Masterarbeiten, Diplomarbeiten

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.

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.

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.

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.

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.

Die vorliegende Arbeit diskutiert die Entwicklung eines 3D-Tasters mit hoher Erfassungsgenauigkeit, der in der Submikrometer-Koordinatenmesstechnik eingesetzt werden soll. Dies umfasst neben dem strukturellen Design und Validierungsexperimenten die Analyse der real ermittelten Messdaten. Hierbei wurden zur praktischen Realisierung des Tasters weitestgehend verfügbare mechanische sowie elektronische Standardkomponenten verwendet. Nach einer Recherche zu Abmessungen und messtechnischen Eigenschaften kommerzieller Taster werden die Gesamtabmessungen der Messstruktur definiert, gefolgt von der Konstruktion eines Funktionsmodells des 3D-Tasters. Die zentralen Messkomponenten dieses Tasters sind fünf photoelektronische Wegmesssysteme, bestehend aus Infrarot-LEDs, Schlitzblenden und Doppel-Photodioden. Diese Schlitzblenden wurden speziell für die zu realisierende Messanordnung entsprechend den Parametern und Abmessungen der LEDs und Doppel-Photodioden dimensioniert. Die Versuchsplattform wurde aufgebaut und justiert. Ebenfalls wurde ein mehrkanaliger Messverstärker aufgebaut, angeschlossen und kalibriert. Mit diesem Prototyp wurden Messungen an einem realen Werkstück realisiert. Hierzu wurden mehrere Experimente durchgeführt, bei denen die vom Taster erzeugten Messsignale von einem PC zeitlich synchron erfasst wurden. Die dabei gewonnenen Messdaten wurden statistisch aufbereitet und mit Hilfe von Liniendiagrammen sowie Spektrogrammen visualisiert. Dies hatte zum Ziel, die Struktur des entworfenen Tasters und die Nutzbarkeit photoelektrischer Wegmesssysteme in dieser Anwendung zu überprüfen. Auf der Grundlage des Entwurfsprozesses und der experimentellen Ergebnisse werden Verbesserungsideen und Optimierungslösungen vorgeschlagen, um Hinweise für die nachfolgende Forschung und Anwendung zu geben.

Die Anforderungen für Winkelmessungen entwickeln sich stetig weiter. Gerade in Anwendungsfeldern wie der Geodäsie oder der Wägemesstechnik werden Messgeräte benötigt, die auch besonders kleine Winkel im μrad bis hin zum nrad Bereich auflösen können. Um Messgeräte dieser Art kalibrieren zu können wird ein Aufbau benötigt, der Winkel dieser Größenordnung auflösen kann und diese rückführbar macht um als Referenz zu dienen. Deshalb wurde im Rahmen dieser Masterarbeit das Konzept eines zweiachsigen Hochpräzisions-Kipptisch um ein integriertes Messsystem erweitert. Dazu wurden zunächst Anforderungen an die messtechnischen Aspekte, wie Auflösung und Messunsicherheit, und die konstruktiven Aspekte, wie Abmaße, Masse und Tragfähigkeitdefiniert. Anschließend dazu wurde Recherche zu alternativen Prüfeinrichtungen betrieben, die diese Anforderungen erfüllen. Da es keine geeigneten kommerziell erhältlichen Alternativen gab wurde das bestehende Konzept des Kipptisch weiterentwickelt um diese Anforderungen zu erfüllen. Dazu wurde zunächst ein Messprinzip erstellt, welches in das bestehende Konzept integriert werden konnte. Basieren sollte dieses Messprinzip auf Laserinterferometrie. Für das Messprinzip und die anderen funktionsrelevanten Komponenten wurden anschließend Variationen mit verschiedenen Vor- und Nachteilen erstellt bzw. definiert. Aus diesen Variationen wurde auf Basis von messtechnischen, physikalischen und wirtschaftlichen Aspekten jeweils die beste Lösung gewählt. Der daraus resultierende Aufbau wurde konstruiert und die Vorgehensweise für die Justage der Ausgangslage wurde definiert. Da der Aufbau nicht fertiggestellt werden konnte wurde zumindest die theoretische Messunsicherheit bestimmt. Diese besteht aus den Einflüssen der Interferometermessungen, den Abmaßen des Aufbaus, vorwiegend den Abständen der Messpunkte zueinander und dem Fehler der Auslenkung der bei der Justage definiert wird. Abschließend erfolgten Messungen zur Bestimmung der Kennwerte der verbauten Lineartische. Im Vordergrund stand dabei die Positioniergenauigkeit während der Relativ- und Absolutfahrt und dem Homing des Lineartisch.

Aufgrund der Beugungsgrenze der Lichtmikroskopie ist die Auflösung von Abbildungssystemen auf die Größenordnung einer halben Wellenlänge begrenzt. In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene optische, hochauflösende mikroskopische Bildgebungsverfahren vorgeschlagen und entwickelt. Die Platzierung von Mikrokugeln auf der Probenoberfläche, die unter Weißlichtbeleuchtung die Beugungsgrenze durchbrechen können und einfach und kostengünstig zu betreiben sind, bietet beispielsweise eine einfache und unkomplizierte Möglichkeit, biologische Proben und Nanostrukturen in Echtzeit superaufgelöst abzubilden. In dieser Masterarbeit wird versucht, eine neue Mikrokugel-gestützte Mikroskopiemethode anzuwenden. Der Gesamtaufbau und die Funktion können einfach so verstanden werden, dass dem Mikroskop eine weitere Lupe hinzugefügt wird, und die Mikrokugeln sind diese Lupe. Die Mikrokugel ist durch van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Kräfte an der Spitze des Mikrokantilevers befestigt, und der Abstand zwischen der Mikrokugel und dem Objektiv kann durch modellbasierte Steuerung des piezoelektrischen Aktors fein justiert werden. Automatisierung und Präzision des Aspirationsprozesses von Mikrokugeln mit Hilfe von Code und Kontrollsoftware. Durch die Kombination des Cantilevers mit der Mikrokugel werden Beschädigungen und Verunreinigungen der Probe wirksam vermieden, und durch die Relativbewegung zwischen der Mikrokugel und der Probe kann ein größerer Beobachtungsbereich erzielt werden.

Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Optimierung des Fehlers auf Grund von außermittiger Belastung an einem Entwicklungsmuster der Edelstahl-Brückenwaage, welche als Hochlastkomparatorwaage eingesetzt werden soll. Zu diesem Zweck werden messtechnische Untersuchungen durchgeführt, um das Ecklastverhalten der Waage zu erfassen. Ebenfalls werden Messungen zur Wiederholbarkeit der Waage durchgeführt, da durch die Reduzierung des Ecklastfehlers (Fehler aufgrund von außermittiger Belastung) das übergeordnete Ziel der Verbesserung der Wiederholbarkeit der Waage erreicht werden soll. Basierend auf einer FEM-Analyse der Edelstahl-Brückenwaage wird ein schematisches Ecklastmodell erstellt, in dem Ecklasteinflüsse und Ecklasteffekte dargestellt werden. Mit den Erkenntnissen aus diesem Ecklastmodell werden mehrere Maßnahmen zur Reduzierung des Ecklastfehlers ausgearbeitet und hinsichtlich ihrer Eignung für diesen Anwendungsfall bewertet. Schlussendlich werden zwei dieser Maßnahmen umgesetzt und wiederum messtechnisch auf ihre Performance geprüft.

In dieser Arbeit wird die Verwendung einer Planck-Waage mit dem PB2-System beschrieben, die aus mechanischen, elektronischen Komponenten besteht. Die mechanische Impedanz des Systems spielt eine entscheidende Rolle bei der Parametidentifikation und ist für die Entwicklung eines Controllers zur Aufrechterhaltung seiner dynamischen Stabilität unerlässlich. Der Artikel ist in fünf Kapitel unterteilt und umfasst die Einführung des PB2-Systems, die Systemstruktur, die Methoden zur Parametidentifikation, die qualitative Analyse der Messdaten sowie den Vergleich und die Analyse verschiedener Modellparameter. Unterschiedliche auf Frequenz Reaktion Funktion(FRF) basierende Frequenzbereichs-Parametidentifikationsmethoden, einschließlich Einfach-Freiheitsgrad-System(SDOF), Mehrfach-Freiheitsgrad-System(MDOF) und auf Zustandraumdarstellung(SS) basierende Analysemethoden, wurden verwendet. Da die manuelle Identifikation sehr langsam ist, wurde ein Programm entwickelt, das eine automatische Werteidentifikation ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode bei der Identifikation. Zum Schluss wird in der Studie die Ausrichtung zukünftiger Verbesserungen der Identifikationsmethoden diskutiert.

Die Angabe von Messunsicherheiten ist essenzieller Teil für aussagekräftige Messergebnisse, dies gilt insbesondere für Messungen von Strukturgrößen im Nanometerbereich. Durch das Bestreben zur Fertigung von funktionalen Baugruppen auf gekrümmten, asphärischen oder frei-geformten Oberflächen wird an der Weiterentwicklung von Nanomess-, Nanopositionier- und Nanofabrikationsmaschinen geforscht. Die Erweiterung bestehender Maschinen um zwei rotatorische Achsen erfordert auch die Überarbeitung der Messunsicherheitsmodelle. Ziel dieser Arbeit ist es, eine erste Abschätzung über die erreichbare Messunsicherheit unter Verwendung einer fünfachsigen Nanomessmaschine zu geben. Dazu wurde eine typische Messaufgabe analysiert und Untermodelle für die separaten Systemkomponenten erstellt. Eine Untersuchung der Untermodelle hinsichtlich der Einflüsse auf die metrologische Kette führte zu der Erstellung eines gesamtheitlichen vektoriellen Messunsicherheitsmodells. Dieses Modell wurde in eine Python-Programmierumgebung übertragen und anhand von zwei simulierten Messaufgaben überprüft. Die Simulation der erreichbaren Messunsicherheit hat gezeigt, dass die größten Beiträge durch das zeitliche Driftverhalten sowie die Orthogonalitätsabweichungen des Referenzmessystems verursacht werden. Daraus kann eine gezielte Optimierung der fünfachsigen Nanomessmaschine abgeleitet werden. Durch die Implementierung einer Echtzeitkompensation in die Regelung der Nanomessmaschine sowie die genauere Ermittlung der Orthogonalitätsabweichungen und deren Korrekturfaktoren kann die erreichbare Messunsicherheit weiterhin verringert werden.

Um Spannungsmesssysteme mit der geringsten Unsicherheit zu kalibrieren, ist das aktuell beste Spannungsnormal das Josephsonnormal. Die Verwendung von Josephson Junction Array (JJA) ist jedoch nicht nur aufwendig, sondern auch kostenintensiv. Die Untersuchung in dieser Arbeit konzentriert sich auf den Einfluss des Umweltklimas auf Spannungssekundärnormale. Zur Untersuchung musste eine Umschalteinrichtung entworfen werden, die automatisch verschiedene Prüflinge mit einem hochauflösenden Multimeter messen kann. Darüber hinaus musste ein steuerbarer Temperaturregler entworfen werden, um Langzeitmessungen zu ermöglichen. Anschließend wurden die Versuchsgruppen eingerichtet, um die Ausgangsspannung bei verschiedenen Luftfeuchtigkeiten und Temperaturen zu messen und ihre Stabilität zu analysieren. Die Messergebnisse zeigen, dass die Ausgangsspannung weniger schwankt, wenn die Luftfeuchtigkeit im Raum zwischen 26% und 30% liegt. Bei einer Temperatur von 20˚C ist die Stabilität der Ausgangsspannung optimal. Das bedeutet, dass die Temperatur einen stärkeren Einfluss auf die Ausgangsspannung hat als die Feuchtigkeit.

In dieser Arbeit werden die Eigenschaften der Schaltung, die im Geschwindigkeitsmodus der Planck-Waage das Übertragungsverhalten modelliert, und die einzelnen Parameter sowie die Messunsicherheit mit Hilfe von Modellsimulationen, Messungen und Optimierungen untersucht. Die Parameter Cp und Lc, die großen Einfluss auf die Schaltung haben, wurden zunächst durch die Modellierungssimulationen bestimmt. Ri wurde direkt gemessen, um genaue Werte zu erhalten, obwohl der Widerstandswert von Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst wird. Dies wurde wie im Kapitel Messfehler von Widerstand erläutert wird, mit verschiedenen Methoden versucht wurde, Cp und Lc separat zu bestimmen. Da im Inneren eines Multimeters eine Kapazität vorhanden ist und nur schwer direkt gemessen werden kann, wurde ein zusätzlicher Kondensator an der Schaltung angeschlossen und die Gesamtkapazität im Multimeter und in der Schalteinheit durch Differenzbildung berechnet. Die Induktivität der Spule ist ebenfalls schwer zu messen, weshalb sie zunächst anhand ihrer physischen Größe geschätzt und dann durch Simulation auf der Grundlage der Messkurve optimiert wurde. Es ist erwähnenswert, dass sich Cp und Lc nach separaten Optimierungsversuchen als unbefriedigend erwiesen haben. Daher wurden sie gemeinsam als Optimierungsparameter verwendet, um Messfehler zu vermeiden und möglichst genaue Werte zu erhalten. Die Optimierungsergebnisse werden auch erörtert.

In dieser Arbeit wird die Auswirkung der Temperatur auf den Brechungsindex der Luft durch eine programmgesteuerte Anpassung des Luftdrucks kompensiert. Die gesamte Programmierung in diesem Dokument erfolgt in Python. Der erste Schritt besteht darin, sich mit dem vorhandenen pneumatischen System vertraut zu machen und die Änderungen des Luftdrucks zu modellieren und zu analysieren. Um die Korrektheit der Modellierung zu überprüfen, werden die Luftdruckänderungen simuliert. Anschließend wird das bestehende Muster der Luftdruckschwankungen analysiert. Versuchen Sie zunächst die mathematische Methode zur Analyse des Luftdrucks. Die mathematische Methode ermöglicht es, den Durchschnittswert der Luftdruckschwankung zu ermitteln und eine Funktion der Luftdruckschwankung zu bestimmen. Dieser Methode mangelt es jedoch an Genauigkeit und Allgemeinheit. Es ist nicht in der Lage, selbständig zu lernen, und ist vollständig auf die manuelle Einstellung angewiesen. Daher wird die zweite Methode, das maschinelle Lernen, gewählt. Die Methode des maschinellen Lernens hat die Eigenschaften des autonomen Lernens und kann die nachfolgenden Veränderungen des Luftdrucks simulieren. Maschinelles Lernen ist jedoch aufgrund der Hardwarebeschränkungen nicht für den Raspberry Pi geeignet, da maschinelles Lernen mehr Speicher und CPU benötigt, als der Speicher und die CPU des Raspberry Pi aufnehmen können. Daher wurde eine dritte Methode, Boxplots und Tiefpassfilter, gewählt und dazu das Kontrollprogramm und die Prüfung des Programms. Um die Ziele dieser Arbeit zu erreichen, mussten der Vakuumtank und der Überdrucktank programmiert werden, um den Luftdruck des NPMM-200 zu steuern. Der erste Schritt besteht darin, ein zyklisches Programm zu erstellen, das es ermöglicht, den Luftdruck auf den gewünschten Wert des Brechungsindexes der Luft abzustimmen. Der zweite Schritt besteht darin, ein Programm zum Speichern der Daten zu erstellen. Der dritte Schritt besteht darin, ein Programm zum Lesen der Daten zu erstellen. Der vierte Schritt besteht darin, alle Programme zu kombinieren und den Test abzuschließen. Nachdem das Programm den Test abgeschlossen hat, wird es auf den Computer im Labor angewendet, um den Luftdruck zu steuern. Der fünfte Schritt besteht darin, das Programm zu testen. Die Leistung des Programms wird in fünf verschiedenen Experimenten wiederholt getestet. Die Tests führen zu dem Ergebnis, dass das Programm alle Tests bestehen kann. Das Programm ist folglich ein gültiges Programm. In der Testreihe dieser Arbeit wird auch gezeigt, dass eine Lernfunktion für den barometrischen Anpassungskoeffizienten machbar ist. Die Lernmethode hierbei ist eine lineare Methode. Die Methode ist nicht von einer leistungsstarken CPU abhängig und benötigt nicht zu viel Speicherplatz. Die Geschwindigkeit der Aktualisierung der barometrischen Anpassungskoeffizienten, d.h. die Lerngeschwindigkeit, kann durch Änderung des Skalierungsfaktors des neuen Wertes zum alten Wert in der Funktion geändert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neues Magnetsystem entwickelt und untersucht. Gemäß den VDI-Richtlinien und der Konstruktionslehre erfolgt der Entwicklungsprozess des gestaltoptimierten Magnetsystems methodisch und systematisch. Ausgangspunkt sind die Präzisierung der Aufgabenstellung, die Funktionssynthese und die Suche nach Lösungsprinzipien für einige Anordnungsprinzipien unter Berücksichtigung verschiedener Magnettypen. Die Berechnungen werden nicht nur analytisch, sondern auch numerisch mit der Software COMSOL Multiphysics® durchgeführt. Mittels einer gewichteten Bewertung lässt sich ein geeignetes Lösungsprinzip auswählen und zu einem technischen Entwurf des Magnetsystems weiterentwickeln. Schließlich wird ein Prototyp gebaut und experimentell untersucht. Die wesentliche funktionale Anforderung an das zu entwickelnde Magnetsystem ist die Erzeugung einer Lorentzkraft von mindestens 4,9 N bei einer maximalen Betriebsspannung von 10 V. Hauptsächlich werden drei Lösungsprinzipien für die Anordnung des Magneten ausführlich betrachtet und Funktionsnachweise dazu erbracht, nämlich Scheibenmagnete mit Ringmagneten, Ringmagnete mit Quadermagnetarray, und lediglich Würfelmagnetarray. Die theoretischen Berechnungsergebnisse deuten darauf hin, dass alle drei Anordnungsprinzipien die gewünschte Lorentzkraft erzeugen könnten. Die Variante mit Würfelmagneten weist jedoch weit überdurchschnittliche Eigenschaften auf, z.B. Montagegerechtheit und flexible Austauschbarkeit. Theoretisch könnte eine Lorentzkraft von 11,88 N mit zwei parallel geschalteten Spulen und 360 Würfelmagneten bei einer Betriebsspannung von 6 V erzeugt werden. Wenn die Spulen jedoch in Reihe mit einem 100 Ω Shunt-Widerstand unter der maximalen Betriebsspannung betrieben würden, sollten die Spulen eine Lorentzkraft von etwa 5,71 N schaffen, die die Anforderung erfüllt. Daher wird dieses Lösungsprinzip entsprechend den Bewertungsergebnissen ausgesucht und weiter im Experiment verfolgt. Im Experiment mit dem Würfelmagnetarray lässt sich zusammenfassen, dass der Prototyp die geforderten Funktionen des Magnetsystems gut erfüllt. Allerdings liegen beträchtliche Abweichungen der Lorentzkraft zwischen Theorie und Praxis vor. Als die beiden Spulen bei einer Betriebsspannung von 10 V mit einem Shunt-Widerstand von 100 Ω in Reihe geschaltet wurden, wies das Magnetsystem durchschnittlich eine gemessene Lorentzkraft von 3,41 N mit einer Abweichung von etwa −40,28 % im Vergleich zur Theorie auf. Bei einer zweiten Messung wurden die Spulen in Reihenschaltung ohne Shunt-Widerstand mit ca. 9 V Betriebsspannung durchgeführt, dabei lag die gemessene Lorentzkraft bei 5,08 N, also um 40,72 % niedriger als die theoretische Berechnung. Doch die gewünschte Lorentzkraft wurde erreicht, der experimentell ermittelte Bl-Kennwert (Absolutwert) des Magnetsystems beträgt durchschnittlich demnach ungefähr 85,26 N/A.

