Vibrometria laser: misurare le vibrazioni dallo sviluppo del prodotto al controllo qualità

Se i materiali solidi sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche o eccitazioni elettriche, si deformano e iniziano a vibrare in misura maggiore o minore. Queste vibrazioni dipendono dalla forma, dal materiale, dall'eccitazione e da molti altri fattori. I vibrometri laser sono utilizzati per misurare e analizzare le vibrazioni senza contatto. Vengono utilizzati per valutare diverse varianti di progettazione durante lo sviluppo e per ottimizzare i prodotti. Tuttavia, le deviazioni nel comportamento delle vibrazioni possono anche indicare difetti nel prodotto durante la produzione.

Campo di applicazione della vibrometria laser

Nei test di qualità vibroacustica, un vibrometro laser Doppler scansiona gli oggetti alla ricerca di vibrazioni su praticamente tutte le superfici senza contatto e con precisione (immagine sopra). Si ottengono dati di misura come la risposta in frequenza e la frequenza di risonanza, la risposta all'impulso e i dati sulle proprietà di smorzamento. La misurazione ottica con luce laser produce una mappa della distribuzione dell'ampiezza delle vibrazioni senza influenzare l'oggetto di misura, ad esempio attraverso il contatto o il carico di massa (come nel caso degli accelerometri). Il metodo è adatto a quasi tutti i problemi legati alle vibrazioni nella ricerca, nello sviluppo, nella produzione e nel monitoraggio delle condizioni o nell'assicurazione della qualità e per oggetti di dimensioni diverse: dalle carrozzerie intere, alle grandi parti aerospaziali, ai motori e agli attuatori, fino ai microcomponenti come i MEMS o ai campioni biomedici e ai componenti nell'ordine dei micrometri. A seconda del compito e del design del sensore, è possibile rilevare vibrazioni fino alla gamma dei GHz o, come nel caso del nuovo VibroScan per la scansione delle superfici, registrare in modo completamente digitale frequenze fino a 32 MHz.

Ottimizzare le oscillazioni desiderate

Le vibrazioni non sono indesiderate ovunque. Tutti noi apprezziamo l'allarme a vibrazione dei telefoni cellulari o usiamo gli spazzolini da denti elettrici. In molte applicazioni, è importante trovare il miglior design del prodotto in modo che le vibrazioni soddisfino il loro scopo nel miglior modo possibile. È qui che si utilizzano i vibrometri a scansione, che analizzano le vibrazioni su un'ampia area. Le applicazioni nell'industria includono nastri trasportatori vibranti o pannelli di controllo e operativi. Anche i sistemi di imballaggio di alta qualità e i processi di giunzione industriale che utilizzano la saldatura a ultrasuoni possono essere sviluppati più rapidamente o controllati e ottimizzati durante il funzionamento con l'aiuto di un'analisi delle vibrazioni. Un'altra applicazione è il "trasporto vibrazionale" di gocce di liquido, ad esempio nelle analisi mediche. Tuttavia, l'analisi delle vibrazioni è anche un metodo affidabile per sviluppare prodotti di alta qualità per i beni di consumo: La vibrazione della membrana di un altoparlante, responsabile del suono di una cassa acustica, può essere analizzata e migliorata. Esiste anche un gran numero di applicazioni meno ovvie, come i ventilatori, gli alloggiamenti dei computer, i prodotti medicali e i rumori trasmessi dalle strutture, per cui le vibrazioni svolgono un ruolo importante anche nei sistemi di produzione.

Ridurre al minimo le vibrazioni indesiderate

Le deviazioni delle vibrazioni di un oggetto rispetto alle specifiche target consentono di trarre conclusioni sul funzionamento regolare degli azionamenti, sulle deviazioni di produzione, sull'usura incipiente dei cuscinetti e su molti altri difetti. È qui che la vibrometria può essere utilizzata in linea per il controllo qualità. Il prerequisito è che il sensore sia in grado di rilevare e analizzare le vibrazioni in modo rapido e preciso e che il sistema di misura possa essere integrato in un sistema di produzione nel modo più semplice possibile. I vibrometri Polytec supportano varie interfacce come COM/DCOM, offrono un linguaggio macro interno e forniscono un'API per la programmazione. I dati di misura vengono solitamente trasmessi via TCP/IP Ethernet. Polytec offre inoltre strumenti ed esempi completi per garantire un'integrazione senza problemi.

Misurare le deviazioni, ma dove?

