Das neue Positionierungssystem am Nanometerkomparator der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2018. - 1 Online-Ressource (X, 147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Der Nanometerkomparator (NMK) ist ein nationales Normal der Bundesrepublik Deutschland zur metrologischen Weitergabe der Längeneinheit gemäß der Definition des Internationalen Einheitensystems. Er wird zur Kalibrierung von Strichmaßstäben, Photomasken und interferometrischen Messsystemen über eine Länge von bis zu 550 mm eingesetzt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Positionierungssystems für dieses Referenzsystem. Das Ziel ist eine Optimierung der Positionserfassung und eine präzisere Positionierung von Längenmaßverkörperungen im stationären und dynamischen Zustand. Bei der Konzeption des NMK wurde bereits auf die Einhaltung wesentlicher Designparadigmen im Präzisionsmaschinenbau geachtet, um minimale Messunsicherheiten zu erzielen. Um die Leistungsfähigkeit in dieser Hinsicht weiter zu erhöhen und somit steigenden Anforderungen zu entsprechen, wurden Antriebs-, Steuerungs- und Wegmesssystem weiterentwickelt und ihre Abstimmung optimiert. Das Fundament bildete die Entwicklung einer Auswerteelektronik für die interferometrischen Messsysteme am NMK, deren Auswerteverfahren an die Betriebsbedingungen am Nanometerkomparator angepasst wurde und ein Auflösungsvermögen im Sub-Pikometerbereich gewährleistete. Das bestehende Antriebssystem wurde durch einen Feintrieb ergänzt, um Störungen des Antriebssystems über eine feldkraftschlüssige Verbindung mit hoher Steifigkeit zu unterdrücken. Zur Bahnsteuerung der Achsbewegungen wurde ein dezentrales Steuerungssystem geschaffen, welches Rückkopplungsdaten von der Auswerteelektronik des im NMK integrierten Vakuum-Interferometers erhielt und mit einer Unterteilung von einem Pikometer verarbeitete. Die Lageregelung für die neu geschaffene Feintriebachse wurde mit einer iterativen Reglersynthese entworfen und führte zu einem zweistufigen Regelungskonzept. Untersuchungen des geschlossenen Regelkreises zeigen auf, dass niederfrequente Störungen in erheblichem Maße unterdrückt werden und die 127 kg schwere Vorschubmechanik mit Frequenzen von bis zu 145 Hz ausgeregelt wird. Anhand experimenteller Untersuchungen wurde ein signifikant verbessertes Positioniervermögen nachgewiesen, wobei Standardabweichungen im stationären und dynamischen Zustand von weniger als 0,3 nm erreichbar sind. Darüber hinaus wurde bei Vergleichsmessungen mit einem Encoder-System nachgewiesen, dass eine Wiederholbarkeit von 0,05 nm und eine Reproduzierbarkeit von 0,28 nm bei Anwendung eines ungetriggerten Aufnahmeverfahrens technisch umsetzbar sind. Es wird zudem gezeigt, dass sowohl die Anpassungen hinsichtlich der Positionserfassung als auch das neue Positionierungssystem zur Erzielung dieser Leistungsfähigkeit beitragen.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00039102
Hochpräzise Bestimmung der Form- und Orthogonalitätsabweichungen einer Spiegelecke und Untersuchung des Verhaltens unter veränderlichen Umweltbedingungen. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2018. - 1 Online-Ressource (XVI, 179 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017
Dissertation erschienen unter dem Titel: Hochpräzise interferometrische Bestimmung der Formabweichungen einer Spiegelecke und Untersuchung des Verhaltens unter veränderlichen Umweltbedingungen