Die Elektromagnetische Kraftkompensation (EMK) ist ein Prinzip, das auch bei hochwertigen Präzisionswaagen angewendet wird. Derartige EMK-Waagen werden aufgrund ihrer Genauigkeit in vielen Bereichen eingesetzt. Allerdings kann ein entsprechendes elektromechanisches System nicht alleine verwendet werden, sondern muss aufgrund seines inneren Aufbaus zusammen mit einem Regler betrieben werden. Dieser Regler führt den elektrischen Stromfluss durch den elektromechanischen Aktor des EMK-Systems nach, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Gewichtskraft des Messobjektes und der elektromagnetisch erzeugten Gegenkraft einstellt. Hierbei kommen neben rein analogen sowie digitalen Reglern auch Mischformen z.B. in Form digital steuerbarer Analogregler zum Einsatz. In dieser Masterarbeit wird beschrieben, wie der Entwurfsprozess, die praktische Realisierung und die experimentelle Untersuchung eines solchen digital steuerbaren, analogen PID-Reglers sowie seiner einzelnen Baugruppen abläuft.

Um eine Methode zur Herstellung minimaler Strukturen auf dreidimensionalen Oberflächen zu untersuchen, eine neuartige fünfachsige Nanomess- und Nanofabrikationsmaschine sollte entwickelt werden. Das Werkzeug wird in einen neuartigen Rotations- und Neigungsaufbau integriert. Mit dessen Hilfe können auch stark gekrümmte, asphärische oder freigeformte Oberflächen orthogonal angetastet werden. Es soll zudem als ein Werkzeug für das Direct Laser Writing verwendet werden. Um mit dem Schreiblaser im optimalen Arbeitspunkt zu schreiben, ist ein Messsystem für die Oberfläche erforderlich. Die anspruchsvollen Bauraumbedingungen erfordern ein miniaturisiertes Mess- und Schreibsystemen. Das Messsystem nutzt zwei Laser und arbeitet auf dem Prinzip eines chromatisch differentiellen Konfokalmikroskops. Es wird so gestaltet, dass das chromatische optische System die Fokusebene des Schreiblasers zwischen den beiden Fokusebenen des Messlasers liegt. Gleichzeitig wird ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis von Differenzsignalen auch als eines der Hauptziele des Designs optischer Systeme betrachtet. Die Arbeit umfasst primär Entwurf und Realisierung dieses hochintegrierten Werkzeugs. Abschließend wird das Werkzeug hinsichtlich seiner Fokusebenen für den Schreib- und die beiden Messlaser charakterisiert. Per Design sollte das Werkzeug die axiale Auflösung kleiner als 1 nm und die laterale Auflösung kleiner als 2 [my]m und sein axialer Messbereich beträgt ca. 10 [my]m. Bei der Charakterisierung stellte sich heraus, dass aufgrund parasitärer Interferenzen und Fokusverschiebungen durch abweichende Wellenlängen es zu Abweichungen von den Zielwerten kam.

Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit findet eine Verifizierung kohärenter Methoden zur Echtzeitmessung von Verformungen und Schwingungen in Maschinen oder Maschinenteilen aufgrund thermischer, statischer und dynamischer Wechsellasten statt. Diese werden insbesondere durch interferometrische Verlagerungsmessungen, an gegen Strukturknoten abgesetzten Retroreflektoren Ensembles erfasst. Dieser beschriebene Messaufbau ist vorzugsweise innerhalb des schutz-gekapselten Maschinenvolumens untergebracht. Dabei wird eine Analyse der Druckschwankungen durchgeführt. Durch eine geeignete Anordnung mit bevorzugt drei Sensoren, können die Geometrieabweichungen Nicken und Gieren simultan erfasst werden. Als Messmittel wird gewöhnlich eine interferometrische Längenmessung verwendet. Diese Art der Messung kann jedoch durch andere Methoden der Längenmessung wie beispielsweise durch die Verwendung von Linearmaßstäben, ersetzt werden. Die Implementierung solcher Linearmaßstäbe ist jedoch aufwendiger und teurer. Durch die Integration eines solchen Systems, können die dynamischen Verformungen zur Kompensation in Messvorgängen ermittelt werden. Als Resultat, werden höhere Messgeschwindigkeiten möglich, welche die Wirtschaftlichkeit fördern.

Diese Arbeit umfasst die Analyse und Weiterentwicklung eines bestehenden Demonstrators einer offenen Fixpunktzelle. Ziel ist es das enthaltene Phasenwechselmaterial in den Phasenübergang zu überführen und diesen Zustand mit einer geeigneten Regelung so lange wie möglich zu halten. Weiterhin wird die vorhandene Elektrik überarbeitet und in geeignetes Gehäuse überführt. Dazu ist die Konstruktion eines geeigneten Sockels nötig um die Fixpunktzelle mit dem Demonstrator mechanisch, sowie elektrisch zu verbinden. Um den Demonstrator bedienen zu können, wird eine geeignete GUI in Python programmiert. Mit dieser kann der Demonstrator gesteuert und geregelt werden.

Die vorliegende Master-Thesis entstand in Kooperation mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und befasst sich mit der Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung von temperatur- und drucksensitiven Farben. Durch die temperatur- und drucksensitiven Farben soll das messtechnische Anwendungsfeld in der Fahrzeugentwicklung erweitert werden. Das Messprinzip der Farben besteht in der Anregung der im Lack enthaltenen Luminophoren durch Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs (beispielsweise UV-Licht). Das Messsignal wird mit Hilfe von Kameras in einem anderen Wellenlängenbereich aufgenommen und weiterverarbeitet. Zu Beginn der Arbeit werden die Anforderungen an den zu entwickelnden Prüfstand erarbeitet. Dazu wird zunächst eine theoretische Recherche durchgeführt. Im Anschluss erfolgt die Ausarbeitung eines Gesamtkonzeptes für den Prüfstand. Der Prüfstand besteht aus einer druckdichten Kammer mit integrierter Heizplatte und optischem Zugang. In der Kammer können unterschiedliche Atmosphären und Temperaturen erzeugt und deren Einflüsse auf die Messergebnisse untersucht werden. Auch die Evakuierung der Kammer ist möglich. Die notwendige Referenzgröße (Oberflächentemperatur) wird durch Extrapolation ermittelt. Dabei können die Einflüsse unterschiedlicher Probenmaterialien, Probengeometrien und Schichtdicken mit hoher Reproduzierbarkeit untersucht werden. Die für die Fertigung und Montage notwendigen 3D-Modelle, Baugruppen und Einzelteilzeichnungen werden mit einem CAD-Programm erstellt.

In der vorliegenden Arbeit werde hauptsächlich auf die Messungen und Analysieren der Langzeitfrequenzstabilität von He-Ne-Lasern verschiedener Hersteller konzentrieren. Die Hauptmessmethode besteht darin, mit einem hochpräzisen optischen Frequenzkamm die Frequenz des zu messenden Lasers durch Messung des Schwebungssignals zu erhalten und die Langzeitfrequenzstabilität des Lasers und den Einfluss auf die Interferometrische Messung zu analysieren. Die Analyse wird im Zeitbereich durch Allan-Deviation durchgeführt. Gleichzeitig werden Reproduzierbarkeit-Messungen für verschiedene Lasertypen sowie einige Zusatzmessungen durchgeführt, um die Charakterisierung der Frequenzstabilität umfassender zu untersuchen. Die Faserkopplung hat keinen offensichtlichen Einfluss auf die Frequenzstabilität. Die relative Stabilität von He-Ne-Lasern beträgt im Allgemeinen etwa 1E-9 innerhalb einer Messzeit von 24 Stunden, und der Laser mit Zeeman-Effekt-Stabilisierung ist stabiler als der Laser mit Zwei Moden-Vergleichsverfahren (Polarisation-Stabilisierungsverfahren). Und die Anzahl und Dauer der Reproduzierbarkeit-Messungen beeinflusst die langperiodische Schwankungen. Abschließend wurde der im Labor vorhandene ultrastabile Extern-Cavity Diodenlaser mit ORS-System vermessen und mit dem He-Ne-Laser verglichen. Die Fluktuation des Diodenlasers beträgt weniger als 50 kHz in 24 Stunden. Bei Kurzzeit dominiert die Frequenzstabilität durch Frequenzkamm, und ab Integrationszeiten 1000 s dominiert die Drift des ORS-Systems. Stromeinstellung scheint Einfluss zu periodische Schwankung. Mit zunehmender Messzeit (mehrere Tage) wird die Stabilitätsdifferenz zwischen dem Diodenlaser und dem He-Ne-Laser allmählich kleiner oder gleich.

Tiltmeter sind Neigungssensoren, welche sehr kleine Verkippungen detektieren können. Daher werden sie hauptsächlich in der Geodäsie und im Bauwesen zur Überwachung der Verformung bzw. Bewegungen des Untergrundes angewandt. Zusammen mit Seismografen können sie zur Vorhersage von Erdbeben und Vulkanausbrüchen genutzt werden. Für diese Aufgabe ist es wichtig, dass Tiltmeter eine sehr hohe Auflösung besitzen, dafür benötigen sie aber keinen allzu großen Messbereich. In vorangegangenen Forschungsarbeiten an der TU Ilmenau wurden Tiltmeter entwickelt, welche auf Pendelkörpern aus Festkörpergelenken basieren, deren Auslenkung elektromagnetisch kompensiert werden kann. Die benötigte Kraft der Kompensierung ist dabei proportional zum Kippwinkel des Sensors. Um mit diesem Prinzip eine Verkippung in zwei Achsen messen zu können, müssen zwei solcher Aufbauten in einem exakten 90 ˚ Winkel angeordnet werden. Dies führt zu einem komplexen Aufbau und hohen Fertigungskosten. Als Alternative dazu wurde in dieser Arbeit ein Tiltmeter auf dem Prinzip einer Glasfaser als Pendelkörper konzipiert, konstruiert, aufgebaut und untersucht. Dabei wird Licht in die Faser eingeleitet. Bei einer Verkippung des Tiltmeters wird das freie Faserende ausgelenkt. Der austretende Lichtpunkt trifft anschließend auf einen 2D-fotosensitiven Sensor. Durch die Lage des Lichtpunktes auf dem Sensor kann auf den eingebrachten Kippwinkel zurückgeschlossen werden. Im Anschluss an die Inbetriebnahme fanden Funktionstests statt, die den Zusammenhang zwischen der Position des Lichtpunktes auf dem Sensor und dem Winkel der Verkippung ermittelten. Dazu wurde das Tiltmeter auf einem hochgenauen Kipptisch untersucht. Es wurde zudem die Auflösung des Sensors bestimmt. Die kleinste noch zuverlässig unterscheidbare Winkeländerung betrug dabei ca. 700 nrad. Der maximale Messbereich des Aufbaus beträgt ± 0,3 ˚. Zudem wurde ein Langzeittest durchgeführt, um das Driftverhalten des Tiltmeters zu untersuchen.

In der vorliegenden Masterarbeit werden thermische Modelle auf der Basis von realen Messdaten entwickelt und anhand von Experimenten überprüft. Hierzu wurde das Übertragungsverhalten einer Temperaturmessstelle direkt im Prozess untersucht. Zuerst werden in Kapitel 2 die relevanten physikalischen Grundlagen gelegt und in Kapitel 3 der Stand der Technik recherchiert. Mit den Materialdaten erfolgt die Berechnung des thermischen Widerstands und der Wärmekapazität. In Kapitel 4 werden die Messeinrichtungen und Messobjekte usw. dargestellt. Im Folgenden unterteilen sich die realen Messungen in vier Situationen unter verschiedenen Luftgeschwindigkeiten. Dann werden die Modelle aus dem berechneten Wärmewiderstand und der Wärmekapazität in Kapitel 5 erstellt. Kapitel 6 zeigt die Simulationsergebnisse des Modells und dessen Vergleich mit realen Messwerten. Kapitel 7 geht auf mögliche Ursachen von Messabweichungen ein. In Kapitel 8 schließt die Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick. Durch die Simulationen auf Basis möglichst einfacher Modelle konnte der reale Prozesse bis zu einem gewissen Grad mit vertretbaren Unsicherheiten nachgebildet werden.

Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden Untersuchungen zur Massekalibrierung und Positionsdetektion des Messobjekts von Mikrocantilever-basierten Massemessungen gemacht. Das zugrundelegende physikalische Prinzip beruht auf der Änderung der mechanischen Resonanzfrequenz des Cantilevers, sobald ein Messobjekt angehängt wird. Diese Methode kann genutzt werden, um die Masse von einzelnen biologischen Zellen unter Zellkulturbedingungen oder Mikropartikeln verschiedener Materialien im unteren Nanogramm- bis Picogrammbereich zu untersuchen (1 pg = 1&hahog;e-3 ng = 1&hahog;e-15 kg). Das Messsystem wurde als harmonischer Oszillator modelliert, um die Resonanzfrequenz des Cantilevers zu erhalten. Die Euler-Bernoulli Balkentheorie wurde zur Berücksichtigung der Position des Messobjekts angewandt. Die Position wurde mit einem mechanischen Ansatz detektiert, welcher sich die Informationen aus höheren Biegemodi zunutze macht. Es wurden Messungen an Polystyrol- (PS) und Siliziumdioxid- (SiO2) Mikrokugeln mit Durchmessern zwischen d = 10 [my]m - 15 [my]m durchgeführt. Der Fokus dieser Messungen lag auf Linearitäts- und Wiederholgenauigkeitsmessungen durch Vergleichen der gemessenen Masse mit einer zu erwartenden Masse, welche durch die gegebenen Durchmesser- und Dichtespezifikationen errechnet wurde. Die Sader Methode wurde zur Kalibrierung der Federkonstante des Cantilevers genutzt. Als Cantilever wurde eine FluidFM Mikropipette eingesetzt, welche es ermöglicht, an dem freien Ende des Cantilevers ein Messobjekt durch Unterdruck anzusaugen. Der Cantilever wurde durch einen Infrarotlaser photothermisch angeregt, wobei das Biegungssignal durch einen Vierquadranten-Photodetektor erfasst wurde. Massemessungen an 175 Mikrokugeln wurden durchgeführt, wobei eine durchschnittliche Messunsicherheit von 9.7 % (k = 2) ermittelt werden konnte. Durch die fünfmalige Messung eines Partikels (PS, d = 15 [my]m) wurde eine Wiederholgenauigkeit von 0.08 ng (k = 2) festgestellt. Die Ergebnisse der Multimode-Positionsdetektion haben gezeigt, dass die Position der Messobjekte mit einer Standardabweichung von 8 [my]m auf einem Cantilever der Länge l = 200 [my]m bestimmt werden konnte. Dabei wich die durchschnittliche gemessene Position um 3 [my]m von der erwarteten Position ab.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem neuen Aufbau einer Wägeeinrichtung nach dem Prinzip einer elektromagnetischen Levitationswaage. Der Aufbau verzichtet komplett auf eine mechanische Führung der Waagschale durch Federgelenke und unterscheidet sich somit stark von den nach Stand der Technik üblichen Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Daraus ergeben sich Vorteile wie eine erhöhte mechanische Robustheit und eine geringere Federsteifigkeit der Waage. In dieser Arbeit wird der mechanische und elektrische Aufbau der Waage und des Messaufbaus genauer beschrieben. Anschließend werden Messungen verschiedener für den Betrieb der Waage wichtigen Parameter durchgeführt und bewertet. Untersucht werden das Signalrauschen verschiedener Messignale, die Federsteifigkeit der Waagschalenbewegung, das Temperaturverhalten, die Linearität der Kennlinie, die Wiederholpräzision und das Ecklastverhalten. Die Wiederholpräzision ist im Verlauf dieser Arbeit deutlich verbessert worden. Sie ist jedoch immer noch ein limitierender Faktor der Waage. Des Weiteren wurde ein prinzipbedingter Ecklasteffekt durch das zusätzliche Messen von Hilfsspannungen kompensiert. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass der Einfluss der Temperatur durch Berücksichtigung von drei Aktortemperaturen deutlich verringert werden kann. Darauf aufbauend wurden verschiedene Ansätze zur weiteren Verbesserung der Waage gemacht.

