3D-лазерные виброметры

3D-лазерный виброметр регистрирует вибрации по всем трём пространственным направлениям. Для этого три лазерных луча измеряют одну и ту же точку под разными углами, что обеспечивает полный охват как движения в плоскости (in-plane), так и движения вне плоскости (out-of-plane).

Этот принцип применяется как в 3D-сканирующих виброметрах, так и в 3D-одноточечных системах.

Трёхосевая регистрация вибрации: три лазерных луча измеряют одну и ту же точку под разными углами — система автоматически преобразует данные в декартовы координаты (x, y, z).
Разделение in-plane и out-of-plane: чёткое разделение составляющих вибрации в плоскости материала и перпендикулярно поверхности.
Диапазон частот и диапазон измерения: от DC до 50 MHz при скоростях вибрации до 50 m/s.
Валидация по МКЭ (FEM): импорт 3D-моделей (NASTRAN, STL, OBJ) и прямое измерение на узлах FEM с помощью программного обеспечения SMART Lab.

Talk to an expert Learn more

Modal analysis of a turbin blade in Smart Lab Software

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

3D-лазерный виброметр регистрирует вибрации по всем трём пространственным направлениям в одной точке измерения. Для этого три лазерных луча измеряют одну и ту же точку под разными углами. Измеренные составляющие вибрации — первоначально регистрируемые в соответствующих направлениях лучей как компоненты u, v и w — затем преобразуются в декартову систему координат (x, y, z).

Существует два основных типа 3D-лазерных виброметров: 3D-одноточечный виброметр измеряет трёхмерную вибрацию в фиксированной точке измерения. 3D-сканирующий виброметр дополнительно автоматически последовательно регистрирует множество точек и предоставляет полные 3D-формы колебаний по всей измерительной поверхности.

Важные термины:

Вибрация в плоскости (in-plane): движение в плоскости материала (тангенциально поверхности)
Вибрация вне плоскости (out-of-plane): движение перпендикулярно поверхности (нормальное движение)
3D-смещение: полный вектор вибрации с компонентами по направлениям x, y и z

Лазерный доплеровский виброметр всегда измеряет вибрации вдоль направления лазерного луча. Поэтому один лазер регистрирует ровно одну составляющую вибрации — это называется 1D-лазерным виброметром.

Такого одномерного измерения достаточно, когда релевантно только движение вне плоскости (out-of-plane) — то есть вибрация перпендикулярно поверхности. Типичный пример — виброакустика тонких металлических листов: излучение звука в таких структурах вызвано прежде всего нормальным движением поверхности.

Если лазерный луч падает на плоскую поверхность точно под углом 90°, измеренная составляющая полностью соответствует движению вне плоскости (out-of-plane). Однако если лазерный луч отклоняется от этого угла, измерительный сигнал содержит составляющие движения как в плоскости, так и вне плоскости. Чёткое разделение этих направлений с помощью одного лазера невозможно.

single-point measurement with laser doppler vibrometer

3D-лазерный виброметр решает эту проблему: три лазерных луча измеряют одну и ту же точку под разными углами. Зарегистрированные таким образом составляющие вибрации первоначально присутствуют в направлениях лучей трёх виброметров (компоненты u, v, w) и затем преобразуются в декартову систему координат (x, y, z). Только при наличии такой полной 3D-информации возможно точное разделение вибраций в плоскости и вне плоскости.

3D-измерение с первого взгляда

3 лазерных луча измеряют одну и ту же точку
Регистрируемые компоненты: u, v, w (направления лучей)
Преобразование в декартовы координаты: x, y, z
Результат: полный 3D-вектор вибрации

Преобразование выполняется автоматически программным обеспечением SMART Lab. Пользователь получает измерительные данные напрямую в координатах x, y и z — без какого-либо ручного пересчёта.

3D-лазерные доплеровские виброметры доступны в двух конфигурациях: как одноточечная система для измерения в фиксированной точке или как сканирующая система для автоматической регистрации целых поверхностей.

3D single-point vibrometer with faserhead

3D-одноточечный виброметр измеряет трёхмерную вибрацию в фиксированной точке измерения. Точка остаётся неподвижной — пространственное сканирование поверхности не выполняется. Система предоставляет декартовы координаты (x, y, z) напрямую на цифровых и аналоговых выходах прибора, обеспечивая разделение in-plane/out-of-plane именно в этой точке.

