Die zeitsequentielle Speckle Pattern Interferometrie TSPI die auf der punktweisen Änderung der optischen Weglänge basiert kann auch zur Messung von Schwingungen herangezogen werden. Für eine sinusförmige mechanische Schwingungen ergibt sich ein frequenzmodulierter Intensitätsverlauf für das Interferenzsignal.
Im Experimenten konnten wir mit einem faseroptischen Punktsensor bereits sehr gute Ergebnisse erzielen. Mit einer 40MHz A/D Wandlerkarte und einem Bidirektionalmodul (λ = 1550nm) kommt man in eine technisch interessanten Bereich von einigen kHz mit Amplituden im 100µm Bereich.

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TSPI Prinzip

Die TSPI ist eine Weiterentwicklung der Digitalen Speckle Pattern Interferometrie (DSPI). Sie stellt ein neuartiges optisches Messverfahren dar, mit dem sowohl Deformationen als auch Topographien von technischen Objekten gemessen werden können. Grundlage des Verfahrens ist die Phasenänderung innerhalb von Speckle während der Bewegung des Objektes. Es werden dabei aber nicht wie bisher nur eine Aufnahme vor und eine nach der Deformation gemacht, sondern eine ganze Sequenz von Interferogrammen während der Deformation aufgenommen. Die Messpunkte werden anschliessend einzeln ausgewertet, so dass keine räumlichen Nachbarschaftsbeziehungen herangezogen werden müssen. Dies ermöglicht es auch Objekte mit Unstetigkeiten und Löchern zu vermessen.

Innovation : TSPI Schwingungsmessung

    

Abbildung 2: Eingesetztes faseroptisches Bidirektionalmodul mit Laserdiode und Photodetektor.

Eine Laserdiode und eine Photodiode sind über einen Strahlteiler an eine Singelmodeglasfaser angeschlossen. Die Wellenlänge liegt bei 1550nm. Das Funktionsprinzip (Abbildung 2b) ist das eines Fizeauinterferometers. Die Referenz kommt dabei von der Reflexion am Faserende. Diese überlagert sich mit dem vom Objekt kommenden Specklemuster. Um vom Messsignal auf die Auslenkung oder deren Geschwindigkeit zu gelangen, können Frequenz- oder Phasendemodulationsverfahren eingesetzt werden. Im folgenden haben wir die Frequenzauswertung [5,7] eingesetzt.

Anwendungsperspektiven

Mit diesem faseroptischen out-of-plane TSPI Sensor hat man einen einfachen, kostengünstigen und kleinen Schwingungssensor, der darüber hinaus robust und kompakt ist und auch bei hohen Frequenzen eingesetzt werden kann. Der gesamte erforderliche optische Aufbau ist hier in einem Modul integriert. Der Sensor eignet sich deshalb auch hervorragend für die portable Interferometrie. Gemessen werden kann auf rauen Oberflächen die genügend Licht reflektieren. Man kann den Sensor also zum Beispiel zur Schwingungsanalyse im Maschinen- und Fahrzeugbau einsetzten.

Ergebnisse

Gemessen wurde die Schwingung einer Lautsprechermembran. Um genügend Licht von der Oberfläche in die Faser zurück zu bekommen wurde eine Retroreflektorfolie auf die Lautsprechermembran geklebt. Ausserdem war bei den Messungen der Abstand vom Faserende zur Oberfläche < 2 mm. Die Laserdiode wurde stromstabilisiert bei 31 mA betrieben. Am Ende der Faser wurde eine Leistung von 22 mW gemessen.

a) Detektorsignal der Messung

b) Ergebnis der Messung mit Vergleichsmessung mit einem hochgenauen Laservibrometer

Abbildung 3

Abbildung 3a zeigt das Interferenzsignal, das mit einer AD-Wandlerkarte bei einer Abtastrate von 200 kHz gemessen wurde. Die grössten Momentanfrequenzen waren dabei noch mit ca. 8 Messpunkten pro Periode abgetastet. Nach der Auswertung ergab sich die rote Kurve in Abbildung 3b. Die blaue Kurve in Abbildung 3b ist das Ergebnis einer Vergleichsmessung mit einem Präzisionslaservibrometer, die parallel zur Messung mit dem Bi-Direktional Modul durchgeführt wurde.
Da bei der Messung keine Trägersignal, z.B. aufmoduliert durch einen AOM, vorhanden war, kann das Vorzeichen der Bewegungsrichtung durch die Messung nicht rekonstruiert werden. Dennoch stimmen Schwingungsform und Amplitude sehr gut überein. Selbst die Oberschwingungen des Lautsprechers sind bei der Messung gut zu erkennen.

Performance

Oberfläche: reflektierende glatte bis raue Oberflächen
Schwingungsamplitude: einige 10µm
Schwingungsfrequenz: einige kHz
Arbeitsabstand: < 2mm

Referenzen

[1] Joenathan C., “Speckle Photography, Shearography and ESPI”, in Rastogi, P. K. (Ed.), “Optical Measurement Techniques and Applications”, Artech House, London (1997)

[2] Joenathan C., Franze B., Haible P., Tiziani H. J.; “Speckle interferometry with temporal phase evaluation for measuring large-object deformation” Appl. Opt. 37, 2608-2614, 1998

[3] Floureux T., “Improvement of electronic speckle finges by adding of incremental images”, Optics & Laser Technology Vol25, No 4, pp255-258, 1993

[4] Tiziani H. J., “Progress in temporal speckle modulation”, Optik 112, No 9, 370-380, 2001

[5] Takeda M., Ina H., Kobayashi S., “Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry”, J. Opt. Soc. Am., Vol. 72, No. 1, 156-160, 1982

[6] Franze B., “Formmessung basierend auf Interferometrie mit durchstimmbaren Laserdioden”, Dissertation, in Berichte aus dem Institut für Technische Optik, 36, Stuttgart, 1998

[7] Kauffmann J., Tiziani H.J., “Temporal Speckle Pattern Interferometry for Vibration Measurement”, SPIE Proc. Vibration Measurements by Laser Techniques: Advances and Applications, Vol. 4827-19, 133-136, 2002

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