Bei Verwendung von der Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM) 200 zur Messung der Proben wirkt sich die Oberflächentopografie des Referenzspiegels direkt auf das Messergebnis des Messobjekts aus, da es sich um eine relative Messung handelt. Aus diesem Grund ist eine Bestimmung der tatsächlichen Spiegeltopographie und eine anschließende Korrektur für exakte Messungen unumgänglich. Im Rahmen dieser Arbeit wird die konjugierte Differentialmethode untersucht und ihre Fähigkeit zur Rekonstruktion der Oberflächentopografie des Referenzspiegels von NPMM-200 durch Simulation verifiziert. Durch die vierstufige Mikrobewegung des Testspiegels in der konjugierten Position wird die Differenzoberflächenform des Testspiegels in beiden orthogonalen Richtungen (x-Richtung und y-Richtung) durch Subtrahieren der Messdaten in positiver und negativen Richtungen erhalten, und dann wird die absolute Oberflächentopografie des Testspiegels durch den Rekonstruktionsalgorithmus erhalten. Unter diesen gibt es zwei Oberflächenrekonstruktionsalgorithmen, einer ist die Fourier-Transformationsmethode und der andere ist die Zernike-Polynomanpassungsmethode. Im Simulationsprozess werden die Rekonstruktionsfähigkeit der beiden Methoden auf der Referenzoberfläche und der Einfluss verschiedener Faktoren, wie z.B. Oberflächenpaarung, Relativverschiebung, Messrauschen usw., auf die Rekonstruktionsergebnisse analysiert und bewertet. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die beiden Rekonstruktionsalgorithmen gute Rekonstruktionsfähigkeiten für die Topografie des Referenzspiegels aufweisen.

Der in einem optischen Hohlraum eingeschlossene Laserstrahl kann verwendet werden, um Kräfte zu verstärken, die durch den Effekt der Übertragung des Photonenimpulses erzeugt werden, der auf die Spiegel des Hohlraums wirkt. Um die Verlässlichkeit der Mehrfachreflexionen zu beschreiben und ihre Geometrie innerhalb des Hohlraums zu steuern, wurde eine theoretische Analyse unter verschiedenen Modellannahmen durchgeführt. Anfangs wurde der Laserstrahl als Linie betrachtet, dann in zylindrischer Form mit definiertem Querschnittsdurchmesser und alle Reflexionen sind spiegelnd. Auf dieser Grundlage zeigt dieser Bericht einen mathematischen Algorithmus, mit dem die Ausbreitungstrajektorie des Laserstrahls innerhalb des Hohlraums unter Berücksichtigung der geometrischen und verschiedener anderer Bedingungen wie des Reflexionsvermögens und der optischen Eigenschaften der Spiegel sowie des Einfallswinkels des Strahls beschrieben werden kann , die Größe der Spiegel, der Wechselwirkungswinkel, der Abstand zwischen den Spiegeln und der Durchmesser des Laserstrahls usw. Dieser mathematische Algorithmus wurde in der Matlab-Programmumgebung implementiert, und alle theoretischen Berechnungen können über die entwickelte GUI durchgeführt werden. In der Zwischenzeit wurde während der Arbeiten ein manuell einstellbares mechanisches System mit 4 Freiheitsgraden entwickelt, um Testmessungen durchzuführen und die theoretischen Berechnungen zu verifizieren. Es wurden Messungen der Reflektivitätsverteilung über die Oberfläche von Spiegeln durchgeführt, die zur Abschätzung der Leistungsverluste des Laserstrahls beitragen. In den Experimenten wurde die Abhängigkeit des Spiegelreflexionsvermögens vom Einfallswinkel (in 10 ˚, 11 ˚, 12 ˚, 20 ˚) des Laserstrahls getestet und die Reflexionsverteilung über die Spiegeloberfläche (räumliches Reflexionsvermögen) bestimmt. Schließlich wurden die gesammelten Daten aus Experimenten in Matlab verarbeitet und dann mit den theoretischen Ergebnissen verglichen. Die gegenseitige Überprüfung theoretischer Werte und experimenteller Ergebnisse gewährleistet die Zuverlässigkeit des mathematischen Modus.

Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) besitzt eine sehr hohe Messgenauigkeit, indem ein Abbe'sches Komparatorprinzip während der Messung eingehalten wird. Das heißt, die drei Laserstrahlen zur Längenmessung aus dem Interferometer schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, der als Abbepunkt bezeichnet wird. Dabei handelt es sich jedoch nur um den Idealfall. Praktisch schneiden sich die Laserstrahlen nicht genau im Abbepunkt und liegen in unterschiedlichen Ebenen. Das führt zu einer Erhöhung der Messunsicherheit von NPMM 200. Deshalb muss dieser Fehler eliminiert werden. Dafür muss eine neue Baugruppe entwickelt werden, die die drei Laserstrahlen detektieren und die räumliche Position der Laserstrahlen ermitteln kann, sodass bestimmt werden kann, wie die Laserstrahlen justiert werden sollen. Außerdem gibt es in X- und Y-Richtung jeweils einen extra Laserstrahl zur Winkelmessung und in Z-Richtung zwei. Der Abstand zwischen dem Laserstrahl zur Winkelmessung und demjenigen zur Längenmessung soll auch durch die entwickelte Baugruppe gemessen werden.

In der Meteorologie und in vielen industriellen Bereichen ist die genaue Kenntnis der Umgebungstemperatur von großer Bedeutung. Um diese zu gewährleisten, müssen die verwendeten Thermometer regelmäßig kalibriert werden. Die Kalibrierung ist oft sehr zeit- und kostenintensiv, besonders wenn die Messstelle schwer zugänglich ist. Außerdem müssen die Messungen, während eines Kalibriervorgangs unterbrochen werden. Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wird an einer Vorrichtung zur automatischen, rückführbaren Kalibrierung von Thermometern zur Umgebungstemperaturmessung gearbeitet, um diese Probleme zu lösen. In der vorliegenden Masterarbeit wird die Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme eines Positioniersystems beschrieben, welches als Demonstrator für eine solche Vorrichtung dienen soll. Das Positioniersystem soll zwei Thermometer nacheinander aus ihren Messpositionen holen, in Fixpunktzellen positionieren und nach erfolgreicher Kalibrierung wieder zurückfahren. Das System soll in einer Wetterhütte nach DIN 58 656 eingesetzt werden und wird entsprechend der erwarteten Umweltbedingungen ausgelegt. Die Ergebnisse werden messtechnisch untersucht und die Wiederholbarkeit der Positionierbewegung wird ausgewertet. Anschließend folgt eine Diskussion möglicher Verbesserungen.

Gemäß der Aufgabenstellung wurde im Rahmen der vorliegenden Masterarbeit das Servicekonzept eines neuen optischen Biometriegeräts der Carl Zeiss Meditec AG validiert und weiterentwickelt. Im ersten Schritt wurden die Anforderungen an die Service-Tools quantitativ und qualitativ definiert. Aufbauend darauf wurde ein in der Vorentwicklung entstandenes Konzept hinsichtlich Erfüllung der Anforderungen und Optimierungspotential analysiert. Daraus ergab sich die Notwendigkeit einer Konzeptänderung für das toleranz-kritische Servicetool und eine Anpassung der Serviceschnittstelle am optischen Biometriegerät. Um die Messunsicherheit der Servicemessungen zu verringern, wurde das zuvor als toleranz-kritisch identifizierte Tool neu konzipiert und ein deutlich verbesserter Kalibrierablauf entwickelt. Dadurch konnte das Messunsicherheitsbudget entlastet, die Anzahl der kalibrierpflichtigen Servicetools verringert und die Kalibrierkette verkürzt werden. Aufgrund der Neukonzeptionierung des Tools werden fertigungsbedingte Maßschwankungen nicht durch Justagestellen ausgeglichen, weshalb die mechanische Toleranzkette mittels Monte-Carlo-Simulation auf maximale Positionsabweichungen untersucht wurde. Durch Voruntersuchungen erkannte Festigkeitsprobleme an der Serviceschnittstelle führten zu einer Optimierung der Geometrie-Parameter und der eingesetzten Materialien. Durch Simulationen der auf die Schnittstelle wirkenden Kräfte konnte zusätzlich die Festigkeit bei einer Betätigungskraft von 50 N sichergestellt werden. Um die Erfüllung der Anforderungen an das Servicekonzept nachzuweisen, wurde abschließend das Messunsicherheitsbudget für eine Servicemessung aufgestellt und dessen Unsicherheitsbeiträge ermittelt. Die Position des Tools kann mit einem 99,73 prozentigen Konfidenzintervall auf 24,5 [my]m genau bestimmt werden.

In hochpräzisen dynamischen Wägeprozessen wirken sich die mechanischen Schwingungen des direkten Umfelds nachteilig auf die Reaktionen der Wägezelle aus und verringern somit die Genauigkeit des Wiegeergebnisses. In dieser Arbeit wird ein vollständiges 3D-Wägezellenmodell erstellt und basierend auf diesem Modell eine Methode zur Kompensation des Einflusses von Störschwingungen vorgeschlagen. Im industriellen Umfeld werden selten die Bedingungen für eine hochpräzise Wägung realisiert. Daher ist es oftmals sinnvoll den gesamten Messprozess unter idealisierten Bedingungen per Software zu simulieren. In diese Arbeit wird eine Plattform mit acht Wägezellen durch die Simulationssoftware Simscape Multibody modellieren. Diese Arbeit zeigt auch einige Untersuchungen zum Einfluss von Störschwingungen auf das Modell. Zur Untersuchung und späteren Kompensation dieser Störschwingungen werden Beschleunigungssensoren an geeigneten Positionen des Modells installiert. Auf Basis dieser Sensordaten wird es möglich die nachteiligen Auswirkungen auf den Wägeprozess rechnerisch zu kompensieren.

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Verbesserung der lateralen Messgenauigkeit von Autofokussensoren bei der Messung von Mikrostrukturen. Die Kombination von optischen Fokussensoren mit der Nanomessmaschine erlaubt eine große Submikrometergenauigkeit, wobei eine vertikale Auflösung von 1 nm dadurch erreicht werden kann. Die laterale Auflösung bleibt jedoch aufgrund der Laserspotgröße und der Beugungseffekte beschränkt (circa 600 nm). Um diese laterale Beschränkung zu überwinden, wurden zunächst praktikable Messverfahren vorgeschlagen und durchgeführt. Einerseits wurden an einem Variable Height Kalibrier-Normal bilaterale Messungen mit dem Laserfokussensor bei unterschiedlichen Grabentiefen durchgeführt. Andererseits wurden die gleichen Stellen und die realen Grabenbreiten sowohl mit dem Rasterelektronenmikroskop (REM) als auch mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) gemessen und ausgewertet. Es wird durch die durchgeführten Messungen nicht nur die laterale Breitenabweichung zwischen den Laserfokussensor-Signalen und den realen Breiten bewertet, sondern auch eine apriori Modellgeometrie für den Simulator gebildet. Im Rahmen dieser Arbeit wird, der von Dr. Jörg Bischoff entwickelte Simulator, welcher auf einem Modell basiert, weiterentwickelt, um die laterale Beschränkung zu überwinden. Die Weiterentwicklung basiert u.a. auf der Implementierung der C-Methode zusätzlich zur Rigorous Coupled-Wave Analysis Methode. Die genannten Solver werden getestet. Außerdem werden die Einflüsse von Parametern wie Wellenlänge und Numerische Apertur auf die Lage der maximalen Überschwinger, die sowohl bei den Messungen als auch bei den simulierten Signalen entstehen, analysiert. Um die simulierten Signale mit den Messungen vergleichen zu können, werden die Profilgeometrie aus dem REM und AFM Messungen abgeleitet. Auf dieser Basis werden mit dem Search Engine die simulierten Signale generiert und die Breiten von REM-AFM Messungen mit dem generierten Modell verglichen. Anhand von Simulationen und deren Vergleich mit gemessenen Signalen des Laser-Fokus-Sensors wird die erreichte Leistungsfähigkeit der Simulationssoftware demonstriert.

Die vorliegende Masterarbeit beschreibt die Untersuchung der Machbarkeit von Messungen periodischer und nichtperiodischer Linienstrukturen mit Subauflösungsdimensionen mittels eines neuartigen Coherent Fourier Transformation Scatterometry-Prinzips mit Shack-Hartmann Sensor gemessenen Wellenfront. Zuerst werden die Aufbauten und Justieren für diese Geräte in den Details vorgestellt. Und dann werden die Messungen für die periodischen und nichtperiodischen Strukturen durchgeführt. Schließlich werden die Ergebnisse laut der Zernike-Polynome ausgewertet. Aus unseren Messungen ist zu erkennen, dass die Informationen von dem Wellenfront die Profile der Strukturen rekonstruieren kann. Von größerem Interesse waren für uns nichtperiodische Strukturen, die mit dem klassischen Optical Critical Dimension-Verfahren nicht gemessen werden können.

Entwicklungsbegleitende Messungen und Tests finden in allen Stufen des Entstehungsprozesses mechatronischer Systeme statt und sind essenziell für die qualitätsorientierte Verwirklichung des angestrebten Zielsystems. Die vorliegende Arbeit widmet sich der Standardisierung von bisher systemspezifischen Mess- und Testabläufen mit dem Ziel der Kosteneinsparung und der Senkung des Entwicklungsaufwands. Zunächst wird eine Analyse des Stands der Technik und im Unternehmen bestehender Mess- und Testszenarien durchgeführt. Darauf aufbauend werden die Anforderungen an die Struktur automatisierter Standard-Prozesse zur Einhaltung des V-Modells definiert und jeweils ein geeignetes Tool für ihre Ausführung an einem Prüfstand ausgewählt. Zudem wird die Interaktion zwischen dem ausgewählten Tool und dem Prüfstand sowie die Anbindung an ein Anforderungsmanagementprogramm vorgestellt. Diese Anbindung erhöht die Nachvollziehbarkeit der Entwicklungsprozesses und vereinfacht die Durchführung von automatisierten Tests sowie deren Dokumentation. Abschließend wird validiert, dass die vorgestellten Mess- und Testkonzepte für die Erfüllung der jeweiligen Aufgabe, die automatisierte Vermessung bzw. Test eines Prüflings, geeignet sind. Zusammenfassend verwirklicht diese Arbeit jeweils ein ausgearbeitetes, funktionales und anpassbares Konzept für wiederverwendbare, entwicklungsbegleitende Messungen sowie für vollständig in sich geschlossene (Gesamt-)Systemtests in Bezug auf das V-Modell.

Ziel dieser Masterarbeit war es, die Temperatur, die durch Peltier-Elemente erzeugt wird, selbstoptimierend zu regeln. Dies erfolgte durch die Entwicklung eines Regelalgorithmus, der in einen Micropython-Mikrocontroller implementiert wurde. Darüber hinaus lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Optimierung des Reglers, da diese eine Voraussetzung ist, um den realisierten Aufbau als Tauspiegelhygrometer oder ähnliche Geräte anzuwenden. Zur Optimierung der PID-Koeffizienten (Proportional-Integral-Derivative-Koeffizienten) werden die Sprungantwort des Systems und anschließend die Ziegler-Nichols-Methode als Schritte des PID-Optimierungsverfahrens in Anspruch genommen. Weiterhin wurde unter Verwendung der optimierten Koeffizienten am PID-Regler ein Probeversuch durchgeführt, um die Steinhart-Hart-Koeffizienten und die Kennlinie von NTC-Thermistoren (Negative-Temperature-Coefficient-Thermistoren) zu bestimmen und auszuwerten. Um die Genauigkeit des PID-Reglers selbstständig zu beweisen, wurde zunächst dreimal ein Versuch für drei Temperaturen durchgeführt, was zu einer Abweichung von weniger als 0,01˚C für diese Peltier-Temperaturregelung führte. Aus den Ergebnissen des Probeversuchs geht weiter hervor, dass die Messunsicherheit des kalibrierten NTC-Thermistors kleiner als 0,02˚C ist, was auch die Güte der Regelung beweist, mit deren Hilfe die Kalibrierwerte ermittelt wurden. Somit kann der Regler problemlos in vielen Projekten eingesetzt werden, bei denen vergleichbare Eigenschaften sowie ein optimales Führungsverhalten erforderlich sind. Schlagwörter: Peltier-Temperaturregelung; Micropython-Mikrocontroller; selbstoptimierend; Sprungantwort; Ziegler-Nichols-Methode; PID-Regler; Kalibrierung des NTC-Thermistors

Die erfolgreiche Umsetzung und vielfältige Nutzbarkeit der am IPMS der TU Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen mit atomarer Auflösung und makroskopischem Arbeitsbereich (erste Generation: 25 x 25 x 5 mm^3, zweite Generation: 200 x 200 x 25 mm^3) motiviert die Entwicklung einer Variante mit einem nochmals erweiterten Arbeitsvolumen von bis zu 1000 x 1000 x 400 mm^3. Um die Erhöhung der bewegten Masse zu vermeiden und die Dynamik der Maschine zu bewahren, erfordert dies eine Umkehrung des kinematischen Prinzips mit einem beweglichen Messtaster und nach innen zeigenden Referenzspiegeln im Maschinenrahmen für die Definition des Maschinenkoordinatensystems. Zur Kalibrierung müssen die für die interferometrische Positionsbestimmung vorgesehenen drei Referenzspiegel (XY-, XZ- und YZ-Spiegel) bezüglich Ebenheit und rechtwinkliger Anordnung hochgenau vermessen werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden verschiedene Methoden zur präzisen Messung der Abweichung der Spiege-lorthogonalität entwickelt und untersucht. Es werden Messungen mit einem visuellen und einem elektronischen Autokollimator, einem Fizeau-Interferometer sowie Pentaprismen, Doppelspiegeln und einem Keilprisma durchgeführt. Die erreichbare Genauigkeit der einzelnen Verfahren wird untersucht und verglichen. Es wird ein kamera- und softwaregestütztes Messverfahren mit einem visuellen Autokollimator für die winkelsekundengenaue Messung von ebenen Spiegelecken entwickelt.

