3D-лазерные виброметры для измерения вибраций по осям x, y и z.
- 3D-сканирование: Регистрация пространственных форм колебаний на заданных измерительных поверхностях.
- 3D-измерение в одной точке: Непрерывное измерение x, y и z в одной фиксированной точке измерения.
- Бесконтактные измерения: Отсутствие дополнительной массы датчика или кабеля в точке измерения.
- Валидация FEM-моделей: Сопоставление измерительных данных по направлениям с имитационной моделью.
При вибрации не все участки поверхности детали движутся одинаково. Амплитуда, фаза и направление движения могут различаться от точки к точке. 3D-измерение вибраций определяет компоненты движения x, y и z. Это позволяет раздельно анализировать пространственные формы колебаний и компоненты движения, зависящие от направления.
Два метода 3D-измерения вибраций
При 3D-сканировании заданная поверхность компонента измеряется точка за точкой. В каждой точке измерения система одновременно регистрирует временные зависимости x, y и z. На их основе можно определить частотный спектр и пространственную форму колебаний поверхности.
При 3D-Single-Point три направления измерения в течение всего процесса остаются направленными на одну и ту же точку. Аппаратное обеспечение непрерывно рассчитывает x, y и z. Благодаря этому в данной точке регистрируется весь процесс движения, в том числе при однократных или неповторяющихся процессах.
3D-Scanning для пространственных форм колебаний
Три синхронизированных сканирующих виброметра одновременно измеряют каждую заданную точку поверхности с разных направлений. SMART Lab вычисляет на их основе x, y и z, а затем наводится на следующую точку измерения. Это позволяет пространственно локализовать составляющие изгиба и кручения, а также движения In-plane и Out-of-plane и сопоставлять их с данными моделирования.
Типовые задачи:
- Анализ эксплуатационных форм колебаний (ODS) и NVH: Исследовать пространственные формы колебаний, локальные максимумы вибраций, а также связанные составляющие изгиба, кручения, In-plane и Out-of-plane.
- Экспериментальный модальный анализ (EMA): Определять собственные частоты, демпфирование и трёхмерные собственные формы на основе измеренного возбуждения.
- Корреляция с FEM, валидация модели и Model Updating: Сравнивать данные измерений и моделирования в одной системе координат и в соответствующих узлах. Затем данные измерений могут использоваться для корректировки параметров материала, соединений, опор и граничных условий.
- Оценка мероприятий: Проверять влияние изменений геометрии, мер по демпфированию или изменённых граничных условий посредством сравнительных измерений.
Условие: Вибрация во время сканирования должна быть стационарной или воспроизводимой. Опорный сигнал обеспечивает корректную фазовую привязку точек, измеренных последовательно.
3D-Single-Point для непрерывных 3D-измерений
Три лазера в течение всего измерения остаются направленными на одну и ту же точку. Каждое направление измерения регистрирует составляющую движения вдоль своей лазерной оси. Аппаратное обеспечение непрерывно преобразует три измерительных сигнала в x, y и z и синхронно предоставляет компоненты на цифровых и аналоговых выходах.
Типовые задачи:
- Переходные и неповторяющиеся процессы: Регистрировать полный трёхмерный процесс движения при ударных воздействиях, переключениях, запуске или затухании.
- Мониторинг процесса: Исследовать направления движения в процессах обработки, например для анализа вибраций резания или нестабильных состояний процесса.
- Малогабаритные и лёгкие компоненты: Измерение MEMS, печатных плат, электронных компонентов и тонкостенных конструкций, для которых трехосевой датчик мог бы исказить результат из-за своей массы.
- Проверка датчиков и актуаторов: Бесконтактное исследование трехосевого движения компактных датчиков, акселерометров, актуаторов или преобразователей.
- Горячие или чувствительные поверхности: Трехосевые измерения, когда установка датчика невозможна из-за температуры, свойств материала или чувствительности поверхности.
Условие: Все три лазера должны иметь прямую видимость точки измерения.
Ограничение: Этот метод позволяет получить полную картину движения в одной точке, но не форму колебаний по всей поверхности.
Что такое 3D-лазерный виброметр?