3D-сканирующий виброметр измеряет трёхмерные вибрации по множеству точек автоматически и последовательно. Он предоставляет полные 3D-формы колебаний и обеспечивает разделение in-plane/out-of-plane по всей измерительной поверхности.

Система подходит для модального анализа (EMA/OMA), общей оценки структур, а также для сложных геометрий и крупных деталей. Благодаря импорту 3D-моделей и измерению непосредственно на узлах FEM (например, NASTRAN) 3D-сканирующий виброметр может быть интегрирован в процесс валидации.

Сравнение: 3D-сканирующий и 3D-одноточечный виброметр

	3D-сканирующий виброметр	3D-одноточечный виброметр
Принцип измерения	Автоматически сканирует поверхность по множеству точек измерения — регистрирует полные 3D-формы колебаний.	Измеряет трёхмерную вибрацию в фиксированной, неподвижной точке измерения.
Точки измерения	Множество точек автоматически и последовательно — ручное перепозиционирование не требуется.	Одна точка — дополнительные точки измерения требуют перепозиционирования оптоволоконной головки.
Разделение in-plane / out-of-plane	По всей измерительной поверхности.	В единственной точке измерения.
Типичные применения	Модальный анализ (EMA/OMA), валидация по FEM, сложные геометрии и крупные детали.	Локальный анализ вибраций, труднодоступные места измерения.
Продукт Optomet	SMART 3D-Scan	SMART 3D-Fiber

Для плоских структур и чистого анализа out-of-plane может быть достаточно 1D-лазерного виброметра. Однако как только в центре внимания оказываются сложные геометрии, вибрации в плоскости (in-plane) или валидация FEM-моделей, только трёхмерное измерение даёт полную картину.

Визуализация мод in-plane и out-of-plane:

Тормозной диск вибрирует как перпендикулярно поверхности (out-of-plane), так и в плоскости диска (in-plane). 1D-лазерный виброметр регистрирует только движение out-of-plane. Только 3D-лазерный виброметр делает видимыми оба типа мод и выявляет соответствующие им резонансные частоты.

Сложные геометрии и поверхности свободной формы:

Для плоской пластины в некоторых случаях может быть достаточно 1D-измерения. Однако как только структура включает кривизну, поднутрения или поверхности свободной формы — например, лопатки турбин, полые тела или детали глубокой вытяжки — для полного охвата характера вибрации требуется 3D-информация.

Точное разделение in-plane/out-of-plane:

Чёткое разделение вибраций in-plane и out-of-plane возможно только при известном полном 3D-векторе вибрации. При 1D-измерениях наклонное падение лазера создаёт смешанный сигнал — составляющие по направлениям невозможно разделить.

Валидация по FEM:

В FE-моделировании (например, NASTRAN, ANSYS, Abaqus) в каждом узле рассчитывается полный 3D-вектор смещения. Для корректной валидации измерительные данные и моделирование должны находиться в одной системе координат. Для сложных структур для этого требуется 3D-лазерный виброметр.

Расчёт деформаций и напряжений:

3D-лазерный виброметр регистрирует полные векторы смещения по всем трём пространственным направлениям. Эти данные позволяют рассчитывать деформации и производные от них напряжения — альтернатива тензодатчикам (SG). Деформации конструкций возникают не только перпендикулярно поверхности, но и в плоскости материала.

Optomet предлагает два 3D-лазерных виброметра из серии SMART: SMART 3D-Scan для полнопольной регистрации форм колебаний и SMART 3D-Fiber для трёхмерного одноточечного измерения.

SMART 3D-Scan

Система имеет модульную конструкцию: существующий SMART Scan+ в любой момент можно расширить до полноценной 3D-сканирующей системы. SMART Lab поддерживает весь рабочий процесс — от сопоставления камер трёх приборов с 3D-моделью до автоматической калибровки лазеров и вплоть до визуализации измерительных данных в реальном времени во время сканирования.

