Master theses, diploma theses

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Created on: Wed, 29 May 2024 23:06:52 +0200 in 0.0715 sec


Köhler, Florian;
Entwicklung einer browserbasierten Schnittstelle für Mikrocontroller in Echtzeit-Messsystemen zur Konfiguration sowie Erfassung, Aufbereitung und Visualisierung relevanter Prozessdaten. - Ilmenau. - 101 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Diese Abschlussarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Webschnittstelle zur Datenaufnahme und -visualisierung mit einem domänenspezifischen Messgerät. Ziel ist dabei, die Eignung der Webplattform für solche Anwendungsarten zu ermitteln. Das verwendete Messsystem ist die TraceBox der MOTEON GmbH mit einem AURIX TC397 Mikrocontroller. Sie wird über Ethernet gesteuert und ermöglicht die echtzeitfähige Erfassung von Prozessgrößen einer über SPI angeschlossenen Motorsteuerung. Die im Rahmen dieser Arbeit spezifizierte und realisierte Webanwendung WebLens wird von diesem Messgerät gehostet und kann mit einem aktuellen Browser unter Windows genutzt werden. Hauptbestandteil der Anwendung ist das Oszilloskop zum Aufnehmen, Verarbeiten und Visualisieren der SPI-Daten. Es ermöglicht die Spezifikation der Vorverarbeitung empfangener Daten in Form eines Datenflussgraphen mit programmierbaren, mathematischen Transformationen. Die transformierten Signale können in einen Ringspeicher aufgenommen, in Diagrammen gruppiert und dort untersucht werden. Die Single Page Application ist maßgeblich in Rust mit dem Leptos Webframework programmiert und wird mittels WebAssembly für den Browser kompiliert. Anwendung und TraceBox kommunizieren dabei über das WebSocket Protokoll. Auf einem Notebook mit Intel i5-1245U und 16 GB RAM kann WebLens mindestens 48 Signale mit einer 20 kHz Samplerate und einer 10 Hz Diagramm-Aktualisierungsrate 180 s lang verlustfrei aufnehmen. Trotz dieses Erfolges zeigt sich hinsichtlich der Forschungsfrage, dass die Webplattform noch nicht über alle üblichen Systemschnittstellen verfügt. Deswegen können nicht alle Arten von Anwendungen damit realisiert werden.



Liu, Kun;
Simulationsgestütze Bestimmung der Wärmeverluste in einem Guarded-Hot-Plate (GHP) : Aufbau und messtechnische Validerung. - Ilmenau. - 54 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2024

Diese Arbeit beschreibt die Kalibrierung eines Wärmestromsensors durch den Einsatz einer Guarded-hot-Plat-Gerät. Das Gerät ist in der Lage, die Wärmestromverluste in axialer und radialer Richtung genau zu quantifizieren. Um die Verluste zu bestimmen, soll die Struktur zunächst mit einem FEM-Modell nachgebildet werden. Mit diesem Modell soll eine thermisch-statische Simulation durchgeführt werden, mit der die Wärmestromverluste theoretisch bestimmt werden können. Darüber hinaus soll das Modell an weiteren Betriebspunkten validiert werden. Ein Betriebspunkt stellt dabei eine geeignete Variation der Parameter dar, die zu einem anderen Wärmestromverlust führt.