Die rasanten Entwicklungen der letzten Jahre insbesondere in der Halbleitertechnik und in verschiedenen Präzisionstechnologien erfordern immer präzisere Fertigungsprozesse, die bis an die physikalischen Grenzen vordringen. Deshalb wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau eine neue Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPM-Maschine) NPMM-200 mit einem Messvolumen von 200 mm x 200 mm x 25 mm und einer gesicherten Messauflösung von 80 pm entwickelt. Das Koordinatensystem der NPM-Maschinen wird durch das verwendete Interferometer-Raumspiegelsystem gebildet. Die Herstellung hochpräziser Spiegelflächen einer Raumspiegelecke mit höchsten Anforderungen an die Ebenheit ist nicht nur technisch schwierig, sondern auch sehr kostspielig. Die Fertigungstoleranzen limitieren die Ebenheit der Spiegelflächen der Raumspiegelecke und deren Winkellage zueinander. Daher ist es notwendig, vorhandene systematische Abweichungen der Spiegelflächen zu ermitteln und zu korrigieren. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die hochpräzise Bestimmung der Topographien der Spiegelflächen der Raumspiegelecke mit einem Fizeau-Interferometer und der Stitching-Technologie. Das Subapertur-Stitching-Interferometer für sehr große Messbereiche bis 350 mm x 350 mm besteht aus einem hochpräzisen XY-Verschiebetisch, einem handelsüblichen Fizeau-Phasenschiebe-Interferometer mit einer 6 Zoll Apertur und einer Raumspiegeleckebaugruppe mit integrierter Justiereinrichtung. Eine speziell entwickelte Software "SmartStitching" wird verwendet, um die aufgenommenen Messdaten der Subaperturen zu einer gesamten Topographie zu rekonstruieren. Der Stitching-Algorithmus kompensiert nicht nur Positionierfehler, die durch Führungsfehler des Lineartisches während der Verschiebung verursacht werden, sondern auch systematische Fehler wie z.B. Abbildungsfehler. Die absolute Topographie des Referenzspiegels wurde im Vorfeld durch den Multi-Rotations-Drei-Platten-Test kalibriert. Bei bekannter Formabweichung des Referenzspiegels kann der vorhandene systematische Fehler des Phasenschiebe-Interferometers korrigiert werden. Die Topographie des Referenzspiegels wurde dann im Datenverarbeitungssystem gespeichert, damit sie zur Korrektur systematischer Fehler verwendet werden kann. Weiterhin werden in dieser Arbeit andere Einflussfaktoren untersucht, z.B. Messfehler, die durch das Subaperture-Stiching-Interferometer verursacht werden, und dem akkumulierten Fehler, der durch den Stitching-Algorithmus verursacht wird. Ein weiterer Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die hochpräzise Bestimmung der Abweichung der Orthogonalität zwischen den Messspiegeln (xy-, xz- und yz-Messspiegel) einer Raumspiegelecke. Zwei Messverfahren wurden für die Bestimmung der Winkelfehler eingesetzt. Die Winkel zwischen den x- und y-Spiegeln werden mit Hilfe von zwei Pentaprismen, einem kalibrierten rechtwinkligen Prisma und einem hochauflösenden elektronischen Autokollimator bestimmt. Diese Kalibriermethode verwendet zwei horizontal ausgerichtete Pentaprismen und ein hochpräzises rechtwinkliges Prisma als 90˚-Winkelnormal, um Winkelfehler zwischen der x- und y-Spiegelfläche einer Raumspiegelecke zu bestimmen. Das hochpräzise rechtwinklige Prisma wurde im Vorfeld kalibriert. Die Winkel zwischen den x- und z-Spiegeln werden mit Hilfe von zwei gegeneinander ausgerichteten Pentaprismen und einem Autokollimator kalibriert. Der Autokollimator ist über ein Pentaprisma entlang der Normalen des z-Spiegels ausgerichtet. Dieses Pentaprisma bewegt sich nur entlang der x-Richtung, bis er das zweite Pentaprisma trifft und richtet nun auch das zweite Pentaprisma so, dass der Winkel der x-Spiegelfläche mit dem AKF gemessen werden kann. Die Winkelabweichung zwischen den x- und z-Spiegeln der Raumspiegelecke ist der Differenzwert vom Messwert des Autokollimators und dem Winkelfehler beider Pentaprismen. Die Rechtwinkligkeitsabweichung zwischen den y-und z-Spiegeln wird in gleicher Weise kalibriert. Um systematische Fehler zu minimieren, ist es erforderlich, ein Kalibrierverfahren für Pentaprismen in vertikaler Ausrichtung mittels eines Fizeau-Interferometers umzusetzen. Der Drei-Pentaprismen-Test wird verwendet, um die absolute Winkelfehler der Pentaprismen in vertikaler Lage zu bestimmen. Die Genauigkeit für diese Methode wird auf 0,1" geschätzt und wird durch die Kalibrierungsunsicherheit der Pentaprismen bestimmt. Alle gemessenen Orthogonalitätsabweichungen werden abschließend quantifiziert und mit den Topographiedaten der Raumspiegelecke für Korrektur kombiniert.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000501
