Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Heidelberg, Univ., Diss., 2007.

System zur berührungslosen Drahtvorschubgeschwindigkeitsmessung mittels CCD-Kameramodul. Die Auswertung der Daten wird mittels Wavelet-Algorithmen durchgeführt.

Faserverstärkte Kunststoffe (FVK) eignen sich durch ihre Leichtbaueigenschaften hervorragend für den Einsatz in schnell drehenden Strukturen, wie elektrischen Maschinen, Turbomaschinen oder Schwungrad-Energiespeichern. Zur Entwicklung solcher Rotoren sind numerische Modelle zur Versagensprädiktion nötig, die durch ortsaufgelöste In-Situ-Messungen während der Rotation validiert und kalibriert werden müssen. Hierbei ist das rotationslastabhängige Deformations-, Schädigungs- und Modalverhalten von besonderem Interesse. Mit lokalen elektrischen Sensoren, wie Dehnungsmessstreifen, ist keine Vollfeldmessung möglich. Mit optischen Nahfeldmethoden, wie der digitalen Bildkorrelation, kann die nötige Robustheit gegenüber hohen Oberflächengeschwindigkeiten und Out-of-Plane-Bewegungen nicht erreicht werden. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass durch Auswertung des Fernfeldes optischer Beugungsgitter die orts- und zeitaufgelöste Messung von Deformationsfeldern mit hoher Robustheit gegenüber der Oberflächengeschwindigkeit möglich ist. Es konnte erstmals das drehzahlabhängige Dehnungsfeld mit Messunsicherheiten zwischen 100 und 300 μm/m und Ortsauflösungen unter einem Quadratmillimeter bei Oberflächengeschwindigkeiten über 250 m/s gemessen werden. Hierdurch konnte die Messung der Propagation von Zwischenfaserbrüchen auf einem FVK-Rotor orts- und drehzahlaufgelöst demonstriert werden. Weiterhin konnten mit den Beugungsgittersensoren die drehzahlabhängigen Frequenzgänge und Eigenformen im Rahmen einer experimentellen Modalanalyse erfasst werden. Somit werden erstmals In-Situ-Messungen des Einflusses von graduell mit der Rotationslast fortschreitenden Schädigungen auf das Modalverhalten von rotierenden FVK-Strukturen mit einem einzelnen kompakten Sensorsystem möglich.:Kurzfassung/Abstract I Danksagung IV Inhaltsverzeichnis VII Abbildungsverzeichnis XI Tabellenverzeichnis XV Acronyme XV Symbole XVII 1. Einleitung 1 1.1. Motivation und Zielstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Stand der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3. Ansatz und Struktur der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4. Spezifizierung der Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.5. Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. Prinzip der Deformationsmessung mit dem Beugungsgittersensor (BGS) 11 2.1. Zweidimensionales Messmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2. Ortsauflösung vs. Dehnungsauflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3. Vorteile der fernfeldbasierten Deformationsmessung an schnell rotierenden Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.4. Dreidimensionales Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.5. Unsicherheit durch Nutzung des zweidimensionalen Messmodells . . . . 22 2.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 VII 3. Kompakter Zeilensensoraufbau zur Messung an schnell rotierenden Strukturen 27 3.1. Aufbau und Signalverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Messung der In-Plane-Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.3.1. Systematische Unsicherheiten durch Starrkörperbewegungen . . 32 3.3.2. Wellenlängendrift und zufällige Messunsicherheit . . . . . . . . . 39 3.3.3. Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4. Validierung und Charakterisierung im quasistatischen Zugversuch . . . 42 3.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung im quasistatischen Zugversuch 49 4.1. Versuchsaufbau und Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2. Statistischer Vergleich der BGS- und DIC-Ergebnisse . . . . . . . . . . 52 4.3. Detektion und Lokalisation von Schädigungen . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 5. Ortsaufgelöste Deformations- und Schädigungsmessung an einer rotierenden GFK-Struktur 59 5.1. Aufbau und Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.2. Messung der radialen Verschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3. Messung der Oberflächenneigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.4. Messung der Oberflächendehnung und der Schadenspropagation . . . . 67 5.4.1. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.4.2. Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.4.3. Dehnungsfeld und Schädigungslokalisation . . . . . . . . . . . . 71 5.5. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6. Experimentelle Modalanalyse an einer rotierenden GFK-Struktur 79 6.1. Messung des Frequenzgangs an rotierenden Strukturen . . . . . . . . . 80 6.2. Versuchsaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6.3. Experimentelle Validierung und Vergleich der Auswertemethoden . . . 86 VIII 6.4. Messunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.5. Frequenzgänge und Eigenformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.6. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 7. Zusammenfassung und Ausblick 95 A. Messunsicherheitsbetrachtungen zu digitaler Bildkorrelation (DIC) 99 A.1. Makroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 A.2. Mikroskopischer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 A.3. Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 B. Anhang zu Kapitel 2 105 B.1. Vereinfachtes 2D-Messmodell durch Reihenentwicklung . . . . . . . . . 105 B.2. Anhang zu Abschnitt 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 C. Anhang zu Kapitel 3 109 C.1. Ausrichtung des Beleuchtungsstrahls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 C.2. Schätzung der systematischen Messunsicherheit bei der Validierungsmessung der BGS-Ausleseeinheit im quasistatischen Zugversuch . . . . 109 C.3. Anhang zur Gesamtunsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 C.4. BGS-Ausleseeinheit mit Matrixkamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 D. Anhang zu Kapitel 4 121 Literaturverzeichnis 125 Lebenslauf 141 Betreute studentische Arbeiten 144 Publikationen 146