Untersuchungen zur Korrektur von paristären Effekten und Nichtlinearitäten in selbstkalibrierenden Kraftmesssystemen. - Ilmenau. - 55 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Zur Kalibrierung eines Kraftmess- oder Wägesystems nach dem Prinzip der Kibble-Waage ist die Einführung eines zusätzlichen Bewegungsmodus in ein System nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation erforderlich. Zur Bestimmung der Aktorkonstante des Messsystems werden die Geschwindigkeit der Spulenbewegung und die daraus resultierende induzierte Spannung gemessen. Nichtlinearitäten und kleine parasitäre Effekte können bei der Kalibrierung und Messung nicht mehr vernachlässigt werden, wenn geringe Messunsicherheiten angestrebt werden. Dies betrifft Phänomene sowohl bei der Anregung des Systems als auch bei der Erfassung der Messdaten. Diese Phänomene werden z.B. durch nichtlineare Verformungen der Führungsmechanik, durch die realen Eigenschaften der Analog-Digital-Wandlung und durch parasitäre elektrische und elektromagnetische Effekte verursacht. In dieser Arbeit werden eine systematische Erfassung der resultierenden Nichtlinearitäten am Beispiel der am Institut PMS entwickelten Planck-Waage PB2 und die Zuordnung bzw. Modellierung einiger ursächlicher Effekte bestimmt. Daraus werden Maßnahmen zur rechnerischen Korrektion der Effekte oder zu einer möglichen Umgestaltung des Systems abgeleitet . Die durchgeführten Korrektionen werden weiterhin bezüglich ihres Messunsicherheitsbeitrages bewertet.



Inbetriebnahme und messtechnische Validierung einer Kalibriereinrichtung von Hochtemperaturthermoelementen unter Schutzgasatmosphäre bzw. Hochvakuum. - Ilmenau. - 72 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Diplomarbeit 2023

Mit dem Ziel Thermoelemente im Hochtemperaturbereich unter verschiedenen Mediumbedingungen zu kalibrieren, wurden in der vorliegenden Diplomarbeit die Eigenschaften eines neu entwickelten Hochtemperaturkalibrierofens untersucht. Mit diesem ist es möglich, Kalibrierungen bis zu einer Temperatur von 1500 ˚C unter Vakuum bzw. Schutzgas (hier: Argon) durchzuführen. Außerdem ermöglicht der Kalibrierofen Messungen mit und ohne Ausgleichsblock. Dieser wurde speziell für nicht genormten Molybdän/ Rhenium-Thermoelemente konzipiert, die eine Temperaturmessung bis 2600 ˚C zulassen. Dabei galt es, herauszufinden, welcher Betriebsmodus sich am besten für eine Kalibrierung eignet und für jedes Szenario ein eigenes Messunsicherheitsbudget aufzustellen. Darüber hinaus wurden insbesondere das axiale, radiale und zeitliche Temperaturprofil mit Typ S Thermoelementen unter den verschiedenen Bedingungen experimentell ermittelt und daraus die Gesamtmessunsicherheit errechnet. Gemessen wurde das Ganze jeweils bei 600 ˚C, 900 ˚C, 1200 ˚C und 1500 ˚C. Dabei existierten vier verschiedene Szenarien: Szenario 1: Messung unter Vakuumatmosphäre mit Ausgleichsblock Szenario 2: Messung unter Vakuumatmosphäre ohne Ausgleichsblock Szenario 3: Messung unter Argonatmosphäre mit Ausgleichsblock Szenario 4: Messung unter Argonatmosphäre ohne Ausgleichsblock Die Ergebnisse der Messungen haben gezeigt, dass es insbesondere bei 600 ˚C sehr große Temperaturschwankungen zwischen den sechs möglichen Steckplätzen gibt. Diese Schwankungen sind vor allem bei den Messungen mit Ausgleichsblock aufgetreten. Ferner ist die Einschwingzeit ohne Ausgleichsblock, unabhängig ob im Vakuum oder Argon, bis zu sechs Mal schneller als mit Ausgleichsblock. Das hat den Vorteil einer deutlich geringeren Abkühlzeit. Außerdem zeigten die Messergebnisse, dass die Gesamtmessunsicherheit mit zunehmender Temperatur geringer ausfällt. Es bleibt festzuhalten, dass sich das Messregime in Vakuum ohne Ausgleichsblock am besten zur Kalibrierung eignet.



