変形は表面に垂直な方向だけでなく、材料面内にも生じます。

Optomet の 3D レーザー振動計

Optomet は SMART Series から 2 つの 3D レーザー振動計を提供しています。モード形状の全視野取得のための SMART 3D-Scan と、3 次元単点計測のための SMART 3D-Fiber です。

SMART 3D-Scan

3D レーザー振動計は、3 つの空間方向すべての完全な変位ベクトルを捕捉します。これらのデータにより、ひずみおよびそこから導かれる応力の計算が可能になり、ひずみゲージ(SG)に代わる手段となります。構造変形は表面に垂直な方向だけでなく、材料面内にも生じます。

このシステムはモジュラー設計です。既存の SMART Scan+ は、いつでも完全な 3D 走査システムへアップグレードできます。SMART Lab は、3 台の装置と 3D モデルとのカメラマッチングから、自動レーザーキャリブレーション、走査中の計測データのライブ可視化まで、ワークフロー全体をサポートします。

主な特長:

  • 同期した 3 台の SMART Scan+ 振動計
  • 最大 512 × 512 計測点
  • x、y、z 座標への自動変換
  • 3D モデルのインポート(STL、OBJ、PLY、NASTRAN)
  • FEM 節点上での直接計測

SMART 3D-Scan の詳細 | データシート SMART 3D-Scan(PDF)


SMART 3D-Fiber

SMART 3D-Fiber は、コンパクトなファイバーヘッドを備えた 3D 単点振動計です。3 本のレーザービームが同じ点を計測し、直交座標(x, y, z)をデジタル出力およびアナログ出力で直接提供します。コンパクトな 3D ファイバーヘッドは、たとえばギアボックス、エンジンルーム、設置スペースが限られた部品など、アクセスが困難な計測箇所に特に適しています。

内蔵ウェブカメラは、3 本すべてのレーザーが表面の同じ点に当たっているかどうかをカメラ画像で示します。システムは、SMART Lab ソフトウェアを介して、または外部 DAQ システムを通じて直接操作できます。

主な特長:

  • コンパクトな 3D ファイバーヘッド(107 × 100 × 102 mm)
  • 作動距離:83 mm。25 mm から 100 m までの作動距離をもつ追加のファイバーヘッドも利用可能です。
  • アナログ/デジタル出力での x、y、z 座標の直接出力
  • 3 本のレーザーを計測点に位置合わせするための内蔵ウェブカメラ
  • アクセスが困難な計測箇所に適合

SMART 3D-Fiber の詳細 | データシート SMART 3D-Fiber(PDF)

3D レーザー振動計の典型的な用途

3D レーザー振動計は、1 次元計測では不十分なあらゆる場面で使用されます。複雑な形状、関連する面内振動、または完全な FEM 検証の要件のいずれであっても同様です。

タービンブレードとブリスク

タービンブレードとブリスク(ブレード一体型ディスク)は、曲率とねじれをもつ複雑な形状を備えています。

振動は 3 つの空間方向すべてに生じ、1D 振動計では完全に捕捉できません。3D 走査型振動計は完全なモード形状を提供し、FEM シミュレーションとの直接比較を可能にします。

複雑な形状と自由曲面

中空体、深絞り部品、プラスチック製ハウジング、または複雑なパネルは、1 次元計測のみで解析することがしばしば困難です。

表面法線は構造全体で変化するため、1D レーザーは点ごとに異なる面内運動と面外運動の混合を捕捉します。3D レーザー振動計は、局所的な表面方向に依存せず、すべての計測点で完全な振動ベクトルを提供します。

ブレーキシステム

ブレーキ試験台上でのブレーキディスクの解析では、たとえばブレーキ鳴きの調査などにおいて、面内モードが重要な役割を果たします。

ディスク面内のこれらの接線方向振動は、1D 走査型振動計では見えません。3D 計測だけがこれらのモードを明らかにし、振動挙動の完全な特性評価を可能にします。

複雑な形状と自由曲面(軽量構造)

繊維強化複合材やサンドイッチ構造で作られた軽量構造は、顕著な面内成分をもつ複雑な振動挙動をしばしば示します。

これらの部品の特性評価と検証には、完全な 3D 振動情報が必要です。特に計測データを FEM モデルと整合させる必要がある場合に重要です。

3D 走査計測の手順

SMART 3D-Scan による 3D 走査計測は、形状取得から自動キャリブレーション、そして最終的な結果の可視化まで、構造化されたワークフローに従います。SMART Lab ソフトウェアがプロセス全体を通じてユーザーをガイドします。

