Spezielle Messverfahren -...

iprom 3. Abschnitt der Vorlesung

Spezielle Messverfahren

iprom Spezielle Messverfahren

3.1 Messen

elektrischer Größen

iprom Das Drehspulinstrument

Der Zeigerausschlag ist eine Funktion des Stroms

Messprinzip: analog,

Ausschlagprinzip,

im erweitertenen Sinne direkt messend

Bildquelle: Søren Peo Pedersen

iprom Ideales und reales Strommessgerät

Ein ideales Strommessgerät soll in einen Stromkreis eingesetzt werden

können, ohne diesen zu beeinflussen.

iprom Messbereichserweiterung für ein Strommessgerät

AAIRU

SS IRU S

AAS

R

RII

S

AASA

R

RIIII 1

iprom Messbereichserweiterung für ein Strommessgerät

S

AASA

R

RIIII 1

RS I

1/9 RA 10 IA

1/99 RA 100 IA

1/999 RA 1000 IA

1/9999 RA 10000 IA

1/99999 RA 100000 IA

iprom Strommessgerät mit Messbereichswahl

iprom Ideales und reales Spannungsmessgerät

Ein ideales Spannungsmessgerät soll an eine Spannungsquelle

angelegt werden können, ohne diese zu beeinflussen.

iprom Spannungsmessung mit einem Strommessgerät

Messwiderstand RM >> RA AMA RRIU

AMV RRR

iprom Messbereichserweiterung für ein Spannungsmessgerät

V

MV

R

RUU 1

Innenwiderstand: RM+RV

RM U

9 RV 10 UV

99 RV 100 UV

999 RV 1000 UV

9999 RV 10000 UV

99999 RV 100000 UV

iprom Spannungsmessgerät mit Messbereichswahl

iprom Multimeter

Analogmultimeter Digitalmultimeter

Abbildungen: aus Wikipedia

iprom Ideale und reale Spannungsquelle

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00

Stromstärke

Sp

an

nu

ng

Ideale Spannungsquelle (Ri=0Ω) Reale Spannungsquelle (Ri=5Ω)

V

A

IRUU U 0

iprom Spannungsmessung mit Innenwiderständen

UV

VV

RR

RUU

0

Kritisch:

Hochohmige Signalquellen

iprom Die Braunsche Röhre

Glühkathode

Leuchtpunkt

Fokussierung

Horizontale Ablenkung

Vertikale Ablenkung

Anode

Elektronenstrahl

Leuchtschirm

iprom Strahlablenkung im elektrischen Feld

+

-

Glühkathode

Leuchtpunkt

Fokussierung

Horizontale Ablenkung

Vertikale Ablenkung

Anode

Elektronenstrahl

Leuchtschirm

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

-1,2

-1

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

v: kein Signal

h: kein Signalv: Sinus

h: kein Signal

v: Sinus

h: Sägezahn

iprom Oszilloskope - Triggerung

Triggerung: ein neuer Scan startet erst, wenn das Signal einen

bestimmten Signalpegel und eine bestimmte Änderungstendenz

(fallend oder steigend) annimmt.

iprom Oszilloskope

Analogoszilloskop: Braunsche Röhre

Mehrkanalanzeige alternierend

oder „gechoppt“

Speicheroszilloskope: Lang nachleuchtende Fluoreszenzschicht

Digitaloszilloskope: Signal wird digitalisiert

Digitale Signalverarbeitung möglich

Ergebnisdarstellung mit Bildröhre oder LCD

Bildquelle: Tektronix

iprom Widerstandsmessung ideal

A

V

I

UR

iprom Widerstandsmessung real

Spannungsfehlerschaltung

Stromfehlerschaltung

Günstig für großes R

Günstig für kleines R

iprom Widerstandsmessung real

Spannungsfehlerschaltung Stromfehlerschaltung

0,0%

5,0%

10,0%

15,0%

20,0%

25,0%

1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06

Widerstand

Fehl

er

Stromfehlerschaltung Spannungsfehlerschaltung

Ω

Abweichung

Widerstand

iprom Wheatstone-Brücke

Abgeglichener Zustand:

