Сканирующие лазерные виброметры

Сканирующие лазерные виброметры регистрируют вибрации по всей площади и бесконтактно. Автоматически сканируя заданную сетку точек, они измеряют скорость, перемещение и ускорение в каждой точке измерения. Такие системы применяются всегда, когда требуются детальные формы колебаний, модальный анализ или валидация МКЭ-моделей.

Полнопольное измерение: автоматическое сканирование до 512 × 512 точек с областями измерения от < 1 мм² до > 10 м².
Бесконтактный анализ: отсутствие дополнительной массы на объекте испытаний — подходит для чувствительных, горячих или движущихся поверхностей.
Диапазон измерения: полоса частот от 0 Hz до 50 MHz и скорости вибрации до 50 m/s.
Передача данных: цифровая через Ethernet или через аналоговые выходы. Анализ и визуализация с помощью программного обеспечения SMART Lab или интеграция в существующие системы.
Визуализация: модальный анализ, формы колебаний и собственные формы в 1D- или 3D-представлении.

Learn more Talk to an expert

Several scanning laser vibrometers analyze the vibration of a car in the wind tunnel

SMART Scan laser vibrometer, front and rear view

Сканирующий лазерный виброметр измеряет вибрации бесконтактно и последовательно во множестве точек объекта испытаний. Для этого лазерный луч автоматически перемещается по заданной измерительной сетке. В каждой точке регистрируются скорость, перемещение и ускорение. Так создаётся полное представление форм колебаний детали — от локальных резонансов до глобальных мод.

Сканирующие лазерные виброметры применяются, когда важно пространственное распределение вибраций, например при модальном анализе, исследованиях NVH или при валидации численных моделей. Поскольку измерение является чисто оптическим, объект испытаний остаётся незатронутым. Дополнительная масса не вносится, как это было бы в случае акселерометров или других контактных датчиков. Собственные частоты системы полностью сохраняются.

Измерение выполняется независимо от свойств поверхности и может также проводиться на очень горячих деталях, например на термонагруженных деталях двигателя и трансмиссии на испытательном стенде.

Сравнение: сканирующие и одноточечные виброметры

	Сканирующий лазерный виброметр	Одноточечный виброметр
Принцип измерения	Автоматическое сканирование области с множеством точек измерения для получения полной формы колебаний.	Измеряет вибрацию в заданной точке вдоль оси лазера.
Позиционирование	Перепозиционирование не требуется — лазерный луч направляется по измерительному полю с помощью встроенных отклоняющих зеркал.	Требуется перепозиционирование при необходимости измерить другую точку. В качестве альтернативы возможно использование нескольких одноточечных виброметров или волоконных головок.
Пространственная информация	2D- или 3D-информация в зависимости от конфигурации системы.	1D-информация (скорость, перемещение, ускорение вдоль одной оси).
Типичные применения	Полнопольный анализ вибрации, модальный анализ и исследование сложных структур.	Одноточечные измерения на машинах, инструментах, конструкциях или компонентах при контроле качества.

При измерении сканирующим лазерным виброметром лазерный луч направляется не в одну точку, а последовательно во множество заданных положений на поверхности. Доплеровский сдвиг отражённого света, вызванный движением, оценивается для каждой точки измерения во встроенном интерферометре. Так формируются полные наборы данных о скорости, перемещении и ускорении — бесконтактно, без дополнительной массы и с точной пространственной привязкой.

Типичный порядок измерения: от настройки до анализа

1. Подготовка и калибровка

Сначала подготавливается измерительная установка и позиционируется объект испытаний.

Затем выполняется калибровка сканирующего лазера: изображение камеры и лазерный луч точно совмещаются так, чтобы каждая точка измерения на изображении точно соответствовала фактической точке, в которой лазер попадает на поверхность.

После этого определяются точки измерения или измерительная сетка.

Screenshot from the SMART Lab software showing vibration measurements on a car

2. Автоматизированная последовательность возбуждения и измерения

Ранее заданные точки измерения сканируются автоматически одна за другой. Непосредственно перед каждой точкой измерения объект испытаний возбуждается, например с помощью вибростенда, модального молотка, пьезоактуатора или акустического возбуждения.

