Laserowe pomiary drgań w zastosowaniach przemysłowych

Badania diagnostyczne maszyn, urządzeń i procesów przemysłowych mogą być wykonywane różnymi metodami. Do jednych z częściej stosowanych są pomiary drgań mechanicznych. Drgania mechaniczne mogą być mierzone metodami kontaktowymi i bezkontaktowymi. W pierwszym przypadku najczęściej stosuje się czujniki sejsmiczne (np. akcelerometry piezoelektryczne lub pojemnościowe) montowane na powierzchniach drgających struktur mechanicznych. Natomiast do metod bezkontaktowego pomiaru drgań zalicza się pomiary sondami wiroprądowymi, czujnikami indukcyjnymi czy też wibrometrami laserowymi.

Podstawy fizyczne laserowego pomiaru drgań – zastosowanie wibrometrów

Laserowy pomiar drgań zwany również wibrometrią laserową to bezkontaktowa technika wykorzystująca urządzenie pomiarowe zwane wibrometrem laserowym. Wibrometr laserowy posiada źródło światła laserowego, którym z reguły jest laser helowo-neonowy (He-Ne). Generuje on liniowo spolaryzowaną wiązkę czerwonego światła o długości 632,8nm. Z powodów bezpieczeństwa dla ludzkiego wzroku moc lasera nie przekracza 1mW. Do pomiarów z dużych odległości a także na powierzchniach słabo odbijających stosowane są wibrometry ze źródłem promieniowania podczerwonego o długości fali 1550nm i mocy 10mW otoczonego światłem lasera zielonego dla potrzeb pozycjonowania wiązki podczerwieni.

Istota pomiaru drgań opiera się na efekcie Dopplera. Polega on na zmianie częstotliwości fali świetlnej odbijającej się od powierzchni poruszającego się (drgającego) obiektu. Jeżeli powierzchnia zbliża się do źródła światła o określonej długości fali, częstotliwość fali odbitej rośnie. Gdy powierzchnia się oddala się – częstotliwość fali odbitej maleje. Przykładem efektu Dopplera dla fal akustycznych jest pozorna zmiana wysokości tonu syreny karetki pogotowia przejeżdżającej obok pieszego stojącego na przejściu dla pieszych. W przypadku, gdy karetka się zbliża pieszy będzie słyszał dźwięk o narastającym tonie. W przypadku oddalania się karetki ton dźwięku syreny będzie malał.

Zmiana częstotliwości fali odbitej Δf o długości λ jest zależna od prędkości poruszania się obiektu v w kierunku rozchodzenia się fali. Opisana jest bardzo prostą zależnością:

Δf = 2 v/λ                                                                  (1)

Pomiar zmiany częstotliwości wykonuje się w wibrometrze laserowym za pomocą interferometru (rys. 1), który umożliwia precyzyjne wyznaczenie parametrów fizycznych opisujących ruch drgającej powierzchni czyli prędkości, przemieszczenia i przyspieszenia w punkcie padania wiązki lasera. W wibrometrze laserowym stosuje się interferometr Macha-Zehndera.

Interferometr

Interferometr rozdziela wiązkę lasera emitowaną przez źródło na wiązkę pomiarową wysyłaną w kierunku drgającego obiektu a także wiązkę referencyjną, która przez komórkę Bragga kierowana jest do fotodetektora. Wiązka pomiarowa po odbiciu się od drgającej powierzchni i lokalnej zmianie częstotliwości również trafia do fotodetektora. Na powierzchni fotodetektora dochodzi do interferencji fal świetlnych wiązki odbitej i referencyjnej. To powoduje pojawienie się prążków interferencyjnych wykrywanych w postaci zmian napięcia na wyjściu fotodetektora. Zadaniem komórki Bragga jest wprowadzenie dodatkowego przesunięcia częstotliwości wiązki referencyjnej (tzw. heterodynowanie) w celu możliwości wykrywania kierunku przemieszczeń drgającej powierzchni. Sygnał napięciowy mierzony na wyjściu fotodetektora jest zmodulowany częstotliwościowo a także fazowo. W wyniku demodulacji sygnału z fotodetektora możliwe jest wyznaczenie sygnałów prędkości, przemieszczeń i przyspieszeń drgań mechanicznych.

Wibrometry laserowe

Ze względu na złożoną budowę wibrometry laserowe nie są ani małymi przyrządami pomiarowymi ani tanimi. Na rys. 2 zaprezentowano przykładowy wibrometr będący na wyposażeniu Laboratorium Diagnostyki Technicznej Katedry Podstaw Konstrukcji Maszyn, Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Jest to urządzenie pozwalające mierzyć drgania w jednym punkcie w paśmie częstotliwości od 0.5Hz do 22kHz i maksymalnym zakresie do 500 mm/s. To odpowiada przyspieszeniom 69000 m/s².

Wibrometr posiada 3 zakresy pomiarowe. Najmniejszy zakres mierzonych prędkości wynosi 20 mm/s. Pomiary za pomocą zaprezentowanego wibrometru można prowadzić w zakresie odległości od 9mm do 30m. Ze względu na stosunkowo kompaktowe wymiary 300x128x63mm jest to urządzenie przenośne zasilane ze specjalnego zestawu baterii. Z reguły pomiary tego typu urządzeniem wymagają umieszczenia go na statywie, który jest nieodzownym elementem całego zestawu. Wibrometr posiada wyjście analogowe i cyfrowe. Dzięki temu sygnał drgań może być bezpośrednio analizowany za pomocą zewnętrznych urządzeń pomiarowych lub też za pomocą dedykowanego dodatkowo płatnego oprogramowania do analizy sygnałów drgań w dziedzinie czasu i częstotliwości.