VUR

R

R

R05

3

4

1

2 Kleine Widerstandsänderungen

führen zu einer Querspannung U5

iprom Wechselstromwiderstände (Impedanzen)

tjtj

tj

tj

tj

ejt

e

tjte

eItI

eUtU

sincos

)(

)(

2

1

0

0


Ohmscher Widerstand:

)()( tIRtU

Strom und Spannung sind in Phase

Bildquelle: http://www.elexs.de/kap2_3.htm


Kondensator mit Kapazität C:

)(1

)(

)()()(

tICj

tU

tUCdttItQ

Die Spannung eilt dem Strom nach,

Phasenverschiebung –π/2

Bildquelle: www.faston.pl

Bildquelle: http://maaleteknikk.wikispaces.com/trykk


Bildquelle: http://www.ribbeck-art.de/spulen.html

Spule mit Induktivität L:

)()(

)( tIjLt

tILtU

Die Spannung eilt dem Strom

voraus, Phasenverschiebung π/2


Ohmscher Widerstand

Strom und Spannung in Phase

Kapazität

Strom eilt Spannung voraus

Induktivität

Strom eilt Spannung nach

RZ

LjZ

CjZ

1

iprom Wien-Robinson-Brücke

Speisung mit Wechselspannung

3

4

1

2

Z

Z

Z

ZBrücke ist abgeglichen für:

Für R3=R4=R

und R1=2R2

und C3=C4=C

gilt die Abgleichbedingung:

RCf

2

1

2

iprom Problem: Widerstand der Zuleitungen

RLL IRU

Bei der Messung kleiner Widerstände R mit langen Zuleitungen

kann es aufgrund des Zuleitungswiderstands

zu einer erheblichen Abweichung kommen.

iprom Vierleiterschaltung

LRLMLL UIRIRU ´

Da der Innenwiderstand des Spannungsmessgerätes groß ist, ist

IM in der Regel erheblich kleiner als IR

iprom A/D-Umsetzer nach dem Parallelverfahren

Sehr schnell:

Nur ein Takt je Umsetzung

Schaltungstechnisch aufwendig:

Für jede Digitalisierungsstufe ein

Komparator

(z.B.: 255 Komparatoren für einen

8-Bit A/D-Umsetzer)

Anwendungsbereich:

Videosignale

Oszilloskope

iprom A/D-Umsetzer nach dem Wägeverfahren

Geschwindigkeit: im Mittelfeld (je Bit ein Takt erforderlich)

Schaltungstechnischer Aufwand: im Mittelfeld

Breites Anwendungsfeld in der Sensorsignalverarbeitung

iprom A/D-Umsetzer nach dem Zählverfahren

Langsam: So viele Takte wie Digitalisierungsstufen erforderlich

(z.B.: 256 Takte für 8-Bit-Umsetzung)

Kostengünstig, da schaltungstechnisch einfach

Anwendungsbereiche:

Kostengünstige Sensoren mit hoher Auflösung (16-24 Bit)

ohne Anforderung an Dynamik, z.B. Waagen

iprom Spezielle Messverfahren

3.2 Geometrische Messtechnik

iprom Antaststrategien am Beispiel einer Welle

iprom Antaststrategien am Beispiel einer Welle

Bildquelle: Profos/Pfeifer (Hrg): Handbuch der industriellen Messtechnik

iprom Strukturierung der geometrischen Messverfahren

Eindimensionale Messverfahren

Handmessmittel

Abstandssensoren

Einbauwegmesssysteme

Zweidimensionale Messverfahren

Zweieinhalbdimensionale Messverfahren

Dreidimensionale Messverfahren

iprom Handmessmittel

Maßstab

Bandmaß

Messschieber

Messschraube

Bügelmessschraube

Tiefenmessschraube

Innenmessschraube

Messuhr

Winkelmaß

iprom Messschieber

iprom Abbefehler am Beispiel des Messschiebers

iprom (Tiefen-)Messschraube

iprom Bügelmessschraube

iprom Fehler zweiter Ordnung bei der Bügelmessschraube

iprom Innenmessschraube

iprom Messuhr

iprom Winkelmaß

iprom Abstandssensoren

Abstandssensoren

iprom Charakteristika von Abstandssensoren

Auflösungsvermögen:

normal: kleinste nachweisbare

Änderung z

lateral: Abmessung der Wechsel-

wirkungsfläche auf dem Objekt.