Barthelmann, Lukas Leon;
Synthese eines selbstvalidierenden Tieftemperatursensors auf Siliziumbasis für den kryogenen Temperaturbereich. - Ilmenau. - 185 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die Darstellung kryogener Temperaturen mithilfe bezahlbarer und zuverlässiger Temperatursensoren gewinnt immer mehr an Bedeutung. So auch der Einsatz von Halbleiterbauelementen im kryogenen Bereich. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein redundantes Sensorkonzept auf der Basis von Widerständen zum Zwecke der Temperaturmessung vorgestellt. Dieses Konzept beinhaltet die Kopplung eines bordotierten Halbleiterwiderstandes aus Silizium, hergestellt durch die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, mit einem Metallwiderstand der Fa. UST Umweltsensorik GmbH zum Zwecke der Temperaturmessung im Bereich von 8 K bis 300 K. Einzeluntersuchungen der Sensorelemente haben gezeigt, dass sich die Widerstands-Temperatur-Kennlinien von hochdotierten Halbleiterwiderständen nicht nur für Thermometriezwecke eignen, sondern auch ein Widerstandsmaximum im Bereich von 60 K aufweisen. Über Variation der Prozessparameter wie bspw. die Dotierung ist die Verschiebung des Maximums entlang der Temperaturachse zu kleineren Temperaturen möglich. Als Ergebnis der messtechnischen Untersuchungen wird geschlussfolgert, dass die Halbleiterwiderstände im Bereich von 8 K bis 200 K und die Metallwiderstände zwischen 15 K und 300 K für Thermometriezwecke geeignet sind. Bei der Untersuchung eines Funktionsmusters, welches einen Prototypen des kombinierten Sensors darstellt, konnten am Temperaturpunkt von 15,1 K Unsicherheiten im Bereich von ca. ± 0,35 K für k=1 erreicht werden. Um die sich fortpflanzenden Widerstandsunsicherheit so klein wie möglich zu halten, wurde die Strombestimmung mithilfe eines kalibrierten Präzisionswiderstandes durchgeführt. Die Zweideutigkeit der R(T)-Kennlinie der Halbleiterwiderstände wird im Rahmen einer entwickelten Messelektronik durch die Eineindeutigkeit der Kennlinie der Metallwiderstände ausgeglichen.



Hein, Georg;
Untersuchung von Einflussfaktoren auf die berührungslose Messung der Temperatur von Fahrbahnoberflächen. - Ilmenau. - 127 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die Strahlungstemperaturmessung ermöglicht es, die Oberflächentemperatur von Fahrbahnen zu bestimmen und dadurch Erkenntnisse über den Glättezustand bei winterlichen Witterungsbedingungen zu erhalten. Dabei benötigt das berührungslos arbeitende Messinstrument keinen physischen Kontakt zur Fahrbahn und beeinflusst ihr thermisches System deshalb nicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zu einem Prüfstand, mit dem es möglich ist, die berührungslose Oberflächentemperaturmessung auf Fahrbahnen zu erproben. Es können winterliche Umweltbedingungen nachgestellt und verschiedene Umweltmessgrößen an Proben und in deren Umfeld erfasst werden. Zur Beschreibung des thermischen Systemverhaltens der Fahrbahnproben wurden vier Modelle entwickelt und deren Prognosegenauigkeit für spezifische Systemzustände im Prüfstand miteinander verglichen. Es konnten insbesondere ein nach dem Prinzip des thermischen Ersatzschaltbildes entwickeltes Modell und ein künstliches neuronales Netz als geeignet identifiziert werden. Weiterhin wurde der Emissionsgrad des Fahrbahnmaterials zunächst anhand einer eingehenden Literaturrecherche abgeschätzt und anschließend für zwei unterschiedliche Fahrbahnproben mit zwei Vergleichsmessverfahren bestimmt. Die Messungen bestätigten den zuvor abgeschätzten Wert des Emissionsgrades. Darüber hinaus wurde das thermische Systemverhalten während instationärer Versuchsabläufe untersucht. Es zeigte sich, dass die mit dem Prüfstand simulierten Umweltbedingungen den zeitlichen Verlauf an einem Referenztag mit winterlichem Wetter, aufgenommen auf einem realen Testfeld, mit Einschränkungen nachbilden konnten. Abgeleitet von den gewonnenen Erkenntnissen wird die Bedeutung wichtiger Einflussgrößen auf die Genauigkeit der berührungslosen Fahrbahntemperaturmessung erläutert und es werden Vorschläge für den Einsatz des Verfahrens im Straßenmessbetrieb unterbreitet.



