Dissertationen, Habilitationsschriften

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Jahr, Norbert;
Herstellung und Charakterisierung neuartiger Hybridnanostrukturen für bioanalytische Anwendungen, 2014. - Online-Ressource (PDF-Datei: 116 S., 23,77 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2014
Parallel als Druckausg. erschienen

Die Nanotechnologie dringt immer stärker in viele Bereiche unseres Alltagsleben vor, zumal immer mehr Anwendungsmöglichkeiten von Nanostrukturen erforscht werden. So bieten Nanostrukturen eine hohe Funktionalität auf kleinstem Raum, die sie unter anderem auch für Anwendungen in den Lebenswissenschaften interessant machen. Neueste Entwicklungen haben gezeigt, dass insbesondere optische Nanostrukturen ein großes Potential für die bioanalytische Messtechnik besitzen (z.B. Erkennung von Krankheitserregern in Pflanzen). An diesem Punkt setzen die Untersuchungen für die in dieser Arbeit entwickelte Hybridnanostruktur an. Diese neuartige Nanostruktur, bestehend aus nichtplasmonischen Chrom-Nanoholes und plasmonischen Edelnanopartikeln, stellt eine interessante Plattform sowohl für die Biochiptechnologie als auch für die biologische Sensorik dar. Ein Kernpunkt dieser Arbeit sind daher Untersuchungen zur Herstellung dieser Hybridnanostruktur mittels geführter Selbstorganisation. Dabei werden verschiedene Varianten betrachtet, die von einer Assemblierung mittels eintrocknenden Tropfens bis zur DNA-geführten Immobilisierung reichen. Von besonderer Bedeutung ist die Untersuchung des Einflusses verschiedener selbstorganisierender Monolagen wie zum Beispiel Monolagen aus Dodecyl-Phosphatsäure. Die Ergebnisse der Immobilisierungsversuche werden mittels Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und anhand dessen beurteilt. Ein weiteres zentrales Element der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der optischen Eigenschaften der einzelnen Nanostrukturen sowie deren Änderung nach der Assemblierung der entwickelten Hybridnanostruktur. Die optische Charakterisierung erfolgt mittels mikrospektroskopischer Messungen an einzelnen Nanoholes und automatisierter Bildauswertung von Kameradaten. Anhand dieser umfangreichen Messungen können verschiedene Einflussparameter wie Größe und Material der Nanopartikel untersucht und die optischen Eigenschaften der Hybridnanostruktur statistisch bewertet werden. Zusätzlich konnte mit dem Aufbau eines bildgebenden Spektrometers gezeigt werden, dass die Verbindung einer hohen spektralen Auflösung eines Spektrometers mit dem hohen Datendurchsatz der Bildauswerteverfahren möglich ist und dass sich das bildgebende Spektrometer für die Messung optischer Nanostrukturen bestens eignet. Es konnte mittels unterschiedlicher Modellsubstanzen gezeigt werden, dass sich die Hybridnanostruktur als bioanalytische Testplattform eignet. Abschließend konnte anhand von biologisch relevanten Testsystemen gezeigt werden, dass diese Plattform sehr gut zur Detektion von Molekülerkennungsreaktionen (z.B. DNA) in der Bioanalytik geeignet ist.



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Rahneberg, Ilko;
Untersuchungen zu optischen Mehrkomponentenmesssystemen, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: V, 142 S., 8,08 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
Parallel als Druckausg. erschienen

