Testing equipment based on the propagation of elastic waves are commonly used for measuring specific material properties. As a prerequisite for accurate measurements a reliable acoustic coupling of probe and specimen is highly important. Therefore, high-resolution testing equipment is using fluids as couplant. In certain conditions, only non-contacting methods can be considered. This is the case for example, if particular high or low temperatures are present, if topographic features impede the use of ultrasonic probes, diffusion or solubility processes exist, measurements at vacuum are addressed and if high purity requirements need to be fulfilled. Hence, subject of this work is a method which offers to handle these constraints. With the emergence of modern laser systems the scientific basics for a non-contacting, laser-acoustic excitation of ultrasound were discovered. The tremendous development of commercially available laser systems during the last decade was taken as reason to investigate, to which extent former scientifically designed laboratory setups can now be merged into one single application oriented measuring system. All considerations are based on the thermoelastic excitation of ultrasound in combination with a likewise laser-based detection. By this, a self-contained measuring chain is built which combines the attributes non-destructive, non-contacting and application oriented within one ultrasonic measurement system for the first time. Thermal calculations lead to more precise equations which predict a laser-induced, local temperature rise of about 100 K. The examination of sound field simulations, as a prerequisite for the design of ultrasonic systems, identified an additional complex of problems. Although existing calculation approaches presuppose laser intensity profiles what can be described in analytical terms, real-world laser sources exhibit a complex shaped spatial distribution of laser energy. Based on a preceding CEFIT simulation, the developed CPSS method enables the calculation of the time resolved, 3D wave propagation of arbitrary shaped sources. A comparison to measured data successfully validated the results of simulation. By presenting selected scenario of measurements, the practical suitability of this non-contacting method is demonstrated. Using a transmission setup enables the characterization of open-pore ceramic coatings as well as the deduction of longitudinal and transversal speeds of sound. Equally, the imaging and estimation of the depth position of artificial defects with 0.7 mm in diameter is shown. Measurements based on a reflection setup provided evidence of a resolution limit of at least FBH = 1 mm in 4.5 mm depth. Additional examples demonstrate the ability to detect close-surface defects, the analysis of the challenging lamb waves zero-group-velocity S1 mode as well as the utilization of buried laser-acoustic sources. / Prüfsysteme, welche die Ausbreitungseigenschaften elastischer Wellen zur Ableitung spezifischer Messgrößen nutzen, sind etablierte Messverfahren. Voraussetzung für zuverlässige Ergebnisse ist stets die sichere akustische Kopplung zwischen Sensor und Material. Daher arbeiten hochauflösende Prüfsysteme mit Fluiden als Koppelmedium. Unter bestimmten Bedingungen scheiden kontaktierende Ultraschallsysteme allerdings ersatzlos aus. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Probe eine besonders niedrige oder hohe Temperatur besitzt, topografische Eigenschaften ein sicheres Ankoppeln der Kontaktprüfköpfe erschweren, Diffusionsvorgänge oder Löslichkeiten zu beachten sind, in Vakuum zu arbeiten ist oder erhöhte Reinheitsanforderungen vorliegen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist eine Technik welche hilft, diese Einschränkungen zu umgehen. Mit dem Aufkommen der ersten Laserquellen entstanden die wissenschaftlichen Grundlagen zur kontaktlosen Anregung und Detektion von Ultraschall. Die rasante Entwicklung kommerziell verfügbarer Lasersysteme der vergangenen Dekade wurde zum Anlass genommen zu untersuchen, in wie weit sich die einst wissenschaftlich orientierte Laboraufbauten zu einem anwendungsnahen Messsystem zusammenführen lassen. Basis der Arbeiten ist die thermoelastische Anregung von Ultraschall in Kombination mit einer ebenfalls kontaktlosen Detektion. Damit entsteht eine geschlossene Messkette welche erstmals die Eigenschaften zerstörungsfrei, kontaktlos und anwendungsorientiert in einem Ultraschallmesssystem vereint. Ausgangspunkt stellt die thermische Simulation der Anregung dar. Mit Hilfe präzisierter Gleichungen wird eine lokale Erwärmung von lediglich 100 K vorausgesagt. Für die zur Auslegung eines akustischen Messsystems notwendige Schallfeldsimulation wurde eine weitere Problematik identifiziert. Während bekannte Rechenansätze stets analytisch beschreibbare Strahlprofile des Lasers