Beatfrequenz von He-Ne Laser bezieht sich die Frequenzdifferenz zwischen zwei benachbarte Moden. Wegen der Wärmausdehnung des Resonators ist die Resonatorlänge des He-Ne Laser einstellbar. In diese Arbeit wird ein Python-Programm für Temperaturmessung und Beatfrequenzmessung entwickelt. In den Messungen werden Oszilloskop, Frequenzzähler und Thermistor genutzt. Durch Suche nach dem Maximum oder Minimum der Beatfrequenz innerhalb eines Modendurchlaufs wird die Resonatorlänge für Arbeitspunkt des Lasers festgestellt. Die Messungen sind für 2 polarisiert Laser und 2 unpolarisiert Laser. Zum Schluss werden die Messergebnisse zusammengefasst.

Die vorliegende Abschlussarbeit befasst sich mit der Untersuchung des dynamischen Temperaturverhaltens von Berührungsthermometern. Dieses wird mit Hilfe von numerischen Berechnungen für verschiedene Einsatzbedingungen abgeschätzt. Experimentelle Untersuchungen des Fachgebietes Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau, welche im Auftrag der Porsche AG durchgeführt wurden, dienen als Grundlage für den Vergleich des ermittelten Verhaltens aus den Finiten Elemente Simulationen. Der Wärmeübergang ergibt sich aus den Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide Luft und Wasser und wird in den Simulationen nachgebildet. Dieser wird maßgeblich durch erzwungene Konvektion bestimmt. Für die numerischen Berechnungen werden ein Mantelthermoelement (MTE) mit Schutzrohr sowie ein Widerstandsthermometer betrachtet. Die Konstruktionsmodelle für die Simulationen werden für das MTE nach Norm und für das Widerstandsthermometer nach einer Röntgen-Analyse der konstruktiven Eigenschaften aufgebaut. Die ermittelten geometrischen Abmessungen dienen zusammen mit den Strömungsgeschwindigkeiten der Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten. Das MTE weist zwischen Mantelrohr und Schutzrohr einen konzentrischen Ringspalt auf. Die Strömung innerhalb des Ringspalts wird mit Strömungsfeldberechnungen (CFD) abgeschätzt. Es erfolgt eine Sensitivitätsanalyse der Berechnungsvorschriften für die Wärmeübergangskoeffizienten bei dem MTE sowie der konstruktiven Eigenschaften des Widerstandsthermometers. Die Ergebnisse werden im Vergleich zu den vorliegenden Messungen bewertet und entsprechende Abweichungen interpretiert. Die betrachteten numerischen Berechnungen liefern Näherungslösung mit denen es möglich ist, Aussagen über die dynamischen Kennwerte bei konstruktiven Änderungen bzw. bei modifizierter Werkstoffauswahl zu treffen. Aus den Versuchen und den numerischen Berechnungen werden abschließend die Zeitprozentkennwerte bestimmt. Diese sind ein Maß für die Dynamik des Temperaturausgleichs eines Temperaturfühlers. Anhand dieser werden mathematische Funktionen für das Widerstandsthermometer ermittelt, die das Verhalten der Zeitprozentkennwerte für praxisrelevante Wärmeübergangskoeffizienten angeben. Dies bietet die Möglichkeit Abschätzungen über die Zeitprozentkennwerte in verschiedenen Fluiden zu treffen.

Der Einsatz von elektromagnetischen Waagen in der dynamischen Wägetechnik vereint die Forderung nach hohen Auflösungen bei guter Reproduzierbarkeit mit der nach möglichst geringen Messzeiten. Hierzu ist es notwendig, dass die Eigenschaften der Komponenten optimiert sind. Zur Beurteilung dieser Eigenschaften wird in Unternehmen die Fertigungskontrolle eingesetzt. Während des Herstellungsprozesses und der Verarbeitung können sich innerhalb des Wägesystems Restspannungen bilden. Diese Restspannungen haben zur Folge, dass sich die Empfindlichkeit der Waage reduziert und sich die Produktlebenszeit verringert. Innerhalb dieser Arbeit wird eine Methode zur zerstörungsfreien Fertigungskontrolle des Wägesystems vorgestellt. Dies kann somit vor der Montage durchgeführt werden und ermöglicht somit die Vermeidung der Montage von Schlechtteilen. Die Fertigungskontrolle gliedert sich in drei Schritte: Aufbau des Prüfstands, Erfassung der Signale sowie Signalverarbeitung und -auswertung. Ein geeigneter Aufbau des Prüfstandes wird unter Berücksichtigung der Einflussfaktoren wie die Position der Anregung, die Klemmlage des Messobjekts, die Größe der Prüfkraft, die Position des Empfängers und die Temperaturänderung ermittelt. Als Verfahren wird ein akustisches Messverfahren ausgewählt. Die Methode wurde an mehreren Bauteilen getestet.

In dieser Arbeit wird die Struktur und Untersuchung von dynamischen mathematischen Modellen von Prozessen in der dynamischen Wägezelle vorgestellt, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Waage) ablaufen. Der Aufbau der Wägezelle ist ungefähr in ein "Zwei-Massen-Schwingsystem" für Innenaufprall und in ein "Fünf-Massen-Rotationsschwingsystem" für Innen- und Außenaufprall gegliedert. Modelle werden basierend auf der Zustandsraumbeschreibung analysiert und die Parameter des Modells werden identifiziert. Für das "Zwei-Massen-Oszillationssystem" werden die Zustandsregler unter Verwendung der Modalsynthese und der optimalen Steuermethoden entworfen. Für das "Fünfmassen-Rotationsoszillationssystem" und die Peripherie der Waage wurde ein Computermodell in MATLAB / Simulink erstellt, der Regelkreis wurde mit einem PID-Regler erhalten. Es wurden Prozesse durchgeführt, die auf einem Computermodell basierten. Schlagwörter: EMK-Waage, Wägezelle, Modellierung, Schwingsystem, Systemidentifikation, Zustandsraum, Zustandsregler, MATLAB / Simulink

In dieser Masterarbeit war eine Weg- und Neigungsregelungsystem und ein Steuersystem für eine präzise Positionierung einer Hubplattform entwickelt und später für die Kalibrierung eines supraleitendes Gravimeters. Die Anforderung für diese Arbeit war die Entwicklung eines Neigungsregelungsystems, so dass die Neigung der Plattform unter 0,5 [my]rad bleibt. Die Steuer- und Regelungsystem der Plattform war mithilfe der FPGA-Karte NIPXI-7841R, dem RT-System NI PXI-8195 und LabVIEW-Software entwickelt. Die Funktionsweise des Programms und den Algorithmen sind in dieser Arbeit beschrieben. Weil einige Teile des Programms noch nicht implementiert sind, es wird in dieser beschrieben, wie soll man weiter das Programm entwickeln.

Durch moderne Fertigungstechnik ist es möglich die Funktionsoberflächen von optischen und mikrosystemtechnischen Bauteilen so zu gestalten, dass zahlreiche Funktionen gleichzeitig integriert werden können und damit Bauteile kleiner, leichter und leistungsfähiger sind als herkömmliche Komponenten. Diese Oberflächen sind nicht mehr mit Sphären oder Ellipsen beschreibbar und werden als Freiformflächen bezeichnet. Für die messtechnische Untersuchung dieser Oberflächen mit der Nanomess- und Positioniermaschine, die eine Unsicherheit im Nanometerbereich aufweist, müssen die derzeit vorhandenen translatorischen Achsen um zwei Rotationsachsen erweitert werden. Damit können das Messobjekt oder das Messsystem, beziehungsweise beide, so zu einander ausgerichtet werden, dass die Messrichtung immer senkrecht zur gerade beobachteten Oberfläche steht und somit Messabweichungen reduziert werden. In voran gegangenen Forschungsarbeiten sind kinematische Prinzipe entwickelt worden. Eines dieser Prinzipe, mit verteilten Rotationen, sieht eine Rotation des Messobjekts um die z-Achse und eine Rotation des Oberflächenmesssystems um die y-Achse vor. Für die erste Erprobung ist ein Aufbau konzipiert und konstruiert worden. Dieser Aufbau beschränkt sich zunächst auf die Rotation des Messobjekts um seine Hochachse. Um die erwarteten Messabweichungen des ausgewählte Rotationssystems beurteilen zu können, sind Voruntersuchungen durchgeführt worden. Diese haben die unvermeidlichen mechanischen Abweichungen durch Fertigungstoleranzen bezüglich des Rundlaufs und der Senkrechtstellung der Rotationsachse quantifiziert. Die interferometrische Rundlaufmessung hat Abweichungen im Bereich von 18 [my]m bis 127 [my]m gezeigt. Die Standardabweichung der Messwerte liegt je nach Drehrichtung zwischen 2 [my]m im Uhrzeigersinn und gegen diesen 12 [my]m. Die Wiederholbarkeit der Position ist ebenfalls abhängig von der Bewegungsrichtung, diese liegt bei 123 [my]rad (im Uhrzeigersinn) beziehungsweise 177 [my]rad (gegen den Uhrzeigersinn) und wurde auch interferometrisch bestimmt. Die Verkippung des Aktortisches ist mit Hilfe eines Autokollimationsfernrohrs erfasst worden. Thermische Untersuchungen haben gezeigt, dass durch den Aktor keine nennenswerte Erwärmung der Umgebung auftritt. Die Funktionsfähigkeit des Aufbaus auf der NMM-1 ist mit Oberflächenmessungen an einer Optik untersucht worden. Die Aufgabe war dabei den Krümmungsradius einer konvexen Linse zu bestimmen. Dies ist mit einzelnen Messungen entlang von Linien und einer Flächen-Messung erfolgt. Für die Auswertung der Messdaten sind Algorithmen für die Näherung von Kreisen und Kugeln genutzt worden um die Krümmung zu bestimmen.

Computersimulationen gewinnen, nicht zuletzt aufgrund stetig wachsender Computerleistung, zunehmend an Bedeutung. Sie werden dann eingesetzt, wenn physische Modelle zu aufwendig sind. Die Simulation von Phasenumwandlungen ist insbesondere in der Messtechnik von Interesse, da sich mit diesen bei bestimmtem Druck gut reproduzierbare Temperaturplateaus erzeugen lassen. Diese Plateaus finden bei der Kalibrierung von Temperatursensoren Verwendung. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen numerischen Methoden zur Modellierung von Phasenumwandlungen. Hierfür wird eine Wasserfixpunktzelle mit einem industriellen Pt-1000-Widerstandsthermometer modelliert. Als Referenz dazu werden Messungen der Sprungantwort des Systems von Raumtemperatur auf 40 ˚C und Messungen des Erstarrungs- und Schmelzplateaus in einem Thermostat aufgenommen. Das verwendete Thermometer wird dazu im Thermostat mittels Vergleichsverfahren kalibriert; es folgt die Aufstellung eines Messunsicherheitsbudgets. Betrachtet werden RC-Modelle, die auf der elektrothermischen Analogie beruhen, die klassischen FEM-Modelle und die von letzteren ausgehenden, mittels Modellreduktion erstellten Modelle. Als Software kommt dabei ANSYS, LTSpice, MATLAB, und Simulink zum Einsatz. Es zeigt sich, dass die Sprungantworten des reduzierten und des FEM-Modells mit den gemessenen Sprungantworten gut übereinstimmen. Die RC-Modelle weisen deutlichere Abweichungen auf. Zwischen den Plateaulängen und den Plateauverläufen der Modelle und der Messung lassen sich, wenn bei den Modellen die Tabellenwerte für Wasser angenommen werden, auch Differenzen feststellen, die auf eine Verunreinigung des Wassers der Fixpunkzelle schließen lassen. Die favorisierte Modellierungsmethode, die Modellreduktion, wird anschließend an dem Anwendungsfall der Modellierung eines selbstkalibrierenden Temperaturfühler erprobt.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die messtechnische Analyse zweier optischer Sensoren, die auf der scannenden Weißlichtinterferometrie basieren. Die Besonderheit beider Sensoren liegt im verbauten Kamerachip, welcher die Aufnahme einer Topographie im Bruchteil einer Sekunde ermöglicht und somit bedeutend schneller als andere auf dem Markt verfügbaren und vergleichbaren Systeme ist. Einer der Sensoren wurde im Vorfeld neu entwickelt und miniaturisiert mit dem Ziel, ein Handmessgerät zu realisieren. Zur Charakterisierung beider Sensoren werden jeweils verschiedene Messungen zur Linearität des Sensors sowie zum Verhalten bei einer Messung mit geneigter Probe. Die Messungen werden dabei auf automatisierten Testständen realisiert, deren Aufbau und Funktionsweise beschrieben werden. Es konnten verschiedene Phänomene und Messfehler beobachtet werden, die die Genauigkeit der Sensoren reduzieren. Weiter war es möglich, Strukturen der untersuchten Proben zu detektieren. Auf Grund der Ausprägung, der Überlagerung und der Größenordnung der Messfehler ist es zum Zeitpunkt der Anfertigung dieser Arbeit jedoch nicht sinnvoll, Messungen unter praxisnahen Bedingungen zu realisieren. Die Systeme müssen weiter optimiert und angepasst werden, um die Messfehler zu korrigieren und die Messgenauigkeit zu verbessern.

Immer höher werdende Ansprüche an Effizienz, Ausfallsicherheit und Realisierungskosten elektrisch angetriebener Nebenaggregate im Automobilbereich führen dazu, dass vermehrt modellbasierte Algorithmen zur Ansteuerung der Aggregate entwickelt werden. Ein Anwendungsgebiet für bedarfsgesteuerte Nebenaggregate ist die druckgeregelte Hydraulikpumpe, womit die notwendigen Drücke unter anderem im automatisierten Schaltgetriebe erzeugt werden. Ein wesentliches Entwicklungsziel ist hierbei, die Sensoren zur Erfassung der Systemdrücke durch den Beobachter zu ersetzen oder zu ergänzen. Um die Entwicklung solcher modellbasierten Ansätze zu ermöglichen, ist in [Grö17] ein hydraulischer Laborprüfstand entwickelt worden. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich, aufbauend auf den Ergebnissen von [Grö17], mit der Automatisierung des vorhanden Hydraulikprüfstandes. Damit sollen das bestehende Messsystem und die Aktorik echtzeitfähig abgetastet werden. Dafür wurden zunächst neue Konzepte abgeleitet und umgesetzt, die den mechanischen Aufbau bezüglich der Automatisierung des Prüfstandes betrafen. Des Weiteren wurde ein Temperierkonzept für das Prozessmedium entworfen, um zusätzliche Lastemulationen aus dem Automobilbereich nachzubilden. Anschließend erfolgte eine Konzeptentwicklung und die Umsetzung einer Prüfstandsoftware mit grafischer Bedienoberfläche, wodurch die Ansteuerung und Datenauswertung des Prüfstandes ermöglicht wird. Um den Prüfstand für die Entwicklung modellbasierter Algorithmen zu nutzen, soll dieser die Möglichkeit zur Parameteridentifikation bereitstellen. In Vorbereitung auf die Systemidentifikation wurde abschließend eine Inbetriebnahme des Prüfstandes durchgeführt.