3D Model in Laser-Scanning Software

ステップ 1:3D 形状のインポート

最初のステップでは、試験対象物の 3D 形状を SMART Lab に読み込みます。ソフトウェアは STL、OBJ、PLY などの一般的なフォーマットや、NASTRAN の FEM モデルをサポートします。あるいは、カメラ画像を介して形状を直接取得することもできます。


3D-Modell in Vibrometer Software zum Abgleich per Kamera

ステップ 2:カメラマッチング

カメラマッチングでは、3 台の走査型振動計を 3D モデルと位置合わせします。これによりデジタルツインが作成されます。試験対象物に対する各装置の空間内の方向と位置が正確に把握されます。


Kalibrierung des Lasers für die Schwingungsmessung per Software

ステップ 3:レーザーキャリブレーション

次のステップでは、3 本のレーザービームをキャリブレーションします。SMART Lab はこのプロセスを全自動で実行します。キャリブレーション品質は、数学的な誤差計算を含め、いつでも確認できます。

Erstellung von Messpunkten in der Software für Schwingungsmessung

ステップ 4:計測点の定義

計測点は、3D モデル上またはカメラ画像内に直接作成します。FEM 検証では、点をシミュレーションモデルの節点上に自動配置でき、計測とシミュレーションが同じ座標系に存在することが保証されます。


Messaufbau mit 3 Scanning Vibrometern zur 3D-Schwingungsanalyse

ステップ 5:自動走査

システムは、定義されたすべての計測点を自動的に順次走査します。計測は位相精度が高く、すべての点の振動が時間的に正しく整合されることを保証します。走査中、SMART Lab は計測データをライブ表示し、計測がまだ進行中の間に解析を開始することができます。


Schwingungsanalyse in Smart Lab Software

ステップ 6:変換と可視化

計測された振動成分(u、v、w)は、自動的に直交座標(x, y, z)へ変換されます。SMART Lab は、時間領域と周波数領域の両方で、結果を FRF、モード形状、または時間領域信号として可視化します。

3D 単点計測の手順

SMART 3D-Fiber による 3D 単点計測は、わずかな手順でセットアップできます。システムは、SMART Lab ソフトウェアを介して、またはアナログ出力とデジタル出力を通じて直接、3D 振動データを提供します。

ステップ 1:接続の確立

SMART 3D-Fiber は Ethernet を介して PC に接続します。あるいは、システムを外部 DAQ システムに直接接続することもできます。x、y、z 座標はデジタル出力でもアナログ出力でも利用可能です。


ステップ 2:ファイバーヘッドの位置合わせ

3D ファイバーヘッドを試験対象物に位置合わせします。内蔵ウェブカメラは、3 本すべてのレーザービームが表面の同じ点に当たっているかどうかをカメラ画像で示します。これにより、計測がちょうど 1 点で完全な 3D 振動ベクトルを捕捉することが保証されます。


ステップ 3:試験対象物の加振

試験対象物を加振して振動させます。たとえば SMART 3D-Fiber の内蔵信号発生器を使用するか、外部加振源を介して行います。


ステップ 4:計測の開始と解析

計測を開始すると、3D 振動データがリアルタイムで利用可能になります。解析は SMART Lab ソフトウェアで、または接続された DAQ システムで直接実行されます。


Optomet の営業・マーケティング責任者 Tobias Schröder の肖像

「20 年以上にわたり、Optomet は精密な振動計測の代名詞であり続けてきました。当社の 3D レーザー走査型振動計は、研究室での解析から産業用品質管理まで、信頼性の高いデータを提供します。」

Tobias Schröder(M.Sc. 機械工学)
営業・マーケティング責任者

従来のセンサーに対する利点

加速度センサーとひずみゲージ
従来の接触式センサー
3D レーザー振動計
3D レーザー振動計
計測方向3D 取得には 3 軸センサーが必要であり、より大きく、重く、振動挙動への影響も大きくなりますすべての計測点で 3 つの空間方向(x, y, z)を同時に捕捉
面内/面外クリーンな分離は複雑なセンサー配置でのみ可能すべての計測点で面内振動と面外振動を正確に分離
複雑な形状曲面や自由曲面への適用性に制限タービンブレードや中空体などの複雑な構造でも完全な 3D 取得
FEM 検証センサー位置を FEM 節点に割り当てるのが複雑FEM 節点上での直接計測。計測データとシミュレーションが同じ座標系に
ひずみと応力の計算設置が難しい追加のひずみゲージが必要完全な 3D 変位ベクトルから計算可能。追加センサー不要
固有振動数への影響付加質量が振動挙動に影響質量負荷のない非接触計測
計測可能な周波数範囲通常、数 kHz から数十 kHz に制限最大 50 MHz(SMART Series)

