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Dokument erstellt in Zusammenarbeit mit Robert Deimel.

Impulshammer
Vibrometer

Schwingungsanalyse

Florian Rosenauer VEA 1997/98

Inhalt:

1 Impulshammer *

1.1 Allgemeines *

1.2 Kalibrierung *

1.3 Messmittel *

1.4 Messaufbau *

1.4.1 Verbindungsplan *

1.4.2 Aufbauablauf *

1.5 Messungen *

1.5.1 Einstellungen des FFT-Analysators für Signalmessung (HP54520) *

1.5.2 Messablauf *

1.5.3 Speichervorgang *

1.6 FFT-Analyse der Signale *

1.6.1 Einstellungen für die Spektrumanalyse *

1.7 Analyse der erhaltenen Kurve *

2 Vibrometer *

2.1 Allgemeines *

2.2 Sicherheitshinweise *

2.3 Messmittel und Messaufbau *

2.4 Messaufbau *

2.5 Messablauf *

2.6 Messung 1: Stimmgabel *

2.6.1 Zusätzliche Messmittel, Messaufbau *

2.6.2 Auswertung mit dem Oszilloskop (HP 54520) *

2.7 Messung 2: Wasserfalldiagramm eines Motors *

1 Impulshammer

1.1 Allgemeines

Mit dem Verfahren der Schwingungsanalyse können Schwingungen in einem Körper an einem beliebigen Punkt gemessen werden.

Um eine konkrete Aussage über die Schwingungsbelastung in einem schwingenden Element machen zu können, wird dieser Körper mit einem definierten Impuls (Impulshammer) beaufschlagt und die sich daraus ergebenden Schwingung gemessen.

In diesem Fall, bei der Kalibrierung wird ein Massestück mit dem Impulshammer angeregt und die sich ergebenden Schwingungen mit dem Beschleunigungssensor gemessen. In weiterer Folge wird die Kalibrierung mittels dieser Signale durchgeführt.

1.2 Kalibrierung

Obwohl die meisten handelsüblichen Kraftaufnehmer mit einem Kalibrierzeugnis ausgeliefert werden, ist es jedoch dringend anzuraten eine Kalibrierung vor jeder Beweglichkeitsmessung durchzuführen. Dies aus folgenden Gründen:

• Um die Funktionstüchtigkeit des Systems festzustellen
• Um die Richtigkeit der Verstärkungs- und Abschwächungseinstellungen zu überprüfen
• Um zu untersuchen ob das verwendete Aufnehmerpaar im zu untersuchenden Frequenzbereich aufeinander abgestimmt ist.

Die effektivste Methode der Kalibrierung (Verhältniskalibrierung mit einem Block bekannter Masse) wird in den folgenden Kapiteln erläutert.

1.3 Messmittel

• Spektrumanalyser / FFT-Analysator mit Rechenfunktionen (HP 54520)
• Beschleunigungssensor (Brüel & Kjaer 4395)
• Ladungs-Strom-Wandler (Brüel & Kjaer 2646)
• Impulshammer (Brüel & Kjaer 8202) + drei Schlagkalotten
• Kraftsensor für Impulshammer (Brüel & Kjaer 8200)
• Powersupply-Box (Brüel & Kjaer Deltatron Power Supply WB1372) + 3x9V-Blockzellen
• zwei Stück Verbindungskabel UNF auf UNF (für Impulshammer bzw. Beschl.-Sensor, dünn/dick egal)
• zwei Stück Adapter UNF auf BNC
• Koaxialverbindungskabel mit zwei BNC-Steckern
• Masseblock mit 70x50x36,5 (1kg)
• Flexible Aufhängung (Spagat)
• Befestigungsgerüst (Boschprofile + Linsenhalter)
• 3,5"-Floppy-Disk