Die Kalibrierung von Temperatursensoren basiert auf der derzeit gültigen Internationalen Temperaturskala aus dem Jahr 1990. Die Darstellung der Skala beruht auf sogenannten Fixpunkten, beginnend bei 0,65 K, denen ein Temperaturwert zugeordnet ist. Als Fixpunkte dienen reinste Materialien, die sich im thermodynamischen Gleichgewicht (Siede-, Schmelz-, Erstarrungs- oder Tripelpunkt) befinden. Um diese Temperaturfixpunkte zu realisieren bedient man sich der technischen Lösung der offenen oder geschlossenen Fixpunktzellen. Diese ermöglichen eine thermisch homogene und messtechnisch reproduzierbare Realisierung des entsprechenden, zeitlich begrenzten Vorgangs der Phasenumwandlung. Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Aufbaues, der das Prinzip einer offenen Fixpunktzelle demonstriert. Dazu werden zuerst die theoretischen Grundlagen dargelegt, sowie die Entwicklung des Experimentalaufbaus erläutert. Das Ergebnis stellt einen Aufbau dar, der optisch und messtechnisch mit dem Material RT44HC einen Phasenwechsel fest-flüssig zeigt. In einer abschließenden Messreihe wird für das verwendete Phasenwechselmaterial eine Fixpunkttemperatur von # = 43,433 ˚C ermittelt. Es zeigt sich, dass die für eine Fixpunktkalibrierung notwendigen Temperaturverläufe mit dem gewählten Material zumindest für die Erstarrung erreicht werden können und die optischen Eigenschaften ideal sind. In zukünftigen Forschungsarbeiten kann der realisierte Aufbau dazu dienen an anderen Materialien die Phasenumwandlung zu demonstrieren oder die Schmelztemperatur zu bestimmen.

Differentialinterferenzkontrast (DIK) is eine bereits ausführlich untersuchte Phasenkontrasttechnik, die hohen Kontrast auch von nahezu transparenten Objekten, sogenannten schwachen Objekten, erzeugen kann. Dazu treffen zwei lateral minimal versetzte Strahlen auf ein Objekt. Danach werden diese Strahlen zur Interferenz gebracht. Abhängig von diesem Versatz, der sog. Scherung, kann innerhalb des von \textsc{Abbe} gefundenen Beugungslimits der Kontrast lateraler Strukturen senkrecht zur Scherrichtung zu höheren Raumfrequenzen gewichtet werden. DIK hat im Bereich der Biomedizin bereits als qualitatives Bildgebungsverfahren kommerzielle Reife erreicht. Die Weiterentwicklung zu einer quantitativen Oberflächenrekonstruktion, wie sie die fertigende Industrie benötigt, bleibt jedoch eine Herausforderung. Existierende Anläufe nutzen Phasenschiebung, was mehrere Aufnahmen erfordert wodurch Positionierungenauigkeiten die Messung stören können. Die davon rekonstruierte lokale Phasendifferenz ist zudem durch die Phasenambiguität begrenzt auf $2\pi$. Entfaltungsalgorithmen sind notwendig, um diese Limitierung aufzuheben. Die Phasendifferenz kann über die laterale Scherung in eine lokale Steigung der Probe übersetzt werden. Für die vollständige Rekonstruktion eines Profils muss diese Steigung integriert werden. Diese Integration von Messpunkt zu Messpunkt birgt das Problem der Anhäufung aller Unsicherheiten auf dem Weg zum letzten Messpunkt. Verschiedene Algorithmen zur Minimierung dieses Problems wurden bereits entwickelt. Diese Arbeit schlägt einen alternativen Ansatz basierend auf der Kombination aus DIK und dem Prinzip des chromatischen Konfokalmikroskops vor. Die Idee ist, die notwendigen Informationen für die Rekonstruktion der lokalen Steigung im spektralen Interferenzmuster des DIK zu finden. Die darauffolgende Integration soll durch das dem Ansatz unterliegende chromatisch konfokale Signal unterstützt werden. Nach bestem Wissen des Authors ist dieses Prinzip aktuell neuartig. Ein Prototyp wurde zur Verifizierung des vorgeschlagenen Prinzips für den Einsatz auf der verfügbaren Nanopositioniermaschine entwickelt. Besonders ist der Scher- und Phasenschiebmechanismus aus doppelbrechenden Prismen. Erste Ergebnisse zeigen, dass der im vorgeschlagenen Prinzip verwendete Entfaltungsansatz eine Herausforderung bleibt. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um optimierte Parameter für bessere Rekonstruktionsergebnisse zu finden.

Im Rahmen dieser Masterarbeit werden messtechnische Untersuchungen an einer Kalibriereinrichtung für Oberflächen-Tast-Temperaturfühler ausgeführt. Dynamischen und statischen Untersuchungen mit: - unterschiedlichen Temperaturfühlern; - unterschiedlichen Prüfkörpern werden durchgeführt. Untersuchungen verschiedener Einflussgroßen auf die Messunsicherheit werden gemacht. Ein Messunsicherheits-Budget wird für Prüfkörper und Prüflinge erstellt.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung eines Massekomparators für hochgenaue Massevergleiche. Der Massekomparator gehört zu den Wägeeinrichtungen mit höchster Genauigkeit. Sie kommen meist in Laboratorien zum Einsatz, um Referenzmassen abzuleiten. Das Ziel der Arbeit ist es, das vorhandene Wägesystem eines Massekomparators zu erweitern und zu optimieren. Die Substitution und Justierung sollen durch Neukonstruktion und Automatisierung schneller und einfacher erfolgen. Eine wichtige Anforderung ist, dass der Massevergleich einen Messbereich von 100 Gramm bis 1 Kilogramm abdecken soll. Weiterhin soll das ganze Wägesystem in der Baugröße so klein wie möglich gestaltet werden. Hauptanforderungen bei der Auswahl des Werkstoffs sind sowohl Korrosionsbeständigkeit als auch die Vakuumtauglichkeit. Neben diesen beiden Anforderungen gilt es ebenfalls zu beachten, dass ein Werkstoff gewählt wird, der bei den geforderten Eigenschaften noch kostengünstig ist. Zur Orientierung wird der konstruktive Entwicklungsprozess angewendet, bei dem die Anforderungen an jedes Bauteil untersucht werden. Nach dem Aufstellen verschiedener Aufbau- und Funktionsprinzipien, gilt es diese zu evaluieren und anschließend miteinander zu vergleichen. Am Ende werden die ausgewählten Prinzipe konstruiert und im Ergebnis als technische Zeichnung dokumentiert.

Die Analysenmesstechnik ist von großer Bedeutung. Sie kommt in den verschiedensten Anwendungsgebieten unter anderem in der Wasser- und Abwassertechnik, der Pharmazie, aber auch in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz. Die Analysenmesstechnik beschäftigt sich mit der Bestimmung von Stoffkonzentrationen. Je nach Art der Konzentration wird diese mit verschiedenen Messverfahren gemessen. Aufgrund der hohen Bedeutung der Analysenmesstechnik wurde im Rahmen dieser Masterarbeit ein vorlesungsbegleitendes Analysenmesstechnik-Praktikum konzipiert. Dabei wurden die Funktionsweise, das Grundprinzip und die Vor- und Nachteile verschiedener Verfahren zur Messung von Konzentrationen in Flüssigkeiten herausgearbeitet. Näher betrachtet wurde zum einen die pH-Wert-Messung mittels Glaselektrode, ISFET-Sensoren und mittels Indikatorpapier, sowie mit Indikatorstäbchen. Zum anderen wurde auf die Messung der spezifischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten mit dem konduktiven Zwei- und Vier-Elektroden-Verfahren und dem induktiven Verfahren näher eingegangen. Alle aufgeführten Messungen wurden aufgebaut und im Anschluss mit einigen ausgewählten Versuchsstoffen durchgeführt. Im Rahmen der Messungen wurden besonders die Einflussfaktoren der Temperatur und der Konzentration auf die spezifische Leitfähigkeit untersucht. Es wurden eine Versuchsanleitung und eine dazugehörige Musterlösung erstellt.

In dieser Masterarbeit wird die Entwicklung von Drehgelenken aus Silizium für die Präzisionsmesstechnik beschrieben. Die Konzeption von Si-Gelenken wird mittels einer analytischen Berechnung sowie einer FEM-Simulation unterstützt und anschließend im Reinraumlabor an der TU Ilmenau in drei verschiedenen Versionen prozessiert, um die theoretischen Untersuchungsergebnisse mit praktischen Auswertungen evaluieren zu können. Das Ziel der Arbeit ist die Herstellung von funktionstüchtigen Drehgelenken, die die Einkörpergelenke einer EMK-Waage ersetzen und somit zu einer höheren Auflösung des Messsystems beitragen können. Integrationsmöglichkeiten zum Einsetzen der Gelenke in den Rahmen des Systems werden in dieser Arbeit theoretisch veranschaulicht. Die Dokumentation der Prozessablaufpläne und die Erkenntnisse aus den Prozessierungen ermöglichen eine Reproduzierbarkeit der Gelenkversionen.

Zur exakten Bestimmung der Messtemperatur spielen der Einsatz von hochgenau messenden Thermometern sowie das Verstehen der messtechnischen Eigenschaften und Fehlerquellen eine besondere Rolle. In der vorliegenden Masterarbeit wird ein Praktikumsversuch erarbeitet, der sich mit der Kalibrierung von Widerstandsthermometern im Raumtemperaturbereich sowie mit der Erfassung des Einflusses der Eigenerwärmung beschäftigt. Mit Hilfe von zwei verschiedenen, zur Verfügung gestellten Pt100 Widerstandsthermometern kann entsprechend der ITS-90 die Kalibrierung am Eis- und Gallium-Fixpunkt erfolgen. Zusätzlich zu diesen Messungen wird eine experimentelle Untersuchung an einem Strömungskanal zur Bestimmung des Einflusses des Messstromes sowie Einbau- und Randbedingungen durchgeführt. Auf Grundlage dieser Messergebnisse, mit den Flach- und drahtgewickelten Messwiderständen in Vierleiter-Schaltung, wird ein Messunsicherheitsbudget erstellt, das auch den Einfluss der Eigenerwärmung erfasst. Ergänzende physikalische Rechnungen zur Abschätzung des Eigenerwärmungs- sowie Wärmeableitungsfehlers bestätigen die Messergebnisse der Versuche und ermöglichen eine intelligente Kombination von Theorie und Praxis für einen adäquaten, studierendengerechten Praktikumsversuch an der Technischen Universität Ilmenau.

Elektronische Autokollimatoren (AKFs) sind optische Messgeräte für die hochpräzise Winkelmessung, in denen neben bildgebenden Sensoren wie CCDs sog. Position Sensitive Devices, kurz PSDs verstärkt zum Einsatz kommen. Der Vorteil solcher optoelektronischen Detektoren besteht im Wesentlichen darin, dass für die Auswertung nicht auf rechenintensive Bildverarbeitungsalgorithmen zurückgegriffen werden muss und die Messsignale direkt Auskunft über die Position eines einfallenden Lichtflecks auf der lichtaktiven Fläche geben. Am Fachgebiet für Fertigungs- und Präzisionsmesstechnik des Instituts für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) ist die Nanopositionier- und Messmaschine NPMM-200 ein großes Einsatzfeld der elektronischen Autokollimatoren. Als Hilfswinkelmesssystem dienen sie während des Initialisierungsprozesses zur Justage der Spiegelecke und stellen dem präziseren, aber inkrementellen interferometrischen Winkelmesssystem die Information über die Referenzlage des Spiegels bereit. Je präziser die Spiegelecke dabei anfänglich justiert wird, desto zuverlässiger kann das interferometri-sche Winkelmesssystem arbeiten. Die entscheidenden Eigenschaften der Detektoren respektive der Autokollimatoren sind daher die Linearität, (Nullpunkt)Wiederholbarkeit, Auflösung bzw. Empfindlichkeit und das Langzeitverhalten. Derzeit werden in den AKFs der NPMM-200 sog. Quadrantenphotodioden in Kombination mit per Multimodefaser gekoppelten breitbandigen LEDs eingesetzt. Diese Arbeit untersucht, ob mit sog. Lateraleffekt-Photodioden in Kombination mit per Monomodefaser gekoppeltem Laserlicht eines He-Ne-Lasers oder alternativ in Kombination mit einer einfachen Laserdiode die Hilfs-Autokollimatoren hinsichtlich der genannten Eigenschaften verbessert werden können.

Die vorliegende Masterarbeit hat zum Ziel, ein Tasterwechselsystem in die Nanomess- und Positioniermaschine (NPMM-200) zu integrieren. Dies wird immer wichtiger, da durch erweiterte Messaufgaben neue Anforderungen an das Wechselsystem der Anlage entstehen. Nach einer Analyse und Bewertung des vorhandenen Wechselsystem wird ein neues Prinzip gesucht, dass einen präzisen Wechsel des Messsystems ermöglicht. Nach einer ausführlichen Prinzipsuche wird sich für die Drei-Punkt Auflage mit drei Kugel-Nut Paarungen entschieden. Diese kombiniert die wichtigsten Eigenschaften von Genauigkeit, Handhabung und Platzbedarf am besten. Anschließend wird das Wechselsystem geplant, ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Dabei wird der Wechselmechanismus nach den Funktionen getrennt und in fünf Baugruppen unterteilt. Die v-Nuten mit Rundköpfen und die Führungen, welche zum leichteren Positionieren und dem Schutz der empfindlichen Rundköpfe dient, werden auf dem Gestell (Basis) befestigt. Das Gegenstück liegt über den v-Profilen auf den v-Nuten auf und trägt das Messsystem. Das Gegenstück wird mit drei Schraubendruckfedern in der Position gehalten. Nach der Montage wird das neue Wechselsystem vermessen. Dabei wird die Langzeitstabilität und die Positioniergenauigkeit gemessen. Dabei ist festzustellen, dass die neu entwickelte Auflage deutliche Genauer in der Reproduzierbarkeit der Position ist als der Einschub.

Das Übertragen und Erfassen elektrischer Signale spielt in vielen Bereichen der Industrie und Forschung eine zentrale Rolle. Dabei ist es wichtig, die Fehlereinflüsse gerade in der Präzisionsmesstechnik so gering wie möglich zu halten. Im Bereich der Spannungsmessung kommt es durch Thermospannungen innerhalb von Bauteilen und Leitern leicht zu großen Abweichungen bei der Erfassung von Spannungen weniger V bzw. n V. In dieser Arbeit wird eine Umschalteinheit für die von der TU Ilmenau in Kooperation mit der Physikalisch Technischen Bundesanstalt entwickelten Planck-Waage erarbeitet. In der Planck-Waage soll bei mehreren Spulen in einem Magnetfeld die Größe B l durch Aufprägung einer bekannten Geschwindigkeit und Messung der induzierten Spannung kalibriert werden. Das Kalibrierergebnis wird zur Massebestimmung in einem zweiten Experiment genutzt. Hierfür müssen die Spulen zwischen einem Multimeter für die Spannungsmessung und einer Stromquelle um kontaktiert werden. Um eine Umschaltung der Spulen realisieren zu können, werden Relais der Firma Omron, Coto und Panasonic auf ihre thermoelektrischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Zusätzlich werden die thermischen Entwicklungen in einem Omron Relais mit COMSOL Multiphysics simuliert und mit den Messwerten verglichen. Diese Simulation kann Aufschluss über die Temperaturverteilung im Inneren des Relais geben. Nach Auswahl des Relais wird eine vorläufige Schaltung entworfen, mit der es möglich wird alle erforderlichen Zustände der Spulen Bestromung und Spannungsmessung zu erreichen. Auf Grundlage dieser Schaltung werden Simulationen und Messungen zur Gewährleistung der Spannungsversorgung zum Schalten über eine USB-Schnittstelle durchgeführt, deren Ergebnisse in die Entwicklung der finalen Umschalteinheit eingießen. Die Schaltungssimulation erfolgt mit LTSpice. Für den Leiterplattenentwurf der Umschalteinheit wird das Programm Altium Designer verwendet. Auf dieser Leiterplatte sind die Aufgaben der Umschaltung der Spulen und die Signalverstärkung für den internen Positionssensor der Planck-Waage vereint. Abschließend erfolgt die Konstruktion eines Kühlkörpers, der die thermischen Einflüsse von Umgebung und elektrischen Bauteilen auf die Spannungsmessung reduzieren soll.

Die vorliegende Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung von mathematischen Modellen, die thermisch-dynamische Kennwerte von Widerstandsthermometern in Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten für den Einsatz in beliebigen Fluiden vorhersagen. Die Grundlage hierfür liefern Messergebnisse, die im Rahmen von experimentellen Untersuchungen an zur Verfügung gestellten Thermometern in Luft und Wasser bei definierten Strömungsgeschwindigkeiten ermittelt werden. Diese Ergebnisse werden außerdem teilweise durch Simulationsergebnisse aus Temperaturfeldberechnungen gestützt. Hierfür werden die Simulationseingangsgrößen und Randbedingungen in plausiblen Grenzen so variiert, dass die Simulation die Messergebnisse widerspiegelt. Die Abschlussarbeit zeigt, dass die für die untersuchten Thermometer relevanten dynamischen Kennwerte durch die ermittelten Modellen bei Wärmeübergangskoeffizienten bis ca. 30000 W/(m^2*K) mit Abweichungen von maximal 2,6% exakt vorhergesagt werden.