3D-лазерный виброметр — это оптическая измерительная система для бесконтактной регистрации трехмерных колебаний на поверхностях деталей. В зависимости от метода он исследует одну фиксированную точку измерения или множество точек на заданной поверхности.
В каждой исследуемой точке три лазерных луча, направленных с разных сторон, попадают в одну и ту же точку поверхности. Каждый лазер регистрирует составляющую движения вдоль оси своего луча. Сначала три измеренных значения представлены в лучевых координатах u, v и w. Затем на основе калиброванной измерительной геометрии определяются компоненты x, y и z в заданной декартовой системе координат.
В 3D-Single-Point аппаратное обеспечение прибора непрерывно выполняет это преобразование. При 3D-Scanning SMART Lab затем вычисляет x, y и z для каждой зарегистрированной точки поверхности и объединяет результаты в пространственно разрешенную форму колебаний.
Направления измерения и координаты
- Лучевые координаты u, v и w: Непосредственно измеренные компоненты движения вдоль трех лазерных осей.
- Декартовы компоненты x, y и z: Компоненты в заданной системе координат, вычисленные на основе u, v и w.
- Компоненты в плоскости: Две компоненты движения, параллельные или касательные к локальной поверхности детали.
- Компонента вне плоскости: Компонента движения, нормальная к локальной поверхности детали.
- 3D-вектор колебаний: Совокупность x, y и z. Он описывает величину и направление движения в исследуемой точке.
Что измеряет 1D-лазерный виброметр?
Одномерный лазерный виброметр измеряет скорость колебаний или перемещение вдоль своей лазерной оси. Таким образом, он регистрирует одну компоненту движения, но не полное направление движения по осям x, y и z.
Одномерный сканирующий виброметр автоматически повторяет это измерение во многих точках поверхности. В результате формируется пространственно плотная измерительная сетка, однако в каждой точке по-прежнему регистрируется только одна компонента направления.
Когда достаточно 1D-измерения колебаний?
1D-измерение подходит в тех случаях, когда значимое движение преимущественно происходит в известном направлении. Типичный пример — вибрационный анализ тонких кузовных панелей. Их изгибные колебания часто происходят преимущественно перпендикулярно локальной поверхности, то есть Out-of-plane. Если панель ориентирована приблизительно перпендикулярно лазерному лучу, 1D-Scanning-Vibrometer регистрирует определяющую компоненту движения во многих точках и отображает её пространственное распределение.
Если дополнительно требуется исследовать тангенциальные перемещения, связанные компоненты изгибных и крутильных колебаний или полное движение по осям x, y и z, целесообразно 3D-измерение.
Почему важен угол измерения
Если лазерный луч падает перпендикулярно на плоскую поверхность, он регистрирует исключительно компоненту движения по нормали к поверхности, то есть Out-of-plane. Если поверхность визируется под углом, компоненты Out-of-plane- и In-plane-движения входят в один и тот же измерительный сигнал. Один лазер не может разделить эти компоненты.
На криволинейных поверхностях угол измерения изменяется от точки к точке. Поэтому для однозначного разделения движения по осям x, y и z необходимо несколько направлений измерения.
Как определяются x, y и z
При 3D-измерении три лазера одновременно регистрируют одну и ту же точку поверхности с разных направлений измерения. Поскольку пространственная ориентация лазеров известна и откалибрована, три измерительных сигнала можно преобразовать в компоненты x, y и z.
Это позволяет раздельно анализировать, например, In-plane- и Out-of-plane-перемещения либо радиальные, тангенциальные и осевые компоненты колебаний. При 3D-сканировании это измерение автоматически повторяется во всех заданных точках поверхности.
Обзор 1D и 3D
- 1D-Single-Point: Одна компонента направления в фиксированной точке измерения.
- 1D-Scanning: Одна компонента направления во многих последовательно измеряемых точках.
- 3D-Single-Point: x, y и z одновременно и непрерывно в фиксированной точке измерения.
- 3D-Scanning: x, y и z одновременно в каждой точке измерения; поверхность регистрируется точка за точкой.