1.4 Messaufbau

1.4.1 Verbindungsplan

Abbildung 1 Messanordnung

1.4.2 Aufbauablauf

1. Der Spektrumanalyser wird gut erreichbar aufgestellt und sollte mindestens zehn Minuten vor der Messung bereits eingeschaltet werden (Betriebstemperatur).
2. Die flexible Aufhängung wird mit dem Massestück verbunden. Das andere Ende der flexiblen Aufhängung wird am Befestigungsgerüst montiert (Kontrolle der freien Beweglichkeit).
3. Der Beschleunigungssensor wird am Massestück angebracht (magnetisch gekoppelt, geschraubt, ...).
4. Das 1. Verbindungskabel wird am Beschleunigungssensor befestigt.
5. Beschleunigungssensor + 1. Verbindungskabel über den UNF/BNC-Adapter am Channel 1 des FFT-Analysators anschließen.
6. Den Ladungs-Stromwandler am Ende des Stieles des Impulshammers aufschrauben.
7. Vom Ladungs-Stromwandler mit dem 2. Verbindungskabel über den UNF/BNC-Adapter eine Verbindung zur Power-Supply-Box (Input) herstellen.
8. Verbinden der Power-Supply-Box von der "Output"-Buchse zum Channel 2 des FFT-Analysators mit dem Koaxialkabel.
9. Funktionskontrolle der Power-Supply-Box (Schalter auf der Box in die Stellung "Battery" drücken Þ auf der Anzeige muss ein Wert von 28-30V erreicht werden).
10. Schalter der Power-Supply-Box auf "Bias" stellen.

1.5 Messungen

1.5.1 Einstellungen des FFT-Analysators für Signalmessung (HP54520)

Kanal 1

more

Kanal 2

more

Horizontal Setup

Trigger Setup

Display

Wform save

Marker

Math/FFT

Define meas

In Fettdruck erscheinen die zu betätigenden Tasten, in der Tabelle die Menüeinstellungen.

1.5.2 Messablauf

1. Mit dem Impulshammer wird ein kurzer Impuls am Massestück, auf der gegenüberliegenden Seite zum Beschleunigungssensor, aufgebracht. Unter Umständen müssen Zeitbasis und Delay verstellt werden.
2. Die Taste Stop/Single am FFT-Analysator betätigen um die Signalverläufe im RAM zu speichern.
3. Drücken der Taste Show um die Einstellungen des Oszilloskops am Bildschirm sichtbar zu machen.
4. Speichern der Kurvenform auf Diskette

Es ist auf eine korrekte Befestigung der Schlagkalotte am Impulshammer sowie des Beschleunigungssensors am Magnet zu achten!

1.5.3 Speichervorgang

Abbildung 2 Bedienungsablauf zur Speicherung eines Oszilloskopbilds

Abbildung 3 Beispiele von Signalformen des Impulshammers (ein "Berg") und Beschleunigungsaufnehmers (abklingende Schwingung)

Abbildung 4 Beispiele von Signalformen bei schlecht fixierter Schlagkalotte

1.6 FFT-Analyse der Signale

1.6.1 Einstellungen für die Spektrumanalyse

Um für die nachfolgenden Math/FFT Einstellungen einen "freq. span" von 12,5kHz zu erhalten, muss während der Messung die Zeitbasis auf ~2ms/div eingestellt werden:

Abbildung 5 Signalformen für FFT-Analyse

Um das Spektrum des Signals vom Channel 1 zu berechnen werden folgende Einstellungen vorgenommen:

Um das Spektrum des Signals vom Channel 2 zu berechnen werden folgende Einstellungen vorgenommen:

Die Anzeige der Channel 1 und 2 kann durch (u.U. mehrmaliges) Drücken der Tasten 1 und 2 ausgeschaltet werden. Außerdem kann nach der Messung die Zeitbasis wieder kleiner gestellt werden, da der "freq. span" bereits festgelegt ist.

Um die beiden berechneten Signale zu speichern müssen die folgenden Einstellungen durchgeführt werden:

Erste Funktion speichern:

Wform save

Zweite Funktion speichern:

Wform save

Abbildung 6 Spektren des Impulshammers (startet oben, langgezogen) und Beschleunigungsaufnehmers (startet unten, mit "Bergen")

Nun kann in weiterer Folge, das gespeicherte Spektrum des Impulshammers von dem des Beschleunigungssensors subtrahiert werden.