Für hochgenaue Rundheitsmessung und Zylinderformmessung wurde am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau ein Rundheitsprüfgerät entwickelt. Die Innenoberfläche des Werkstücks wird bei den Messungen durch zwei Interferometer kontaktlos abgetastet. Dank des Drehtisches mit einem Hochpräzisionsluftlager wird das Werkstück nahezu ohne Reibung gedreht. Dies führt zu einer hohen Wiederholbarkeit der Messbedingungen. Nach mehrfachen Untersuchungsmessungen beträgt die Rundheit eines Lehrrings mit dem 50mm Durchmesser [Gamma] = 116,40 nm und die Messunsicherheit liegt bei u(r) = 4,16 nm. Die Standardabweichung der Rundheitsmessungen, die die Wiederholbarkeit bewertet, ist gleich s(r) = 6,59 nm. Die Zylinderform des Lehrrings ist gleich z = 689,12 ± 30,28 nm. Der Schwerpunkt der getätigten Messung liegt auf der Unterteilung und Korrektur der miteinander überlagerten zufälligen und systematischen Messfehlereinflüsse. Einer der wichtiger systematischer Fehlereinflüsse, die Exzentrizität, wird durch die Ausrichtung des Lehrrings mittels Justieraufsatz und einer weiteren digitalen Verarbeitung korrigiert. Der Rundlauffehler des Drehtisches ist ein weiterer wichtigster systematische Fehleinfluss. Um den Rundlauffehler zu erfassen wurde ein zusätzliches Unterprogramm in Labview erstellt. Die Erfassung vom Rundlauffehler des Drehtisches wird nicht nur vonder Präzision des Messsystems beeinflusst, sondern auch von der mechanischen Struktur zur Lehrringausrichtung. Wenn der Gewichtsunterschied zwischen den Lehrringen relativ zur Masse des Drehtisches klein ist, hat die Belastung kaum Einflüsse auf den Rundlauf. Wenn die Winkelgeschwindigkeit des Drehtisches kleiner als [Omega] = 12˚/s ist, ist der Einfluss ebenfalls zu vernachlässigen. Aber die Taumelbewegung führt zur leichten Veränderung des Rundlauffehlers, der in verschiedenen Messhöhen am Lehrring erfasst wird. Allerdings beträgt die durchschnittliche maximale Rundlaufdifferenz an jeder Messstelle nur [Delta]Rmax = 9,65 nm bei einer Reihe von der Rundlaufmessungen. Durchschnittliche minimale Rundlaufdifferenz an einer Messstelle beträgt nur [Delta]Rmin = 1,47 nm. Dies wird durch die kontaktlose interferenzoptische Abtastung und den luftgelagerten Präzisionsdrehtisch ermöglicht.

Aufgrund der Temperaturabhängigkeit vieler Materialeigenschaften kann es erforderlich sein, die Temperatur in einem Prozess zu überwachen, um thermische Schädigungen oder Bauteilversagen zu verhindern. Bei Temperaturmessungen müssen jedoch die thermischen Ausgleichsvorgänge abgewartet werden, bis die korrekte Anzeige der Temperatur erfolgt. Dieses dynamische Verhalten von Thermometern spiegelt sich in dynamischen Kennwerten, wie den Zeitkonstanten, wider und wird u. a. vom konstruktiven Aufbau des Thermometers beeinflusst. Die Forderung nach einer Echtzeitmessung der Temperatur steht jedoch im Widerspruch zu den Anforderungen an die mechanische Robustheit des Thermometers. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine modellbasierte Endwertvorhersage von Thermometer-Sprungantworten thematisiert. Zu Beginn wurde im Zuge der Modellbildung auf die Herleitung der Fourierschen Wärmeleitungsdifferentialgleichung sowie auf die elektro-thermische Analogie eingegangen. Weiterhin wurden die zugehörigen Gleichungen zur Parameteridentifikation aufgezeigt. Da für die Endwertvorhersage das Kalman-Filter verwendet werden sollte, erfolgte eine Betrachtung der dafür notwendigen Zustandsraumbeschreibung dynamischer Systeme sowie der Grundlagen des Kalman-Filters. Anschließend wurden die Prüfeinrichtungen zur Aufnahme der Sprungantworten kurz vorgestellt. Im Zuge der Anwendung erfolgte die Modellierung der verwendeten Thermometer auf Basis der theoretischen und der experimentellen Systemidentifikation. Für einen ersten Test des Vorhersage-Algorithmus wurden zwei Messreihen untersucht, die aufgrund der geringen Temperaturänderungen als linear betrachtet werden konnten. Dabei konnten nur die Modelle auf Basis der experimentellen Systemidentifikation überzeugen, sodass dieser Ansatz fokussiert wurde. Es folgte eine Anwendung auf weitere Messungen: Wiederholungsmessungen, Messungen mit veränderten Messbedingungen und nichtlineare Messreihen. Abschließend wurde auf eine Online-Implementierung des Kalman-Filters im bestehenden Programm zur Messwertaufnahme der Prüfeinrichtung mit Luftströmung eingegangen, die einen ersten Ansatz für eine Echtzeitmessung der Temperatur realisiert.

In Forschung und Industrie muss in verschiedensten Prozessen die Temperatur fluider Medien gemessen werden. Um Messwerte über weite Distanzen übermitteln und automatische Steuer- und Regelprozesse implementieren zu können, werden hierzu elektronische Temperaturfühler eingesetzt. Diese bestehen aus einem Sensorelement (z.B. Widerstandssensor oder Thermoelement), das in unterschiedlich dimensionierte, meist metallische Fühler eingebaut wird. Diese Fühler werden entweder direkt, oder aber umgeben von einem Schutzrohr in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht. Da in den häufigsten Fällen ein Teil des Fühlers aus der Flüssigkeit herausragt, weist nur der eingetauchte Teil die gleiche Temperatur wie die Flüssigkeit auf, während der Rest die Umgebungstemperatur annimmt. Ist die Flüssigkeit wärmer als die Umgebung, wird ein Teil der Fluidtemperatur an die Umgebung abgeleitet und nicht mehr vom Sensor gemessen. Es kommt zu einem Messfehler. Dieser wird umso kleiner, je weiter der Fühler in die Flüssigkeit eingetaucht wird. Ziel dieser Arbeit ist der Aufbau eines Prüfstandes, der für Widerstandsfühler und Thermoelemente verschiedenster Baugröße, die minimale Eintauchtiefe ermittelt. Diese ist dann erreicht, wenn der Messwert um mehr als ein vorgegebenes Maß von der tatsächlichen Flüssigkeitstemperatur abweicht. Konzipiert und aufgebaut wurde ein Prüfstand, der bis zu fünf Prüflinge sowie einen Referenzfühler aufnehmen kann. Die Fühler werden automatisiert verfahren und deren Messwerte kontinuierlich aufgezeichnet und abgespeichert.

Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Entwicklung, Konzipierung und Verwirklichung eines Versuchsaufbaus zur interferentiellen Höhenmessung mittels Helium-Neon-Laser sowie einer zusätzlichen Weißlichtquelle. Als Grundlage dient ein bereits vorhandener Interferenzkomparator der Carl Zeiss Jena GmbH. Da der Aufbau zukünftig für ein studentisches Praktikum eingesetzt werden soll, richtet sich die Arbeit gleichermaßen an Lehrende als auch an Studierende. Zu Beginn wurden die wichtigsten Komponenten benannt, gemäß Bauraum und messtechnischen Anforderungen dimensioniert sowie die Komponenten des bisher im Einsatz befindlichen Interferenzkomparators dahingehend untersucht, ob eine Weiterverwendung möglich ist. Darüber hinaus benötigte Bauteile wurden bei entsprechenden Lieferanten angefragt oder selbst konstruiert und zur Fertigung in Auftrag gegeben. Im praktischen Teil wurden Probemessungen durchgeführt, um die Funktionalität des Messaufbaus zu validieren. In Bezug auf das später daran durchzuführende Praktikum wurden Unterschiedsmessungen an zwei Sätzen Parallelendmaßen, die Ermittlung einer Biegelinie sowie eine Topologiebestimmung an einem Spiegel durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Funktionsfähigkeit gänzlich wiederhergestellt ist und die für das Praktikum notwendigen Messungen mit dem Aufbau möglich sind. Weitere Untersuchungen dienten zur Charakterisierung metrologischer Eigenschaften. Um die Bestimmung der Topologie zu erleichtern und vor allem anschaulicher zu gestalten, fanden Untersuchungen statt, ob eine softwaregestützte Vollautomatisierung möglich ist. Dafür wurden entsprechende Programme recherchiert, miteinander verglichen und auf ihre Eignung untersucht. Dabei zeigte sich, dass die angestrebte Automatisierung mit den ausgewählten Programmen nicht möglich ist, weswegen insgesamt davon abgesehen wird. Im letzten Schritt der Arbeit wurden die Praktikumsunterlagen überarbeitet und ein Musterprotokoll mit den Ergebnissen durchgeführter Messungen erstellt.

Um komplexe Mikrooptiken erstellen zu können, soll das Fügeverfahren des Ansprengens auf dessen Anwendbarkeit hin untersucht werden. Interessant ist das Verfahren, da keine potenziell störende Zwischenschicht an Verbindungsstellen die Funktion von Präzisionsoptiken beeinträchtigen könnte. Um den Anspreng-Vorgang zum Erfolg zu bringen, kommt es vor allem auf die Vorbereitung der zu versprengenden Oberflächen an. Des Weiteren gibt es verschiedene Verfahrensparameter, die den Vorgang beeinflussen. Diese Arbeit setzt sich zunächst ausführlich mit der Literatur zum Thema Ansprengen auseinander. Die Fachliteratur kommt vor allem aus den Bereichen Optik und Halbleitertechnik. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse über verschiedene Verfahren im Zusammenhang mit dem Ansprengen von Oberflächen werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, wobei die Verfahrensparameter gezielt variiert werden. Ziel ist es, ein Verfahren zu finden, das es zuverlässig ermöglicht, zwei dazu geeignete Oberflächen miteinander zu versprengen. Die Versuche im Rahmen der Untersuchungen werden zunächst manuell durchgeführt. Anschließend wird eine Anspreng-Vorrichtung konzipiert, gefertigt und schließlich durch weitere Versuche erprobt. Durch die Mechanisierung des Vorgangs soll der Vorgang reproduzierbarer werden. Ergebnis der Untersuchungen ist ein Reinigungsverfahren, das Oberflächen auf einen erfolgreichen Anspreng-Vorgang vorbereitet. Der Vorgang gelingt sowohl manuell als auch unter Zuhilfenahme der Anspreng-Vorrichtung.

In dieser Arbeit wurde eine (funktionsfähige) Software entwickelt, um die optimale Antireflexbeschichtung für Photodetektoren zu berechnen. Sie bestimmt schnell und zuverlässig die optimale Schichtfolge hinsichtlich des minimalen Reflexionsgrades in vorgegebenen Grenzen. Dazu wurde die Grundlage für Stehende-Welle-Interferometer gelegt und die Anwendung beschrieben. Folglich wurden beispielhafte Sensoren dargestellt und als Testeingabe angewendet. Die Grundlage für die Berechnung des Reflexionsgrades wurde mit Hilfe verschiedener literarischer Quellen recherchiert. Es wurden zwei Optimierungsalgorithmen vorgestellt und implementiert. Das Programm selbst wurde in C++ geschrieben und mit einer intuitiven Oberfläche auf Basis von Qt erweitert. Dazu wurden verschiedene Bibliotheken wie "OpenMP" zum Multithreading und "qwt" beziehungsweise "QtDataVisualization" zur Darstellung der berechneten Daten eingebunden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen auf dem Gebiet der Massemetrologie angestellt. Die Betrachtungen umfassen das Handling von Massenormalen und den daraus resultierenden Einfluss auf Wägevorgänge und deren Ergebnisse. Auf Grundlage der Analyse zum Stand der Technik wurden neue Konzepte erarbeitet und verglichen. Um diese bewerten zu können, wurden Modelle der technischen Mechanik genutzt und ausgewertet, aber auch numerische Verfahren angewandt. Für den Abgleich der Ergebnisse mit der Realität wurde ein Demonstrator konstruiert.

Die vorliegende Masterarbeit beschreibt die messtechnische Qualifizierung eines Variable Height Stufenhöhen-Kalibrier-Normals. Zunächst werden die angewandten Messverfahren vorgestellt und die durchgeführten Messungen inklusive der dazugehörigen Ergebnisse am Kalibrier-Normal mittels Laserfokus-Sensor, Atom-Kraft-Mikroskop, verschiedenen Weißlichtinterferometer-Aufbauten und dem Rasterelektronenmikroskop aufgezeigt. Die Reproduzierbarkeit der Stufenhöhe und die optimale Datenpunktweite wurde mit dem Laserfokus-Sensor untersucht. Die Ableitung der Strukturparameter (Line Edge Roughness, Corner Rounding, Side Wall Angle und Stufenhöhe) aus den Daten aller Messprinzipien inklusive der Korrelation zwischen den Messverfahren wurde behandelt und beschrieben. Weiterhin wurde die Ableitung von Aussagen zur geometrischen Form der Strukturen und deren Unsicherheit betrachtet und geschildert. Abschließend und um weitere Untersuchungen zu ermöglichen, wurde zusätzlich eine Datenbank mit Laserfokus-Sensor-Daten angelegt.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der Konzeption eines Messaufbaus zur optischen Bestimmung von Lehrringdurchmessern. Der zu prüfende Ring besitzt einen Nenndurchmesser von 98mm. Grundlage der Messanordnung ist ein Tandemaufbau bestehend aus zwei seriell geschalteten Interferometern ähnlich dem Michelson-Interferometer. Die dabei verwendete Lichtquelle ist eine kurzkohärenteWeißlichtdiode mit einer mittlerenWellenlänge von 828nm. Die spektrale Halbwertsbreite der Diode beträgt 83nm. Eine Verwendung von Weißlicht ermöglicht die absolute Durchmesserbestimmung des Lehrrings aufgrund des auftretenden Interferenzmaximums. Zusätzlich wird eine achromatische Polarisationsoptik verwendet, um den Kontrast zu erhöhen und Nebensignaturen zu vermeiden. Zylinderlinsen werden im Aufbau zur Anpassung der Wellenfronten an das zylindrische Profil des Lehrrings genutzt. Nach der Betrachtungen des theoretischen Strahlengangs erfolgt die Bestimmung und Auslegung notwendiger Justierstellen. Diese besitzen zum Teil ein Auflösungsvermögen von 15[my]m bzw. 1'. Anschließend erfolgt die Konstruktion, der Aufbau und die Justage des gesamten Experimentalaufbaus. Durch schrittweises Verändern des Spiegelabstandes im Referenzinterferometer wird die Interferenzsignatur ermittelt. Nach dem erfolgreichen Auffinden und der Kontrasteinstellung durch feinfühlige Justierbewegungen erfolgt die Auswertung des Streifenmusters. Dabei konnte ein Kontrast von 0,15 erzielt werden.

In der vorliegenden Masterarbeit wurde ein Torsion Messaufbau beschreiben, welcher ein Teil der Lorenzkraft-Anemometrie ist. Die Anwendung dieses Messaufbaus ist die Strömungsgeschwindigkeit niedrig leitfähiger Flüssigkeiten zu Messen. Zuerst wurde die Neigungsempfindlichkeit des Messaufbaues mit Hilfe eines präzisen Kipptisches untersucht, dann wurde die Neigungsempfindlichkeit durch selber konstruierte Gewichte kompensiert. Des Weiteren wurde mit einem Autokollimator der Drehwinkel des Messaufbaus beobachtet, dadurch wurde das Ausgangssignal des Positionssensors als elektrische Spannung in einen Drehwinkel umgewandelt. Die Faktoren sind KDW1= -0.4325 ± 0.0004 mrad/V, KDW2= -0.4288 ± 0.0005 mrad/V. Außerdem wurde der Messaufbau durch eine bekannte Neigungskraft zur Bewegung geführt, dann wurde das Ausgangssignal des Positionssensors auch in eine Kraft umgerechnet. Die Faktoren sind KK1= -40.0243 ± 0.0659 [my]N/V, KK2= -39.6740 ± 0.0681 [my]N/V. Auch die Langzeitstabilität wurde getestet. Die Experimente wurden zweimal durchgeführt, einmal als die Temperatur stabil war und das andere Mal, als sich die Temperatur veränderte. Durch das erste Experiment wurde festgestellt, dass nach ca. 12 Stunden eine Stabile Situation im Messaufbau erreicht wurde und die Eigenfrequenz bei 0.064 Hz liegt. Auch die beiden Standardabweichungen aus dem Originalsignal des ersten Sensor S1 = 0.0537 [my]N und aus dem gefilterte Signal dieses Sensors S1 = 0.0052 [my]N wurden berechnet. Zum Filtern wurde der Durchschnittsfilterwert mit dem Filterkoeffizient 25 verwendet. Aus den gewonnenen Daten des zweiten Experiments kann man sagen, dass die Temperatur beeinflusst die Messung. Für die Datenerfassung der Positionssensoren, des Autokollimator, der Temperaturwiderstände und der Verarbeitung der Messdaten, sowie für die Erstellung von Grafiken, wurden mehrere Codes im Programm MatLab geschrieben.

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).

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.