- Важно: Большее число точек измерения повышает пространственное разрешение. Только дополнительные направления измерения позволяют разделить компоненты x, y и z.
Когда целесообразно 3D-измерение колебаний?
3D-измерение колебаний целесообразно, когда движение происходит в нескольких направлениях и эти компоненты необходимо анализировать раздельно. Это особенно актуально для криволинейных поверхностей, связанных изгибных и крутильных колебаний, а также для сравнения с FEM-данными с учётом направления.
Пример: тормозной диск — раздельный анализ In-plane и Out-of-plane
Тормозной диск может перемещаться как по нормали к поверхности, так и в радиальном и тангенциальном направлениях в плоскости диска. 1D-лазерный виброметр регистрирует только составляющую движения вдоль своей лазерной оси. Он не может показать, как движение распределяется по этим направлениям.
3D-измерение определяет компоненты x, y и z раздельно. Это позволяет установить, обусловлена ли форма колебаний преимущественно движениями в плоскости, вне плоскости или связанными движениями.
На обоих видео показана одна и та же измеренная форма колебаний тормозного диска при 5,984 kHz: слева — составляющие в плоскости, справа — составляющие вне плоскости. Раздельное представление упрощает покомпонентное сравнение с моделированием и оценку конструктивных мер или мер по демпфированию.
Криволинейные поверхности и пространственные компоненты
На криволинейных поверхностях локальная нормаль меняется от точки к точке. Поэтому один лазер регистрирует в разных местах различные направленные составляющие движения.
3D-измерение разделяет движение в каждой точке на компоненты x, y и z в выбранной системе координат. Это позволяет сравнивать направленные составляющие, например, на лопатках турбин, корпусах, тормозных дисках или деталях из листового металла глубокой вытяжки.
Связанные изгибные и крутильные колебания
При связанных изгибных и крутильных колебаниях поверхность одновременно перемещается в нескольких направлениях. 1D-измерение показывает составляющую движения вдоль лазерного луча, но не то, как полное движение распределяется по отдельным направлениям.
3D-измерение раздельно отображает, например, осевые, радиальные и тангенциальные составляющие либо компоненты x, y и z.
Корреляция FEM и Model Updating
FEM-модель предоставляет направленные перемещения в каждом узле. Для достоверного сравнения данные измерений и моделирования должны быть получены в соответствующих точках и в единой системе координат.
Данные 3D-измерений позволяют выполнять покомпонентное сравнение и могут использоваться в качестве основы для Model Updating параметров материалов, соединений, опор и граничных условий.
Целенаправленная оценка конструктивных мер
Сравнительное измерение до и после внесения изменений показывает, какие направленные составляющие и формы колебаний изменились. Это позволяет проверить, обеспечивает ли изменение геометрии, мера по демпфированию или изменённая опора требуемый эффект.
Полученные результаты измерений затем можно сравнить с прогнозами FEM-модели.
Системы Optomet для 3D-измерения колебаний
Optomet реализует оба метода измерений с помощью систем серии SMART. SMART 3D-Scan регистрирует x, y и z по заданной поверхности компонента. SMART 3D-Fiber непрерывно измеряет три компонента в фиксированной точке. Обе системы работают бесконтактно и могут быть интегрированы в SMART Lab или существующие измерительные цепочки.
SMART 3D-Scan: автоматическая регистрация пространственных форм колебаний
SMART 3D-Scan объединяет три синхронизированных виброметра SMART Scan+. В каждой заданной точке измерения все три устройства одновременно регистрируют одну и ту же точку поверхности с разных направлений. SMART Lab вычисляет на основе этих данных x, y и z, а затем переходит к следующей точке измерения. Таким образом автоматически регистрируется вся заданная измерительная поверхность.
- Результат: Пространственно распределённые формы колебаний с раздельными компонентами x, y и z. При измеренном возбуждении также могут быть определены трёхмерные собственные формы методом экспериментального модального анализа.
- Единый рабочий процесс: Импорт CAD- или FEM-модели, задание точек измерения, калибровка системы, запуск сканирования и анализ результатов — все этапы выполняются в рамках одного проекта SMART Lab.
