Dreifach-Fixpunktstrahler zur Kalibrierung von Strahlungsthermometern, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 119 S., 3476 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
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Hochgenaue Kalibrierungen von Strahlungsthermometern auf Basis der Internationalen TemperaturskalaITS-90 werden mittels Einzel-Fixpunktstrahlern realisiert. Dabei werden mindestens drei dieser Strahler mit unterschiedlichen Referenztemperaturen benötigt, um die gewöhnlich nichtlineare Kennlinie von Strahlungsthermometern zu bestimmen. Jeder dieser Strahler ist dabei in einen separaten Messaufbau bestehend aus einem Rohrofen mit Wärmerohr und Regeleinrichtung zur homogenen Temperierung, einer temperierten Blendenanordungund Positioniereinrichtung eines Strahlungsthermometers integriert, wodurch ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand bei einer Dreipunkt-Kalibrierung entsteht. Um diesen zu minimieren und zusätzlich den Justageaufwand für die Ausrichtung eines Strahlungsthermometers und die Dauer einer solchen Kalibrierung zu reduzieren, wurde ein Dreifach-Fixpunktstrahler (DFS) für Kalibrierungen im Temperaturbereich von 200 ˚C bis 700 ˚C entwickelt,der drei unterschiedliche Fixpunktsubstanzen in einer Zellen-Bauform enthält. An ihm kann ein Strahlungsthermometer die Temperaturen der drei Liquidus- und Solidusvorgänge dieser Fixpunktsubstanzen nach einmaliger Justage und in einem einzigen Aufheiz und Abkühlvorgang messen und an ihnen kalibriert werden.Zu Beginn der Entwicklung wurden für den DFS als geeignetste Fixpunktsubstanzen Aluminium(Erstarrungstemperatur 660,323 ˚C), Zink (419,527 ˚C) und Zinn (231,928 ˚C) und als das unter thermisch-mechanischen Gesichtspunkten geeignetste Zellenkörpermaterial dieAluminiumoxidkeramik C799 ausgewählt. Auf Grundlage dieser Materialauswahl erfolgte danach die optimale Dimensionierung der Bauform. Dazu wurden zunächst FEM-Berechnungen zur Grundanordnung der Fixpunktmaterialkammern und danach optimierende Berechnungen zur Dimensionierung dieser koaxialen, radialsymmetrischen Grundbauform durchgeführt. Deren Ziel war es, deutlich ausgeprägte Phasenumwandlungsvorgänge mit metrologisch gut auswertbaren Temperaturplateaus im Strahlerinneren und damit eine geringe Unsicherheit der Temperaturdarstellung zur erreichen. Die Berechnungen begleitend wurded diese Bauform schrittweise aufgebaut und Untersuchungen zu ihrer mechanischen Belastbarkeitund metrologischen Qualität durchgeführt. Nach erfolgreichen Tests des DFS wurden zwei unterschiedlich befüllte Varianten des DFS hergestellt.Da bei Emissionsgradmessungen ein zu geringer spektraler Wandemissionsgrad der verwendeten Aluminiumoxidkeramik festgestellt wurde, erfolgte eine zusätzliche Beschichtung des Strahlerhohlraumes mit Hochtemperatur-Emissionsgradlack. Der daraus resultierende deutlich höhere effektive Hohlraumemissionsgrad des Strahlers wurde in Berechnungen nach der Monte-Carlo-Methode zu 0,99987 bestimmt.Die Fixpunkttemperaturverläufe des DFS wurden mit einem Transfer-Strahlungsthermometer vermessen und in einer umfangreichen Messunsicherheitsbetrachtung die Fixpunkttemperaturendes DFS ermittelt. Dabei wurden unter anderem Einflüsse auf die Phasenumwandlungstemperatur selbst, aber auch Emissionsgradeffekte des Strahlerhohlraumes oder Wärmetransportvorgänge im DFS berücksichtigt. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Unsicherheiten der DFS-Fixpunkttemperaturen im Bereich von 30mK bis 90mK liegen und damit Werte vergleichbarer Einzel-Fixpunktstrahler erreichen.