Se le misure di vibrazione vengono utilizzate per il controllo qualità, sorgono le seguenti domande: dove si possono trovare punti di misura precisi per una garanzia di qualità affidabile, al fine di identificare le deviazioni e ridurre al minimo gli scarti? Quali conclusioni si possono trarre da quale superficie in base alle deviazioni? I vibrometri laser Doppler offrono buone indicazioni a questo proposito già nella fase di sviluppo del metodo di prova previsto: Ciò significa che i punti e le superfici di misura migliori possono essere individuati già nella fase di sviluppo per indicare le proprietà specifiche o i possibili difetti attraverso il loro comportamento vibratorio. In questo modo è possibile effettuare le misure in un punto di ampiezza massima significativo, risparmiando tempo durante la messa in servizio e garantendo dati significativi sulla qualità dei prodotti.

Migliorare il rapporto segnale/rumore

In pratica, le superfici di misura sono solitamente otticamente ruvide. La luce non viene quindi solo riflessa, ma anche diffusa. Contiene aree scure e chiare, i cosiddetti speckles. Questo effetto porta a fluttuazioni dell'intensità luminosa sul fotorivelatore e, nelle misure ottiche, a disturbi a banda larga e a cadute indesiderate del segnale. Pertanto, per ottenere un buon risultato sono spesso necessarie diverse misure o un numero elevato di medie. Polytec risolve questo problema con la tecnologia QTec, che utilizza più fotorivelatori per migliorare drasticamente il rapporto segnale/rumore. Per ottenere questo risultato, i vibrometri QTec utilizzano un innovativo interferometro multicanale con diversità di ricezione. Il sistema raggruppa i migliori valori misurati da diverse prospettive e li ricombina per ottenere un risultato di misura coerente. Ogni rilevatore è un osservatore del punto di misura con una propria prospettiva e vede il proprio pattern speckle casuale (immagine sotto). La combinazione dei segnali provenienti dai rilevatori distribuiti spazialmente produce automaticamente un livello di segnale statisticamente stabile per ogni singola misura, indipendentemente dalla superficie di misurazione. Con questo nuovo metodo, le misure possono essere effettuate fino a dieci volte più velocemente, poiché è sufficiente una sola misura e non è necessaria un'ulteriore media.

Nuove opzioni di misurazione

Per misurare pezzi grandi e molto piccoli nel più breve tempo possibile, RoboVib^® combina un'analisi modale sperimentale completamente automatizzata con VibroScan QTec Xtra 3D. Il vibrometro a scansione viene montato su un braccio robotico e spostato sull'oggetto, ad esempio la carrozzeria di un veicolo. Questo riduce i tempi di prova, anche per componenti 3D complessi, da giorni o addirittura settimane a poche ore, grazie a misure complete a 360°. Per i pezzi più piccoli, RotoVib automatizza^® analisi modale sperimentale del corpo intero dal 2024. Qui l'oggetto in esame ruota attorno al proprio asse su una piattaforma girevole. Il riposizionamento automatico consente di misurare automaticamente l'oggetto in esame da tutti i lati. Grazie alla facilità di configurazione, gli utenti risparmiano anche tempo prezioso per la misurazione.

Se per alcune applicazioni è necessario effettuare misure attraverso uno strato d'acqua, la lunghezza d'onda del laser deve essere adattata al mezzo acquatico. L'ultimo prodotto di Polytec, VibroScan QTec Neo, è dotato di un laser HeNe nella testa di misura la cui lunghezza d'onda non viene assorbita dall'acqua. Ciò significa che, ad esempio, le analisi del campo sonoro degli idrofoni (microfoni subacquei) o dei componenti delle applicazioni mediche a ultrasuoni possono ora essere eseguite sott'acqua per la calibrazione con la stessa facilità dell'aria. Anche in questo caso, la tecnologia QTec riduce drasticamente il tempo di misura minimizzando le cadute.

Anche le misure in loco, ad esempio da parte di un fornitore di servizi, richiedono dispositivi di misura compatti, facili da trasportare e installare. I moderni sistemi VibroScan per la misura di aree sono in media più piccoli di circa 50% rispetto ai modelli precedenti 1D. Ciò significa che il dispositivo di misura può essere trasportato anche come bagaglio, soprattutto quando si viaggia in aereo. La funzionalità AI è incorporata anche nella misurazione delle vibrazioni grazie al software PSV (Polytec Scanning Vibrometer). Ciò aumenta la facilità d'uso e riduce i tempi di impostazione della misura, ad esempio grazie al riconoscimento automatico degli oggetti e alla sincronizzazione 3D. Questo riduce anche in modo significativo la quantità di formazione necessaria per l'utente.

Fonte e ulteriori informazioni: Polytec