voraussetzen, zeigen reale Laserquellen kompliziert gestaltete räumliche Intensitätsverteilungen. Auf Basis einer vorangestellten CEFIT-Simulation ist mit der entwickelten CPSS-Methode eine zeitdiskrete Berechnung der 3D-Wellenausbreitung beliebiger Quellgeometrien möglich. Vergleiche mit realen Messdaten bestätigen die Simulationsrechnungen. Anhand ausgewählter Messszenarien wird die Praxistauglichkeit der kontaktlosen Arbeitsweise demonstriert. Neben der Charakterisierung einer offenporigen keramischen Beschichtung erlauben Transmissionsmessungen die Berechnung der longitudinalen und transversalen Schallgeschwindigkeiten. Ebenso ist die Abbildung wie auch die Beurteilung der Tiefenlage von Referenzfehlern mit lediglich 0,7 mm Durchmesser möglich. In Reflexionsmessungen wurde eine Auflösungsgrenze von mindestens KSR = 1 mm in 4,5 mm Tiefe nachgewiesen. Weitere Beispiele zeigen die Sensitivität hinsichtlich oberflächennaher Fehler, die Auswertung der anspruchsvollen „Zero Group Velocity“ S1-Mode der Lambwelle wie auch die Nutzung eingebetteter Quellen.

Die Ansteuerung von Ultraschall-Phased-Arrays basiert auf zwei Vereinfachungen. Zum einen wird davon ausgegangen, dass das Schwingungsverhalten aller Einzelelemente synchron und gleichmäßig ist. Zum anderen erfolgt die Berechnung der Ansteuerungszeiten, den sogenannten Focal Laws, auf dem Ansatz der geometrischen Akustik. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit ausführlich analysiert und neue Vorschläge für eine optimale Ansteuerung ausgearbeitet und simulativ sowie messtechnisch bewertet. Das individuelle Schwingungsverhalten der Einzelelemente von Phased Arrays liegt in einer Vielzahl von Toleranzen der Einzelkomponenten und der Fertigungsschritte begründet. Für die quantitative Bewertung kann die mechanische Auslenkung mittels Laser-Doppler-Vibrometrie lokal erfasst und evaluiert werden. Die Kompensation individueller Latenzzeiten im Ansprechverhalten führt dann unmittelbar zu einem höheren Summensignal im anvisierten Fokuspunkt. Um den Einfluss der tatsächlichen Aperturgeometrie von Einzelelementen auf die Qualität des Summensignals des Phased Arrays zu untersuchen, wurde außerdem eine Simulationsumgebung (4D-CEFIT-PSS) entwickelt. Damit ist die Wellenausbreitung unter Berücksichtigung aller wellenphysikalischer Effekte im Halbraum möglich. Somit wurden verschiedene Aperturmodelle erstellt und sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich analysiert. Die wellenphysikalische Simulation ermöglicht die Berechnung modifizierter Focal Laws, die immer zu einer Verbesserung des Summensignals im Vergleich zum Ansatz mit geometrischer Akustik führen. / Ultrasonic linear phased array probes consist of several single elements. By exciting each element at a certain time wave fronts can be tilted, focused or both combined. This is accomplished by a set of delays which is called "focal law". Hence, the shape and the quality of the resulting wave front depends significantly on focal law calculation. This state-of-the-art method is based on two simplifications: firstly on the assumption that each single element has identical vibration behaviour, and secondly on the simple geometrical approximation of the signal propagation time. In this work both aspects will be investigate in detail. For characterization of the individual vibration behaviour the most important transducer parts and theirs acoustical properties will be presented. The theoretical view on the inner structure is completed by two measuring methods: scanning acoustic microscopy as well as computed tomography. Furthermore, the effective mechanical displacement of the transducer interface will be analyzed by Laser Doppler vibrometry. Hence, the individual vibration behaviour of the single elements can be compensated which yields an optimized superposition. To investigate the second assumption the 4D-CEFIT-PSS simulation environment has been developed. The combination of CEFIT (cylindric elasto dynamic finite integration technique) and PSS (point source synthesis) considers all effects of wave physics. A comprehensive parametric study shows the effects of geometrical aperture size concerning resulting signals in decided focal points. The differences of wave propagation in the time and frequency domain will be pointed out. Concluding, focal laws were calculated with the geometrical and the simulation based approach. The resulting wave propagation is simulated for selected focal points. The results were compared both ways, qualitatively and quantitatively. Hereby the difference between both methods was distinguishable. The outcome is a method for modified focal law calculation. Both, the consideration of the individual vibration characteristics and the application of the new focal laws result in higher signal-to-noise ratios for linear phased arrays.