Der Paarungsflankendurchmesser - Untersuchung des begrifflichen Umfeldes, der Einflussgrößen und der Bedeutung für die Funktion, Spezifikation, Fertigung und Prüfung von Gewinden. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (142 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2017
Mit der vorliegenden Arbeit wurde eine umfassende Untersuchung der Bestimmungsgröße Paarungsflankendurchmesser durchgeführt. Dabei wurden für den Flankendurchmesser, den Flankendurchmesserzylinder, den Flankendurchmesserkegel, den einfachen Flankendurchmesser, den Paarungsflankendurchmesser und weitere wichtige Bestimmungsgrößen neue Definitionen erarbeitet. Diese Definitionen ermöglichen erstmals die eindeutige geometrische Beschreibung und Erfassung wirklicher Gewinde im Bereich der Gewindeflanken. Alle Einflussgrößen auf den Paarungsflankendurchmesser wurden systematisch und umfassend beschrieben und analysiert. In die Betrachtungen wurden dabei nahezu alle Gewinde eingeschlossen, die auf einem Ausgangsdreieck des Gewindeprofils beruhen. Neben der ausführlichen Vermittlung der komplexen Zusammenhänge ermöglichen die aufgestellten Gleichungen die näherungsweise Berechnung des Paarungsflankendurchmessers. Die grundsätzliche Eignung dieser Betrachtungen zur hinreichend genauen Analyse und Beurteilung wirklicher Gewinde wurde anhand von Versuchen zur Bestimmung von Paarungsausgleichsbeträgen untersucht und bestätigt. Die Bestimmungsgröße Paarungsflankendurchmesser berücksichtigt die Einflüsse aller geometrischen Merkmale im Bereich der Gewindeflanken eines wirklichen Gewindes auf dessen Paarungsfähigkeit. Der Paarungsflankendurchmesser und der Paarungsausgleichsbetrag beeinflussen ein Gewinde jedoch auch hinsichtlich dessen weiterer Funktionen wie Befestigen, Bewegen, Zentrieren oder Dichten. Beide Bestimmungsgrößen sind somit bereits bei der Spezifikation, der anschließenden Fertigung und letztlich auch bei der Prüfung des Gewindes zu berücksichtigen. Die in der vorliegenden Arbeit enthaltenen Betrachtungen bilden eine entscheidende Grundlage für die sinnvolle und funktionsgerechte Tolerierung aller betreffenden Bestimmungsgrößen des Gewindes unter Berücksichtigung des Paarungsausgleichsbetrages und des Paarungsflankendurchmessers. Bei der Fertigung von Gewinden ermöglichen sie außerdem die zielgerichtete messtechnische Überwachung der Einflussgrößen auf den Paarungsflankendurchmesser und damit die entsprechende Gestaltung und Steuerung des Fertigungsprozesses. Ferner bilden die in der vorliegenden Arbeit enthaltenen Betrachtungen eine entscheidende Grundlage für die weitere Entwicklung bestehender oder neuer Verfahren zur Messung von Gewinden. Dies betrifft insbesondere die Verfahren, die eine ganzheitliche Erfassung des Gewindes als dreidimensionales Objekt gewährleisten. Unter der Voraussetzung einer entsprechend vollständigen messtechnischen Erfassung des Gewindes ist dabei auch die direkte Bestimmung des Paarungsflankendurchmessers, also dessen Messung möglich.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000345
Fasergekoppelte In-situ-Laserhygrometer auf Basis der direkten Absorptions- und Wellenlängenmodulations-Spektroskopie für minimale Messstrecken. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2017. - 1 Online-Ressource (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.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2017000177