Die erreichbaren Parameter von Fertigungsprozessen beim Einsatz von Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten in der mechanischen Fertigung sind an die mit diesen Geräten erreichten Positionier- und Messunsicherheiten gebunden. Um diese zu gewährleisten, sind regelmäßige Überprüfungen notwendig. Weiterhin beruht die für Präzisionsanwendungen erforderliche Berücksichtigung systematischer Abweichungen in der Maschinensteuerung auf der Erfassung der vorliegenden Abweichungen. Da die räumliche Positionierung bei Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten typischerweise durch drei in Richtung der Raumachsen angeordnete, aufeinander aufbauende Linearführungen realisiert wird, folgt die Gesamtabweichung aus den Abweichungen der Führungen und ihrer Relativlage. Zur Charakterisierung der Führungen müssen jeweils drei translatorische (lineare Position sowie horizontale und vertikale Geradheit) und drei rotatorische (Nick-, Gier und Rollwinkel) Abweichungen erfasst werden. Dies geschieht nach gegenwärtigem Stand der Technik durch die sequentielle Erfassung der Einzelabweichungen, wozu bevorzugt optische Verfahren zum Einsatz kommen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen optischer Messsysteme zur simultanen Erfassung sämtlicher Abweichungen einer linear geführten Bewegung in fluchtender Messanordnung. Ziel ist hierbei die zur Abnahme bzw. Überprüfung von Präzisionswerkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten erforderliche Messzeit und die Messabweichungen zu verringern. Dabei soll auch den steigenden Anforderungen an den Messbereich für Präzisionsanwendungen Rechnung getragen werden. Die untersuchten Lösungsansätze lassen sich in die zwei Gruppen interferometrische und optoelektronische Verfahren gliedern. Die Möglichkeiten zur interferometrischen Erfassung aller rotatorischen und translatorischen Abweichungen einer Linearführung werden vorgestellt und die erreichbaren Systemparameter sowie die auftretenden Messunsicherheiten werden anhand von Messungen diskutiert. In gleicher Weise werden die Möglichkeiten zur Messung der horizontalen und vertikalen Geradheit und des Rollwinkels auf Basis von optoelektronischen Positionssensoren behandelt. Aufbauend auf den Ergebnissen der Einzeluntersuchungen wurde ein Messsystem zur simultanen Erfassung aller sechs translatorischen und rotatorischen Abweichungen einer Linearführung in fluchtender Messanordnung entwickelt. Die Messung von linearer Position, Nick- und Gierwinkel erfolgt dabei interferometrisch, während die Geradheitsabweichungen und der Rollwinkel mit optoelektronischen Positionssensoren erfasst werden. Das System bietet dabei die Möglichkeit mit aktivem oder passivem, kabellosem Reflektor zu messen. Darüber hinaus können alle Abweichungen auch in vier sequentiell durchgeführten Messungen interferometrisch bestimmt werden. Zur Umsetzung sich bei der Mehrkomponentenmessung bietender Möglichkeiten zur Korrektur systematischer Messabweichungen wird ein Schema der Messdatenverarbeitung angegeben.



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Kühnel, Michael;
Rückführbare Messung der mechanischen Eigenschaften von Federkörpern für die Kraftmesstechnik, 2013. - Online-Ressource (PDF-Datei: X, 147 S, 5,52 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2013
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Die Leistungsfähigkeit von Kraftaufnehmern, bestehend aus Federkörper (FK) und aufgeklebten Dehnmessstreifen (DMS), wird wesentlich von Messabweichungen wie Kriechen und Hysterese des elektrischen Ausgangssignals begrenzt. Die Kraftaufnehmerentwicklung ist aufwendig, da die Beiträge von FK, Klebeschicht und DMS zu den genannten Abweichungen Kennwerte erfordert Messunsicherheiten von ca. 1 nm. Mit Hilfe der Untersuchungen sowie den umgesetzten mechanischen, optischen und thermischen Optimierungen konnten die entscheidenden Unsicherheitsbeiträge der Prüfeinrichtung deutlich reduziert und das Ziel erreicht werden. Damit anhand dieses Ausgangssignals nicht eindeutig unterschieden werden können. Das Ziel der Dissertation war zunächst die Untersuchung und Optimierung einer vorhandenen Prüfeinrichtung, sodass mit dieser unter anderem die mechanischen Kennwerte Kriechen, Hysterese und Linearitätsabweichung von Doppelbiegebalken-FK auf Basis einer interferometrischen Verformungsmessung rückführbar bestimmt werden können. Eine sinnvolle Ermittlung dieser eignet sich die Prüfeinrichtung nun zur Klassifizierung von Federkörpern auf Basis der für Kraftaufnehmer bzw. Wägezellen geltenden Normen EN ISO 376 und OIML R 60. Anschließend erfolgte die Bestimmung der Kennwerte von Federkörpern aus Aluminium AW 2024 und Stahl 174 PH, welche den Stand der Technik darstellen. Vergleichend dazu wurden FK aus synthetischem (Lithosil QT) und mineralischem (Ilmasil PN) Quarzglas ausgelegt und deren Kennwerte ermittelt. Im Ergebnis sind prinzipiell alle untersuchten FK als Basis für Kraftaufnehmer geeignet, welche die strengsten metrologischen Forderungen der Norm EN ISO 376 erfüllen, sie zeigen dabei jedoch wesentliche Unterschiede. Die Quarzglas-FK besitzen die besten messtechnischen Eigenschaften. Im Gegensatz zu Stahl und Quarzglas weisen die Kennwerte der Aluminium-FK eine signifikante Temperaturabhängigkeit auf. Bei einer gleichzeitigen Messung der Verformung sowie des elektrischen Ausgangssignals eines Aluminium-Kraftaufnehmers wurde zudem der Beitrag von DMS und Klebeschicht zum Kriechen und der Hysterese des Ausgangssignals bestimmt. Diese Untersuchungen verdeutlichen, dass mit Hilfe der Prüfeinrichtung die Kraftaufnehmerentwicklung optimiert werden kann, da die Beiträge von FK sowie DMS und Klebeschicht getrennt betrachtet und damit besser aufeinander abgestimmt werden können.