- Модульная конфигурация: Каждый SMART Scan+ также может независимо использоваться как полноценный 1D-сканирующий виброметр. Существующие системы можно расширить до 3D-системы или более крупных синхронизированных измерительных комплексов.
- Типичные задачи: Анализ рабочих вибраций, экспериментальный модальный анализ, NVH, корреляция с FEM, валидация и обновление модели.
Посмотреть SMART 3D-Scan | Технический паспорт SMART 3D-Scan (PDF)
SMART 3D-Fiber: непрерывное измерение x, y и z в одной точке
В SMART 3D-Fiber три лазерных луча на протяжении всего измерения остаются направленными на одну и ту же точку поверхности. Аппаратное обеспечение прибора непрерывно преобразует три измерительных сигнала в x, y и z и синхронно предоставляет эти компоненты на цифровых и аналоговых выходах. Благодаря этому в данной точке регистрируется полная трёхмерная траектория движения.
- Временные характеристики: Подходит для непрерывных, быстро меняющихся, однократных и неповторяемых процессов.
- Типичные задачи: Мониторинг процессов, исследование малых и лёгких компонентов, испытания печатных плат и электроники, а также проверка датчиков, актуаторов и преобразователей.
- Интеграция: Использование с SMART Lab или вывод синхронных сигналов x, y и z во внешнюю систему сбора данных.
- Выравнивание: Встроенная камера помогает направить три лазера в одну и ту же точку. Для всех трёх лазеров требуется прямая видимость точки измерения.
Посмотреть SMART 3D-Fiber | Технический паспорт SMART 3D-Fiber (PDF)
Типичные области применения 3D-измерения вибраций
3D-сканирование подходит, когда необходимо пространственно разрешённо измерять движение по поверхности компонента. 3D-Single-Point применяется, когда требуется непрерывно регистрировать x, y и z в одной фиксированной точке измерения на протяжении всего процесса. Следующие примеры демонстрируют типичные измерительные задачи для обоих методов.
Валидация FEM для турбинных лопаток и Blisks
Подходящий метод: 3D-сканирование
Турбинные лопатки и Blisks имеют криволинейные поверхности и часто демонстрируют связанные изгибные и крутильные колебания. 3D-скан определяет x, y и z во множестве заданных точек поверхности и позволяет сопоставить их с узлами FEM-модели.
При экспериментальном модальном анализе с измеренным возбуждением собственные частоты, демпфирование и трёхмерные собственные формы можно покомпонентно сравнить с результатами моделирования. Полученные измерительные данные затем могут служить основой для валидации и обновления модели.
Исследование NVH и шумов тормозной системы
Подходящий метод: 3D-сканирование
Тормозные диски, корпуса и компоненты транспортных средств могут при одной и той же частоте одновременно перемещаться в радиальном, тангенциальном направлениях и по нормали к поверхности. 3D-скан разделяет эти направленные составляющие и показывает их пространственное распределение по компоненту.
Это позволяет покомпонентно сравнивать релевантные формы колебаний с FEM-моделью. Сравнительные измерения затем показывают, как изменения геометрии, опоры или меры по демпфированию влияют на отдельные направления движения.
Проверка лёгких компонентов, а также датчиков и актуаторов
При измерениях тонкостенных корпусов, печатных плат, лёгких композитных деталей или малогабаритных прецизионных механизмов трёхосевой акселерометр может влиять на результат измерения из-за собственной массы и подключённых кабелей. В зависимости от компонента это может изменять собственные частоты, демпфирование и амплитуды колебаний.
3D-Single-Point непрерывно регистрирует x, y и z в одной фиксированной точке, не нагружая компонент датчиком. Этот метод также подходит для испытаний акселерометров, пьезоактуаторов и преобразователей, когда наряду с основной предусмотренной движущейся составляющей необходимо исследовать поперечные перемещения и связи.
Мониторинг процессов и переходные процессы
Подходящий метод: 3D-Single-Point
В процессе обработки, запуска, переключения, ударного воздействия или затухания движение может изменяться за короткое время. Некоторые события невозможно надёжно воспроизвести.