Diese Masterarbeit handelt über die Inbetriebnahme und die anschließenden Untersuchungen an einen Drei-Strahl-Heterodyninterferometer, welches im Fachgebiet Präzisionsmesstechnik entwickelt wurde. Dieses Interferometer ist vom optischen Grundaufbau so gestaltet, dass periodische Nichtlinearitäten infolge von Strahlüberlagerung weitgehend vermieden werden können. Bei den Untersuchungen wurden die übrigen periodischen Nichtlinearitäten ermittelt sowie eine Diskussion hinsichtlich ihrer Ursachen vorgenommen. Dabei fanden sowohl Tests der Auswertungselektronik mittels eines Funktionsgenerator als auch Untersuchungen der drei Teilstrahlen im laufenden Betrieb statt. Zwecks dazu war die Konzeption und die Realisierung geeigneter Versuchsaufbauten notwendig um die periodischen Nichtlinearitäten bei der Längenmessung und der Winkelmessung erfassen zu können. Weitere Anstrengungen betrafen die Entwicklung einer Software in LabVIEW zum Auslesen der von der Phasenmessung ermittelten Messwerte. Es gelang die Identifizierung mehrerer sowohl aperiodischer als auch periodischer Fehlerquellen für den Messbetrieb. Diese Fehlerquellen wurden hinsichtlich ihrer Ursachen und den Maßnahmen zwecks ihrer Vermeidung diskutiert.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Erstellung einer Prüfstrategie für die oberflächennahe Ultraschallprüfung an Wälzkörpern. Die Prüfstrategie bezieht sich dabei maßgeblich auf die Bestimmung eines optimierten Einschallwinkels, um die Prüfempfindlichkeit zu verbessern. Hierfür werden zunächst die theoretischen Grundlagen ermittelt und beleuchtet. Anschließend werden mehrere Versuchszyklen mit Wälzlagerrollen, die oberflächennahe Ungänzen aufweisen, durchgeführt. Jeder Zyklus beinhaltet Ultraschallversuche mit verschiedenen Einschallwinkeln, eine Wirbelstromprüfung und das anschließende Abtragen einer Materialschicht. Auf diese Weise können Prüfergebnisse der oberflächennahen Ungänzen in verschiedenen Abständen zur Prüflingsoberfläche aufgenommen werden. Dann wird die Versuchsauswertung vorgestellt und anhand der Auswertung die Grundlagen einer Justagestrategie für den ermittelten Einschallwinkel ausgearbeitet.

In dieser Arbeit wird ein Temperierungssystem für eine ultrahochauflösende Koordinatenmessmaschine entwickelt. Die Antriebe werden bei einem Umgebungsdruck von 1 mbar sowie bei 1000 mbar temperiert. Im Experiment wird Wasser als Medium für die Abkühlung verwendet. Das Abkühlsystem besteht aus den folgenden Komponenten: Thermostat, manuelle Ventile, Verteiler, Volumenstromzähler, Proportionalventil, Ansteuerelektronik und Sammler. Durch die Steuerung der Durchflussgeschwindigkeit werden die Antriebe abgekühlt. Die Temperaturen werden durch einen Pt100 Sensor in Vier-Leiter-Schaltung gemessen. Das Temperierungssystem konnte erfolgreich getestet werden und erfüllt die gestellten Anforderungen.

Temperatur ist eine sicherheitsrelevante Prozessgröße, weshalb ist eine genaue Messung dieser Kenngröße erforderlich ist. Dafür muss die Kennlinie der verwendeten Thermometer bekannt sein. Um eine Veränderung der Kennlinie aufgrund von Alterungsprozessen zu detektieren, werden Thermometer regelmäßig kalibriert. Dies ist allerdings relativ aufwendig und kann mittels selbstvalidierenden Thermometern vereinfacht werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Messunsicherheit eines selbstvalidierenden Thermometers. Dabei wird insbesondere auf den Unsicherheitsbeitrag eingegangen, der aufgrund eines inhomogenen Temperaturfelds entsteht. Es werden Ursachen erläutert, wie es zu einem inhomogenen Temperaturfeld kommen kann. Außerdem wird ein mögliches Vorgehen zur Bestimmung dieses Unsicherheitsbeitrags aufgezeigt und am Beispiel einer Thermometerbauform angewendet.

Aufgrund von ungenauen oder zumeist gar nicht existierenden Angaben von Quelleffekten verschiedener Kleber ist im Vorfeld dieser Arbeit ein Messaufbau entstanden, in dem klimatische Bedingungen geregelt und Klebeschichtdickenänderungen mittels Interferenzstreifenverschiebungen gemessen werden können. Diese Verschiebungen werden aufgenommen und als Bild gespeichert. Aufgabe dieser Abschlussarbeit ist die automatisierte Auswertung dieser Interferenzstreifenverschiebungen sowie eine konstruktive Überarbeitung des Messaufbaus. Im Verlauf dieser Abhandlung ist ein Matlabfile entstanden, welches durch signalverstärkende Maßnahmen und der Analyse des Signals mittels Sinusregression die aufgenommenen Bilder mit einer hohen Auflösung zuverlässig auswerten kann. Nach Überprüfung einer vorhandenen Messreihe wird deutlich, dass der zeitliche Ablauf dieser Messreihe überarbeitet oder eine Simulation geschaffen werden muss, um die Endausdehnung der Klebeschichten zu berechnen. Konstruktive Änderungen des Aufbaus verbessern den Kontrast und die Auswertbarkeit der Proben zusätzlich und vereinfachen die Bedienbarkeit. Insgesamt ist ein äußerst zuverlässiger Algorithmus zur Auswertung von Streifenverschiebungen entstanden, welcher durch Überprüfung der Standardabweichung verifiziert ist, die Auswertung deutlich vereinfacht und die manuelle Messung von Kleberschichten ersetzt.

In dieser Arbeit werden Algorithmen für die automatisierte Erfassung von Gewindeparametern an Präzisionsgewinden entworfen und beschrieben. Außerdem werden diese Algorithmen in der Programmiersprache "Python 3" als Software zur automatisierten Auswertung der Gewindeparameter umgesetzt. Um die Algorithmen hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit zu testen, wurde eine DXF-Datei, die zwei taktil gescannte Gewindeprofile enthält, mit diesen Algorithmen getestet. Diese Datei enthält, jeweils in Gruppen zusammengefasst, die Punkte für das obere Gewindeprofil und die Messpunkte für das untere Gewindeprofil. Letztendlich ist aber vorgesehen, dass diese eingehenden Daten des Gewindeprofils mittels Fokusvariationsverfahrens gemessen und zur Verfügung gestellt werden. Es soll also in Zukunft ein optisches Messverfahren zur Anwendung kommen. Die Messdatei eines gemessenen Gewindeprofils wurde von der Firma LMW Schmalkalden GmbH für Untersuchungen an einem realen Gewinde zur Verfügung gestellt. Die Approximation des Gewindes basiert auf der Grundlage von Algorithmen zur Erfassung geometrischer Grundformen wie Kurven und Geraden. Um die genauen Parameter dieser geometrischen Grundformen zu bestimmen, wird die Optimierung mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt. Der Graph wird dabei in Abschnitte zerlegt und partiell approximiert. Dies ist wichtig, da die Dauer der Erfassung der optimierten Werte mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate nicht linear von der Menge der zu messenden Gewindeabschnitte abhängt. Das Ergebnis des approximierten Modells des Gewindes macht es möglich, die Gewindeparameter automatisiert zu erfassen. Als Ergebnis der Arbeit der Algorithmen werden folgende Werte des Gewindes erfasst: Außendurchmesser, Flankendurchmesser, Kerndurchmesser, Steigung, Gewindeflankenwinkel, Gewindeprofilwinkel, Radien der Bogenabschnitte. Die Programmdurchlaufzeit beträgt 500 Millisekunden für ein Gewindeprofil mit 7 Gewindegängen, wenn ein CPU Thread verwendet wird.

Gegenstand dieser Arbeit war der Aufbau eines Imaging-Spektrometers für das parallele optische Auslesen von plasmonischen Nanostrukturen. Ein Liquid Crystal Tunable Filter kam dabei als zentrales Element zum Einsatz. Weiterhin besteht das aufgebaute Abbildungssystem aus Lichtquelle, Kollimationssystem, Objektiv, Tubuslinse und CCD-Kamera. Zur Ansteuerung und Triggerung von Filter und Kamera wurde ein Programm geschrieben. 100nm große sphärische Goldnanopartikel wurden spektral vermessen und die akquirierten hyperspektralen Bilder verarbeitet. Die resultierenden Spektren wurden mit Daten aus Messungen derselben Nanopartikel mit einem kommerziell verfügbaren Gitter-basierten Spektrometer verglichen. Mit Hilfe eines Spotters wurden Arrays aus Goldnanopartikeln auf einen Chip aufgebracht und teilweise mit optischem Lack bedeckt. Die Änderung des Brechungsindexes durch den optischen Lack konnte detektiert werden.

Zur Ermittlung der Oberflächentemperaturen von Materialproben mittels Oberflächenthermoelementen wurde bei der Porsche AG ein Prüfstand entwickelt. Mit diesem soll sich zukünftig der statisch thermische Messfehler von Oberflächenthermoelementen in Verbindung mit den verschiedenen Anbindungsmöglichkeiten bestimmen lassen. Dazu wird eine Referenztemperatur benötigt. Eine Möglichkeit diese Referenztemperatur zu ermitteln ist eine Wärmestrommessung, die auf dem fourier'schen Wärmeleitungsgesetz basiert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Einführung des Wärmestromverfahrens am vorhandenen Prüfstand. Dazu wird zunächst eine theoretische Recherche bezüglich der Umsetzbarkeit des Verfahrens durchgeführt. Im Anschluss erfolgt die Erarbeitung eines neuen Konzepts für den Probenträger inklusive der Proben und der Befestigung des Probenträgers. Die zur Fertigung und Montage notwendigen 3D Modelle, Baugruppen und Einzelteilzeichnungen werden durch ein CAD Programm erstellt. Den Abschluss dieser Arbeit bilden systematisch, messtechnische Untersuchungen, bei denen die Genauigkeit der Neuentwicklungen und des Wärmestromverfahrens festge-stellt werden sollen. Dazu werden Vergleiche mit einem Referenzverfahren durchgeführt, ausgewertet und dokumentiert.

Eine exakte Kantendetektion bei der Messung mit optischen Oberflächensensoren ist nicht möglich. Die Lage der Kanten wird durch Beugungseffekte überlagert, wodurch die gemessene optische Kante nicht mit der realen Kante übereinstimmt. Zur Verbesserung der Lagedetektion von Kanten mit optischen Sensoren müssen die Beugungseffekte und das optische System modelliert werden. Durch einen Vergleich zwischen simulierten und gemessenen Daten kann die Kantendetektion verbessert werden. Dazu wird die vorhandene Simulation weiterentwickelt und im Hinblick auf eine automatische inverse Bildsimulation optimiert. Durchgeführte Parameterstudien erhöhen das Verständnis des Einflusses der Beugungserscheinungen auf die Messungen. Zur Untersuchung des Parameters der Stufenhöhe werden spezielle Messproben hergestellt, die über eine Gradientenschicht die Realisierung von Strukturen mit kontinuierlich ansteigender Stufenhöhe ermöglichen. Dazu wird eine galvanische Abscheidung in einer Hull-Zelle genutzt.

In dieser Arbeit wird die Nutzung des fotoelastischen Effektes an kleinen Laserkristallen zu Druckmessung thematisiert. Die dazu nötige Umwandlung des physikalischen Druckes in eine Kraft wird zu Beginn untersucht und darauf folgend zwei Lösungsansätze aufgezeigt. Die Umwandlung kann einerseits durch eine direkte Krafteinwirkung auf den Kristall realisiert werden, wobei diese Variante nur für relativ geringe Drücke geeignet ist. Anderseits bietet die Umsetzung durch ein zweistufiges Hebelsystem die Möglichkeit deutlich größere Drücke nutzen zu können. Die durch das Hebelsystem erzeugte Übersetzung ermöglicht die Messung von sehr hohen Drücken von bis zu p=200 bar. Beide Systeme sind für die Nutzung des Linos Mikrobank-Systems geeignet und können somit direkt in Kombination mit diversen vorhandenen optischen Bauteilen genutzt werden. Neben einigen grundlegenden Betrachtungen zu den verwendeten Nd:YAG-Laserkristallen wird insbesondere auf die Lagerung dieser und die Möglichkeiten der Krafteinleitung auf die Kristalle eingegangen. Durch eine theoretische Betrachtung werden die möglichen verkraftbaren Kräfte abgeschätzt und auf deren Basis wird eine konstruktive Lösung dargestellt. Da für die Umwandlung eines Druckes in eine Kraft eine Membran von Nöten ist, diese aber, im Gegensatz zu anderen Bauteilen des Aufbaus, nicht selber gefertigt werden kann, wurden mehrere Hersteller angefragt. Die Firma Beck GmbH Druckmesselemente hat eine kleine Membran im Angebot und einige Musterexemplare zur Verfügung gestellt, welche als Ausgangspunkt für die konstruktive Umsetzung dienen.

In Folge der voranschreitenden Entwicklung von immer sparsameren und sichereren Fahrzeugen steigen auch die Anforderungen an zukünftige Bremssysteme. Für die Umsetzung "intelligenter" und leistungsfähiger Fahrzeugbremsen ist der Übergang auf trockene, elektromechanisch betätigte Bremssysteme unausweichlich. Die Grundlage hierfür bildet die sensorgestützte Erfassung des Fahrerbremswunsches, welche in aktuellen Bremsanlagen noch nicht auf die hydraulische Absicherung verzichten kann. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist es, ein neues Sensorkonzept herauszuarbeiten, welches die Möglichkeit bietet, den Bremswunsch ohne den Hydraulikkreislauf zu plausibilisieren. Hieraus ergibt sich die Forderung, dass sich das zu entwickelnde Konzept auf die Integration in die rein mechanischen Komponenten des Bremspedals beschränken muss. Ausgehend von der Ausarbeitung technologischer, wirtschaftlicher sowie sicherheitsrelevanter Anforderungen wurden zu dieser Problemstellung verschiedene Möglichkeiten zur Platzierung von entsprechenden Sensorelementen aufgezeigt und miteinander verglichen. Gleiches gilt für die Auswahl der optimalen Technologie. Für die praktische Untersuchung und zur Aufnahme erster Messergebnisse wurde, ausgehend von dem entwickelten Sensorkonzept, ein Demonstratorprüfstand aufgebaut. Die zur Anbindung bzw. Integration der Sensoren erforderlichen Bauteile wurden mit Hilfe von CAD-Software für die Prototypenfertigung ausgelegt und gestaltet. Zusätzlich zum Aufbau und der Erprobung des Demonstrators konnte auch ein erstes Konzept für eine seriennahe Lösung ausgearbeitet werden. In diesem Zusammenhang ergab sich die Entwicklung eines speziell auf den Anwendungsfall abgestimmten Sensorbausteins. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die überschlagmäßige Aufstellung der für eine Großserienumsetzung zu erwartenden Herstellungskosten.

Durch Aufnahme von Wasser kann es zur Ausdehnung von Kleberpunkten und -schichten kommen. In der vorliegenden Masterarbeit wird die Entwicklung eines Messaufbaus zum Nachweis dieses Kleberquellens dargestellt. Dafür werden unterschiedliche Messverfahren auf ihre Eignung hin bewertet. Aus der Diskussion ergibt sich die Nutzung der Keilinterferometerie als bestgeeignetes Messverfahren. Das Verfahren überführt die Ausdehnung des Klebers in eine Verschiebung des Interferogramms. Diese Verschiebung wird durch Bilder aufgenommen und ausgewertet. Die Phasen der Entwicklung des Messaufbau werden dokumentiert und illustriert. Weiterhin wird ein halb-automatischer Auswertealgorithmus entwickelt, der eine Auswertung der Interferogrammverschiebung ermöglicht. Am Ende wird das Temperatur- und Feuchteverhalten des Messaufbaus qualifiziert. Ferner wird das durch Feuchte induzierte Kleberquellen quantifiziert.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit den Verfahren der leiterumfassenden Strommessung unter messtechnischen Gesichtspunkten. Zu Beginn wird ein Überblick über die verschiedenen Verfahren gegeben. Der Grund für die metrologische Untersuchung ist die Eigenentwicklung eines Strommesswandlers von einem Industriepartner. Dabei wird das physikalische Prinzip der Magnetfeldmessung mittels Hall-Sensoren genutzt. Für diesen konkreten Anwendungsfall werden geltende Normen und Regelungen dargestellt. Es wurde die praktische Umsetzung eines Kalibrierprozesses unter Laborbedingungen realisiert. Kalibrierungen für hohe Ströme sehr genau durchzuführen, ist aufgrund der Stromquelle schwierig. Deswegen wurden Kalibrierspulen genutzt. Bei der Messwertaufzeichnung wurde lediglich ein Spannungsmesser benötigt, da es sich um einen Strommesswandler mit dem Ausgangssignal einer Spannung handelte. Für den eigentlichen Kalibriervorgang wurde eine automatisierte Ansteuerung des Multimeters und der Stromquelle durchgeführt. Dieses Vorgehen ergab sich aus den langen Messzeiten und der Variation von Messparametern. Ziel war die Untersuchung verschiedener Einflüsse auf die Messabweichung. Von Interesse waren dabei neben absoluten Messwerten auch relative Verlaufskurven. Die variierten Parameter waren die Stromstärke, Frequenz, Lage des Leiters, Temperatur und Luftfeuchte. Innerhalb der Klimakammer wurden Änderungen der Umgebungsbedingungen (Temperatur und Luftfeuchte) auf mögliche Laborbedingungen beschränkt. Zusätzlich wurden die Messwerte für ein Konkurrenzprodukt erhoben und es fand ein Vergleich statt.