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Untersuchungen an Silizium-Verformungskörpern für die Anwendung in der Präzisions-Kraftmess- und Wägetechnik, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 137 S., 35,6 MB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2009
Konventionelle Wägezellen (WZ) mit Dehnungsmessstreifen (DMS) erreichen maximal 6.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Damit sind sie auf Einsatzbereiche geringer bis mittlerer Präzision beschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger Sensor, basierend auf der Technologie der DMS-WZ, für den Einsatzbereich hoher Präzision entwickelt und untersucht. Der Sensor besteht aus einem einkristallinen Silizium-Federkörper (Si-FK) mit Dünnschicht-DMS. Da sich einkristallines Si bei Belastung ideal elastisch verformt, sind Zeitabhängigkeiten und Hysterese des Si-FKs vernachlässigbar gering. Die Applikation der DMS mittels Dünnschichtverfahren führt zu einer direkten Verbindung zwischen FK und DMS. Aus diesem Grund sind die Zeitabhängigkeiten während der Dehnungsübertragung vom FK zum DMS im Vergleich zu konventionellen Klebeverfahren erheblich reduziert und die Reproduzierbarkeit der Dehnungsmessung ist deutlich erhöht. Die mechanischen Eigenschaften der Si-FK werden neben der Geometrie maßgeblich von der Orientierung des anisotropen Si im FK bestimmt. Numerische Berechnungen mit der Finiten Elemente Methode führten zu einer für Si optimierten FK-Geometrie und zeigten die Einflüsse verschiedener Orientierungen des Si. Weiterhin wurde eine geeignete Einspannung des FKs entwickelt, die einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Dehnungsverhalten im Bereich der DMS aufweist. Zur Erforschung des last- und zeitabhängigen Verhaltens der Si-WZ, wurden fünf Si-WZ gleicher Geometrie hergestellt und experimentell untersucht. Die Untersuchungen erfolgten im Temperaturbereich von -10˚C bis 40˚C. Das Zeitverhalten des Messsignals der Si-WZ nach Lastwechseln unter konstanten Randbedingungen wurde im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ deutlich verbessert. Die relative Änderung des Messsignals innerhalb der ersten zehn Minuten betrug nur 2 10-5 für Si-WZ. Zehn Minuten nach den Lastwechseln waren keine weiteren Zeitabhängigkeiten feststellbar. Die Kennlinien der Si-WZ zeigten im Vergleich zu konventionellen DMS-WZ um mehr als eine Größenordnung verbesserte Eigenschaften bezüglich Hysterese, Nullpunktsverhalten und Reproduzierbarkeit der Messwerte. Die Nichtlinearität war vergleichbar mit derer konventioneller DMS-WZ und muss beim Einsatz der Si-WZ in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Präzision kompensiert werden. Zur Bewertung des Einsatzbereiches der Si-WZ, wurden die Messdaten bezüglich Nichtlinearität und Temperaturverhalten digital kompensiert und in Anlehnung an die internationale OIML-Empfehlung R60, zur Prüfung von WZ für eichpflichtige Anwendungen, ausgewertet. Die anhand der Kriech- und Richtigkeitsprüfung bewerteten Si-WZ erreichten mehr als 30.000 Teilungsschritte für eichfähige Anwendungen. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Si-WZ mit Dünnschicht-DMS unter Anwendung digitaler Kompensationsverfahren für den Einsatzbereich hoher Präzision in der Wäge- und Kraftmesstechnik bestens geeignet sind.