Затем виброметр измеряет скорость, перемещение и ускорение в текущей точке. Последовательность непрерывно повторяется: возбуждение → измерение → следующая точка измерения.

Vibration image of a turbine, created with a laser-scanning vibrometer

3. Консолидация измерительных данных

После завершения полного сканирования данные всех точек измерения становятся доступными в структурированном виде.

Пространственная привязка к заданным точкам сохраняется, что позволяет обрабатывать данные напрямую — как в программном обеспечении Optomet, так и во внешних инструментах анализа.

Преимущества перед традиционными датчиками

	Традиционные контактные датчики	Сканирующий лазерный виброметр
Плотность точек измерения	Требуется множество отдельных датчиков; ограниченный пространственный охват	Автоматизированное сканирование от сотен до тысяч точек для высокого пространственного разрешения
Сложные геометрии	Ограниченная применимость в труднодоступных областях	Измерение возможно также на сложных структурах и для детальных собственных форм
Продолжительность измерения	Трудоёмкая настройка и длительное время измерения при множестве отдельных датчиков	Измерение по площади обычно примерно за один час благодаря автоматизированному сканированию
Подготовка поверхности	Требуется приклеивание, привинчивание или механическое крепление	Подготовка поверхности не требуется; полностью бесконтактно
Влияние на собственные частоты	Влияет на колебательное поведение	Колебательное поведение остаётся незатронутым
Измеряемый диапазон частот	Обычно ограничен несколькими kHz до нескольких десятков kHz	До 50 MHz (серия SMART), до 25 MHz (серия CLASSIC)

Сканирующий лазерный виброметр измеряет структуру не одновременно, а последовательно во множестве отдельных точек. Чтобы впоследствии объединить эти разнесённые во времени измерения в чистую, фазово-точную форму колебаний, системе требуется фиксированная опорная точка.

Именно в этом и заключается роль опорного датчика: он регистрирует приложенный сигнал возбуждения — например силу модального молотка или движение вибростенда — и служит общей фазовой и амплитудной опорой для всех точек измерения.

Применение с опорными датчиками или без них
Сканирующие лазерные виброметры могут работать как с опорными датчиками, так и без них. В зависимости от цели анализа доступны методы измерения, которые либо обеспечивают точно определённые модальные параметры, либо регистрируют вибрации непосредственно в реальных эксплуатационных условиях.

Требуется ли опорный сигнал, зависит от метода измерения. Для некоторых видов анализа чётко определённый опорный сигнал необходим, тогда как для других он не имеет значения, поскольку возбуждение происходит в реальных эксплуатационных условиях и не воспроизводимо.

При экспериментальном модальном анализе (EMA) требуется опорный сигнал. Возбуждение вносится контролируемым и воспроизводимым образом, например с помощью модального молотка, вибростенда или пьезоактуатора. Опорный сигнал служит фиксированной фазовой, временной и амплитудной опорой и обеспечивает фазово-точное объединение точек измерения.

EMA позволяет:

Точные функции частотной характеристики (FRF)
Точное определение собственных частот и значений демпфирования
Чёткие, воспроизводимые собственные формы
Целенаправленное возбуждение отдельных мод
Контролируемые и повторяемые условия измерения

При операционном модальном анализе (OMA) определённая опора возбуждения недоступна. Структура возбуждается в реальных эксплуатационных условиях, например ветром, работой двигателя, транспортными нагрузками или аэродинамическими воздействиями. Поскольку эти возбуждения не являются детерминированными или воспроизводимыми, опорный канал возбуждения использовать нельзя. Вместо этого модальные параметры идентифицируются по измеренным откликам структуры во время эксплуатации.

OMA подходит для:

Анализа вибраций в реальных эксплуатационных условиях
Крупных структур, которые невозможно возбудить искусственно
Ситуаций, в которых контролируемое возбуждение или измерение силы невозможно
Анализа фактического динамического поведения во время эксплуатации

При сканирующих измерениях могут подключаться различные типы опорных датчиков. Они регистрируют приложенное возбуждение или возникающее движение и служат общей опорой для всех точек измерения.