При использовании 3D-Single-Point все три лазера остаются направленными на одну и ту же точку измерения. Благодаря этому x, y и z регистрируются одновременно и непрерывно на протяжении всего процесса. Например, это позволяет исследовать изменения направления, вибрации самовозбуждения и нестабильные состояния процесса.
3D-сканирование с SMART Lab
SMART Lab объединяет планирование измерений, настройку оборудования, измерения и анализ в одном проекте. Измерение можно заранее подготовить на CAD- или FEM-модели. В лаборатории проект загружается, измерительная система автоматически привязывается к объекту, после чего запускается сканирование. Первые результаты видны уже в ходе измерения. Повторный ввод точек измерения или переключение между различными программами не требуется.
1. Задать точки измерения
CAD- или FEM-геометрия импортируется в SMART Lab в виде файла STL, OBJ или NASTRAN. Точки измерения можно задать непосредственно на поверхности или в выбранных FEM-узлах.
Проект можно подготовить в автономном режиме, например инженером-расчётчиком, а затем использовать в лаборатории без изменений.
2. Автоматически привязать систему к объекту
В лаборатории три виброметра направляются на измеряемую поверхность. SMART Lab сопоставляет изображения камер с моделью, определяет положение приборов и автоматически калибрует три направления измерения.
В типовой конфигурации выравнивание занимает менее одной минуты на прибор. Автоматическая калибровка занимает примерно одну-две минуты и сразу показывает, достаточно ли достигнутого качества для измерения.
3. Запустить сканирование и проанализировать результаты
После запуска система автоматически измеряет заданные точки. Качество сигнала и промежуточные результаты видны уже во время сканирования. Это позволяет своевременно проверить измерительную установку и настройки.
SMART Lab рассчитывает компоненты x, y и z по трём направлениям измерения. Программное обеспечение отображает временные данные, спектры и рабочие формы колебаний. При измерении с зарегистрированным возбуждением также можно анализировать FRFs и трёхмерные собственные формы. Данные измерений можно экспортировать, в частности, в формате MATLAB, UFF, ATFX или HDF5, анимации — в формате MP4.
3D-Single-Point с SMART 3D-Fiber
Для измерения 3D-волоконная головка направляется на фиксированную точку измерения. Затем аппаратная часть прибора непрерывно рассчитывает компоненты x, y и z. Все три компонента регистрируются одновременно, поэтому их временные и фазовые соотношения полностью сохраняются. Это особенно подходит для переходных, быстро изменяющихся или неповторяемых процессов.
Шаг 1: Установить соединение
3D-волоконная головка позиционируется таким образом, чтобы все три лазера попадали в одну и ту же точку поверхности. Встроенная камера отображает положения лазеров и помогает выполнить точное выравнивание.
Для измерения всем трём лазерам необходима прямая видимость и достаточный уровень оптического обратного рассеянного сигнала. Затем измерительная головка остаётся направленной на эту точку на протяжении всего процесса.
2. Запустить измерение и вывести x, y и z
После настройки параметров измерения запускается измерение. Аппаратное обеспечение устройства непрерывно преобразует три сигнала, поступающие в направлениях лучей u, v и w, в x, y и z.
Синхронные временные сигналы доступны в SMART Lab, а также на цифровых и аналоговых выходах. Благодаря этому их можно интегрировать во внешние системы DAQ, испытательные стенды или системы мониторинга процессов. Дополнительное возбуждение требуется только в том случае, если оно необходимо для конкретной задачи измерения.
Какой метод измерения подходит для вашей задачи? Инженер по применению Optomet бесплатно проанализирует вашу измерительную задачу и порекомендует подходящий метод и соответствующую измерительную установку.
Проверить измерительную задачуFAQ: 3D-лазерный виброметр
В чём разница между 1D- и 3D-лазерным виброметром?
Одномерный 1D-лазерный виброметр измеряет вибрацию вдоль направления лазерного луча — то есть только одну компоненту. 3D-лазерный виброметр использует три лазерных луча для измерения во всех трёх пространственных направлениях и предоставляет полный вектор колебаний в декартовых координатах (x, y, z).
Когда необходим 3D-лазерный виброметр?