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Digitale Signalverarbeitung in der dynamischen Wägetechnik, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: 141 S., 2522 KB) Ilmenau : Techn. Univ., Diss., 2008
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung der Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung in der dynamischen Wägetechnik. Alle Betrachtungen beziehen sich auf einen Typ der dynamischen Waagen, die Kontrollwaage. Die dargelegten Verfahren sind für jeden anderen Waagentyp anwendbar, der für die dynamischen Messungen eingesetzt wird. Die erforderlichen messtechnischen Parameter der Kontrollwaagen anhand der Klassifizierung nach der internationalen metrologischen Empfehlungen OIML R51 und unter Berücksichtigung der Anforderungen der Fertigpackungsverordnung wurden berechnet. Im Störspektrum einer Kontrollwaage spielen harmonische Komponenten eine dominierende Rolle. Ein Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den Untersuchungen dieser Art der Störsignale. Es wurde der Einfluss der Abtastrate auf das Spektrum und die Standardabweichung des Quantisierungsfehlers bei der Signaldigitalisierung erläutert, ein Verfahren zur Ermittlung der tatsächlichen Größe der Aliasingfrequenzen beschrieben, die Änderung der Standardabweichung einer mit einem Mittelwertbildner gefilterten harmonischen Schwingung in Abhängigkeit von der Filterordnung untersucht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt im Entwurf der digitalen Filter, die als kaskadierte Mittelwertbildner verwirklicht werden. Diese Filterart zeichnet sich durch eine Reihe der Vorteile aus. Dazu gehören eine einfache Realisierbarkeit, die Möglichkeit zur schnellen Umstellung der Gruppenlaufzeit und die leichte Anpassung an die Signalform. Alle diese Eigenschaften entsprechen den Anforderungen an die digitale Signalverarbeitung in der dynamischen Wägetechnik. Es wurden Algorithmen zum Entwurf der angepassten Filterung auf Basis der kaskadierten Mittelwertbildnerstrukturen sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich vorgestellt und verglichen. Im praktischen Teil wurde die Umsetzung eines der Verfahren in einer realen Waage gezeigt. Zur Triggerung der Zeitpunkte des Messanfangs und des Messendes werden Lichtschranken eingesetzt, die am Anfang und am Ende des Wägebandes angebracht sind. In der vorliegenden Arbeit wurde eine modifizierte Variante der Lichtschrankenanordnung beschrieben, die die Möglichkeit vorsieht, die Gruppenlaufzeit des eingesetzten Filters an die verfügbare Messzeit anzupassen. Praktische Umsetzung des Prinzips wurde gezeigt. Ein weiterer Ansatz, der in der Verwendung zu diesem Zweck digitaler Differenzierer besteht, wurde herausgearbeitet.
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Beiträge zur Verringerung der Messunsicherheit der Nanopositionier- und Nanomessmaschine, 2008. - Online-Ressource (PDF-Datei: VI, 102 S., 4,57 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2008
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Fortschreitende Miniaturisierung, steigende Messbereiche, Messauflösungen und Reproduzierbarkeiten sowie immer kleinere Messunsicherheiten stellen einige der steigenden Anforderungen an Entwicklungen in der dreidimensionalen Koordinatenmesstechnik dar. In dieser Dissertation werden Maßnahmen zur Verringerung der Positionierunsicherheit beim Messen mit einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPM-Maschine) vorgestellt, die einige der genannten Anforderungen erfüllt. Sie erreicht in einem Messbereich von 25 mm x 25 mm x 5 mm eine Positionsauflösung von 0,1 nm. Die NPM-Maschine wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau in Zusammenarbeit mit der SIOS Messtechnik GmbH entwickelt. Aus der Analyse der bisher vorliegenden Positionierunsicherheit bei Differenzmessungen zwischen zwei beliebigen Messpunkten im gesamten Messbereich werden Maßnahmen zur Verringerung der einzelnen Beiträge zur Positionierunsicherheit abgeleitet. Der größte Anteil der kombinierten Positionierunsicherheit entsteht durch die Temperaturempfindlichkeit des bisherigen Aufbaus, speziell durch die thermisch bedingte Dehnung der Längenmesssysteme, und aufgrund der begrenzten Stabilisierung der Temperatur. Die zur Längenmessung verwendeten Planspiegelinterferometer wurden daher konstruktiv verändert. Die Messunsicherheitsbeiträge durch die begrenzte Stabilisierung der Laserfrequenz der Interferometer und durch Abweichungen bei der Korrektur der Luftbrechzahl werden damit ebenfalls reduziert. Zur Verringerung der Temperatureinflüsse werden die vertikalen, elektrodynamischen Antriebssysteme durch eine neuartige Gewichtskraftkompensation stärker entlastet und die Temperaturstabilität in der Messkammer durch eine verbesserte Klimaregelung erhöht. Messobjekte werden zusammen mit einer Messspiegelecke bewegt, deren Position und Winkellage durch die Interferometer und elektronische Autokollimationsfernrohre bestimmt werden. Eine neu konstruierte, monolithische Messspiegelecke wird aus Zerodur gefertigt und statisch bestimmt gelagert. Dadurch treten verkleinerte Oberflächenabweichungen bei der Befestigung in der NPM-Maschine auf. Durch Verbesserungen bei der Justierung und Kalibrierung der Winkelsensoren wird die Messunsicherheit der Winkelmessung deutlich verkleinert. Die bei Verkippung des Messobjektes entstehenden Längenmessabweichungen erster und zweiter Ordnung werden dadurch reduziert. Aus den durchgeführten Verbesserungen resultiert eine enorme Verringerung der Positionierunsicherheit in der NPM-Maschine bei der Bestimmung einer Längendifferenz.