Häufig oval mit x, y oder

kreisförmig (x = y).

Zeitauflösung:

Abtastung mit N Messungen/s

Dauer einer Abtastung:

iprom Klassifikation abstandsmessender Verfahren

Abstandssensoren

berührend berührungslos

iprom Klassifikation abstandsmessender Verfahren

Abstandssensoren

berührend berührungslos

kapazitiv induktiv optisch akustisch(Ultraschall)

Radar

iprom Kapazität eines Plattenkondensators

ε0: elektrische Feldkonstante

εr: relative Dielektrizitätszahl

des Mediums

Vakuum: εr = 1,0

Luft: εr = 1,00059

dest. Wasser: εr = 80

A: Fläche der Kondensatorplatten

d: Abstand der Kondensatorplatten

iprom Veränderungsmöglichkeiten für die Kapazität

iprom Prinzipbild eines kapazitiven Abstandssensors

Das elektrische Wechselfeld und damit die Kapazität der Sensoranordnung

kann beeinflusst werden durch:

Nichtleitende Objekte (r>1)

Elektrisch leitfähige, isoliert angebrachte Objekte

Elektrisch leitfähige Objekte auf Massepotential

Für Präzisionsmessungen wird in der Regel ein leitfähiges Objekt

auf Massepotential angetastet.

iprom Kapazitiver Abstandssensor mit Schutzring

Durch den auf gleichem Potential wie die Messelektrode liegenden

Schutzring wird ein im Bereich der Messelektrode homogenes elektrisches

Feld erzeugt. Randeffekte können weitgehend vernachlässigt werden.

Unter Laborbedingungen Auflösungsvermögen bis < 1nm erreichbar.

iprom Induktivität einer Spule

Induktivität L einer Spule:

Mit: 0: magnetische Feldkonstante

r: Permeabilitätszahl

N: Windungszahl

l

ANL r

2

0

Paramagnetische Stoffe: r ≿ 1, diamagnetische Stoffe: r ≾ 1

Ferromagnetische Stoffe: r ≫ 1, z.B.: Schmiedeeisen: r = 5000

iprom Induktiver Abstandssensor

Das magnetische Wechselfeld und damit die Induktivität der Sensoranordnung

kann beeinflusst werden durch:

Ferromagnetische Objekte

µr≫1, Erhöhung der Induktivität der Spule

Elektrisch leitfähige Objekte

Induktion von Wirbelströmen, Energieentzug

Nicht leitfähige Materialien beeinflussen das magnetische Feld nicht.

iprom Induktion von Wirbelströmen

Das magnetische Wechselfeld

der Spule induziert in einem

leitfähigen Material einen

Wirbelstrom, der wiederum

ein Magnetfeld erzeugt, das

dem Magnetfeld der Spule

entgegen wirkt und dieses

abschwächt.

Der Spule wird dadurch

Energie entzogen.

Ersatz-

schaltbild:

L: Induktivität

RCu: Wicklungswiderstand

RF: Feldverluste

iprom Kapazitive und induktive Sensoren

Betrieb mit Wechselspannung einer Trägerfrequenz fT

Trägerfrequenz fT muss wesentlich größer (mindestens 10x) als

die höchste zu messende Schwingungsfrequenz fmax sein.

Abstand zu leitfähigen Objekten kann mit beiden Sensoren gemessen werden.

Abstand zu Isolatoren kann nur mit kapazitiven Sensoren gemessen werden.

Induktive Sensoren reagieren empfindlich auf ferromagnetische Objekte.

Bündiger Einbau in metallische Trägerbleche in der Regel nicht zulässig,

da elektrische bzw. magnetische Wechselfelder mit den Blechen

wechselwirken. Speziell abgeschirmte Bauformen für bündigen Einbau

sind verfügbar, haben meist aber einen kleineren Messbereich.

iprom Kapazitive und induktive Sensoren

Verschiedene Auswertetechniken, am häufigsten:

Messung der Veränderung von C bzw. L

mit einer Wechselstrom-Messbrücke

Messung der „Verstimmung“ eines Schwingkreises

(Eigenfrequenz, Dämpfung)

Die Wechselwirkungsfläche auf dem Objekt hat etwa den dreifachen

Durchmesser des Sensors. Für hohe Lateralauflösung sind daher

Sensoren mit kleinem Durchmesser günstig.