Hoffmann, Maximilian;
Entwicklung von Sensoren und Aktoren zur aktiven Stabilisierung des Brechungsindex der Luft für Hochpräzisionsanwendungen. - Ilmenau. - 90 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Nanomess- und Positioniertechnik hat sich in den letzten Jahrzehnten zu einer weltweiten Schlüsseltechnologie in der Herstellung von Mikro- und Nanostrukturen entwickelt. Die Industrie ist daher auf immer genauere und leistungsfähigere Maschinen angewiesen. Das Fachgebiet Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau arbeitet und forscht schon seit über 20 Jahren sehr erfolgreich an solchen Maschinen. Einer der größten Erfolge aus diesen Forschungen ist die Nanomess- und Nanopositioniermaschine NPMM-200 der Technischen Universität Ilmenau. Die Positionsbestimmung erfolgt bei dieser Maschine mit Laserinterferometern. Ziel dieser Arbeit ist die Stabilisierung der Luftbrechzahl, da diese ein entscheidenden Einfluss auf die Messsysteme und somit auch auf das Mess- und Positionierverhalten hat. Die Bestimmung der Luftbrechzahl erfolgt durch die Erfassung der Umweltparameter in der Messkammer der Maschine und anschließend eine Manipulation und entsprechende Stabilisierung mit Hilfe des Kammerdrucks. Eine technische Lösung ist sowohl hardware- als auch softwareseitig zu entwickeln und das System umfassend zu validieren. Die Zielsetzung für eine langfristige relative Abweichung der Brechzahl ist der Bereich von ±10^−11 in der Messkammer.



Betz, Alexander;
Gewichtskraftkompensation für eine Nanopositionier- und Nanomessmaschine. - Ilmenau. - 74 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Die stetige Verkleinerung von Mikrosystemen ist ein wichtiger Treiber für die Entwicklung moderner Technologien. Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit großem Verfahrbereich und höchster Genauigkeit spielen dabei eine wichtige Rolle. Diese Maschinen können nicht nur in der Präzisionsmesstechnik eingesetzt werden, sondern sind auch in der Fabrikation von Nanostrukturen von zentraler Bedeutung. An der TU Ilmenau wurde daher die Nanopositionier- und Nanomessmaschine NPMM-200 mit einem Messbereich von 200 mm × 200 mm × 25 mm und einer Auflösung von 20 pm entwickelt. Die Aktoren der z-Achse müssen die Schwerkraft permanent kompensieren, die dabei entstehende Abwärme stört das verwendeten Messsystem. Aus diesem Grund ist in der NPMM-200 eine passive Gewichtskraftkompensation (GKK) eingebaut. Da die Anpassung dieser an verschiedene Nutzlasten nur händisch in drei Antriebsachsen erfolgt, soll diese durch eine aktive GKK mit einem pneumatischen Aktor ersetzt werden. Diese Arbeit präsentiert die Implementierung dieser aktiven GKK. Zunächst wird ein Versuchsaufbau mit einem Präzisionsmesssystem und einer Tauchspule in Betrieb genommen. Anschließend wird die Regelung der GKK an dem Versuchsaufbau ausgelegt. Nachfolgend werden Funktionstests durchgeführt, die zeigen, dass die GKK eine Kraft von bis zu 133 N über den gesamten Verfahrbereich von 25 mm kompensieren kann, ohne einen störenden Einfluss auf die Positioniergenauigkeit der Nanopositionier- und Nanomessmaschine zu haben. Die GKK zeigt auch in der NPMM-200 das geforderte Verhalten.