Ключевые характеристики:

Три синхронизированных виброметра SMART Scan+
До 512 × 512 точек измерения
Автоматическое преобразование в координаты x, y, z
Импорт 3D-моделей (STL, OBJ, PLY, NASTRAN)
Измерение непосредственно на узлах FEM

Подробнее о SMART 3D-Scan | Техническое описание SMART 3D-Scan (PDF)

SMART 3D-Fiber

SMART 3D-Fiber — это 3D-одноточечный виброметр с компактной оптоволоконной головкой. Три лазерных луча измеряют одну и ту же точку и предоставляют декартовы координаты (x, y, z) напрямую на цифровом и аналоговом выходе. Компактная 3D-оптоволоконная головка особенно подходит для труднодоступных мест измерения — например, в коробках передач, моторных отсеках или деталях с ограниченным монтажным пространством.

Встроенная веб-камера показывает на изображении с камеры, попадают ли все три лазера в одну и ту же точку на поверхности. Системой можно управлять либо через программное обеспечение SMART Lab, либо напрямую через внешнюю систему DAQ.

Ключевые характеристики:

Компактная 3D-оптоволоконная головка (107 × 100 × 102 mm)
Рабочее расстояние: 83 mm; доступны дополнительные оптоволоконные головки с рабочими расстояниями от 25 mm до 100 m.
Прямой вывод координат x, y, z на аналоговом/цифровом выходе
Встроенная веб-камера для наведения трёх лазеров в точку измерения
Подходит для труднодоступных мест измерения

Подробнее о SMART 3D-Fiber | Техническое описание SMART 3D-Fiber (PDF)

3D-лазерные виброметры применяются везде, где одномерных измерений недостаточно — будь то из-за сложных геометрий, релевантных вибраций в плоскости (in-plane) или требования полной валидации по FEM.

Лопатки турбин и блиски

Лопатки турбин и блиски (моноколёса с интегрированными лопатками) имеют сложные геометрии с кривизной и закруткой.

Вибрации возникают по всем трём пространственным направлениям и не могут быть полностью зарегистрированы 1D-виброметром. 3D-сканирующий виброметр предоставляет полные формы колебаний и обеспечивает прямое сравнение с FEM-моделированием.

Сложные геометрии и поверхности свободной формы

Полые тела, детали глубокой вытяжки, пластиковые корпуса или сложные панели часто трудно анализировать только с помощью одномерных измерений.

Нормаль к поверхности изменяется по структуре, а значит 1D-лазер в разных точках регистрирует разные сочетания движения in-plane и out-of-plane. 3D-лазерный виброметр предоставляет полный вектор вибрации в каждой точке измерения — независимо от локальной ориентации поверхности.

Тормозные системы

При анализе тормозных дисков на тормозных стендах ключевую роль играют моды in-plane — например, при исследовании тормозного скрипа.

Эти тангенциальные вибрации в плоскости диска не видны 1D-сканирующему виброметру. Только 3D-измерение выявляет эти моды и обеспечивает полную характеризацию характера вибрации.

Сложные геометрии и поверхности свободной формы (облегчённые конструкции)

Облегчённые конструкции из армированных волокном композитов или сэндвич-конструкций часто демонстрируют сложный характер вибрации с выраженными составляющими in-plane.

Для характеризации и валидации этих деталей требуется полная 3D-информация о вибрации — особенно когда измерительные данные должны быть сопоставлены с FEM-моделями.

3D-сканирующее измерение с помощью SMART 3D-Scan выполняется по структурированному рабочему процессу — от получения геометрии через автоматическую калибровку и вплоть до визуализации результатов. Программное обеспечение SMART Lab проводит пользователя через весь процесс.

Шаг 1: Импорт 3D-геометрии

На первом шаге 3D-геометрия испытуемого объекта загружается в SMART Lab. Программное обеспечение поддерживает распространённые форматы, такие как STL, OBJ и PLY, а также FEM-модели из NASTRAN. В качестве альтернативы геометрию можно зарегистрировать напрямую через изображение с камеры.

3D-Modell in Vibrometer Software zum Abgleich per Kamera

Шаг 2: Сопоставление камер

При сопоставлении камер три сканирующих виброметра совмещаются с 3D-моделью. При этом создаётся цифровой двойник: ориентация и положение каждого прибора в пространстве относительно испытуемого объекта точно известны.

Kalibrierung des Lasers für die Schwingungsmessung per Software

Шаг 3: Калибровка лазеров

На следующем шаге калибруются три лазерных луча. SMART Lab выполняет этот процесс полностью автоматически. Качество калибровки можно проверить в любой момент — включая математический расчёт погрешности.