Der Messbereich des Sensors nimmt mit dem Durchmesser zu.

Bei vorgegebenem Abstand nimmt das S/N-Verhältnis mit dem

Durchmesser zu. Daher sind Sensoren mit großem Durchmesser günstig.

Kompromiss erforderlich!

Auflösungsvermögen < 1µm ist in der Praxis erreichbar.

iprom Optischer Reflexsensor

Für Präzisionsmessungen schlecht geeignet

Farbe, Oberflächenstruktur, Neigungswinkel der Oberfläche haben großen

Einfluss.

iprom Faseroptischer Reflextaster

An schwer zugänglichen

Messstellen einsetzbar

In Ex-Schutz-Bereichen

einsetzbar

Starke Abhängigkeit von

Oberflächeneigenschaften

(Farbe, Struktur, Neigung)

Sonderversionen mit

mehreren Rückführungs-

bündeln ermöglichen

Korrekturen der

Oberflächeneinflüsse

Messbereich typisch

wenige mm

iprom Triangulationssensor

Nicht die Intensität des

rückgestreuten Lichts wird

ausgewertet ⇒ geringer Einfluss

der Oberflächeneigenschaften

PSD: Positionsempflindlicher

Photodetektor

Verkippung des Detektors

gemäß der Scheimpflug-

Bedingung ⇒

Abstandsunabhängig scharfe

Optische Abbildung

iprom Triangulationssensor, Eigenschaften

Großes Produktspektrum auf dem Markt

Preisbereich von € 100,- bis > € 10.000,-

Relatives Auflösungsvermögen: 10-3 bis < 10-4

Abtastrate von ca. 100 Hz bis ca. 50 kHz

Typischer Messbereich: 10 -50 mm

Typischer Messfleckdurchmesser: 10µm - 1mm

Typischer Triangulationswinkel: 15°-30°

Oberflächeneigenschaften beeinflussen die Rückstreuindikatrix und damit

die Helligkeitsverteilung auf dem Zeilensensor.

Volumenstreuer (Kunststoffe, Keramik): Der Antastpunkt liegt unter der

geometrischen Oberfläche.

S/N-Verhältnis hängt von der Intensität des in die Empfangsoptik

rückgestreuten Lichts ab. Dunkle und glänzende Oberflächen sind

problematisch.

iprom Anwendungen von Triangulationssensoren

iprom Autofokussensor

iprom Fokusdetektion nach dem Foucaultschen Schneidenverfahren

iprom Autofokussensor, Eigenschaften

Miniaturbaugruppen aus

CD-Abspielgeräten werden

messtechnisch genutzt.

Im Prinzip ist ein Auflösungsvermögen

< 1 µm erreichbar, bei Laborgeräten

bis ca. 10 nm.

Problematisch: Der Sensor basiert auf einem Regelkreis,

daher ist die Dynamik begrenzt. Für die Messung

hochfrequenter Schwingungen ungeeignet.

iprom Ultraschallsensoren

Prinzip des Echolots

Aussensden von Ultraschallpulsen

Messen der Laufzeit zum Objekt und wieder zurück

In Luft: Frequenz < 100kHz

Auflösung im Bereich mm

Anwendungen: Einparksensoren für Kfz,

Abstandssensoren für Bauaufnahme

In Festkörpern: Frequenz bis > 100MHz möglich

Auflösung im Bereich µm möglich

Anwendung: Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung

iprom Mikrowellensensoren

Frequenzbereiche mit geringer Dämpfung in Luft liegen bei

35 GHz, 90 GHz, 140 GHz, 230 GHz.

Die zugehörigen Wellenlängen liegen zwischen 8,5 mm und 1,3 mm,

also drei bis vier Größenordnungen größer als Lichtwellenlängen.

Metallische Objekte reflektieren Mikrowellen fast vollständig.

