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Inhalt:

Entwicklung eines laser-optischen Messsystems zur berührungslosen Bestimmung von mechanischen Materialparametern

Dipl.-Ing. Dr. Sebastian Claus Schneider

Dipl.-Ing. Dr. Sebastian Claus Schneider
   

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

2. Begutachter:

Univ.-Prof. Dr. Brigitte Weiss

Rigorosum:

22. November 2005

Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines laseroptischen Dehnungs- bzw. Verschiebungsmesssystems, mit dessen Hilfe es möglich ist, aus der Bewegung eines Laser-Speckle-Musters, welches durch die Streuung eines Laserstrahls an der beleuchteten Oberfläche entsteht, die mechanische oder thermische Verzerrung und die überlagerte Starrkörperbewegung des beleuchteten Oberflächenbereiches zu bestimmen. Das Messsystem arbeitet mit objektiven Speckle-Mustern und kommt daher ohne abbildende Optik aus.

Abbildung 1:  Prinzipieller Aufbau zur Korrelationsmethode mit objektiven Laser-Speckles. In der Abbildung sind die Starrkörperverschiebungen, Rotationen und Dehnungen und Gleitung an einem Oberflächenelement dargestellt. In der Kameraebene lässt sich eine von diesen Größen abhängige Verschiebung des Speckle-Musters beobachten.

Abbildung 1: Prinzipieller Aufbau zur Korrelationsmethode mit objektiven Laser-Speckles. In der Abbildung sind die Starrkörperverschiebungen, Rotationen und Dehnungen und Gleitung an einem Oberflächenelement dargestellt. In der Kameraebene lässt sich eine von diesen Größen abhängige Verschiebung des Speckle-Musters beobachten.

Die Arbeit führt von der Aufarbeitung der zu diesem Thema relevanten Literatur über die Beschreibung der wichtigen mathematischen und physikalischen Grundlagen und einer detaillierten Darstellung des Messprinzips zu einer Analyse möglicher Ursachen von Messfehlern, welche in der gegenwärtig zugänglichen Literatur noch nicht zu finden ist. Darüber hinaus wird auch auf die zur Berechnung der Speckle-Musterbewegung notwendige Signalverarbeitung speziell eingegangen.

Abbildung 2: Die Abbildung zeigt einen realisierten Messaufbau, wie er für die Messung von Elastizitätsmoduln von dünnen Drähnten und Fasern verwendet wurde. Die Prüfmaschine wird manuell über eine Kurbel betätigt. Zu sehen ist ein Zugversuch an einem 122 µm dünnen Kupferdraht.

Darauf basierend wurde ein Messsystem entwickelt, mit dessen Hilfe anhand verschiedener für die Materialphysik interessanter Versuche wichtige, für die praktische Anwendung relevante Erkenntnisse gewonnen werden konnten und die Anwendbarkeit des Messsystems zur Dehnungsmessung an den verschiedensten Materialien gezeigt wird. So wurden zB neben Versuchen zur Bestimmung thermischer Ausdehnungskoeffizienten auch Zugversuche an Folien und Fasern bis in den Mikrometerbereich durchgeführt.

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt das mit obigem Aufbau gemessene Spannungs-Dehnungs-Diagramm eines 122 µm dünnen Kupferdrahtes. Die Steigung der Regressionsgeraden (grün) entspricht einem Elastizitätsmodul von 97,3 GPa.