Акселерометры
(например, датчики IEPE или TEDS)

Датчики силы
(например, от модального молотка)

Scanning-Laservibrometer mit angeschlossenem Faserkopf

Бесконтактный опорный канал
(например, дополнительный виброметр или волоконная головка)

Graph of a vibration from a signal generator

Встроенный генератор сигналов
(интегрирован в сканирующий виброметр Optomet)

Системы серии SMART обеспечивают прямую интеграцию опорных датчиков без дополнительного оборудования. Датчики обнаруживаются автоматически и могут быть сразу включены в рабочий процесс измерения.

Преимущества:

Напрямую подключаемые датчики ускорения и силы, а также микрофоны
Поддержка датчиков TEDS и IEPE
Синхронная регистрация всех каналов
Plug-and-play интеграция в программное обеспечение SMART Lab (сигналы видны сразу)

Rear side of a laser-scanning vibrometer: connections for analog and digital sensors — A total of 12 reference channels are available (including triaxial reference channels).

Расширяемость благодаря модульной серии Optomet SMART

Серия Optomet SMART имеет модульную конструкцию и может гибко расширяться. Система, изначально используемая для одномерных сканирующих измерений, позже может быть модернизирована до полноценного 3D-сканирующего виброметра. Существующие компоненты остаются частью системы и при модернизации просто дополняются дополнительными устройствами и компонентами серии SMART.

Circuit board with individual components analyzed using a scanning vibrometer — 1D Scan: Vibration behavior of components on a printed circuit board

3D scanning vibrometer capturing the vibration pattern of a brake disc — 3D Scan: Vibration behavior of a brake disc

Full-body vibrometer scan of a car with multiple scanning vibrometers analyzing in parallel — Full-body scan: Vibration behavior of a car in a wind tunnel

Такой модульный подход позволяет начать с компактной 1D-системы и постепенно расширять её функциональность по мере возникновения новых измерительных задач. Таким образом система растёт вместе с требованиями и остаётся адаптируемой в долгосрочной перспективе.

Портрет Tobias Schröder, руководителя отдела продаж и маркетинга Optomet

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

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

Запросить консультацию

Сканирующие лазерные виброметры используются для полнопольного анализа вибрации в широком спектре приложений. Они позволяют исследовать сложные структуры, определять собственные формы и частоты, а также анализировать вибрации в реальных эксплуатационных условиях.

Типичные применения:

Модальный анализ — определение собственных частот, собственных форм и значений демпфирования
Исследования NVH — анализ воздействий шума и вибрации в транспортных средствах и компонентах
Аэрокосмическая отрасль — исследования динамики конструкций крыльев, секций фюзеляжа или элементов двигателей
Машиностроение — анализ вибрации на машинах, редукторах, насосах и вращающихся системах
Аэродинамическая труба — в новой аэродинамической трубе BMW лазерные доплеровские виброметры Optomet используются для регистрации вибраций под аэродинамическими нагрузками.

Optomet предлагает ряд сканирующих лазерных виброметров для различных требований к измерениям — от компактных 1D-систем до полностью интегрированных 3D-решений. Устройства различаются по конфигурации, диапазону частот и функциональному объёму.

SMART Scan+

SMART Scan+ — это цифровой сканирующий лазерный виброметр для полнопольных измерений вибрации. Система объединяет встроенную камеру с автоматизированным точечным сканированием и подходит для модального анализа, исследований NVH и испытаний динамики конструкций.

Узнать больше о SMART Scan+ | Технический паспорт SMART Scan+ (PDF)

SMART 3D-Scan

Виброметр SMART 3D-Scan расширяет метод сканирования, добавляя трёхмерный анализ вибрации.

Он регистрирует все три направления вибрации одновременно для каждой точки измерения: измерения в плоскости и вне плоскости позволяют получать полные 3D-формы колебаний даже для сложных структур.»