Bei Kunststoffen, Glas, Keramik tritt teilweise Reflexion, teilweise

Transmission und teilweise Absorption auf.

Industrieller Einsatz derzeit vor allem: Füllstandsmessung in Silos.

iprom Mikrowellensensoren

Abstandsmessungen mit Mikrowellen basieren auf

Laufzeitmessungen oder

interferometrischer Auswertung der Phasenverschiebung oder

der Auswertung der Dopplerverschiebung der Frequenz

(wie beim Laservibrometer)

Laufzeitmessung erreicht aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit

nur eine Auflösung in der Größenordnung mm.

Bei den auf die Wellenlänge bezogenen Messtechniken ist auf kurze

Distanzen eine Auflösung in der Größenordnung µm erreichbar.

iprom Einbau-Wegmesssensoren

Einbau-Wegmesssensoren

iprom Potentiometrischer Wegaufnehmer

iprom Inkrementale Wegaufnehmer

Ausgangssignal ist periodische Funktion des Weges.

Die Perioden des Signals werden gezählt.

Zwei Probleme:

a) Wie bestimmt man den Nullpunkt?

b) Wie bestimmt man die Bewegungsrichtung?

iprom Inkrementale Wegaufnehmer, Richtungserkennung

iprom Inkrementaler Wegaufnehmer, Mehrfeldtechnik

iprom Inkrementaler Wegaufnehmer, Einfeldtechnik

iprom Michelsoninterferometer

Konstruktive Interferenz Destruktive Interferenz

iprom Interferometrische Sensoren / Laservibrometer

Interferometrische optische Sensoren erreichen ein Auflösungsvermögen

von < 1nm.

Dennoch: Die praktisch erreichbare Messunsicherheit ist aufgrund diverser

Störeinflüsse selten besser als 10-6, d.h. 1µm je m.

Ein wesentlicher Einfluss ist die Abhängigkeit des Brechungsindex der Luft

von Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit (Edlén-Formel).

Dadurch bedingt ist die Lichtwellenlänge, die als Maßstab dient, von den

Umgebungsbedingungen abhängig.

Klassische Interferometer können bis zu Objektgeschwindigkeiten von

ca. 1m/s eingesetzt werden.

Für schnellere Objekte sind Laservibrometer anwendbar.



Handmessmittel

Abstandssensoren





iprom Messmikroskop

iprom Profilprojektor

iprom Messen im Bild / Messen am Bild

Unterscheidung zwischen

- Messen im Bild

und

- Messen am Bild

iprom Licht

Licht ist eine spezielle Form

elektromagnetischer Wellen

An einem Ort im Raum gekennzeichnet durch:

Farbe, definiert durch Frequenz bzw. Wellenlänge,

allgemein: spektrale Intensitätsverteilung

Ausbreitungsrichtung

Polarisation

Phasenlage

iprom Messtechnische Nutzung

Die Eigenschaften des Lichtes können

messtechnisch genutzt werden.

Ausbreitungsrichtung -> Schattenwurf

optische Abbildung

Polarisation -> Optische Materialeigenschaften

Farbe (Wellenlänge) -> Spektroskopie

Phasenlage -> Interferometrie

Holographie

Speckle-Messtechnik

iprom Die optische Abbildung, die Kameramesstechnik

Die optische Abbildung ordnet einem

dreidimensionalen Objekt eine zweidimensionale

Helligkeitsverteilung in einer Bildebene zu.

Damit ist in der Regel ein Informationsverlust

verbunden.

Ziel der Kameramesstechnik:

Quantitative Bestimmung geometrischer Größen

des Objekts durch Auswertung des

zweidimensionalen Bildes

iprom Kontrastierung von Bildelementen

Farbe

Helligkeit

Textur

iprom Grundgleichungen der optischen Abbildung

F'Fy1

y2

g

f

bb

y

g

y 21 und fbg

111

iprom Komponenten eines Kameramesssystems

iprom Eigenschaften von Lichtquellen

Halogenglühlampen:

Weißes Spektrum, hohe Lichtleistung

Große strahlende Fläche -> schlecht fokussierbar

Geringe Lebensdauer, hohe Wärmeabgabe, geringe Kosten

Bogenlampen (Xe, Hg):