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Aguilera Mena, Jesús Jaime;
Dynamic weighing calibration method for liquid flowmeters : a new approach, 2012. - Online-Ressource (PDF-Datei: 147 S., 4,29 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2012
Unterschiede zwischen dem gedruckten Dokument und der elektronischen Ressource können nicht ausgeschlossen werden

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die ersten Schritte zur Umsetzung einer neuen Kalibriermethode für Durchflussmessgeräte zu beschreiben. Diese Forschungsarbeit wurde im Fachbereich "Flüssigkeiten" der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt. Sie realisiert ein dynamisches Wägeverfahren, welches es ermöglicht, den Massendurchfluss mehrmals unter stationären und quasistationären Bedingungen zu messen. Eine somit verkürzte Kalibrierzeit bringt einen wichtigen Vorteil für Durchfluss-Kalibrierlaboratorien, um ihre Kalibrierkosten, den Energieverbrauch und die Arbeitsbelastung zu reduzieren. Die vorgeschlagene Kalibriermethode beruht auf einer gründlichen Analyse der Wechselwirkungzwischen den durchflussinduzierten Kräften im Messprozess und der Dynamik des Wäge-Systems. Basierend auf dieser Analyse wird anschließend eine Reihe von Signalverarbeitungstechniken angewandt, um sowohl die Stärke der unerwünschten, durch den Durchfluss induzierten Kräfte zu verringern, als auch das Messrauschen im Ausgangsignal zu dämpfen. Damit kann die Messgröße einerseits sehr genau und andererseits auch als Funktion der Zeit ermittelt werden. Die Wirksamkeit der neuen Kalibriermethode für Durchfluss-Messgeräte wird durch numerische und experimentelle Tests validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Genauigkeit kleiner als 0,1 % erreichbar ist. Außerdem gibt die vorliegende Arbeit Empfehlungen, wie das vorgeschlagene Messprinzip zukünftig noch weiter verbessert werden kann.



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Mastylo, Rostyslav;
Optische und taktile Nanosensoren auf der Grundlage des Fokusverfahrens für die Anwendung in Nanopositionier- und Nanomessmaschinen. - Ilmenau : Universitätsbibliothek Ilmenau, 2012. - Online-Ressource : Ilmenau, Technische Universität Ilmenau, Diss., 2012
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Ein Nanosensorsystem auf Basis eines berührungslosen optischen Antastsensors (Basissensors), das durch eine hohe Auflösung und geringe Messunsicherheit ausgezeichnet wird, ist das Thema vorliegender Dissertation. Dieses Nanosensorsystem ist vor allem auf Messanwendungen in der Nanopositionier- und Nanomessmaschine abgestimmt. Als Basissensor für das Nanosensorsystem wurde ein neuartiger Fokussensor entwickelt. Das Funktionsprinzip dieses Sensors beruht auf die Fokusmessmethode, die für die DVD- bzw. CD-Player-Technik entwickelt wurde. Die Anbindung beider mechanischen Antastprinzipien in das Nanosensorsystem wird jeweils mittels des entwickelten Fokussensors (Basissensors) erreicht. Dabei wird die Auslenkung der antastenden Messspitze (Cantilever bzw. Stylus) direkt berührungslos mit fokussiertem Laserstrahl des Fokussensors aufgenommen. Der große Vorteil des entwickelten Nanosensorsystems besteht in dessen Modularität und Vielseitigkeit. Auf der Grundlage eines Basissensors werden optische und mechanische Antastmethoden und somit unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Messobjekt und Sensor vereint. Die Dissertation legt die Entwicklung und umfassende Untersuchungen des Nanosensorsystems in Kombination mit einem Digitalkameramikroskop dar. Der Schwerpunkt bildet dabei detaillierte Erläuterung des Aufbaus und Betrachtung wichtiger messtechnischen Eigenschaften des Fokussensors als Basissensors. Es werden die taktilen Sensoren des aufgebauten Nanosensorsystems vorgestellt: der Fokus-Stylus-Sensor und der Fokus-AFM-Sensor. Hierbei werden konstruktive und messtechnische Eigenschaften dieser Sensoren detailliert behandelt und verglichen. Zahlreiche praktische Anwendungen und Messergebnisse werden präsentiert.



