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Erstellt: Tue, 21 Nov 2017 23:05:08 +0100 in 0.0181 sec


Xie, Weichang; Hagemeier, Sebastian; Bischoff, Jörg; Mastylo, Rostyslav; Manske, Eberhard; Lehmann, Peter
Transfer characteristics of optical profilers with respect to rectangular edge and step height measurement. - In: Optical Measurement Systems for Industrial Inspection X / Optical Measurement Systems for Industrial Inspection ; 10 (Munich) : 2017.06.26-29. - Bellingham, Washington, USA : SPIE, (2017), 1032916, insges. 16 S.

Optical profilers are mature instruments used in research and industry to study surface topography features. Although the corresponding standards are based on simple step height measurements, in practical applications these instruments are often used to study the fidelity of surface topography. In this context it is well-known that in certain situations a surface profile obtained by an optical profiler will differ from the real profile. With respect to practical applications such deviations often occur in the vicinity of steep walls and in cases of high aspect ratio. In this contribution we compare the transfer characteristics of different 3D optical profiler principles, namely white-light interferometry, focus sensing, and confocal microscopy. Experimental results demonstrate that the transfer characteristics do not only depend on the parameters of the optical measurement system (e. g. wavelength and coherence of light, numerical aperture, evaluated signal feature, polarization) but also on the properties of the measuring object such as step height, aspect ratio, material properties and homogeneity, rounding and steepness of the edges, surface roughness. As a result, typical artefacts such as batwings occur for certain parameter combinations, particularly at certain height-to-wavelength ratio (HWR) values. Understanding of the mechanisms behind these phenomena enables to reduce them by an appropriate parameter adaption. However, it is not only the edge artefacts, but also the position of an edge that may be changed due to the properties of the measuring object. In order to investigate the relevant effects theoretically, several models are introduced. These are based on either an extension of Richards-Wolf modeling or rigorous coupled wave analysis (RCWA). Although these models explain the experimental effects quite well they suffer from different limitations, so that a quantitative correspondence of theoretical modeling and experimental results is hard to achieve. Nevertheless, these models are used to study the characteristics of the measured signals occurring at edges of different step height compared to signals occurring at plateaus. Moreover, a special calibration sample with continuous step height variation was developed to reduce the impact of unknown sample properties. We analyzed the signals in both, the spatial and the spatial frequency domain, and found systematic signal changes that will be discussed. As a consequence, these simulations will help to interpret measurement results appropriately and to improve them by proper parameter settings and calibration and finally to increase the edge detection accuracy.


Darnieder, Maximilian; Marangoni, Rafael R.; Theska, René; Fröhlich, Thomas; Rahneberg, Ilko
Contribution to the mechanical enhancement of load cells in precision weighing technology by means of advanced adjustment strategies. - In: Proceedings of the 17th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology / International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology ; 17 (Hannover) : 2017.05.29-06.02. - Bedford : euspen, ISBN 978-0-9957751-0-7, (2017), S. 411-412

The accuracy of force measurement systems is predominantly influenced by its stiffness towards deflection. Monolithic mechanical systems in precision weighing technology rely on ultrathin flexure hinges. Further stiffness reduction by a decrease of the minimum hinge thickness is unfavourable. Consequently, the present concept relies on compensation rather than a reduction of the stiffness. Based on precise adjustments, the system state is altered towards an astatic state. Hereby, the overall stiffness and the tilt sensitivity is reduced. These properties have been determined as major contributions to the measurement error. The results of the theoretical investigations form a basis for future experiments and a further improvement of load cells.


Ortlepp, Ingo; Mastylo, Rostyslav; Albrecht, Arne; Manske, Eberhard
Pico litre volume measurement with a laser focus sensor on the nano measuring machine NMM-1. - In: Proceedings of the 17th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology / International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology ; 17 (Hannover) : 2017.05.29-06.02. - Bedford : euspen, ISBN 978-0-9957751-0-7, (2017), S. 400-401

A novel approach of measuring small volumes is made in our project. The goal is to utilise the Nano Measuring Machine NMM 1 in combination with a laser focus sensor to determine the volume of small water droplets. The droplet surface is scanned by the focus sensor with picometre resolution. Based on the shape of the scan lines, the actual volume of the droplet can be calculated. However, due to the small distance between the water surface and the glass carrier, the laser focus sensor signal was distorted by undesired reflections from the glass carrier the droplets are deposited on. To reduce these undesired reflections, the BK7 carrier was anti-reflection coated. When a SiO2 layer of appropriate thickness is deposited on the carrier, the reflectance at the water-glass interface can be considerably lowered. This drastically improves the sensor signal, thus enables the correct measurement of the droplets' shapes and hence the calculation of their volume.