FAQ:3D レーザー振動計

3D レーザー振動計の計測原理、用途分野、システム構成に関するよくある質問への回答。

1D レーザー振動計は、レーザービームの方向に沿った振動、つまりちょうど 1 つの成分を計測します。3D レーザー振動計は、3 本のレーザービームを用いて 3 つの空間方向すべてを計測し、直交座標(x, y, z)で完全な振動ベクトルを提供します。

3D レーザー振動計は、面内振動が重要な場合、曲率や自由曲面をもつ複雑な形状を解析する必要がある場合、または完全な 3D 変位ベクトルを用いて FEM 検証を行う必要がある場合に必要となります。

面外とは、表面に垂直な振動(法線方向の運動)を指します。面内とは、材料面内、すなわち表面に対して接線方向の振動を指します。これらの成分をクリーンに分離できるのは、3D レーザー振動計だけです。

3 本のレーザーは最初、それぞれのビーム方向(u、v、w)で計測します。SMART Lab ソフトウェアは、試験対象物または FEM モデルに整合した直交座標系(x, y, z)における振動成分を自動的に計算します。

3D 単点振動計(SMART 3D-Fiber)は、固定された計測点での 3 次元振動を計測します。3D 走査型振動計(SMART 3D-Scan)は、多数の点を自動的に順次移動し、表面全体にわたる完全な 3D モード形状を提供します。

はい。SMART Series はモジュラー設計です。既存の SMART Scan+ は、いつでも 2 台の追加装置を加えて完全な SMART 3D-Scan に拡張できます。

SMART Lab は STL、OBJ、PLY などの一般的なフォーマットや、NASTRAN の FEM モデルをサポートします。計測点は FEM 節点上に直接配置できます。

3 本のレーザービームのキャリブレーションは、SMART Lab で全自動化されています。ソフトウェアはキャリブレーション品質を確認し、数学的な誤差計算を表示します。

SMART Series では、DC から 50 MHz までの周波数を計測できます。

はい。完全な 3D 変位ベクトルから、ひずみおよびそこから導かれる応力を計算でき、ひずみゲージに代わる手段となります。

SMART 3D 振動計は、アイセーフなレーザー光源を使用しています。不可視の SWIR 計測レーザー(1550 nm)はレーザークラス 1(< 10 mW)に分類され、保護メガネを必要としません。位置合わせに使用される可視のパイロットレーザーはレーザークラス 2(< 1 mW)であり、こちらもアイセーフです。

3D システムの 3 本のレーザーは、同じ点を異なる角度から同時に計測します。3D 走査型振動計では、個々の計測点に順次アプローチします。基準信号を用いて、時間的にずれた計測を位相を合わせて結合します。

加振は計測タスクに応じて、モーダルハンマー、加振機、ピエゾアクチュエータ、または実際の運転条件を用いて行うことができます。SMART Series には、定義された加振源として使用できる内蔵信号発生器が含まれています。

はい。計測データはデジタルとアナログの両方で利用可能であり、オープンインターフェースを介して既存の試験台や計測チェーンに組み込むことができます。外部トリガにより、同期した計測プロセスが可能になります。

SMART 3D-Scan:このシステムは、対象物のサイズとセットアップに応じて、約 6.5 mm から 100 m までの作動距離を可能にします。

SMART 3D-Fiber:コンパクトな 3D ファイバーヘッドは 83 mm の固定作動距離をもちます。あるいは、25 mm から 100 m までの作動距離をもつ追加のファイバーヘッドも利用可能です。

関連用語と知識

レーザー光源
振動計測で使用されるレーザータイプの基礎 – ヘリウムネオン、SWIR、ファイバー結合システム。

レーザードップラー振動計測
レーザードップラー振動計測の構造、動作原理、応用分野。

振動計測
研究および産業における振動データの手法、計測セットアップ、評価。

ドップラー効果
レーザードップラー振動計測の物理原理 – 精密な速度計測の基礎。

信号処理
FFT、周波数領域評価、リアルタイム処理による振動データの解析。

技術データ – 3D レーザー振動計

完全な技術仕様は、各製品ページおよびデータシートに記載されています。

SMART 3D-Scan

3 つの空間方向すべての完全なモード形状のための 3D 走査型振動計。

データシート SMART 3D-Scan(PDF)

SMART 3D-Fiber

アクセスが困難な計測箇所のためのコンパクトなファイバーヘッドを備えた 3D 単点振動計。

データシート SMART 3D-Fiber(PDF)

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