Das jetzt erhaltene Spektrum kann auf die Speicherstelle m3 gesichert werden:

Wform save

Abbildung 7 Ergebnis der Subtraktion (unten)

Abbildung 8 und 9 Spektren des Impulshammers und Beschleunigungsaufnehmers und das Ergebnis der am PC berechneten Subtraktion

1.7 Analyse der erhaltenen Kurve

Die eben erhaltene Kurve, welche sich auf der Speicherstelle m3 befindet stellt das Verhältnis Beschleunigung / Kraft in Abhängigkeit von der Frequenz dar. Wird ein beliebiger Wert von der Kurve mit der folgenden Formel umgerechnet, so ist das Ergebnis der Kalibrierfaktor in Abhängigkeit von der Frequenz.

es gilt: D A ist das Verhältnis von Beschleunigung zu Kraft in dBm

m_Block ist die tatsächliche Masse des verwendeten Masseblocks in kg

Wobei sich die Beziehung für k(f) aus der folgenden Formel ableitet:

2 Vibrometer

2.1 Allgemeines

Mit Hilfe des Polytec Vibrometers kann auf optischer Basis (Mach Zehnder Interferometer) sehr leicht eine Messung der Geschwindigkeit eines beliebigen Objekts durchgeführt werden.

Hierbei ist zu beachten, dass jeweils nur die Vektorkomponente in der Richtung des Laserstrahls gemessen wird.

2.2 Sicherheitshinweise

Bei dem verwendeten Laser handelt es sich um ein Klasse II Gerät. Man darf deshalb nicht direkt in den Strahl oder in die Reflexion des Strahles (z.B. an einem optischen Spiegel) blicken!

2.3 Messmittel und Messaufbau

Die folgenden Messmittel sind für alle Messungen mindestens erforderlich:

• HP 54520 FFT Oszilloskop
• OFV 2601 Polytec Vibrometer Controller ("Decoding Unit")
• OFV 353 Polytec Vibrometer Sensor Head
• Polytec Spezialkabel (Verbindung Sensor Head auf Controller) W1
• BNC auf BNC Kabel (Verbindung Controller auf Oszilloskop) W2
• Netzleitungen

2.4 Messaufbau

Abbildung 10 Verbindungsschema

2.5 Messablauf

1. Alle Geräte im ausgeschalten Zustand lt. obigem Verbindungsschema miteinander verbinden.
2. Oszilloskop und die Controller Unit einschalten.
3. Sensor Head mittels des Drehschalters einschalten.
4. Messung durchführen:

1. Laserstrahl auf das Objekt ausrichten. Mindestabstand ca. 60 cm.
2. Verriegelung für Fokussierring (Metallgriff an der Vorderseite des Sensor Heads) durch herausziehen lösen.
3. Den Fokussierring (großer geriffelter Drehring an der Vorderseite des Sensor Heads) solange drehen, bis der grüne LED-Balken an der Rückseite des Sensor Heads seine größte Höhe erreicht.
   Dies zeigt an, dass ein maximaler Anteil der ausgestrahlten Leistung vom Objekt zurückgeworfen wird. Für eine Messung muss mindestens ein Balken leuchten.
   Aufgrund des Bauprinzips kann es notwendig sein, den Laser um etwa 11 cm zu versetzen, um eine größere Leistungsmenge zurückzubekommen.
4. Verriegelung für Fokussierring durch hineindrücken fixieren.
5. Am Oszilloskop kann nun eine geschwindigkeitsproportionale Spannung abgelesen werden. Die Empfindlichkeit kann zwischen 5, 25 und 125 mm/s pro Volt eingestellt werden (z.B. 1 Volt Spannung bei 25 mm/s/V ® v = 25 mm/s).

Die Aussteuergrenzen betragen ±10V (somit ergeben sich 100, 500 bzw. 2500 mm/s).

Ist die erhaltene Spannung kleiner als 4V_pp, so kann man auf die nächsthöhere Empfindlichkeit umschalten

Werden keine weiteren Messungen mehr durchgeführt, zuerst den Sensor Head und danach erst die Controller Unit ausschalten.