Узнать больше о SMART 3D-Scan | Технический паспорт SMART 3D-Scan (PDF)

Full-Body Scan mit Scanning-Laser Vibrometern in einem Windkanal

SMART Full Body

SMART Full Body — это гибкая измерительная система, позволяющая размещать несколько виброметров SMART Scan+ вокруг объекта испытаний. Это даёт возможность регистрировать крупные структуры с разных ракурсов. В качестве альтернативы можно использовать один SMART Scan+, при этом измерительные данные автоматически объединяются в полную форму колебаний с помощью SMART Lab.

Узнать больше о SMART Full Body

Laser-Scanning Vibrometer aus der CLASSIC Serie

Сканирующий виброметр (серия CLASSIC)

Classic Scanning Vibrometer — это компактная сканирующая система. В отличие от серии SMART, она менее модульна и используется как полностью сконфигурированное устройство. Большая оптическая апертура и встроенная видеоподдержка обеспечивают стабильные измерения даже на тёмных или шероховатых поверхностях, а также на больших рабочих расстояниях.

Узнать больше о сканирующем виброметре SWIR | Технический паспорт CLASSIC Scanning Vibrometer (PDF)

Валидация МКЭ-моделей является ключевым этапом в обеспечении того, чтобы моделирование точно отражало реальное динамическое поведение детали. Сканирующие лазерные виброметры предоставляют полнопольные данные о вибрации, которые можно напрямую сравнивать с результатами МКЭ. Проверяются собственные формы, собственные частоты и значения демпфирования, а также выявляются отклонения между моделью и реальностью.

Процесс валидации включает, среди прочего, следующие этапы:

Сравнение моделирования (МКЭ) с реальными измеренными данными о вибрации
Проверка собственных форм, собственных частот и демпфирования
Корректировка граничных условий, параметров материала и жёсткостей
Обеспечение того, чтобы реальная деталь воспроизводила смоделированное поведение
Выявление и оценка отклонений между моделью и реальностью

Только проверенная МКЭ-модель обеспечивает надёжные прогнозы поведения конструкции. Сравнивая смоделированные и измеренные данные, можно целенаправленно корректировать и оптимизировать параметры модели. Это ускоряет процессы разработки и сокращает количество необходимых итераций.

3D model of a car loaded into vibration measurement software

SMART Lab поддерживает весь процесс валидации, поскольку моделирование и измерение объединяются в единой согласованной системе координат. 3D МКЭ-модели можно импортировать напрямую, точки измерения могут автоматически сопоставляться с узлами МКЭ, а отклонения становятся видимыми сразу.

SMART Lab предлагает:

Импорт 3D МКЭ-моделей (например, NASTRAN) напрямую в программное обеспечение
Измерение непосредственно в узлах МКЭ благодаря автоматическому сопоставлению точек сканирования
Точное размещение всех точек измерения на узлах моделирования без ручного сопоставления
Согласованная система координат для моделирования и реальных измерительных данных
Быстрое выявление отклонений между моделированием и измерением (моды, частоты, демпфирование)

Подробнее о программном обеспечении SMART Lab

Преимущества валидации:

Только действительная МКЭ-модель обеспечивает надёжные прогнозы
Оптимизация МКЭ-модели путём сравнения с реальными измерительными данными
Сокращённое время разработки
Меньшее количество итерационных циклов в процессе проектирования

Сканирующие лазерные виброметры можно легко интегрировать в существующие испытательные стенды, среды автоматизации или измерительные цепи. Благодаря открытым интерфейсам все измерительные данные доступны как в цифровом, так и в аналоговом виде и могут обрабатываться непосредственно вышестоящими системами.

Интерфейсы и возможности интеграции:

Интерфейс Ethernet для цифровой передачи данных о скорости, перемещении и ускорении
Аналоговые выходные каналы для прямой интеграции в существующее оборудование DAQ
Открытые протоколы управления и данных для автоматизированных процессов и внешних триггеров
Гибкая эксплуатация в полуавтоматических или полностью автоматизированных измерительных системах

Благодаря сочетанию цифровых и аналоговых интерфейсов виброметр может работать как автономная измерительная система или как часть полностью автоматизированной установки.