Eisenhauer, Nora
Optimierung einer Methode zur optischen Winkelmessung mit einem Kösters-Prisma. - Ilmenau. - 80 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit, 2017

Im Rahmen der Arbeit wurde ein kompakter Interferometeraufbau zur Winkelmessung realisiert. Das divergente Licht einer fasergekoppelten LED wird in eine Anordnung aus einem Kösters-Prisma und einem Messspiegel eingekoppelt und erzeugt ein Weißlichtinterferenzmuster. Die Winkellage und der Abstand der Interferenzstreifen ändern sich in Abhängigkeit des Winkels des Messspiegels und werden mittels einer Kamera erfasst. In Experimenten konnte das Interferenzmuster in einem Winkelbereich von 16' ausgewertet werden. Die Winkelfehler (Schielfehler) der verwendeten Kösters-Prismen haben dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung des Interferenzmusters. Zwischen der Kippung des Messspiegels und der Neigung der Interferenzstreifen besteht ein Zusammenhang in Form einer Arkustangens-Funktion. Je größer der Schielfehler ist, desto flacher ist der Anstieg am Nullpunkt dieser Arkustangens-Funktion. Zudem wurde herausgefunden, dass die Abstände der Interferenzstreifen mit größer werdendem Versatz der Lichtpunkte auf der CMOS-Zeile immer schmaler werden. Das Verhältnis zwischen Streifenneigungs- und Spiegelkippwinkel im Experiment beträgt am Umkehrpunkt 1˚=0,67'' (Versuchsreihe 3, Messreihe 2).


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/89264236Xeisen.txt
Marangoni, Rafael R.; Rahneberg, Ilko; Hilbrunner, Falko; Theska, René; Fröhlich, Thomas
Analysis of weighing cells based on the principle of electromagnetic force compensation. - In: Measurement science and technology : devoted to the theory, practice and application of measurement in physics, chemistry, engineering and the environmental and life sciences from inception to commercial exploitation. - Bristol : IOP Publ, ISSN 13616501, Bd. 28 (2017), 7, S. 075101, insges. 7 S.
https://doi.org/10.1088/1361-6501/aa6bcd
Einenkel, Tobias
Gravimetric compensation system for LNG calibration. - Ilmenau. - 160 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit, 2017

Die Kalibrierung ist in der Messtechnik ein unverzichtbares Mittel zur präzisen Charakterisierung von Messgeräten für die Forschung, Wirtschaft, Industrie und den Privatgebrauch. Um hohe Zusatzkosten bei der Nutzung zu vermeiden, werden immer geringere Kalibrierunsicherheiten von den Messgeräten gefordert. Ein Beispiel dafür sind Durchflussmessgeräte, welche an Tankstellen, am Gas- und Wasserzähler oder bei der Auffüllung der heimischen Gas- bzw. Öltanks eingesetzt werden. Damit hohe Genauigkeiten der Messgeräte erreicht werden, müssen optimale und präzise Versuchsstände zur Kalibrierung entwickelt werden. Ein Versuchsaufbau zur Kalibrierung von Durchflussmessgeräten für LNG (Flüssigerdgas) befindet sich am VSL - dem Niederländischen Metrologischen Institut - in Delft. Um die Genauigkeit der Durchflusskalibrierung zu steigern, befasst sich die vorliegende Masterarbeit mit der Entwicklung eines gravimetrischen Kompensationssystems für die LNG Kalibrierung. Zur systematischen Umsetzung des Themas werden zunächst die Entwicklungsaufgabe und die Hintergründe des Projektes analysiert und mit Hilfe einer Anforderungsliste präzisiert. In diesem umfangreichen Anforderungskatalog werden die verschiedenen Teilmodule abgegrenzt, welche es im folgenden Entwicklungsprozess umzusetzen gilt. Hierzu gehören unter anderem die Auswahl aller benötigten elektrischen Komponenten, die Konstruktion der mechanischen Bauteile und die Auswahl und Programmierung einer industriellen Steuerung. Die Durchführung der Entwicklung wird durch Berechnungen, Simulationen und/oder Testmessungen unterstützt. Unter Beachtung der Vorschriften für explosionsgeschützte Umgebungen, deren Berücksichtigung aufgrund des Einsatzes von LNG dringend erforderlich ist, den benötigten Genauigkeiten und vorherrschenden Kraftverhältnissen wird ein vollständiges und funktionierendes Kompensationssystem entwickelt, welches in den vorhandenen Versuchsaufbau integriert wird und zu einer signifikanten Steigerung des Kalibrierergebnisses führt.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/890482063einen.txt
Oertel, Erik
Development of a control software for an atomic force microscope in LabVIEW. - Ilmenau. - 79 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit, 2017