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Interferenzoptische Kraftsensoren für den Lastbereich bis 0,1 Newton. - 98 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2008
Ein Beitrag zur Entwicklung eines laserinterferometrischen Trackingsystems für die Genauigkeitssteigerung in der Koordinatenmesstechnik. - Bremerhaven : Wirtschaftsverl. NW, Verl. für neue Wiss., 2007. - 136 S.. - (PTB-Bericht) : Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2007
ISBN 978-3-86509-676-0
In der Industrie werden Produkte in immer kürzeren Entwicklungszyklen, mit immer engeren Fertigungstoleranzen und einer zunehmend komplexeren Funktionalität entwickelt. Daraus leiten sich immer höhere Anforderungen an die Fertigungsmesstechnik ab. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Dissertation die Realisierung eines genauigkeitssteigernden Verfahrens für Koordinatenmessgeräte beschrieben. Dieses so genannte Additiv-Verfahren basiert auf der Implementierung eines hochgenauen laserinterferometrischen Trackingsystems in ein Koordinatenmessgerät. Für jeden Messpunkt im Raum wird zusätzlich zu den Koordinaten des Koordinatenmessgerätes eine weitere Längenmessung in der interessierenden Messrichtung durchgeführt. Die mathematisch optimierte Einbindung dieser Zusatzinformation führt zu einer Verringerung der Messunsicherheit. Die Entwicklung des laserinterferometrischen Trackingsystems ist ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Dissertation. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Ausführung eines Lasertrackers, mit der sich interferometrische Längenmessungen im Raum durchführen lassen. Durch ein neues Prinzip der Laserstrahlnachführung beziehen sich bei dem interferometrischen Trackingsystem alle interferometrischen Längenmessungen auf einen ortsfesten Referenzpunkt im Raum. Hierdurch wird eine erheblich reduzierte Messunsicherheit in den Längenmessungen erreicht, was durch ein ausführliches Messunsicherheitsbudget belegt wird. Die Anwendung des Additiv-Verfahrens setzt die Systemintegration des interferometrischen Trackingsystems in ein Koordinatenmessgerät und die Programmierung entsprechender Mess- und Auswertesoftware voraus. Mit der in der vorliegenden Arbeit beschriebenen Umsetzung konnte ein Lösungsansatz zur Reduzierung der Messunsicherheit auf Koordinatenmessgeräten für viele dreidimensionale Messaufgaben entwickelt werden. Anhand von Messergebnissen wird gezeigt, dass sich auf der Basis des Additiv-Verfahrens Formmessungen an einfachen und komplexeren Objekten mit einer wesentlich geringeren Messunsicherheit durchführen lassen. Unter Beachtung ermittelter Einflussgrößen kann der Grad der erzielbaren Genauigkeitssteigerung optimiert werden.
Beitrag zur Entwicklung nanoskaliger Kalibriersysteme, 2006. - Online-Ressource (PDF-Datei: 175 S., 3480 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2006
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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Grundlagen kompakter nanoskaliger Kalibriersysteme. Solche Systeme dienen der flexiblen statischen und dynamischen Kalibrierung von Längenmesssystemen, wie sie beispielsweise in Form von Rastersondenmikroskopen, Längenmesstastern und Tastschnittgeräten eingesetzt werden. Das hier vorgestellte Prinzip eines Kalibriersystems basiert, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, auf einem höhenvariablen Normal, das zusätzlich die Kalibrierung dynamischer Parameter gestattet. Es soll anstatt der herkömmlichen Normale eingesetzt werden und besteht im wesentlichen aus einer Positioniereinheit, mit der eine vom Prüfling angetastete Platte positioniert wird sowie einem Längenmesssystem, mit dem die Positionierungen rückführbar gemessen werden können. Die Dissertation geht zunächst auf die Anforderungen an ein solches Normal ein und beschreibt den Prototypen eines entsprechenden Kalibriersystems. Er verwendet ein neuartiges streifenzählendes Homodyninterferometer zur gleichzeitigen Längen- und Winkelmessung mit herausragenden Auflösungen und geringen Messunsicherheiten. Weitere wesentliche Komponenten sind die Hardware- und Softwaresignalverarbeitung sowie die Benutzeroberfläche unter MATLAB. Mittels des im Rahmen der Arbeit aufgebauten Prototyps wurden Kalibrierungen eines Rastersondenmikroskops und eines induktiven Längenmesstasters durchgeführt. Es konnten dabei statische und dynamische Parameter bestimmt werden. Während die zunächst eingesetzte Positioniereinheit Abmessungen von 50 mm x 60 mm x 50 mm aufweist, erfüllt eine zweite mit Abmessungen von 50 mm x 50 mm x 25 mm alle Anforderungen an ein flexibles nanoskaliges Kalibriersystem. Das Kalibriersystem erreicht bei Kurzzeitmessungen Messunsicherheiten von u_c=3,4 nm bzw. u_c=0,81 nm und eignet sich als Ersatz und Ergänzung herkömmlicher körperlicher Normale für zahlreiche Kalibrieraufgaben der Nanomesstechnik.