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Mandryka, Viktor;
Entwicklung, Aufbau und Untersuchung eines Stehende-Wellen-Interferometers, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 114 S., 3633 KB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
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In dieser Arbeit wird ein neues Interferometerkonzept dargestellt, das auf der Grundlage einer optischen stehenden Welle beruht. Die stehende Welle wird mit einem neuartigen teilweise transparenten Photodetektor abgetastet. Der Photodetektor ist als pin-Photodiode konzipiert und mit Transparent Conductive Oxide (TCO) kontaktiert. Zwei transparente Photodiode werden technologisch zu einem Transparenten Phasenselektiven Photodetektor (TPSD) integriert. Die Photodioden werden auf der optischen Achse der stehenden Welle longitudinal angeordnet und erzeugen zwei Sinus- und Cosinus-Signale für die Vorwärts- Rückwärts-Zählung der Intensitätsmaxima und -minima der stehenden Welle.Die Schichtdickenkonzeption der transparenten Photodioden berücksichtigt Maßnahmen zur Reduzierung der Reflexion des Detektors. Bereits kleine Abweichungen der Parameter Schichtdicke und Brechzahl beeinträchtigen die optischen Eigenschaften der Photodiode. Um die Reflexionsvermögen des TPSDs unempfindlich gegenüber den Schichtdickenabweichungen zu machen, wurde mittels eines numerischen Verfahrens die optimalen Schichtdicken bestimmt, die zu einem breiten Reflexionsminimum führen. Bei den experimentellen Untersuchungen wurden die Signalform der Photoströme, die Grenzfrequenz und der Interpolationsfehler des Stehende-Wellen-Interferometers ermittelt. Die Grenzfrequenz beträgt ca. 100 kHz und könnte aber durch die Verringerung der Sensorfläche erhöht werden. Der ermittelte Interpolationsfehler ist ca. ± 15 nm. Eine Steigerung der Genauigkeit kann durch die weitere Verminderung der Reflexion erreicht werden.Die Vorteile eines Stehende-Wellen-Interferometers bestehen im einfachen und kompakten Aufbau sowie in der Nutzung moderner Halbleitertechnologie zur Massenproduktion der transparenten Detektoren.



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Tympel, Volker;
Untersuchungen zur Anwendung von mehrdimensionalen Korrelationsverfahren bei der Determination von Kanten mit hochauflösenden optischen Messmaschinen, 2009. - Online-Ressource (PDF-Datei: 181 S., 36,8 MB) : Ilmenau, Techn. Univ., Diss., 2009
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Diese Arbeit untersucht, wie durch mikroskopische Bildserien mit unterschiedlichen Fokuspositionen Objekte sicherer lokalisiert oder charakterisiert werden können. Das vorgeschlagene Verfahren der extrafokalen Korrelation wird ausführlich in Simulationen und Experimenten an Kantenobjekten diskutiert. Abschließend erfolgt ein Ausblick für die Anwendung bei komplexeren Objekten. Einleitend wird die theoretisch bekannte kantenversteilernde Wirkung bei kohärenter Beleuchtung experimentell nachgewiesen und kritisch auf die Begriffe optisches Auflösungsvermögen und Schärfentiefe bei Mikroskopsystemen eingegangen. Zur Sicherstellung möglichst großer Rechenressourcen wird auf effektive Datenformate, schnelle Fourier-Transformationen und Parallelisierung eingegangen. An modifizierten Mikroskopsystemen konnte gezeigt werden, dass Korrelationsverfahren die sonst störenden Oszillationen an Kantenrändern vorteilhaft nutzen können, wenn die zur Korrelation benutzten Erwartungswerte diese Oszillationen berücksichtigen. Die Einbeziehung extrafokaler Bildebenen kann gleichfalls die Reproduzierbarkeit der Detektion von Kantenorten erhöhen, d. h. auch Bereiche außerhalb einer definierten Schärfentiefe können sinnvoll zur Determination eines Kantenortes genutzt werden, wenn der Gewinn an Information den Verlust durch das zunehmende Rauschen überwiegt. In bestimmten Parameterbereichen ist die extrafokale Korrelation mit Erwartungswerten der reinen Mittelung über benachbarten Bildebenen überlegen. Insbesondere bei kohärenter Beleuchtung sind reine Mittelungen der extrafokalen Korrelation unterlegen. Die extrafokale Korrelation, basierend auf der Suche nach der kleinsten Summe der Fehlerquadrate, ist zwar aufwendiger, aber oft erfolgreicher als die schnellere Fourier-Kreuzkorrelation. Das Verfahren der extrafokalen Korrelation kann auch seriell benutzt werden, um 2-dimensionale Verläufe von Kanten zu analysieren, was z. B. bei der Bestimmung von Strukturbreiten-Homogenitäten der Fall ist. Angerissen wird die Erweiterung des Verfahrens für komplexere Objekte, die am Beispiel der Kreisdurchmesserbestimmung in dieser Arbeit seriell bearbeitet wurde, da die notwendige 4-dimensionale Korrelation mit großen Datenmengen künftigen Rechnergenerationen vorbehalten bleibt. Im Anhang wird das Negativ-Kontrast-Misch-Verfahren als spezielle Methode zur Kontraststeigerung vorgestellt.



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Schalles, Marc;
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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Mäuselein, Sascha;
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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Dontsova, Svitlana;
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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