Im Bericht werden die Ergebnisse des DFG-Forschungsprojektes unter den DFG-Geschäftszeichen MA1391/17-3 und NE615/1-1 ergänzend zum Abschlussbericht des Projektes ausführlich dargestellt. Inhalt der Forschung war die Weiterentwicklung eines optischen Messverfahrens zur Bestimmung der Drahtvorschubgeschwindigkeit beim MSG-Schweißen mit Integration eines PI-Reglers zur Steuerung der Drahtvorschubeinrichtung. Die in dem Vorgängerprojekt (DFG-Gz. MA1391/17-1) entwickelten schnellen Wavelet-Algorithmen, die eine Auswertung der Videoaufzeichnung in Echtzeit erlauben, wurden weiterentwickelt. Es erfolgte eine große Zahl von Versuchen mit Drähten aus vier Werkstoffgruppen (Aluminium, Kupfer, Stahl und Nickel), unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Formen der Störung des Drahtlaufes. Simuliert wurden weiterhin unterschiedlichen Formen der Verschmutzungen des Videosignals. Die Einsatzfähigkeit und Robustheit des Mess- und Regelalgorithmus unter diesen industrienahen Bedingungen konnte nachgewiesen werden. / In this report the results of the DFG project MA1391/17-3 and NE615/1-1 are summarized and explained in details. The research topic is the further development of an optical method of measuring the speed of welding wire feed for MIG welding. A common PI-Controller was used for regulating the wire feed speed. The fast wavelet algorithms developed in the preceding DFG-Project MA1391/17-1, which allow the analysis of the video camera signal in the real time, have been perfected. The report includes the description and summary of a lot of practical tests with different wire materials (aluminium, steel, cupper and nickel), different feed speeds and different kinds of free wire run perturbations. Several filters simulating the lens pollutions have been tested. The applicability and robustness of measuring and controlling under near to industry conditions have been proved.