Zhang, Zonghao;
Realisierung eines adaptiven Systems zur Anpassung eines Laserstrahls an eine geneigte Oberfläche durch ein senkrechtes Objektiv. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Beim direkten Laserschreiben wird ein UV-Laser auf ein mit Photoresist beschichtetes Substrat fokussiert. Im Vergleich zur traditionellen Maskenbelichtung bietet es eine größere Flexibilität und kann ein breites Spektrum unterschiedlicher Belichtungsanforderungen erfüllen. Eine wichtige Aufgabe hierbei die Belichtung von Substraten mit dreidimensionalen Oberflächen mit gleichbleibender hoher Qualität, also möglichst kleinen Strukturbreiten. Ziel dieser Studie ist Realisierung eines adaptiven Systems zur Anpassung eines Laserstrahls an eine geneigte Oberfläche durch ein senkrechtes Objektiv. Zunächst muss der Ablenkwinkel des zu messenden Objekts gemessen werden. Aus dem Ablenkwinkel wird der Zusammenhang zwischen Ablenkwinkel und Ausgleichswinkel modelliert. Dabei soll das einfallende Licht mit Hilfe adaptiven Spiegel immer senkrecht zur Oberfläche des Messobjekts zu stellen. Dadurch kann die Belichtung des Photoresist auf der Messobjekt verbessert werden. Um große Ablenkungen auf dem Detektor messen zu können, wurde ein Bessel-Strahl integriert. Dieser reagiert sehr empfindlich auf die Ablenkung, weil durch diesen konisch-zulaufende parallele Strahlen an der Probe reflektieren. Damit ist es möglich über ein adaptives Kompensationselement den Ablenkungswinkel zu kompensieren. Für die Auslegung und Optimierung des neuartigen Prinzips wurde die Software Zemax verwendet, Mittels Baukastenoptiken und -Optomechanik wurde ein Demonstrator aufgebaut. Der Neigungswinkelkompensation wird durch einen piezoelektrischen Kippspiegel umgesetzt. Erste qualitative Ergebnisse bestätigen die grundlegende Funktion des vorgeschlagenen Prinzips.



Xu, Dongli;
Optimierung der Wellenfront eines Laserstrahls für das Direktlaserschreiben durch einen deformierbaren Spiegel . - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2023

Im Vergleich zur traditionellen Maskenbelichtung ist das Direktlaserschreiben flexibler für bestimmte Spezialaufgaben sowie effizienter und genauer. Bei dieser Technik belichtet ein UV-Laser das fotogeätzte Substrat, um das gewünschte Reliefprofil zu erzeugen. Eine wichtige Aufgabe ist die hochqualitative Belichtung von Substraten mit dreidimensionalen Oberflächen. Am Fachgebiet Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik wird die Nanopositionier- und Nanomessmaschine eingesetzt, um sicherzustellen, dass sich der UV-Belichtugnslaser mit einer Genauigkeit im Nanometerbereich über die Oberfläche bewegt. Da dies von der aktuellen Probenform abhängt, wird ein adaptives optisches System die Form des Lichtflecks zu verringern. Dazu soll ein deformierbarer Spiegels die Wellenfront auf Basis von der Messung eines Shack-Hartmann-Sensors anpassen. Aber dem am Fachgebiet verfügbaren deformierbaren Spiegel fehlt dazu eine passende Ansteuerung, um Wellenfrontaberrationen zu kompensieren. Daher wird in dieser Arbeit eine neue Ansteuerungsschaltung für den deformierbaren Spiegel Spiegel entwickelt. Der vom Detektor detektierten Neigungswinkel der Probe in eine Steuerspannung umwandelt, mit der der deformierbare Spiegel verformt und eine Korrektur der Neigungsfehler erreicht werden kann. Mit Hilfe eines Algorithmus wurde zunächst die Oberfläche des verformbaren Spiegels simuliert, um eine kontrollierbare Oberflächenform zu erhalten. Entsprechend dem Entwurf wird ein Schaltungssystem zur Ansteuerung des Verformungsspiegels aufgebaut.