Reinweißes Spektrum, höchste Lichtleistung

Gut fokussierbar, lange Lebensdauer, hohe Wärmeabgabe, hohe Kosten

Leuchtdioden (LED):

Einfarbig (rot, gelb, grün, blau) oder weiß

Gut fokussierbar, sehr lange Lebensdauer, relativ geringe Wärmeabgabe

Mäßige Kosten

Laser, speziell Laserdioden:

Einfarbig, sehr gut fokussierbar, kohärent (interferenzfähig)

Kohärenz führt bei Bildauswertung zu Problemen

-> nur für besondere Anwendungen (3D-Sensoren)

iprom Beleuchtungsvarianten für Kameramesssysteme

iprom LED-Ringlichter in einem Multisensor-KMG

iprom Kenngrößen von Objektiven

Brennweite f -> Abbildungsmaßstab

Festbrennweite / Zoomoptik

Öffnungsverhältnis (maximale Aperturblende)

z.B. f/2,8 -> Blendenzahl 2,8

Je kleiner die Blendenzahl, um so lichtstärker

das Objektiv

Halbe Blendenzahl -> vierfache Lichtstärke

Auflösungsvermögen: Kleinster Abstand zwischen zwei

Linien, der noch im Bild erkennbar ist.

Kontrast: „Unterschied zwischen hellsten (Imax) und

dunkelsten (Imin) Stellen im Bild.“

Exakt: K=(Imax-Imin) / (Imax + Imin)

Bester Kontrast: K=1

iprom Das Auflösungsvermögen

Das Auflösungsvermögen eines Objektivs ist selbst bei

perfekter Optik durch die Beugung begrenzt.

Hochwertige Fotoobjektive können Strukturen von wenigen

Mikrometern auflösen.

Mikroskopobjektive können Strukturen bis ca. 0,5 µm

auflösen.

Unabhängig davon kann die Position einer Objektkante

bei gutem Kontrast mit einer Auflösung bis zur

Größenordnung 1/1000 µm gemessen werden.

iprom Optische Aberrationen

Optische Abbildungssysteme weisen in der

Regel Abbildungsfehler auf. Diese werden in der

Optik als Seidelsche Aberrationen klassifiziert:

Sphärische Aberration

Koma

Astigmatismus

Bildfeldwölbung

führen zu Unschärfe im Bild

-> Auflösungsvermögen und Kontrast

verschlechtern sich

Verzeichnung führt zu fehlerhaftem Abbildungsmaßstab

Zusätzlich: chromatische Aberration

iprom Abbildungsfehler Verzeichnung

Ohne

VerzeichnungTonnenförmige

Verzeichnung

Kissenförmige

Verzeichnung

Verzeichnung guter Messobjektive < 1/1000 Messbereich

Verzeichnung einfacher Weitwinkelobjektive > 1/100 Messbereich

Für Präzisionsmessungen ist Kalibrierung erforderlich.

iprom Konventionelle optische Abbildung

G

G B1

B2

B>B1 2

Ebene desBildsensors

Der Maßstab ist abhängig vom Objektabstand

(asymmetrische Defokussierung)

iprom Telezentrische optische Abbildung

Der Maßstab ist unabhängig vom Objektabstand

(symmetrische Defokussierung)

G

G

B1

B2

B=B1 2

Ebene desBildsensors

iprom Aliasing bei der Abtastung feiner periodischer Strukturen


Bilder werden digitalisiert und im Rechner gespeichert.

Ein digitales Bild enthält eine große Informationsmenge

(Größenordnung 1 MByte)

Es gibt spezielle Auswertealgorithmen zur effizienten

Verarbeitung derartiger Daten: Digitale Bildverarbeitung

Ziel ist es, Information über das Messobjekt zu gewinnen,

z.B. Konformität mit den Anforderungen.

Im Vergleich zu taktilen Verfahren ist die mit digitalen Kameras

erreichbare Datenrate sehr hoch

(typisch mehr als 1 Bild/s, in manchen Fällen > 1000 Bilder/s)

Digitale Bildverarbeitung wird in der Vorlesung

„Messsignalverarbeitung“ (Sommersemester) und im

Labor „Industrielle Bildverarbeitung“ behandelt.