В этом разделе вы найдёте ответы на типичные вопросы о продолжительности измерения, плотности точек, поверхностях, опорах, программном обеспечении, источниках лазерного излучения и интеграции в существующие измерительные среды и среды автоматизации.

Одноточечный виброметр измеряет вибрацию в одной точке вдоль оси лазера.
Сканирующий виброметр автоматически направляет лазер по множеству точек измерения и формирует полнопольную форму колебаний. Это позволяет визуализировать собственные формы, собственные частоты и пространственные распределения вибрации.

Да. Для трёхмерного анализа вибрации Optomet использует систему, состоящую из трёх сканирующих виброметров, работающих совместно как 3D-сканирующий блок. Каждый виброметр измеряет вибрацию со своего направления. Три системы синхронизированы по времени, согласуют свои точки измерения и обмениваются необходимыми сигналами управления и опорными сигналами во время измерения.

Из трёх компонент скорости, зарегистрированных в каждой точке измерения, система рассчитывает полное движение в направлениях X, Y и Z. Это позволяет точно представлять сложные 3D-формы колебаний и пространственные направления движения.

SMART 3D-Scan

Сканирующие виброметры Optomet работают с лазерными источниками, безопасными для глаз.

Невидимый измерительный SWIR-лазер (1550 нм) классифицируется как лазер класса 1 (< 10 mW) и не требует защитных очков. Некоторые системы могут в качестве альтернативы работать с видимым измерительным лазером HeNe (632,8 нм), классифицируемым как лазер класса 2 (< 1 mW), также считающийся безопасным для глаз. Для юстировки используется видимый пилотный лазер, также лазер класса 2 (< 1 mW). Все лазеры безопасны при нормальной эксплуатации и указаны в технических паспортах каждого устройства.

В зависимости от применения Optomet использует различные источники лазерного излучения. Стандартные системы используют SWIR-лазеры (1550 нм), которые обеспечивают высокую оптическую чувствительность и не требуют подготовки поверхности. В качестве альтернативы в зависимости от области применения могут использоваться видимые лазеры HeNe (632,8 нм). Источник лазерного излучения выбирается на этапе технической конфигурации.

Сканирующие виброметры всегда измеряют отдельные точки последовательно. Лазерный луч автоматически перемещается по заданной сетке, и каждая точка регистрируется отдельно. С помощью опорного сигнала разнесённые во времени отдельные измерения затем приводятся к правильному фазовому согласованию, что даёт полную форму колебаний.

При полнокорпусном сканировании (Full Body Scan)несколько сканирующих виброметров работают параллельно.
Каждое устройство по-прежнему измеряет свои точки последовательно, но они охватывают разные области объекта одновременно. В SMART Lab все точки объединяются пространственно и во времени.

Один сканирующий виброметр: точки измеряются последовательно.
Полнокорпусное сканирование (несколько виброметров): несколько последовательных сканирований выполняются параллельно и синхронизируются.

Метод возбуждения зависит от подхода к измерению и цели исследования. Для определённых, воспроизводимых вибраций обычно используются активные источники возбуждения, такие как вибростенд, модальный молоток или пьезоактуатор. При эксплуатационных измерениях структура может возбуждаться реальными воздействиями, такими как работа двигателя, ветер или технологические силы.

Типичные методы возбуждения:

Модальный молоток для импульсного возбуждения
Вибростенд для определённого, частотно-изменяемого или широкополосного возбуждения
Пьезоактуаторы для высокочастотного или локального возбуждения
Звуковые поля (например, громкоговорители) для акустического возбуждения
Реальные эксплуатационные условия, когда требуется анализировать поведение под нагрузкой
Встроенный генератор сигналов (в сканирующих виброметрах Optomet) как определённый, интегрированный источник возбуждения

Для сканирующих виброметров программные решения SMART Lab и OptoSCAN обеспечивают полную интеграцию сканирующих сеток, управления устройством и анализа данных.

