14.10.2009
In der Arbeitsgruppe „Darstellung Beschleunigung” wurde im Rahmen einer Diplomarbeit der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel ein Messplatz zur primären Bestimmung der Phasenverzögerung von Laser-Doppler-Vibrometern (LDV) entwickelt. Um möglichst kleine Messunsicherheiten zu erzielen, versorgt der Laserstrahl des Prüflings (LDV-Messstrahl) auch ein in Quadratur betriebenes Michelson-Interferometer als Referenz.
Für die primäre Kalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern werden in der Arbeitsgruppe „Darstellung Beschleunigung” Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) zur Rückführung der Messgröße Beschleunigung auf die Größen Länge (Wellenlänge) und Zeit eingesetzt. Bei der Sinus-Kalibrierung eines Beschleunigungsaufnehmers bezüglich Signalamplitude und Phase werden bei mechanischer Beschleunigung (sinusförmig) des Aufnehmers die zeitlichen Verläufe von Referenzbeschleunigung, gemessen mit dem LDV, und Beschleunigungsaufnehmersignal zeitsynchron aufgezeichnet. Um die Phasenverzögerung des zu kalibrierenden Beschleunigungsaufnehmers für sinusförmige Anregungen ermitteln zu können, muss die Phasenverzögerung (oder Signallaufzeit) der optischen und elektronischen Komponenten des LDVs genau bekannt sein.
Die in der Arbeitsgruppe eingesetzten LDVs vom Hersteller Polytec bestehen aus einem opto-elektronischen Messkopf und einem elektronischen Controller. Um eine primäre Rückführung zu ermöglichen, wurden die Controller seitens des Herstellers entsprechend den Erfordernissen der PTB modifiziert (frequenzmodulierter Ausgang, kurz FM-Ausgang).
Bislang wurde nur die Phasenverzögerung der eingesetzten LDV-Controller bezogen auf den FM-Ausgang bestimmt, ohne Berücksichtigung eines zusätzlichen Anteils durch den opto-elektronischen Messkopf. Um die Messunsicherheiten bei der Primärkalibrierung von Beschleunigungsaufnehmern weiter zu verbessern, war daher eine „Über-Alles”-Messung der Phasenverzögerung vom gesamten LDV mit Messkopf und Controller erforderlich.
Bild 1: Experimenteller Aufbau (mit eingezeichnetem Strahlengang) zur primären Phasenkalibrierung von LDVs
Zur Umsetzung der „Über-Alles”-Messung wurde ein neuartiger Messplatz aufgebaut
(Bild 1), der mit Hilfe des Prüflings (LDV) sowohl dessen normale Messmimik als auch ein sogenanntes Homodyn-Quadratur-Interferometer (modifiziertes Michelson-Interferometer) realisiert. Das Homodyn-Quadratur-Interferometer wird mit dem Laserstrahl des LDVs versorgt und stellt die primäre Referenz dar. Der für beide Verfahren identische Messstrahl erfasst die in Strahlrichtung liegende Bewegungskomponente eines Spiegels auf der Schwingarmatur eines Beschleunigungserregers, der zu sinusförmigen Schwingungen angeregt wird. Das aus verschiedenen optischen Komponenten aufgebaute Homodyn-Quadratur-Interferometer verwendet Fotoempfänger mit schnellen PIN-Fotodioden der Firma FEMTO®, bei denen die Phasenverzögerung aufgrund der Anstiegs- und Abfallzeiten von ca. 1 ns vernachlässigt werden kann. Daher wird das Homodyn-Quadratur-Interferometer als Null-Phasen-Referenz betrachtet.
Die synchrone Datenerfassung der modulierten Messsignale sowie die Bereitstellung des Beschleunigungserregersignals erfolgt mit Hilfe eines PXI-Systems. Die Signaldemodulation und Auswertung erfolgt in LabVIEW, wobei bei Bedarf eine automatische Ergebnisdarstellung in Excel ausgeführt wird. Zur Validierung des Auswerteverfahrens ist eine Simulationssoftware in LabVIEW entwickelt worden, die das gesamte Experiment nachbildet.
Bild 2: Phasenverzögerung des FM-Ausgangs eines LDV-Prüflings
In Bild 2 ist die ermittelte Phasenverzögerung des FM-Ausgangs eines LDV-Prüflings im Frequenzbereich von 100 Hz bis 20 kHz dargestellt. Bei 10 kHz liegt die Streuung der Einzelmesswerte (siehe vergrößerter Ausschnitt) unter 0,008°. Zur Erweiterung des Frequenzbereiches zu höheren Frequenzen wurde ein modifizierter Auswertealgorithmus entwickelt, mit dem erste Untersuchungen bis 80 kHz vorgenommen wurden.
Mit dem neuen Messplatz ist es außerdem möglich, kommerziell erhältliche LDVs mit analogem Geschwindigkeitsausgang zu kalibrieren, die in der Industrie allgemein Verwendung finden. In diesem Fall kann eine sinusförmige Kalibrierung des Prüflings bezüglich Betrag und Phase der Geschwindigkeit vorgenommen werden.
Ansprechpartner:
Frank Blume, FB 1.3, AG 1.31, E-Mail: frank.blume@ptb.de