Handmessmittel

Abstandssensoren





iprom Prinzip der Triangulation

Grundlinie + zwei anliegende Winkel -> Dreiecksgeometrie

c

a

b

iprom Aktive Triangulation 1D: Triangulationssensor

a b

Objektpunkt

LichtquelleBildpunkt

Detektor

Basis

iprom Stereo-Photogrammetrie

iprom Laser-Lichtschnittverfahren

iprom Aktive Triangulation 3D: Streifenprojektionsverfahren

Musterprojektor

Meßobjekt

Kamera

Rechner



Handmessmittel

Abstandssensoren





iprom Geometrieelemente in Konstruktion, Fertigung und Messung

iprom Koordinatenmessgerät in Ständerbauart

Taster

z-Achse

x-Achse

y-Achse

iprom Koordinatenmessgerät in Portalbauart

Taster

z-Achsex-Achse

y-Achse

Taster

z-Achsex-Achse

y-Achse

Verfahrbares Portal Verfahrbarer Messtisch

iprom Koordinatenmessgerät in Auslegerbauart

x-Achse

z-Achse

y-Achse

Taster

iprom Formmessgerät für rotationssymmetrische Werkstücke

z-Achse

r-Achse

-Achse

Kurbelwellen-messung

Zahnrad-messung

Wellen-messung

iprom Freiheitsgrade einer Linearführung

iprom Funktionsprinzip eines schaltenden Sensors für einen

Koordinatentaster

Werkstück

Tastkugel

Taststift

Sensor

iprom Funktionsprinzip eines messenden Sensors für einen Koordinatentaster

x

y z

y

x Werkstück

Tastkugel

Taststift

Sensor

Blattfeder Blattfeder

induktiverWegsensor

3 orthogonaleFederparallelogramme

iprom Koordinatensysteme

iprom Scannendes Messen

NC-Werkzeugmaschinen: nur unabhängige Achsen

Scannendes KMG: mindestens eine abhängige Achse

Hohe Anforderung an die Dynamik des Regelkreises

Einzelpunktantastung Scannende Antastung

iprom Koordinatensysteme

iprom Bezug zwischen den Koordinatensystemen

Bezug zwischen Geräte- und Tasterkoordinatensystem:

Einmessen an einem Kalibrierwerkstück

Bezug zum Objektkoordinatensystem:

Antastung von Bezugsflächen am Messobjekt

Dadurch wird eine genaue Ausrichtung des Werkstücks

unnötig.

iprom Korrektur des Tastkugelradius

iprom Tasterkonfigurationen

iprom Messung von Verformungen

Messung von Verformungen

Messung von Materialparametern

ReH: Obere Streckgrenze

ReL: Untere Streckgrenze

Rm: Zugfestigkeit

AL: Lüdersdehnung

Ag: Gleichmaßdehnung

A: Bruchdehnung

Bildquelle: Wikipedia

Spannungs-Dehnungs-Diagramm

Festigkeitsuntersuchung an Bauteilen Zugmaschine Bildquelle:

Fa. Zwick Roell

iprom Messung von Verformungen - Extensometer

Zugmaschine Bildquelle:

Fa. Zwick Roell

Extensometer

Bildquelle: https://uwaterloo.ca/

fatigue-stress-analysis-lab/

research-areas/

multiaxial-fatigue-mg-alloys

Optisches

Extensometer

Bildquelle: http://www.zwick.com/

en/products/extensometers/

non-contact-extensometers/

lightxtensr.html

iprom Dehnungsmessstreifen

A

lR


A

lR

Empfindlich für einachsige Dehnung/Stauchung

Relative Empfindlichkeit ca. 10-6

Temperaturempfindlichkeit wesentlich höher

-> Stets in Brückenschaltungen eingesetzt

Bildquelle:

www.phyta.net

iprom Anwendung der Photogrammetrie: Objektrasterverfahren

x

y

z

Bildebenen

Objektoberfläche

applizierte Rasterstruktur

Bildebenen

applizierte Rasterstruktur

Objektoberfläche

z

yx

Kameras

Probe in Belastungsvorrichtung

iprom Bestimmung des 3D-Verformungsfeldes

iprom Objektrasterverfahren 3D

Probewerkstück mitstochastischem Raster

xz

y

Anwendung: Verzug beim T-Stoß-Schweissen

iprom Objektrasterverfahren 3D

Anwendung: Verzug beim T-Stoß-Schweissen

GemessenerVerzug

x y

z ges.