Modellierung des Abtragsverhaltens in der Padpolitur. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2017. - 1 Online-Ressource (XIII, 147 Seiten, 9.18 MB)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
Im Rahmen dieser Dissertation wird ein Modell vorgestellt, mit dem eine Vorhersage über den Materialabtrag bei der Padpolitur von Oberflächen möglich ist. Es ermöglicht die Vorhersage des Materialabtrags auf Basis physikalischer Parameter. Die Berechnung ist für beliebige Oberflächengeometrien ausgelegt und liefert ortsabhängige Abtragsfunktionen. Das Modell beinhaltet die Geometrie des Werkstücks, d.h. die dadurch verursachte Änderung der Abtragsfunktion ist integraler Teil der Simulation. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung zu kommerziell erhältlichen Poliermaschinen dar, die teilweise mit festen Abtragsfunktionen arbeiten. Zu den berücksichtigten variablen Parametern zählen der lokale Verlauf der Werkstückoberfläche, die Geometrie des Werkzeugs, die Drehzahlen von Werkzeug und Werkstück sowie die Kraft auf das Werkzeug. Der Vergleich realer Polituren mit den Ergebnissen der Simulation liefert eine hohe Übereinstimmung mit Abweichungen im Bereich von 10% und darunter. Die starke Positionsabhängigkeit von Form und Größe der Abtragsspuren in der Rundtischpolitur zeigt sich gleichermaßen in der Simulation als auch der realen Politur. Das Modell bildet die Positionsabhängigkeit des Abtrags bei Verwendung von Offsetwerkzeugen ab. Die Wirksamkeit eines theoretisch hergeleiteten Vorschubprofils zur Beseitigung dieser Eigenheit von Offsetwerkzeugen zeigt die Simulation ebenso. Die in der Literatur genannte Abhängigkeit des Preston-Koeffizienten von der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück wird experimentell nachvollzogen und ein Verfahren zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten während des Polierprozesses vorgestellt. Die so gemessenen Werte stimmen gut mit den in der Literatur angegebenen Werten überein.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00031762
Lorentzkraft-Anemometrie von elektrisch schwach leitfähigen Fluiden. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (IX, 100 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
Die Lorentzkraft-Anemometrie stellt ein neuartiges, berührungsloses Messverfahren zur Bestimmung von Durchflüssen bzw. Strömungsgeschwindigkeiten von elektrisch leitfähigen Fluiden dar. Das strömende Fluid erzeugt in Verbindung mit einem externen Magnetfeld eine Lorentzkraft, die mittels eines Kraftmesssystems berührungslos erfasst wird. Gegenüber anderen Durchflussmessverfahren können die Fluide heiß, chemisch aggressiv und opak sein. Die Lorentzkraft, welche von schwach leitfähigen Fluiden, wie Elektrolyten, in der magnetischen Wechselwirkung hervorgerufen wird, liegt in der Größenordnung von wenigen Mikronewton. Die besondere Herausforderung besteht darin, dass das am Kraftmesssystem befestigte Magnetsystem zur Erzeugung des erforderlichen magnetischen Feldes hingegen eine Gewichtskraft in der Größenordnung von mehreren Newton aufweist. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Entwicklung und Untersuchung eines Kraftmesssystems, welches auf dem Kompensationsprinzip beruht. Hierbei wird die zu messende Lorentzkraft durch eine ihr proportionale Gegenkraft elektromagnetisch kompensiert. Zur Charakterisierung und Kalibrierung des Kraftmesssystems wird ein Kalibriersystem entwickelt, welches auf dem Prinzip der elektromagnetischen Krafterzeugung beruht. Die messtechnischen Eigenschaften und die Messunsicherheit des Kalibriersystems werden vor allem von der Ausrichtung der Spule zum Topfmagneten und dem Spulenstrom bestimmt. Das Kalibriersystem ermöglicht eine Krafterzeugung, die unabhängig von der Erdbeschleunigung ist. Dies stellt einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Kalibrierung mit Gewichtsstücken dar. Die Untersuchungen