Erstellung von Messpunkten in der Software für Schwingungsmessung

Шаг 4: Определение точек измерения

Точки измерения создаются непосредственно на 3D-модели или на изображении с камеры. Для валидации по FEM точки можно автоматически разместить на узлах модели моделирования — что гарантирует нахождение измерения и моделирования в одной системе координат.

Messaufbau mit 3 Scanning Vibrometern zur 3D-Schwingungsanalyse

Шаг 5: Автоматическое сканирование

Система сканирует все заданные точки измерения автоматически и последовательно. Измерение фазово-точное, что гарантирует корректное временное согласование вибраций всех точек. Во время сканирования SMART Lab отображает измерительные данные в реальном времени — что позволяет начать анализ, пока измерение ещё продолжается.

Schwingungsanalyse in Smart Lab Software

Шаг 6: Преобразование и визуализация

Измеренные составляющие вибрации (u, v, w) автоматически преобразуются в декартовы координаты (x, y, z). SMART Lab визуализирует результаты в виде FRF, форм колебаний или сигналов во временной области — как во временной, так и в частотной области.

3D-одноточечное измерение с помощью SMART 3D-Fiber выполняется всего за несколько шагов. Система предоставляет 3D-данные о вибрации либо через программное обеспечение SMART Lab, либо напрямую через аналоговые и цифровые выходы.

Шаг 1: Установление соединения

SMART 3D-Fiber подключается к ПК через Ethernet. В качестве альтернативы систему можно подключить напрямую к внешней системе DAQ — координаты x, y и z доступны как на цифровом выходе, так и на аналоговых выходах.

Шаг 2: Наведение оптоволоконной головки

3D-оптоволоконная головка наводится на испытуемый объект. Встроенная веб-камера показывает на изображении с камеры, попадают ли все три лазерных луча в одну и ту же точку на поверхности. Это гарантирует, что измерение регистрирует полный 3D-вектор вибрации точно в одной точке.

Шаг 3: Возбуждение испытуемого объекта

Испытуемый объект приводится в колебание — например, с помощью встроенного генератора сигналов SMART 3D-Fiber или через внешний источник возбуждения.

Шаг 4: Запуск измерения и анализ

После запуска измерения 3D-данные о вибрации доступны в реальном времени. Анализ выполняется в программном обеспечении SMART Lab или непосредственно в подключённой системе DAQ.

Портрет Tobias Schröder, руководителя отдела продаж и маркетинга Optomet

«На протяжении более двух десятилетий Optomet является синонимом точного измерения вибрации. Наши 3D-лазерные сканирующие виброметры предоставляют надёжные данные — от лабораторного анализа до промышленного контроля качества.»

Tobias Schröder (M.Sc. Mechanical Engineering)
Руководитель отдела продаж и маркетинга

Запросить консультацию

Преимущества по сравнению с традиционными датчиками

	Традиционные контактные датчики	3D-лазерный виброметр
Направления измерения	Для 3D-регистрации требуются триаксиальные датчики — они крупнее, тяжелее и сильнее влияют на характер вибрации	Регистрирует все три пространственных направления (x, y, z) одновременно в каждой точке измерения
In-plane / Out-of-plane	Чёткое разделение возможно только при сложных компоновках датчиков	Точное разделение вибраций in-plane и out-of-plane в каждой точке измерения
Сложные геометрии	Ограниченная применимость для криволинейных поверхностей или поверхностей свободной формы	Полная 3D-регистрация даже для сложных структур, таких как лопатки турбин или полые тела
Валидация по FEM	Сложное сопоставление позиций датчиков с узлами FEM	Прямое измерение на узлах FEM; измерительные данные и моделирование в одной системе координат
Расчёт деформаций и напряжений	Требуются дополнительные тензодатчики с трудоёмким монтажом	Расчёт возможен из полных 3D-векторов смещения — без дополнительных датчиков
Влияние на собственные частоты	Дополнительная масса влияет на характер вибрации	Бесконтактное измерение без массовой нагрузки
Измеряемый диапазон частот	Обычно ограничен от нескольких kHz до нескольких десятков kHz	До 50 MHz (серия SMART)

Ответы на распространённые вопросы о принципе измерения, областях применения и конфигурации систем 3D-лазерных виброметров.