In der medizinischen Diagnostik, Bioverfahrenstechnik und Umwelttechnik besteht ein steigender Bedarf an kompakten Analysegeräten für die schnelle Vor-Ort-Detektion spezifischer biochemischer Substanzen. Im Rahmen der Arbeit wurde daher ein neuartiger faseroptischer Sensor entwickelt, der in der Lage ist kleinste Brechzahländerungen, z.B. durch molekulare Bindungsprozesse, zu detektieren. Die hohe Empfindlichkeit an der vergoldeten Spitze der Sensorfaser beruht auf der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) einer einzelnen Mantelmode, die durch ein langperiodisches Fasergitter (LPG) ermöglicht wird. Die Übertragungsfunktion des Sensors wurde unter Verwendung eines Schichtwellenleitermodells schnell und präzise modelliert. Es konnte gezeigt werden, dass in einem wässrigen Umgebungsmedium die höchste Empfindlichkeit im Spektralbereich um 660 nm unter Annahme einer rund 35~nm dicken und 2~mm langen Goldbeschichtung erreicht wird. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass mit einer intermediale Schicht aus Cadmiumsulfid die SPR der Mantelmode in einen höheren Spektralbereich verschoben und damit die Empfindlichkeit deutlich verbessert werden kann. Um eine geringe Polarisationsabhängigkeit des Sensors sicherzustellen, wurde ein nasschemisches Abscheidungsverfahren für die allseitige Goldbeschichtung der Sensorfaser entwickelt. Die spezifischen optischen Eigenschaften dieser Abscheidungen wurden mit Hilfe von LPGs untersucht, die durch eine spezielle UV-Belichtung hergestellt wurden. Die Experimente ergaben, dass die komplexe Permittivität nasschemischer Abscheidungen mit Schichtdicken oberhalb von 50~nm mit aufgedampften Goldschichten vergleichbar ist. Die Verluste der adressierten Mantelmoden wurden mit einer äquivalenten Sensoranordnung aus zwei identischen LPG untersucht. Dabei konnte ein Skalierfaktor abgeleitet werden, der die effiziente Berechnung der Mantelmodendämpfung erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass die Brechzahlauflösung etablierter volumenoptischer SPR-Sensoren mit einer einfachen Transmissionsmessung an einer geeigneten Wellenlänge erreicht werden kann. Die äußerst kompakte Sensorfläche des faseroptischen Sensors ermöglicht darüber hinaus die Untersuchung deutlich kleinerer Probenvolumina ohne ein zusätzliches mikrofluidisches System zu benötigen. Es wurde gezeigt, dass sekundäre Brechzahländerungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder unspezifische Ablagerungen durch eine differentielle Auswertung zweier identischer Sensoren kompensiert werden können. Die verbleibende Querempfindlichkeit wird durch die Polarisationsabhängigkeit der Sensoren bestimmt. Die geringste Querempfindlichkeit konnte daher mit einer homogenen nasschemischen abgeschiedenen Sensorfläche nachgewiesen werden. / Compact analysis devices which facilitate the rapid detection of specific biochemical substances are in increasing demand in the fields of point-of-care medical diagnostics, bioprocess engineering and environmental engineering. The aim of this work was therefore to design a novel fiber-optic sensor able to detect small refractive index changes such as those caused by molecular binding processes. The high level of sensitivity at the gold-plated tip of the sensor fiber stems from the surface plasmon resonance (SPR) of a single cladding mode, which is the result of a long-period fiber grating (LPG). The transfer function of the sensor was calculated quickly and accurately using a slab waveguide model. It was observed that the highest level of sensitivity in an aqueous ambient medium is achieved at a wavelength of 660 nm assuming a gold coating of 35 nm in thickness and 2 mm in length. Furthermore, it was demonstrated that an intermedial cadmium sulfide layer shifts the SPR of the cladding mode towards higher wavelengths, thus