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Optimierung eines Verfahrens zur berührungslosen Dehnungsmessung basierend auf subjektiven Laser-Speckle-Mustern

Alexander Spaett M.Sc.

In der Materialprüfung werden sowohl berührende als auch berührungslose Extensometer eingesetzt. Zweitere nutzen optische Verfahren zur Schätzung der Probendehnung. Eine dieser optischen Methoden bedient sich der subjektiven Laser-Speckle-Muster. Speckles sind ein Phänomen welches auf der Interferenz vieler Strahlen basiert. Sie treten auf, wenn eine optisch raue Oberfläche mit einer ausreichend kohärenter Strahlung beleuchtet wird. Dieses Muster wird bei der Dehnungsmessung als statistischer Marker verwendet.

Ziel der Arbeit ist die Optimierung der Signalverarbeitung eines vorhandenen, in Abb. 2. dargestellten, Gerätes. Dieses verwendet zwei Diodenlaser zur Erzeugung der Speckles. Die Speckles werden dann mit einer telezentrischen Optik auf einer Zeilenkamera abgebildet. Messungen dieses Aufbaus unter Verwendung einer unbewegten Probe sind in Abb. 2 zu sehen. Aktuell ist es möglich, eine Verschiebung der Speckles um ca. 100 nm mit Hilfe eines Korrelationsverfahrens aufzulösen. Dies entspricht im Falle der verwendeten Kamera 1/70 Pixel.

Abbildung 1.: Messung eines Laser-Speckle-Musters einer unbewegten Probe. Abbildung 2.: Aufbau zur Dehnungsmessung mittels Laser-Speckle-Korrelationsverfahren.

Im Rahmen der Arbeit erfolgt in einem ersten Schritt die Betrachtung unterschiedlicher Faktoren, welche einen Einfluss auf das Messergebnis haben können. Zu diesen Faktoren zählen sowohl Umwelteinflüsse wie z.B. die Temperaturschwankungen der Luft zwischen Laser und Probe als auch technisch bedingte Einflussfaktoren wie z.B. die Variation der Intra-Pixel Sensitivität von Kameras oder auch eine Änderung der Laserwellenlänge über die Betriebsdauer.

In einem zweiten Schritt soll dann mit dem generierten Vorwissen durch eine entsprechend angepasste Signalverarbeitung sowie ggf. durch eine Anpassung des Aufbaus die Dehnung möglichst exakt und zuverlässig geschätzt werden.