Metrologische Rasterkraftmikroskope (MAFMs), wie sie am National Physical Laboratory (NPL) entwickelt und verwendet werden, erfordern lange Messzeiten. Eine Möglichkeit, um die Zeit für eine Messung zu reduzieren, besteht in der Nutzung von adaptiven Abtastwegen, welche eine Alternative zu den konventionellen Rasterscans darstellen. Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Entwicklung einer neuen Mess- und Steuersoftware in LabVIEW für die metrologischen Rasterkraftmikroskope von NPL. Die Software wurde auf Basis des Client-Server Modells entwickelt. Zur Erprobung der Software wurde ein einfaches Rasterkraftmikroskop aufgebaut. Dieses enthält einen Sensorkopf von NPL mit einem Faserinterferometer, durch das die Auslenkung des Cantilevers detektiert wird. Die entwickelte Software verwendet zur Erzeugung der Abtastwege die Gwyscan-Bibliothek. Diese beinhaltet neben den konventionellen Rasterscans zusätzlich nicht-äquidistante und Verbesserungsscans.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/890243166oerte.txt
Fern, Florian
Konstruktion, Aufbau und Untersuchung eines neuartigen hochauflösenden Tiltmeters. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit, 2017

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Analyse, Optimierung und der messtechnischen Untersuchung monolithischer Tiltmeter, mit nanorad Auflösung, basierend auf dem Pendelprinzips. Die Anwendungsgebiete liegen in der Geodäsie, Gehophysik und Präzisionsmesstechnik. Zu Beginn wird durch Analyse eines Prototypen die Anforderungsliste für das Gesamtsystem abgeleitet. Anhand analytischer Betrachtungen kann das statische und dynamische Verhalten der Pendel beschrieben werden. Mit Hilfe der Modelle kann ein stehendes und ein hängendes Pendel als Messsystem optimiert ausgelegt werden. Die statischen und dynamischen Eigenschaften werden anhand von FEM-Simulationen verifiziert. Aus den Umgebungsbedingungen und Einflussfaktoren werden Designrichtlinien für ein Gehäuse abgeleitet. In der messtechnischen Untersuchung werden die Positionssensoren bezüglich ihrer Langzeitstabilität, sowie den Temperatur- und Feuchtekoeffizienten untersucht. Die Ergebnisse der Untersuchung ermöglichen eine relative Qualifizierung der Sensoren. Das dynamische Verhalten kann mit Hilfe der Messung der Übertragungsfunktion bestätigt werden. Abschließend zeigt eine Untersuchung des statischen Verhaltens von zwei stehenden Pendeln eine erwartete Erhöhung der Empfindlichkeit. Ausblickend werden weitere Optimierungen bezüglich der Fertigung, sowie Anwendungsmöglichkeiten in anderen Bereichen der Messtechnik aufgezeigt.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/89011899Xfern.txt
Klein, Alexander
Fasergekoppelte In-situ-Laserhygrometer auf Basis der direkten Absorptions- und Wellenlängenmodulations-Spektroskopie für minimale Messstrecken. - Ilmenau : Universitätsbibliothek. - 1 Online-Ressource (PDF-Datei: IX, 124 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation, 2017