leading to significantly enhanced sensitivity. An electroless plating process for the omnidirectional deposition of gold on the sensor fiber was developed in order to minimize the sensor\'s dependency on polarization. The specific optical properties of the gold layer deposited were investigated with the aid of LPGs fabricated using a special UV exposure method. The experiments showed the complex permittivity of electroless platings with a thickness of over 50 nm to be comparable with that of evaporated gold layers. The losses of the addressed cladding modes were investigated using an equivalent sensor setup consisting of two identical LPGs. This facilitated the determination of a scaling factor enabling the effcient calculation of cladding mode attenuation. It was demonstrated that it is possible to obtain the refractive index resolution of established volume optical SPR sensors with the aid of simple transmission measurements at a specific wavelength. Moreover, the extremely compact sensing area of the fiber-optic sensor enables the investigation of smaller sample volumes without the need for an additional microfluidic system. Secondary refractive index changes caused by temperature fluctuations or unspecific binding events can be compensated for by means of the differential interrogation of two identical fiber-optic sensors. The residual cross sensitivity is determined by the polarisation dependency of the sensor. The lowest cross sensitivity was therefore demonstrated in combination with a homogeneous electroless plated sensor surface.

Problemstellung Im Rahmen des Zulassungsverfahrens für elektrische Schienenfahrzeuge werden oft Messungen bezüglich der Interaktion von Stromabnehmer und Oberleitung benötigt. Zu diesem Zweck werden meist Kontaktkraftmessungen durchgeführt. Dabei soll die dynamische Kraft zwischen Schleifleiste und Oberleitung bei Fahrzeughöchstgeschwindigkeit ermittelt werden. Beim Einsatz klassischer Messsysteme werden herkömmliche Kraftsensoren unter die Schleifleiste montiert. Daraus resultieren verschiedene Schwierigkeiten. Zum Einen muss der Sensor auf Hochspannungspotential mit elektrischer Energie versorgt und die Messdaten zum Erdpotential gesendet werden. Zum Anderen wirken hohe Massenträgheitskräfte oberhalb der Sensorik, welche die Messung höherfrequenter Schwingungen ausschließt. Diese Montage hat zudem den Nachteil, dass vagabundierende Kräfte und Momente ebenso über den Kraftsensor geleitet werden und so das Messergebnis beeinflussen können. Außerdem wirken aerodynamische Effekte, die die Messergebnisse zusätzlich verfälschen. Um geeignete Korrekturmaßnahmen anwenden zu können, müssen Versuche durchgeführt werden, bei denen es dauerhaft keinen Kontakt von Schleifleiste und Fahrdraht gibt. Wenn dieser Stromabnehmer der Einzige am Fahrzeug ist, stellt dies, neben den messtechnischen Herausforderungen, eine erhebliche betriebliche Einschränkung dar. Herangehensweise Nach einer Literatur- und Patentrecherche wurde die Problemstellung in zwei Unterthemen gegliedert. Zum Einen sollte von klassischen elektrischen Sensoren zu faseroptischer Messtechnik gewechselt werden. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energie für den Sensor auch dessen Messsignale elegant über Potentialunterschiede hinweg übertragen werden können. Somit werden keinerlei elektrisch aktive Messinstrumente auf Hochspannungspotential benötigt. Als schöne Beigabe ist diese Sensorik auch gänzlich unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen, die von der Oberleitung ausgehen. Zum Anderen sollte die gesamte Messtechnik nicht mehr unter, sondern in der Schleifleiste verbaut werden. Diese seit fast 40 Jahren bekannte Herangehensweise ist in einigen Publikationen schematisch dargestellt. Lediglich eine Veröffentlichung beschreibt die praktische Umsetzung. Allerdings