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Lichtwellenleitergekoppelte Miniaturinterferometer für die Präzisionsmesstechnik. - VI, 149 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2006
Temperaturkompensation von Präzisionsmeßgeräten. - 133 S. Ilmenau : Techn. Univ., Habil.-Schr., 2006
Ein Beitrag zur Feuchtekompensation von Präzisionsmeßgeräten, 2005. - Online-Ressource (PDF-Datei: 101 S., 1856 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2005
Parallel als Druckausg. erschienen
Eine Entwicklungsrichtung zur Reduzierung der Meßunsicherheit von Präzisionsmeßgeräten ist die Minimierung von Querempfindlichkeiten der Meßgeräte auf Störgrößen. Zu den Störgrößen zählen alle auf ein Meßgerät wirkenden Einflüsse außer der eigentlichen Meßgröße. Eine wesentliche Rolle spielen die drei Klimagrößen Temperatur, Luftfeuchte und Luftdruck. Stand der Technik ist, daß ein Großteil der heutigen Präzisionsmeßgeräte über eine weitgehende Störgrößenunterdrückung verfügt. Besonders das Gebiet der Reduzierung der Feuchteabhängigkeit bietet jedoch noch erhebliches Potential zur weiteren Verringerung der Meßunsicherheit. Die vorliegende Arbeit stellt eine systematische Vorgehensweise zur Erzielung eines feuchteunabhängigen Meßgerätes vor. Ausgehend von den Ursachen der Feuchteabhängigkeit werden Methoden zur Reduzierung der Feuchteabhängigkeit abgeleitet. Diese Methoden lassen sich in zwei Kategorien einteilen: 1. Minimierung des für die Feuchteabhängigkeit verantwortlichen Feuchtetransportes. 2. Kompensation der Feuchteabhängigkeit auf der Basis mathematischer Methoden. Der Feuchtetransport läßt sich durch die Konstanthaltung der relativen Feuchte im Meßgerät, z.B. durch Feuchtepufferung, fast vollständig unterbinden. Weiterhin kann das Eindringen von Feuchtigkeit in Bauteile durch konstruktive Maßnahmen wie Kapselung, Versiegelung und Abdichtung reduziert werden. Unter einer Vielzahl von Varianten zur Modellierung des Verhaltens von Systemen sind sogenannte Polynommodelle zur mathematischen Feuchtekompensation besonders gut geeignet. Durch diese Modelle ist es möglich, die statische und die dynamische Feuchteabhängigkeit gemeinsam zu beschreiben. Wesentlichen Einfluß auf die Güte einer mathematischen Kompensation hat neben der Modellstruktur auch die Darstellungsvariante der Feuchte (relative Feuchte, absolute Feuchte, Dampfdruck, Taupunkttemperatur und ähnliche). Zur Ermittlung der Feuchteabhängigkeit von Präzisionsmeßgeräten sind experimentelle Untersuchungen erforderlich. Da zwischen Temperatur- und Feuchteabhängigkeit Wechselwirkungen bestehen, müssen die zeitlichen Verläufe von Lufttemperatur und Luftfeuchte orthogonal sein. Nur unter dieser Voraussetzung können aus den Experimenten statistisch gesicherte Aussagen zur Temperatur-und Feuchteabhängigkeit getroffen werden.
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