In der angewandten- und der Grundlagenforschung hat die Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren Diodenlasern (TDLAS) vielfachen Einsatz gefunden. Die hervorragenden spektralen Eigenschaften der Diodenlaser sowie die mögliche schnelle Abstimmung der Wellenlänge erlauben eine zuverlässige In-situ-Bestimmung absoluter Gasspezieskonzentrationen und -temperaturen mit hoher Sensitivität, Selektivität und Skalierbarkeit. Ein Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Validierung eines Absorptionsspektrometers zur Kombination der beiden meist genutzten TDLAS-Techniken - der direkten Absorptions- und der Wellenlängenmodulations-Spektroskopie. Ein schnelles Zeitmultiplex-Verfahren ermöglicht beide Methoden in einem einzigen Aufbau simultan zu verwenden. Die hierfür aufgebauten Spektrometer nutzen die direkte online Kalibrierung des WMS-Signals durch die mit dTDLAS gleichzeitig ermittelte absolute Spezieskonzentration. Hierdurch konnte die Nachweisgrenze und die Präzision um das Fünffache von 150 nmol/mol*m*Hz1/2 auf 34 nmol/mol*m*Hz1/2 verbessert werden. Dies ermöglicht Messungen absoluter Gaskonzentrationen ohne vorherige Kalibrierung gegen einen bekannten Gasstandard. Die ausgezeichneten Eigenschaften der TDLAS für die innermotorische Gasanalyse wurden in dieser Arbeit genutzt für die Entwicklung und Validierung eines Laserhygrometers für eine kalibrierungsfreie In-situ H2O-Bestimmung mit fasergekoppelten Sensorkopf für den minimal-invasiven Einsatz mit nur einem 12 mm kleinen Zugang zur Brennkammer des Verbrennungsmotors, um damit prinzipiell eine zyklusaufgelöste Analyse der Abgasrückführung zur Emissionsreduktion in modernen PKWs zu ermöglichen. Für die Entwicklung des Spektrometers wurde zunächst eine passende Absorptionslinie selektiert und die spektralen Molekülparameter metrologisch charakterisiert, was die Unsicherheit des Spektrometers massiv verringerte. Speziell die Linienstärke der gewählten Absorptionslinie bei 2,551 [my]m konnte mit einer sehr kleinen Unsicherheit von ± 1,15 % vermessen werden. Der Sensor erreichte eine Zeitauflösung von 0,9˚ Kurbelwinkel bei 1500 U/min des Motors (100 [my]s). Durch die stabile und kompakte Optik des Sensorkopfes war die optische Auflösung in der betrachteten Kompressionsphase über 130 Motorzyklen stabil bei 3,7*10-3. Dies führte zu einem SNR von 34 bei 15000 [my]mol/mol bei 1500 U/min des geschleppten Motors. Die H2O-Konzentration für den AGR-Rate relevanten Bereich, konnte absolut und kalibrierungsfrei mit ± 570[my]mol/mol bestimmt werden. Die Mittelung der Konzentration über den Kompressionsbereich von mehr als achtzig aufeinanderfolgenden Motorzyklen, ergab eine H2O-Konzentration von 13340 [my]mol/mol mit einer nur geringen Schwankung von 170 [my]mol/mol. Dieses Ergebnis bestätigt die ausgezeichnete Stabilität des Spektrometers und die damit verbundene Möglichkeit die H2O-Konzentration für eine AGR-Analyse innerhalb des Motors zyklusaufgelöst zu bestimmen.


https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00032484
Wimmel, Aaron
Schwingungsuntersuchungen sowie Optimierungen an einer ultrapräzisen Koordinatenmessmaschine. - Ilmenau. - 95 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit, 2017

Die Positionierung und Messung von Bauteilen und Strukturen im Nanometerbereich ist für die weitere industrielle Entwicklung sehr wichtig. Steigende Anforderungen an Produkte mit Strukturen und Oberflächen von höchster Genauigkeit schaffen die Notwendigkeit für geeignete Messmaschinen. An der TU Ilmenau, im Kompetenzzentrum NPMM 200, kann im Bereich Längenmessung schon heute ultrapräzise gemessen werden. Die Messgenauigkeit steht allerdings in Abhängigkeit zu einer stabilen Messumgebung ohne Störeinflüsse. Zu den Störeinflüssen zählen auch Schwingungen, welche die Messgenauigkeit herabsetzen. Diese Arbeit befasst sich mit der schwingungstechnischen Untersuchung der Nanopositionier- und Nanomessmaschine NPMM-200 und umfasst die Bereiche Schwingungstechnik, Messtechnik und Signalverarbeitung.


http://www.gbv.de/dms/ilmenau/abs/889488932wimme.txt