zur Durchflussmessung mittels des auf Basis des entwickelten Kraftmesssystems umgesetzten Lorentzkraft-Anemometers werden an Salzwasser durchgeführt. Dieses Modellfluid ist transparent und bei Zimmertemperatur flüssig, somit können verschiedene kommerzielle Referenzmesssysteme zur Bestimmung des Durchflusses genutzt werden. Weiterhin kann die elektrische Leitfähigkeit des Fluids durch die Salzkonzentration variiert werden. Es wird nachgewiesen, dass die ermittelte Lorentzkraft proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und zur elektrischen Leitfähigkeit des Fluids ist. Wesentliche Einflussfaktoren auf die gemessene Lorentzkraft stellen die Neigung und die Schwingung des Messaufbaus dar.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000862
Realisierung eines Blockkalibrators mit Wärmestromsensoren und integrierten Fixpunktzellen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (III, 164 Seiten, 11.81 MB )
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
Sowohl in Kalibrierlaboratorien als auch im industriellen Umfeld werden häufig Blockkalibratoren für die Kalibrierung von Berührungsthermometern eingesetzt. Durch ihre kompakte Bauform, das geringe Gewicht und den Betrieb ohne zusätzliche Betriebsflüssigkeiten sind sie insbesondere auch für den mobilen Einsatz geeignet. Bedingt durch die Bauart dieser Geräte sind die Kalibrierunsicherheiten bei ihrer Verwendung höher als bspw. bei der Verwendung von Badthermostaten. Daher wurde in dieser Arbeit ein Konzept entwickelt, welches zwei der Haupteinflüsse auf die Kalibrierunsicherheit verringert. Dieses Konzept wurde an einem Experimentalaufbau eines Blockkalibrators im Arbeitstemperaturbereich von 70 ˚C bis 430 ˚C validiert. Das Temperaturprofil im Ausgleichsblock des Blockkalibrators in axialer Richtung wurde durch den Einsatz einer Mehrzonenheizung homogenisiert. Zur Regelung der Heizleistungen der Zonen werden Signale von Wärmestromsensoren verwendet, um so die Wärmeströme und damit die Temperaturgradienten in axialer Richtung zu minimieren. Hierbei konnten Temperaturdifferenzen kleiner ±55 mK auf einer Länge von 72 mm erreicht werden. Um das interne Referenzthermometer des Blockkalibrators in-situ kalibrieren zu können, wurde eine Mehrfachfixpunktzelle in den Blockkalibrator integriert. Diese enthält die Fixpunktmaterialien Indium, Zinn und Zink. Die Fixpunkttemperaturen konnten mittels eines automatischen, modellbasierten Auswerteverfahrens mit einer Reproduzierbarkeit (2-fache Standardabweichung der Stichprobe) von 17 mK (Indium), 21 mK (Zinn) und 41 mK (Zink) bestimmt werden. Für die Darstellung der Temperatur im Blockkalibrator ergibt sich eine erweiterte Unsicherheit von 130 mK (k = 2) bei 430 ˚C. In dieser Arbeit werden die Entwicklung des Blockkalibrators, das Funktionsprinzip und der mechanische Aufbau erläutert. Es werden zwei Bauformen von Wärmestromsensoren verglichen sowie eine Kalibriermöglichkeit für diese Sensoren dargestellt. Auf Basis von experimentellen Daten und Modellbetrachtungen wird ein Regelungskonzept entwickelt und durch Messungen hinsichtlich des dynamischen Verhaltens und der Regelabweichungen bewertet. Das Konzept des Blockkalibrators wird mittels Messungen des Temperaturprofils und Bestimmung der Fixpunkttemperaturen der Mehrfachfixpunktzelle validiert und hinsichtlich der erreichbaren kombinierten Standardunsicherheit bewertet.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000671
Entwicklung von Frequenz-Offset-Stabilisierungsverfahren für Dioden- und Gaslaser. - Ilmenau, 2016. - viii, 149 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