2.6 Messung 1: Stimmgabel

2.6.1 Zusätzliche Messmittel, Messaufbau

Zusätzlich ist als Messobjekt eine Stimmgabel erforderlich.

Abbildung 11 Messaufbau

2.6.2 Auswertung mit dem Oszilloskop (HP 54520)

Einstellungen:

Bemerkung zum Frequenzbereich (freq. span):

Der im FFT Display angezeigte Frequenzbereich geht von 0 bis zur bei "freq. span" eingestellten Frequenz. Diese entspricht der halben Abtastfrequenz (Abtasttheorem!).

Da die Abtastfrequenz an die Zeitbasis gekoppelt ist, muss mit dem Zeitbasisdrehschalter der Frequenzbereich verstellt werden!

Bemerkungen zum Fenster (window)

Gewichtungsfunktionen (Fensterfunktionen) sind nur dann notwenig, wenn nur wenige Perioden eines Signals abgetastet wurden. Dies ist hier jedoch nicht der Fall.

Sind diese Einstellungen getroffen, wird die Stimmgabel angeregt und das Signal aufgenommen. Mit STOP kann das Oszilloskop angehalten werden.

Nachdem die Messung durchgeführt und das Signal abgetastet wurde, ist als Folge der "freq. span" fixiert. In Abbildung 13 wurde dies ausgenutzt, um bei unveränderter FFT-Anzeige das Signal zeitmäßig "zusammenzustauchen".

Abbildung 12 Stimmgabel, mit aktivierten Markern

Die Ablesung der Spitzen erfolgt mit den Markern aus dem Math/FFT Menü

Zuerst wird der "Search Level" festgelegt: Das Oszilloskop ignoriert alle Spitzen unter diesem Level.

Danach kann man die Spitzen oberhalb des "Search Levels" der Reihe nach durchgehen, oben wurden die peaks #1 und #2 gewählt. Im unteren Bereich kann man die Grundfrequenz von 437,5 Hz (abgestimmt sollte es a' = 440Hz sein) sowie eine Oberwelle bei 1,18 kHz erkennen.

Abbildung 13 Stimmgabel
Als Window wurde (statt "rectangular") "Hanning" gewählt. Die Zeitbasis für das Signal wurde stark verringert, sodass das Abklingen der Gabel erkennbar ist.

Bei dieser Messung wurden Wellenanteile, die über der halben Abtastfrequenz liegen, nicht durch ein Tiefpassfilter ausgefiltert – somit wird eigentlich das Abtasttheorem verletzt! Da nur die weit darunter liegenden Anteile ausgewertet wurden, kann dies vernachlässigt werden.

Bei der folgenden Messung könnte es sein, dass dies nicht mehr in diesem Umfang zutrifft. Bei den Messungen wurde dies jedoch – fälschlicherweise – nicht berücksichtigt.

2.7 Messung 2: Wasserfalldiagramm eines Motors

Hierzu wurden die Schwingungen am Flansch eines Motors gemessen. Die Messung selbst ist nur bedingt praktisch auswertbar, es soll vor allem die Aufnahme eines Wasserfalldiagramms gezeigt werden.

Hierzu wurde der Motor mit Spannungen von 2 Volt bis 10V betrieben. Die Spannung wurde in 1V-Schritten erhöht. Bei jedem Schritt wurde das Signal auf Diskette gespeichert und eine FFT-Analyse durchgeführt. Danach wurde das Ergebnis graphisch dargestellt:

Abbildung 14 Wasserfalldiagramm, vergrößerter Bereich am Anfang

Kommentare:

Am 29.1.2001 habe ich von einem polytec.de-Mitarbeiter folgende Mail erhalten:

Sehr geehrter Herr Rosenauer,
interessanter Weise ist mir die in Ihrer Veröffentlichung vom 25.07.98 im Internet aufgefallen, daß der angegebene Mindestarbeitsabstand von 60cm nicht korrekt ist. Unsere Systeme haben je nach eingesetzter Linse einen Mindestabstand von 450mm, 175mm, oder 65mm.

Danke für den Hinweis!

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Letztes Update vom 14.Okt.2001 von Florian Rosenauer