Однако их использование не является обязательным: все измерительные данные также могут выводиться через цифровые или аналоговые интерфейсы и обрабатываться в любой внешней среде анализа.

Варианты использования:

SMART Lab / OptoSCAN / OptoGUI для полного управления, визуализации и анализа
Внешнее программное обеспечение (например, MATLAB, LabVIEW, Python, МКЭ-инструменты или индивидуальные решения) через открытые интерфейсы данных и управления
Аналоговый или цифровой вывод необработанных данных (например, скорость, ускорение, перемещение) для прямой последующей обработки

Это позволяет использовать виброметр как полностью интегрированное измерительное решение, так и гибко в качестве источника данных в существующих системах анализа или автоматизации.

Сканирующие виброметры могут интегрироваться в автоматизированные испытательные стенды и существующие измерительные цепи через открытые интерфейсы. Измерительные данные доступны как в цифровом, так и в аналоговом виде и могут передаваться напрямую во внешние системы.

Интерфейсы и интеграция:

Gigabit Ethernet для цифровых измерительных данных и команд управления
Аналоговые выходы для скорости, ускорения или перемещения
Внешние триггеры для синхронизированных измерительных процессов
Открытые форматы данных для обработки в индивидуальных системах
Совместимость с автоматизированными последовательностями, например для применений на испытательных стендах или в конце линии (end-of-line)

Это позволяет использовать виброметр как автономную измерительную систему или как часть полностью автоматизированной установки.

Продолжительность сканирующего измерения зависит от нескольких факторов, таких как желаемое частотное разрешение, количество точек измерения и исследуемые частоты вибрации. Для быстрого обзора объект может сканироваться со скоростью до 50 точек в секунду.

Необходимое количество точек измерения зависит от пространственной сложности исследуемых мод. Более высокие частоты имеют меньшие длины волн и больше узловых линий, что требует более плотной пространственной дискретизации для точной регистрации форм колебаний.

Сканирующие виброметры SMART могут регистрировать до 512 × 512 точек измерения в пределах заданной области измерения. Это позволяет полностью и с высоким разрешением анализировать даже сложные структуры.

Нет. SWIR-лазеры сканирующих лазерных виброметров Optomet обеспечивают надёжное измерение без светоотражающей ленты, даже на тёмных или шероховатых поверхностях. Высокая чувствительность и сильный возвратный сигнал обеспечивают стабильное, высокое отношение сигнал/шум даже в сложных условиях.

Сканирующий виброметр может использоваться в широком диапазоне расстояний. В зависимости от установки и размера объекта возможны следующие рабочие расстояния:

До 100 м расстояния для стандартных сканирующих применений — идеально для крупных структур или труднодоступных объектов измерения.
Минимальное рабочее расстояние от прибл. 6,5 мм при измерении очень малых объектов или мелких деталей.

Это позволяет системе надёжно охватывать как измерения на коротких расстояниях в микрометровом диапазоне, так и измерения на больших расстояниях в промышленных средах.

Да. Программное обеспечение SMART Lab от Optomet поддерживает импорт 3D-моделей. Пользователи могут загружать свои МКЭ-геометрии и размещать точки измерения непосредственно на узлах МКЭ. Это позволяет точно сравнивать измерительные данные и моделирование, обеспечивая эффективную валидацию и оптимизацию МКЭ-моделей.

Сканирующий лазерный виброметр Optomet охватывает очень широкий диапазон размеров:

Очень малые структуры < 1 мм², например MEMS-компоненты
Крупные объекты > 10 м², такие как корпуса, детали машин или крупные компоненты

С серией Optomet SMART несколько сканирующих виброметров можно синхронно объединять в сеть, что позволяет проводить измерения на целых транспортных средствах или летательных аппаратах («полнокорпусная виброметрия»).

С помощью одного устройства можно регистрировать частоты от DC до 50 MHz — подходит как для медленных вибраций, так и для очень высокочастотных динамических процессов.

Источники лазерного излучения
Основы типов лазеров, используемых в виброметрии — гелий-неоновые, SWIR и волоконно-связанные системы.

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 для точного измерения скорости.

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