Im ersten Teil der vorliegenden Dissertation wird die Entwicklung einer neuartigen fasergekoppelten Zweifrequenz-Laserlichtquelle behandelt. Die Besonderheit dieser Heterodyn-Laserlichtquelle besteht in der Frequenzkopplung zweier He-Ne-Laser nach dem Frequenz-Offset-Verfahren. Die Frequenzkopplung wird mit einem analogen Phasen-Frequenzregelkreis (PLL-Regelkreis) sowie mit einem digitalen Frequenzregelkreis aufgebaut. Zur Charakterisierung beider Regelstrukturen werden die Stabilität und die spektrale Zusammensetzung der Differenzfrequenz herangezogen. Der elektrischen Störempfindlichkeit der Laserröhren, der Lasernetzteile sowie der Frequenzregelungen wird dabei besondere Beachtung geschenkt. Als Ergebnis wird ein einzigartiges Lasersystem präsentiert, das als Lichtquelle für Präzisions-Heterodyn-Interferometer geeignet ist. Die Laserlichtquelle weist eine Standardabweichung der Differenzfrequenz von unter 20 Hz und eine Linienbreite von unter 3 kHz auf. Sie besitzt ausreichend optische Leistung am Faserausgang für die Speisung von mehrachsigen Heterodyn-Interferometern. Die Differenzfrequenz der frequenzgekoppelten He-Ne-Laser ist zwischen 1 MHz und 20 MHz einstellbar. Im zweiten Teil dieser Arbeit steht die Entwicklung von frequenzstabilen, leistungsstarken Laserdiodenlichtquellen für die Homodyn-Interferometrie im Vordergrund. Es wird ein Überblick über die neuesten verfügbaren Laserdiodentechnologien gegeben. Die vielversprechenden Varianten der gitterstabilisierten Laserdioden mit externem Resonator (ECDL) sowie der Laserdioden mit integriertem Stabilisierungsgitter (DBR) werden messtechnisch untersucht und frequenzstabilisiert. Um die geforderten Frequenzstabilitäten für interferometrische Längenmessungen zu erreichen, wird die Lichtfrequenz der Laserdioden nach dem Frequenz-Offset-Verfahren an die Frequenzen eines stabilisierten He-Ne-Lasers gekoppelt. Dafür kommen verschiedene PLL-Regelkreise zum Einsatz, welche mathematisch modelliert und optimiert werden. Anschließend werden die PLL stabilisierten Diodenlaser experimentell aufgebaut und charakterisiert. Der frequenzgekoppelte DBR-Laser weist eine Standardabweichung der Differenzfrequenz von unter 0,5 Hz und eine Linienbreite von ca. 3 MHz auf. Anhand dieser Parameter wird die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Diodenlaser evaluiert und verglichen. Alle aufgebauten Diodenlaser wurden mit einer Faserkopplung versehen, um fasergekoppelte Homodyn-Interferometer zu speisen.
High-precision force measurements in horizontal direction in combination with high dead loads : non-contact flowmeter for low conducting electrolytes. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (viii, 151 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
Die Lorentzkraftanemometrie ist ein berührungsloses Verfahren zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit elektrisch leitfähiger Fluide. Sie basiert auf der Wirkung der Lorentzkraft, die vom leitfähigen Fluid beim Durchströmen eines von außen angelegten Magnetfeldes entsteht. Die Stärke der Lorentzkraft ist linear proportional zur Fließgeschwindigkeit und Leitfähigkeit sowie quadratisch proportional zur magnetischen Feldstärke. Die Arbeit konzentriert sich hauptsächlich auf die Entwicklung geeigneter Kraftmesssysteme zur hochauflösenden Erfassung der in horizontaler Richtung wirkenden Lorentzkraft, in einem Messbereich von etwa 1 [my]N. Die zur Erzeugung des Magnetfeldes benötigten Permanentmagneten sind beweglich mittels einer Aufhängung am Messsystem (1 kg schwer) angebracht. Durch sie wirkt eine nicht zu vermeidende Kraftkomponente von ca. 10 N in vertikaler Richtung. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Erhöhung der relativen Auflösung der Kraftmessung, d. h. dem Quotienten der kleinsten in horizontaler Richtung auflösbaren Kraftkomponente und der Totlast (Aufhängung mit Magnetanordnung) -std(F_L)/F-g. Zunächst werden umfangreiche Messungen mit bestehenden Kraftmesssystemen vorgenommen. Die äußeren Störeinflüsse (z. B. thermische Drift und Vibrationen) wurden untersucht und ihre Auswirkungen auf Messergebnisse identifiziert. Darauf basierend wird ein Konzept vorgestellt, um diese Störeinflüsse mithilfe von Differenzmessungen zu reduzieren und damit die relative Auflösung zu erhöhen. Anschließend wird ein neues Verfahren zur Messung der Lorentzkräfte auf Grundlage der elektromagnetischen Kraftkompensation präsentiert. Eine allgemeine theoretische Beschreibung und Analyse für die vorgeschlagene Methode auf Basis der verwendeten Messsysteme erfolgt mithilfe eines analytischen Modells. Die Funktionsfähigkeit für alle drei neu entwickelten Kraftmesssysteme wurden vorgestellt. Neue experimentelle Untersuchungen dieser Arbeit an zwei verschiedenen Salzwasserkanälen zeigen die signifikanten Verbesserungen bei der Bestimmung der F_ L. Im Vergleich zu den vorherigen Systemen konnte eine Erhöhung der Auflösung der Kraftmessung von 1 [my]N auf 20 nN erreicht werden, mit einem Verbesserungsfaktor 50. Dies erlaubt rechnerisch die Messung der Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden mit einer um 2 Größenordnungen geringeren elektrischen Leitfähigkeit, bis zu 0,059 S/m. Praktische Messungen mit Flüssigkeiten mit einer Leitfähigkeit von 0,005 S/m bis 0,059 S/m werden präsentiert und die unerwarteten neuen Ergebnisse diskutiert.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000136
Entwicklung und Untersuchung von Mehrkomponentensensoren für Kraft und Drehmoment. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2016. - 1 Online-Ressource (xii, 136 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2016
In Forschung und Industrie kommt der Kraft- und Drehmomentmesstechnik eine wichtige Bedeutung zu, welche sich in zahlreichen Anwendungen wiederspiegelt. Unter anderem basieren moderne Verfahren im Bereich der Strömungsmesstechnik und der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung auf der rückführbaren Messung aller Komponenten der vektoriellen Größen Kraft und Drehmoment. Diese Verfahren stellen besondere Anforderungen hinsichtlich der Auflösung und des Messbereichs, sodass die Entwicklung von speziellen Mehrkomponentenmesssystemen sowie deren messtechnische Charakterisierung erforderlich sind. Im Folgenden wird zunächst ein bestehender Mehrkomponentensensor für jeweils drei Kraft- und Drehmomentkomponenten hinsichtlich seiner messtechnischen Eigenschaften untersucht. Für rückführbare Messungen ist eine Kalibrierung aller Kraft- und Drehmomentkomponenten des Sensors erforderlich, wofür ein Kalibriersystem entwickelt und aufgebaut wird. Basierend auf verschiedenen Verfahren zur Kalibrierung von Mehrkomponentensensoren werden die Kalibriermatrix, die Sensorkennwerte und Unsicherheitsbeiträge der Kalibrierfaktoren ermittelt. Anschließend wird ein Aufbau zur Untersuchung der dynamischen Eigenschaften entwickelt und zur Bestimmung der Frequenzgänge der Messachsen des Sensors eingesetzt. Anschließend wird eine Systemidentifikation und Ermittlung der dynamischen Systemparameter vorgenommen, auf der Verfahren zur Kompensation dynamischer Messabweichungen aufbauen. Basierend auf den Erkenntnissen vorheriger Untersuchungen und den Anforderungen der Anwendungen wird ein schwebender Sechskomponentensensor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraft- und Drehmomentkompensation entwickelt, aufgebaut und untersucht. Zur mathematischen Beschreibung des statischen und dynamischen Verhaltens wird ein Modell aufgestellt, welches zum Reglerentwurf eingesetzt wird. Das Modell liefert im relevanten Frequenzbereich eine gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Systemverhalten. Anschließend werden Mehrkomponentenmessungen zur Bestimmung des Strömungsfeldes einer Flüssigmetallströmung sowie in einer Anwendung der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung durchgeführt.
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2016000165