sind in dieser Beschreibung andere Randbedingungen als für die hier vorgestellte Konstruktion dargelegt. So war diese Konstruktion als Messpalette für Fahrleitungsuntersuchungen und nicht als Einzelschleifleiste für Fahrzeugzulassungen ausgeführt. Die prinzipielle Funktion dieser Theorie wurde aber schon damals bewiesen. Um die Notwendigkeit der Verfahrensverbesserung mit Messwerten zu untermauern, wurden verschiedene Streckenversuche an verschiedenen Zügen durchgeführt. Mit dieser umfangreichen Statistik konnten Unzulänglichkeiten des klassischen Messverfahrens aufgezeigt werden. Die in dieser Arbeit entwickelte Konstruktion musste von Geometrie und Masse dem Original-Schleifstück entsprechen und sollte ebenso die komplette Traktionsenergie übertragen können, sowie die gleichen Kontaktbedingungen zur Oberleitung haben. Für den Einsatz sollten Fahrgeschwindigkeiten bis 400 km/h vorgesehen werden. Hinsichtlich der Festigkeit sollten mindestens die gleichen Werte wie für das Original-Schleifstück erreicht werden. Zudem sollte das Produkt einen Schlag, welcher durch einen herunterhängenden Ast oder Hänger ausgelöst werden kann, überstehen können. Aus messtechnischer Sichtweise sollte die Masse oberhalb der Sensorik so gering wie möglich gehalten werden um Masseträgheitseinflüße zu reduzieren. Außerdem sollten alle vagabundierenden Kräfte und Momente möglichst um den Sensor herum geleitet werden, um diesen nicht zu beeinflussen. Ein weiteres Ziel war, den Sensor geschützt einzuplanen, damit aerodynamische Kräfte ausgeschlossen werden. Lösung Aufgrund dieser Anforderungen wurde ein Sensorkörper entworfen auf dem Faser-Bragg-Gitter appliziert wurden. Nach einer mehrstufigen Entwicklung wurden Sensoren hergestellt, die seit über einem Jahr im Dauereinsatz sind und seither verlässlich Ergebnisse senden. Ein relevantes Ergebnis dieser Entwicklung war, dass derartige Sensorik einen minimalen Bauraum benötigt, der nicht unterschritten werden kann. Aufgrund dessen, musste auch die bis zu diesem Zeitpunkt auf einen sehr viel kleineren Sensortyp ausgerichtete Schleifleiste mit innenliegenden Sensoren entsprechend angepasst werden. In dieser Konstruktion wurde ein Sensor mit Pilzkopf vorgesehen, so dass nur die relevanten Kräfte über den Sensor geleitet und gemessen werden. Alle weiteren Kräfte und Momente werden über eine Lagerkonstruktion geleitet, die Kräfte in der Messrichtung nicht aufnimmt. Um die Masse oberhalb der Sensorik zu minimieren und das Gewicht der Lagerkonstruktion und des Sensors auszugleichen, wurde die Dicke der Schleifkohle erheblich reduziert. Eine gänzliche Substitution der Kohle war nicht möglich, da sonst veränderte Kontaktbedingungen zwischen Schleifleiste und Fahrdraht vorliegen würden. Im Original-Schleifstück wird ein Aluminium-Strangpressprofil verwendete, welches neben dem Stromfluß auch die Festigkeit gewährleistet. Dieses Profil konnte in erster Linie aus Bauraummangel nicht weiter verwendet werden. Deshalb wurde eine Leichtbaukonstruktion aus mehreren U-Profilen vorgesehen, die neben dem benötigten Bauraum auch noch eine Masseeinsparung, durch Nutzung von Faserverbundwerkstoffen, ermöglichte. In dieser Arbeit wurden sowohl die relevanten Festigkeitsberechnungen als auch eine Betrachtung der Erwärmung durch Stromfluss durchgeführt. Diese Handrechnungen wurden mittels Simulationsrechnung validiert. Im Anschluss wurden alle Fertigungsunterlagen erstellt. Die Fertigung wurde mit potentiellen Projektpartnern besprochen, wodurch Schwierigkeiten erkannt und deren Lösungen in den Entwurf eingepflegt wurden. In der wirtschaftlichen Betrachtung wurden Kosten und Nutzen bilanziert. In Summe wurde somit eine Schleifleiste mit modularer innenliegender faseroptischer Sensorik entwickelt. Um deren Vorteil in der Praxis nutzen zu können, wird empfohlen Diese zu fertigen.