3D-лазерный виброметр необходим, когда важны колебания в плоскости, требуется анализ сложных геометрий с криволинейными или свободноформными поверхностями либо необходимо выполнить валидацию FEM с использованием полных 3D-векторов перемещения.
Что означают «в плоскости» и «вне плоскости»?
«Вне плоскости» относится к колебаниям, перпендикулярным поверхности (нормальное движение). «В плоскости» относится к колебаниям в плоскости материала, то есть касательным к поверхности. Только 3D-лазерный виброметр позволяет чётко разделить эти компоненты.
Как выполняется преобразование в декартовы координаты?
Сначала три лазера измеряют в соответствующих направлениях своих лучей (u, v, w). Программное обеспечение SMART Lab автоматически рассчитывает компоненты колебаний в декартовой системе координат (x, y, z), ориентированной относительно испытуемого объекта или FEM-модели.
В чём разница между 3D-сканированием и 3D-измерением в одной точке?
3D-виброметр для измерений в одной точке (SMART 3D-Fiber) измеряет трёхмерные колебания в фиксированной точке измерения. 3D-сканирующий виброметр (SMART 3D-Scan) автоматически последовательно перемещается по множеству точек и формирует полные 3D-формы колебаний по всей поверхности.
Можно ли модернизировать существующую 1D-систему до 3D-системы?
Да. Серия SMART-Serie имеет модульную конструкцию. Существующий SMART Scan+ может быть в любое время дополнен двумя дополнительными устройствами для создания полноценного SMART 3D-Scan.
Какие 3D-модели можно импортировать?
SMART Lab поддерживает распространённые форматы, такие как STL, OBJ и PLY, а также FEM-модели из NASTRAN. Точки измерения можно размещать непосредственно на FEM-узлах.
Как выполняется калибровка в 3D-сканирующей системе?
Калибровка трёх лазерных лучей в SMART Lab выполняется полностью автоматически. Программное обеспечение проверяет качество калибровки и отображает результаты математического расчёта ошибок.
Какой диапазон частот можно измерять с помощью 3D-лазерного виброметра?
С помощью серии SMART-Serie можно измерять частоты от DC до 50 MHz.
Возможен ли расчёт деформаций и напряжений?
Да. Деформации и возникающие в результате напряжения могут быть рассчитаны на основе полных 3D-векторов перемещений — в качестве альтернативы тензометрическим датчикам.
Какой класс лазера используется?
Виброметры SMART 3D-Vibrometer используют безопасные для глаз лазерные источники. Невидимый измерительный SWIR-лазер (1550 nm) относится к лазерному классу 1 (< 10 mW) и не требует защитных очков. Видимый пилотный лазер, используемый для юстировки, относится к лазерному классу 2 (< 1 mW) и также безопасен для глаз.
Точки измерения регистрируются одновременно или последовательно?
Три лазера 3D-системы одновременно измеряют одну и ту же точку под разными углами. В 3D-сканирующем виброметре отдельные точки измерения последовательно сканируются. С помощью опорного сигнала измерения, выполненные со сдвигом по времени, объединяются с коррекцией фазы.
Как возбуждается тестовый объект?
Способ возбуждения зависит от измерительной задачи и может осуществляться с помощью модального молотка, вибростенда, пьезоактуатора или в реальных условиях эксплуатации. Серия SMART оснащена встроенным генератором сигналов, который может использоваться в качестве заданного источника возбуждения.
Можно ли интегрировать 3D-лазерный виброметр в автоматизированные системы?
Да. Данные измерений доступны как в цифровом, так и в аналоговом виде и могут интегрироваться в существующие испытательные стенды и измерительные цепи через открытые интерфейсы. Внешние триггеры обеспечивают синхронизированные процессы измерений.
Какое рабочее расстояние возможно?
SMART 3D-Scan: Система обеспечивает рабочие расстояния примерно от 6,5 mm до 100 m — в зависимости от размера объекта и конфигурации установки.
SMART 3D-Fiber: Компактный 3D-Fiber Head имеет фиксированное рабочее расстояние 83 mm. В качестве альтернативы доступны дополнительные Fiber Heads с рабочими расстояниями от 25 mm до 100 m.