1D-лазерный виброметр измеряет вибрацию вдоль направления лазерного луча — то есть ровно одну составляющую. 3D-лазерный виброметр использует три лазерных луча для измерения всех трёх пространственных направлений и предоставляет полный вектор вибрации в декартовых координатах (x, y, z).

3D-лазерный виброметр требуется, когда релевантны вибрации в плоскости (in-plane), когда необходимо анализировать сложные геометрии с кривизной или поверхностями свободной формы, или когда валидация по FEM должна выполняться с использованием полных 3D-векторов смещения.

Out-of-plane означает вибрацию перпендикулярно поверхности (нормальное движение). In-plane означает вибрацию в плоскости материала, то есть тангенциально поверхности. Только 3D-лазерный виброметр может чётко разделить эти составляющие.

Три лазера первоначально измеряют в своих соответствующих направлениях лучей (u, v, w). Программное обеспечение SMART Lab автоматически рассчитывает составляющие вибрации в декартовой системе координат (x, y, z) — согласованной с испытуемым объектом или FEM-моделью.

3D-одноточечный виброметр (SMART 3D-Fiber) измеряет трёхмерную вибрацию в фиксированной точке измерения. 3D-сканирующий виброметр (SMART 3D-Scan) автоматически перемещается по множеству точек последовательно и предоставляет полные 3D-формы колебаний по всей поверхности.

Да. Серия SMART модульная. Существующий SMART Scan+ в любой момент можно расширить двумя дополнительными приборами до полноценного SMART 3D-Scan.

SMART Lab поддерживает распространённые форматы, такие как STL, OBJ и PLY, а также FEM-модели из NASTRAN. Точки измерения можно размещать непосредственно на узлах FEM.

Калибровка трёх лазерных лучей в SMART Lab полностью автоматизирована. Программное обеспечение проверяет качество калибровки и отображает математические расчёты погрешности.

С серией SMART можно измерять частоты от DC до 50 MHz.

Да. Деформации и производные от них напряжения можно рассчитать из полных 3D-векторов смещения — что является альтернативой тензодатчикам.

3D-виброметры SMART используют безопасные для глаз лазерные источники. Невидимый измерительный лазер SWIR (1550 nm) классифицируется как лазер класса 1 (< 10 mW) и не требует защитных очков. Видимый пилотный лазер, используемый для наведения, относится к классу 2 (< 1 mW) и также безопасен для глаз.

Три лазера 3D-системы измеряют одну и ту же точку одновременно под разными углами. В 3D-сканирующем виброметре отдельные точки измерения проходятся последовательно. С помощью опорного сигнала смещённые по времени измерения объединяются фазово-корректно.

Возбуждение зависит от задачи измерения и может выполняться с помощью модального молотка, шейкера, пьезоактуатора или через реальные условия эксплуатации. Серия SMART включает встроенный генератор сигналов, который можно использовать как определённый источник возбуждения.

Да. Измерительные данные доступны как в цифровом, так и в аналоговом виде и могут быть интегрированы в существующие испытательные стенды и измерительные цепи через открытые интерфейсы. Внешние триггеры обеспечивают синхронизированные процессы измерения.

SMART 3D-Scan: система обеспечивает рабочие расстояния от прибл. 6,5 mm до 100 m — в зависимости от размера объекта и компоновки.

SMART 3D-Fiber: компактная 3D-оптоволоконная головка имеет фиксированное рабочее расстояние 83 mm. В качестве альтернативы доступны дополнительные оптоволоконные головки с рабочими расстояниями от 25 mm до 100 m.

Лазерные источники
Основы типов лазеров, используемых в виброметрии — Helium-Neon, SWIR и системы с оптоволоконной связью.

Лазерная доплеровская виброметрия
Структура, принцип работы и области применения лазерной доплеровской виброметрии.

Измерение вибрации
Методы, измерительная установка и оценка данных о вибрации в научных исследованиях и промышленности.

Эффект Доплера
Физический принцип лазерной доплеровской виброметрии — основа точного измерения скорости.

Обработка сигналов
Анализ данных о вибрации с помощью FFT, оценки в частотной области и обработки в реальном времени.

Полные технические характеристики можно найти на соответствующих страницах продуктов и в технических описаниях.