Für technische Zerstäubungsprozesse wird häufig eine Flüssigkeitsmenge durch die kinetische Energie eines Hochgeschwindigkeitsgases in einem Luftstromzerstäuber in Einzeltropfen dispergiert. In einem Prefilming-Luftstromzerstäuber befindet sich die zu zerstäubende Flüssigkeit zuerst auf einer Oberfläche (Prefilming-Oberfläche) um einen dünnen Flüssigkeitsfilm zu bilden, bevor sie einem Hochgeschwindigkeitsluftstrom ausgesetzt wird. Das erste Ziel dieser Untersuchungen ist, den Zerstäubungsmechanismus der Prefilming-Zerstäuber zu verstehen und den Effekt variierender Parameter des Sprühsystems beim Zerfallsmechanismus zu ermitteln. Zerfallsregime in der Nähe des Zerstäuberauslasses wurden mittels Schattenverfahren und begleitend durch Partikelverfolgung bestimmt. Im nächsten Schritt wird die Sprühleistung des Prefilming-Luftstromzerstäubers in einer Reihe von Testbedingungen charakterisiert. Die Sprühcharakterisierung wurde mittels Phasen-Doppler-Anemometrie (PDA) durchgeführt um den Einfluss verschiedener Parameter auf die lokale Tropfengröße und Geschwindigkeit im Spray zu untersuchen. Zuletzt werden Zukunftsansätze zu Entwicklung und Design eines Prefilming-Luftstromzerstäubers aufgezeigt. Um einen einzigartigen funktionellen Zusammenhang der experimentellen Daten zu entwickeln, wurde eine Dimensionsanalyse durchgeführt. Darauffolgend zeigt der Einfluss von zwei dimensionslosen Kennzahlen unterschiedliche Sensitivitäten in Abhängigkeit vom Druckbereich und es wurde durch Anpassen der Daten eine geeigneten Korrelationsfunktion hergeteiltet. / A bulk of liquid dispersed into single droplets using the kinetic energy of a high-velocity gas in an air-blast atomizer is frequently employed in technical atomization processes. In a prefilming air-blast atomizer, the atomizing liquid is primary situated on a surface (prefilming surface) to form a thin liquid film before exposing to a high-velocity air flow. The first purpose of this study is to understand atomization mechanisms close to prefilming atomizers and to determine the effect of spray system parameter variations on breakup mechanisms. Breakup regimes in the vicinity of the atomizer exit were determined using the shadowgraphy technique associated with particle tracking. In a next step, the spray performance of prefilming air-blast atomizers are characterized in a wide range of test conditions. For the spray characterization, a phase Doppler anemometry (PDA) was utilized to investigate the influence of variable parameters on the local droplet size and velocity in a spray. Finally, prediction approaches are determined for the development and design of a prefilming air-blast atomizer. In order to develop a unique functional relationship from experimental data, a dimensional analysis has been performed. Subsequently, the influence of two main nondimensional numbers shows different sensitivities depending on the pressure range and was quantified by fitting the data to appropriate correlation functions.

Manufacturing of precise structures in MEMS, semiconductors, optics and other fields requires high standards in manufacturing and quality control. Appropriate surface topography measurement technologies should therefore deliver nm accuracy in the axial dimension under typical industrial conditions. This work shows the characterization of a dispersion-encoded low-coherence interferometer for the purpose of fast and robust surface topography measurements. The key component of the interferometer is an element with known dispersion. This dispersive element delivers a controlled phase variation in relation to the surface height variation which can be detected in the spectral domain. A laboratory setup equipped with a broadband light source (200 - 1100 nm) was established. Experiments have been carried out on a silicon-based standard with height steps of 100 nm under different thermal conditions such as 293.15 K and 303.15 K. Additionally, the stability of the setup was studied over periods of 5 hours (with constant temperature) and 15 hours (with linear increasing temperature). The analyzed data showed that a height measurement of 97.99 ± 4:9nm for 293.15 K and of 101.43 ± 3:3nm for 303.15 K was possible. The time-resolved measurements revealed that the developed setup is highly stable against small thermal uctuations and shows a linear behaviour under increasing thermal load. Calibration data for the mathmatical corrections under different thermal conditions was obtained.

This work introduces a modified low-coherence interferometry approach for nanometer surface-profilometry. The key component of the interferometer is an element with known dispersion which defines the measurement range as well as the resolution. This dispersive element delivers a controlled phase variation which can be detected in the spectral domain and used to reconstruct height differences on a sample. In the chosen setup, both axial resolution and measurement range are tunable by the choice of the dispersive element. The basic working principle was demonstrated by a laboratory setup equipped with a supercontinuum light source (Δλ = 400 ̶ 1700 nm). Initial experiments were carried out to characterize steps of 101 nm on a silicon height standard. The results showed that the system delivers an accuracy of about 11.8 nm. These measurements also served as a calibration for the second set of measurements. The second experiment consisted of the measurement of the bevel of a silicon wafer. The modified low-coherence interferometer could be utilized to reproduce the slope on the edge within the previously estimated accuracy. The main advantage of the proposed measurement approach is the possibility to collect data without the need for mechanically moving parts.