xz

y

iprom Kraftmessung

Kraftmessung

Federelement zur Umsetzung Kraft -> Verformung

Messung der lokalen Dehnung mit DMS

Messung der absoluten Verformung, z.B. kapazitiv


http://www.sensoren.info/#DMS

http://www.hbm.de

iprom Kraftmessung

Kraftmessung

Federelement zur Umsetzung Kraft -> Verformung


Messung der absoluten Verformung, z.B. kapazitiv

Piezolektrische Aufnehmer (für dynamische Anwendungen)

http://bridell.com/how-to-use-a-piezo-element-as-an-arduino-sensor/

iprom Drehmomentmessung

Drehmomentmessung

Messwelle = Torsionsfeder


Bildquelle:

www.sensortelemetrie.deBildquelle:

TU Ilmenau

iprom Druckmessung

Druckmessung

Rückführung auf eine Kraftmessung

Verformung einer Membran

Verschiebung eines Kolbens

http://blog.wika.de/know-how/funktionsprinzip-resistiver-drucksensor/

iprom Gewichtsmessung / Messung der Masse

Gewichtsmessung / Messung der Masse:

Wägen: Feststellung der unbekannten Masse eines Körpers

Abwägen: Herstellung einer bestimmten Masse

Klassier- oder Grenzwägen: Zuordnung zu einer „Gewichtsklasse“

(präziser, aber ungebräuchlich: „Massenklasse“)

Messen eines kontinuierlichen Mengenstroms

Nutzung des Prinzips der schweren Masse:

Auf der Erde: Gewichtskraft = m g

Aber: g ist keine Naturkonstante!!

Wägewert: Messwert, der von der Waage angezeigt wird.

Konventioneller Wägewert: Wägewert mit Korrektur des Auftriebs in Luft

Dichtevergleich: Luft: 1,29 kg/m3 , Stahl: 8000 kg/m3

iprom Messmethoden beim Bau von Waagen

Erzeugung einer Gegenkraft zur Kompensation der Gewichtskraft:

Balkenwaage: Kompensation mit bekannten Vergleichsmassen

Federwaage: Messung der elastischen Verformung eines Federkörpers

Elektrodynamische Waage: Regelung eines Elektromagneten

iprom Messung der Dichte

Messprinzip: Verdrängung von Flüssigkeit durch Eintauchen eines Körpers

a) Messung der Dichte eines Festkörpers:

Messung der Gewichtskraft in Luft (besser in Vakuum)

Messung des Volumens des Körpers

(verdrängte Flüssigkeit)

Dichte = Quotient

b) Messung der Dichte einer Flüssigkeit

Eintauchen eines Körpers bekannter Dichte und Masse

Messung der Gewichtskraft in der Flüssigkeit

Differenz = Auftrieb = Gewichtskraft der verdrängten Flüssigkeit

iprom Temperaturmessung

Thermometer:

Stabausdehnungsthermometer

Bimetallthermometer

Flüssigkeitsthermometer

Widerstandsthermometer

Metall PTC (Positive Temperature Coefficient)

Halbleiter NTC (Negative Temperature Coefficient)

Thermoelemente

Strahlungsthermometer

iprom Seebeck-Effekt

iprom Plancksches Strahlungsgesetz für schwarze Körper

http://www.rapp-instruments.de/foto/Unvis/infrared/infrared.htm

http://www.dias-infrared.de/magazin/

einfluss-emissionsgrad-beruehrungslose-temperaturmessung

Wärmebild einer IR-Kamera

Nur bei Kenntnis des lokalen Emissionsgrades quantitativ auswertbar!

http://www.focus.de/fotos/

ein-waermebild-gelingt-am-besten-wenn-es-draussen-trocken-und-kalt_mid_1171040.html

Spezielle Messverfahren -...

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