Within this work a scan-free, low-coherence interferometry approach for surface profilometry with nm-precision is presented. The basic setup consist of a Michelson-type interferometer which is powered by a supercontinuum light-source (Δλ = 400 - 1700 nm). The introduction of an element with known dispersion delivers a controlled phase variation which can be detected in the spectral domain and used to reconstruct height differences on a sample. In order to enable scan-free measurements, the interference signal is spectrally decomposed with a grating and imaged onto a two-dimensional detector. One dimension of this detector records spectral, and therefore height information, while the other dimension stores the spatial position of the corresponding height values. In experiments on a height standard, it could be shown that the setup is capable of recording multiple height steps of 101 nm over a range of 500 µm with an accuracy of about 11.5 nm. Further experiments on conductive paths of a micro-electro-mechanical systems (MEMS) pressure sensor demonstrated that the approach is also suitable to precisely characterize nanometer-sized structures on production-relevant components. The main advantage of the proposed measurement approach is the possibility to collect precise height information over a line on a surface without the need for scanning. This feature makes it interesting for a production-accompanying metrology.

Zur vollständigen Beschreibung eines monochromatischen Wellenfeldes ist die Kenntnis über die Amplituden- und Phasenverteilung unabdingbar. Während sich die messtechnische Erfassung der Amplitudenverteilung durch lichtempfindliche Sensoren recht einfach realisieren lässt, gestaltet sich die Bestimmung der Phasenverteilung weitaus schwieriger. Die Phasenverteilung eines optischen Wellenfeldes kann nur über indirekte Verfahren gewonnen werden. Es ergibt sich ein sogenanntes phase retrieval Problem. Zur Lösung dieses Problems bieten sich verschiedene Verfahren aus dem Bereich der berührungslosen und zerstörungsfreien optische Messtechnik an. In dieser Arbeit wird ein deterministisches Verfahren zur Phasenrekonstruktion mit Hilfe Greenscher Funktionen vorgestellt. Die erste Greensche Identität dient als Grundlage zur Entwicklung einer Gleichung, welche in der Lage ist, bei der Rekonstruktion einer Phasenverteilung spezifische Randbedingungen zu berücksichtigen. Dies ermöglicht unter anderem eine genaue Charakterisierung von Phasenobjekten bzw. ihren optischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Brechzahlverteilung. Das vorgestellte Verfahren zur Phasenrekonstruktion basiert einerseits auf schnellen Algorithmen, welche die Leistung von parallelen Prozessoren ausnutzen und andererseits auf geschickten experimentellen Aufbauten, mit welchen die notwendigen Eingangsdaten zur Lösung der Gleichung simultan gewonnen werden können. Es ergibt sich damit die Möglichkeit, die Amplituden- und Phasenverteilung eines Wellenfeldes in Echtzeit zu bestimmen und daraus folgend ein Mittel zur quantitativen Bewertungen und Analyse von dynamischen Prozessen sowohl in der Industrie als auch im Bereich der Life Sciences. / In order to describe a monochromatic wave field entirely, knowledge about the amplitude and phase distribution is elementary. While it is easy to measure the amplitude distribution of an optical wave field by the use of photosensitive detectors, the determination of the phase distribution is by far more difficult. Due to the fact, that the phase distribution can not be measured directly, a problem of phase retrieval is presented. This problem may be solved by applying a non-contacting and non-destructive optical metrology technique. In this thesis a deterministic method for phase retrieval based on Green''s functions will be introduced. Green''s first identity serves as a starting point to derive an equation for phase retrieval considering different boundary conditions. Among others, this allows an exact characterization of phase objects, or their optical properties, as for example the refractive index distribution. On the one hand, the presented phase retrieval technique is based on fast algorithms which take advantage of the performance of parallel processors. On the other hand, skilful experimental setups allow the simultaneous acquisition of the input data, which are necessary to solve the phase retrieval equation. It follows that the presented technique is able to determine the amplitude and phase distribution of a wave field in real-time. Hence this technique enables the quantitative evaluation and analysis of dynamic processes in industry as well as in the area of life sciences.