Die in dieser Masterarbeit durchgeführten Untersuchungen konnten erste Erkenntnisse über das Wärmetauschverhalten von Keramikwaben geben. Dabei kann das entwickelte Berechnungsprogramm zur Auslegung keramischer Wabenkörper für ihren Einsatz als regenerative Wärmetauscher verwendet werden. Die experimentell aufgenommen Werte bestätigen die berechneten hohen WRG-Werte und zeigen insgesamt zur Berechnung vergleichbare Ergebnisse. Damit wurde die in der Einleitung beschriebene Problemstellung, ein Berechnungsmodell anhand experimentell ermittelter Werte zu verifizieren, zufriedenstellend bearbeitet. Es wurde die Abnahme der Wärmerückgewinnung bei Verringerung der Kanalanzahl (Zelldichte) rechnerisch und experimentell nachgewiesen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass schon mit kleinen Wabenabmessungen große Wärmemengen getauscht werden können und diese somit ebenfalls für Kleingeräte mit geringen Luftdurchsätzen einsetzbar sind. Zudem wurde betrachtet, dass der Wärmeverlust durch die Dämmung eine ebenso relevante Rolle wie der WRG in Bezug auf den Wirkungsgrad des Systems spielt. Daher sollte dieser in jedem Fall abgeschätzt und in die Berechnung einbezogen werden. Bei Auswahl der richtigen Kombination zwischen Wabenkörper und Wärmedämmung sind dabei Wärmerückgewinnungswerte von über 95% möglich. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die in Großanlagen herrschenden Wirkungsgrade von über 98% Wärmerückgewinnung auch in kleineren Anlagen realisierbar erscheinen. Jedoch ist bei kleineren Anlagen der Anteil des Wärmeverlustes durch die Dämmung deutlich höher als der Wärmeverlust durch den WRG der Wabe. Daher muss bei Auslegung kleiner Systeme das wirtschaftlichste Optimum zwischen Dämmmaterial/-dicke und Wabe auf die vorhandenen Randbedingungen angepasst werden. Dabei hängen die Parameter Druckverlust, Dämmungsverlust, erwarteter Wärmerückgewinnungsgrad und benötigte Ofenleistung voneinander ab. Aus dieser Komplexität lässt Auslegung des Wärmetauschers notwendig ist. Die Realisierung einer WRG von mehr als 92% ist Voraussetzung für den Aufbau von Sauerstoff-Membrananlagen (siehe Patent Einleitung), die bereits im Kleinmaßstab einen ähnlich geringen Energieverbrauch wie kommerzielle Großanlagen zur kryogenen Luftzerlegung aufweisen. Die vorgestellten Ergebnisse unterstützen somit das Konzept zur dezentralen energieeffizienten Sauerstoff-Bereitstellung mit Membrananlagen und liefern Argumente für die Wettbewerbsfähigkeit des Verfahrens.

In der vorliegenden Arbeit werden anhand eines selbstentwickelten Messsystems metrologische Eigenschaften hochintegrierter Module zur Signalerfassung von Widerstandsmessbrücken charakterisiert. Die messtechnischen Untersuchungen konzentrieren sich vordergründig auf die Module ZSC31050 bzw. ZSC31150 von ZMDI. Darüberhinaus wurde eine Recherche zu alternativen Lösungen durchgeführt, welche anhand einer Beispielkonfiguration und einer Übersicht mit Vor- und Nachteilen dokumentiert wird. An den hochintegrierten Modulen werden Untersuchungen über effektive Auflösung und Rauschen in Abhängigkeit von möglichen Konfigurationen vorgenommen. Hierbei wird auch die erzielbare Datenrate in Abhängigkeit der Anzahl verwendeter Bausteine untersucht. Die metrologischen Eigenschaften der Module werden sowohl anhand von Referenzwiderstandsmessbrücken als auch im Zusammenspiel mit einem DMS-Kraftwandler untersucht. Die Arbeit beschreibt neben den metrologischen Untersuchungen der Module die Entwicklung eines praxistauglichen Systems, basierend auf den untersuchten Modulen zur Erfassung und Auswertung von Messdaten einer Widerstandsmessbrücke. Hierfür wurden auf Grundlage des Scheckkarten-Computers Raspberry Pi und der Messmodule ZSC31050 sowie ZSC31150 von ZMDI entsprechende Hard- und Softwareumgebungen geschaffen, welche ein geschlossenes System zur Erfassung und Verarbeitung von Messdaten bilden. Die Eigenschaften dieses, auf vergleichsweise preisgünstigen Komponenten basierenden, Messsystems werden schließlich diskutiert und anhand eines kommerziell verfügbaren Systems als Referenzlösung messtechnisch eingeordnet.

Für hochpräzise Messungen werden Massekomparatoren auf speziellen Wägesteinen und Fundamenten gelagert. Dabei führen Verkippungen der Waage zu Messabweichungen. Das Ziel der Arbeit war die Entwicklung einer Regelung, die die Neigungsänderungen des Wägesteins kompensiert. Dazu wurden die Ursachen der Neigungsänderungen des Wägesteins bzw. die zeit- und temperaturabhängigen Neigungsänderungen untersucht und die Anforderungen an die Regelung ermittelt. Es wurden die Bestandteile der Regelung ausgewählt und die Software entwickelt. Die verschiedenen Varianten des Stellglieds der Regelung wurden teilweise theoretisch, teilweise praktisch untersucht, verglichen und bewertet. Daraus wurde der piezoelektrische Aktor als Stellglied gewählt. Die Lagerung des Steins wurde verbessert indem dieser auf drei Ringe, die sich jeweils auf den Maschinenfüßen befinden, aufgestellt wurde. Diese Ringe wirken wie eine zusätzlich Feder. Für den Einbau des Piezoaktors unterhalb des Steins wurde ein Justieraufbau entwickelt und eingesetzt. Für die Regelung wurde ein PI-Regler gewählt. Die Regelung der Verkippung des Steins um die x-Achse wurde geprüft und bewertet. Auf Basis einer Langzeitmessung über fünf Stunden wurde eine Regelabweichung [beinahe gleich] 1 nrad erreicht. Die Einstellzeit der Regelung wurde mit 43 Sekunden ermittelt. Im Weiteren muss die Entkopplung zwischen dem Fundament des Steins und dem Fußboden verbessert und die Maschinenfüße thermisch isoliert. Somit können thermische Störungen sowie der Einfluss des Menschen bei Aufenthalt im Labor reduziert werden. Auch muss die Steifigkeit des Piezos mit der Kopfschraube aus Wolframcarbid und der Justageinheit untersucht und reduziert werden. Außerdem muss ein Piezoverstärker mit einem engeren Ausgangsbereich verwendet werden, wodurch eine größere Auflösung der Regelung erreicht werden würde. In die Software muss der Teil der digitalen Regelung der Verkippungen des Steins um die y-Achse eingebunden werden und die Software soll weiter optimiert werden. Der zweite Piezoaktor muss unterhalb des Steins eingebaut werden und die Regelung der Verkippung des Steins muss um die y-Achse geprüft werden. Dabei muss die Querempfindlichkeit der y-Achse berücksichtig werden. Außerdem würden weitere Verbesserung des Winkelmesssystems auch die Regelung optimieren.

Die vorliegende Masterarbeit widmet sich der Untersuchung der dynamischen Charakteristik des metrologischen Rahmens der an der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Messmaschine NPMM-200. Zunächst erfolgen eine Betrachtung der für die dynamische Modellierung technischer Systeme meist gebräuchlichen Methoden und eine begründete Auswahl der Finite-Elemente-Methode als die geeignetste Vorgehensweise für die Lösung der gestellten Aufgaben. Im weiteren Verlauf stehen die Analyse des Systemaufbaus und die Ermittlung relevanter Parameter innerer und äußerer Anregungen im Vordergrund, um anschließend Abstraktionsmaßnahmen für die FE-Modellbildung vorzunehmen. Unter Verwendung der Simulationssoftware ANSYS Workbench® V15.0 werden die Eigenfrequenzen und -formen anhand einer Modalanalyse bestimmt. Der Vergleich der anhand einer Frequenzanalyse ermittelten Verformungs-und Geschwindigkeitsamplituden in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz mit den Ergebnissen der Schwingungsmessungen ermöglicht, Aussagen über die Anwendbarkeit bzw. die Qualität des Modells zu treffen. Weiterhin wird der Einfluss einer Werkstoffänderung, Änderung der Dämpfung und der Lagerbedingungen mit Hilfe des entwickelten FE-Modells bewertet. Im Anschluss werden die zulässigen Anregungsparameter während des Betriebes formuliert. Die Resultate dieser Arbeit können als Ausgangspunkt für weitere Optimierungsbetrachtungen bezüglich des dynamischen Verhaltens des metrologischen Rahmens dienen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau und die Inbetriebnahme eines Diodenlasers mit externem Gitterresonator. Nach Erarbeitung der theoretischen Grundlagen wurde ein Konzept entwickelt, welches eine Emissionswellenlänge nahe der eines He-Ne-Lasers (632,8 nm) umsetzen kann. Es wird die konstruktive Umsetzung durch das Prinzip nach Littrow beschrieben und die Funktionsnachweise vorgestellt. Innerhalb des experimentellen Teils kamen verschiedene Arten von Laserdioden zum Einsatz und wurden hinsichtlich ihrer Eignung für das gewünschte Ziel verglichen. Im Aufbau werden die Frequenz- und Temperaturstabilität untersucht und das Durchstimmverhalten der Wellenlänge getestet. Das Ergebnis ist ein funktionsfähiger Diodenlaser mit externem Gitterresonator. Der Laser besitzt einen modensprungfreien Durchstimmbereich von 2 GHz und eine Ausgangsleistung von bis zu 55 mW bei einer Emissionswellenlänge im Bereich von 632 nm bis 635 nm. Mit Hilfe einer geeigneten Reglung lässt sich dieser auf einen He-Ne-Laser frequenzstabilisieren.

In der Industrie und der Forschung besteht in zunehmendem Maße die Notwendigkeit von hochgenauen und variablen Kalibriermöglichkeiten für Thermometer. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, kommen häufig sogenannte Blockkalibratoren zum Einsatz. Dieser Ermöglichen das Kalibrieren mit Hilfe eines Masterthermometers. An der TU Ilmenau wird im Moment ein Blockkalibrator entwickelt, der nach einem völlig anderen Funktionsprinzip arbeitet als bestehende Geräte. Um die Nachteile bisheriger Konstruktionen beseitigen zu können, ist es notwendig die Ursachen für diese Nachteile zu analysieren. Diese bestehen im Wesentlichen in den parallel zueinander, in das Gerät eingeführten Thermometern. Durch diese axiale Verschiebung des Prüflings und des Masterthermometers entstehen Abweichungen in der Temperatur, welche die Thermometer umgibt. Zudem sollen im Rahmen dieser Neukonstruktion drei Fixpunktzellen (FPZ) in den Blockkalibrator integriert werden. Es besteht aufgrund der Nichtlinearität der als Masterthermometer verwendeten Widerstandsthermometer die Notwendigkeit, dieses an den Phasenübergangstemperaturen von drei Fixpunktzellen zu kalibrieren. Diese haben den Zweck, eine Kalibrierung des Masterthermometers ohne dessen Ausbau vornehmen zu können. Der Blockkalibrator soll in einem Temperaturbereich von 20˚C bis 600˚C arbeiten. Durch die eingebrachten Fixpunktzellen werden die Messergebnisse direkt auf die aktuell gültige Internationale Temperaturskala (ITS-90) zurückführbar. Es wurden die Fixpunktmaterialien Indium (Erstarrungspunkt 156,5985˚C), Zinn (231,928˚C) und Zink (419,527˚C) verwendet. Als Mantelmaterial für die Fixpunktzellen wurde Aluminiumnitrid gewählt. Hierfür war vor allem seine hohe Wärmeleitfähigkeit verantwortlich. Kern dieser Arbeit ist, die optimale Anordnung der Fixpunktzellen im Blockkalibrator zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden FEM-Berechnungen durchgeführt, in deren Rahmen sich die Temperaturverteilung und die Ausformung des Phasenübergangsplateaus optimieren lies. Nachdem die Randbedingungen der Simulation festgelegt waren, wurden verschiedene Geometrien erarbeitet. Anhand der gesteckten Ziele wurde eine Geometrie ausgewählt und näher untersucht. Es wurden die zeitlichen Verläufe der Phasenübergänge und die Totzeiten der Temperaturausbreitung zwischen verschiedenen Messstellen beleuchtet. Es konnten Gestaltungsrichtlinien aufgestellt werden, anhand derer die Anordnung der Fixpunkzellen auch bei späteren Änderungen an der Geometrie des Blockkalibrators oder an den Randbedingungen angepasst werden kann.

Das Ziel der Masterarbeit ist die Optimierung der Messung magnetischer Eigenschaften der Gewichte mit GK E1/E2 Genauigkeitsklasse mittels Gewicht Roboter Sartorius CCR 1000 ist. Es wurden Steuerprogramme für Roboter und Suszeptometer entwickelt, die die Lösung der Aufgabe ermöglichen. Die Sartorius Suszeptometer 05 und 06 wurden zur Messung der Suszeptibilität vorbereitet und ebenfalls Auswerteprogramme geschrieben und erprobt. Die Funktionstüchtigkeit für Messungen verlangte den Entwurf und Bau von Windschutzeinrichtungen. Die Ergebnisse zeigten, dass die entwickelten Verfahren zur Messung der magnetischen Parameter der Gewichte verwendet werden können. Es zeigte sich, dass die Messergebnisse deutlich verbessert werden können, wenn die Randbedingungen wie Temperatur, Wind, u.s.w. verbessert werden. Ebenfalls gilt das für den Magnetabstand Z0.

Das Ziel der Masterarbeit ist Entwicklung eines Algorithmus für Rekonstruierung der Oberflächentopologie aus dem Weißlichtinterferogramm. Insgesamt werden vier Methoden präsentiert, die eine Oberflächenrekonstruktion ohne Nutzung von a-priori Wissen erlauben. Alle diese Methoden basieren auf der Phasenbestimmung des Interferogramms. Sie können in zwei Gruppen unterteilt werden. Die erste Gruppe basiert auf der Amplitudenmodulation des Interferogramms mittels Quadratursignal. Die zweite Gruppe nutzt die Hüllkurve für Normalisierung des Interferogramms. Es wurden vier zusätzliche Algorithmen für Entfernung von unerwünschten Effekten entwickelt, die mit Problemen des normalisierten Signals, Unbestimmtheit der Phase sowie Vorzeichen- und Offsetfehlern der rekonstruierten Oberfläche verbunden sind. Zur Reduktion des Rauschens wurden digitale FIR Filter sowie die Wavelet-Transformation verwendet. Die Vorteile der Wavelet-Transformation wurden herausgearbeitet und eine Adaptierung für zwei-dimensional Datenfelder durchgeführt.

Die Regelung und Überwachung technischer Verbrennungsprozesse erfordert die Verwendung von hoch-dynamischen und äußerst zuverlässigen Temperaturfühlern bei Einsatztemperaturen von ca. 1000˚C und Gasgeschwindigkeiten von über 100 m/s. Dabei sind Temperatursprünge mit Änderungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 K/s und örtliche Gradienten von ca. 500 K/mm anzutreffen. Zum Zwecke der (Weiter)-Entwicklung solcher Sensoren ist es notwendig, entsprechende Prototypen unter annähernd realen Bedingungen hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens und ihrer Zuverlässigkeit zu untersuchen. Im Rahmen dieser Master-Arbeit wurde eine Versuchsanlage konzipiert und realisiert, welche die genannten Bedingungen realisieren kann und somit die Lücke zwischen theoretischer Entwicklung und Anwendung in der Praxis schließt. - Um die oben genannten Bedingungen darstellen zu können, kommt ein Messaufbau mit vorgelagertem Brennersystem und einer sich anschließenden Prüfstrecke zum Einsatz. Die sehr hohen Temperaturen von über 1000˚C machen eine Kanalkonstruktion aus Inconel601 sowie eine erhebliche thermische Dämmung der Rohrkonstruktion notwendig. Die für die Belastungs- und Dynamiktests notwendigen Temperatursprünge werden mittels einer in das System integrierten Sprungvorrichtung realisiert. Hierzu werden zwei gegenüberliegend installierte Probanden mit Hilfe einer pneumatisch angetrieben Lineareinheit wechselnd in die Prüfstrecke eingeschossen. Der Versuchsablauf kann dabei manuell über eine Bedienungseinheit oder vollautomatisch von einem Laptop aus angesteuert werden. - Erste Testmessungen konnten nachweisen, dass die Kenndaten bezüglich der geforderten Bedingungen sowie die Charakteristika der installierten Sprungvorrichtung erfüllt wurden. Demzufolge ist die Anlage für die Durchführung von Belastungstests bereits hinreichend ausgestattet. Für Forschungszwecke oder exakte Untersuchungen zur Dynamik von Thermometer-Prototypen ist es naheliegend zunächst eine intensivierte Untersuchung hinsichtlich der Konstanz und Reproduzierbarkeit der generierten Bedingungen anzustrengen.

In der vorliegenden Masterarbeit werden verschiedene Prinzipien zur elektromagnetischen Krafterzeugung untersucht sowie deren Eignung für die Verwendung in der Kraftmesstechnik überprüft. Dazu wird zunächst eine Formel zur Berechnung der Kraftdichte im magnetischen Feld angegeben, aus der sich die Möglichkeiten zur elektromagnetischen Krafterzeugung ergeben. Die daraus resultierenden Gleichungen werden zur Berechnung verschiedener elektromagnetischer Aktoren angewendet. Für messtechnische Untersuchungen der Aktoren wird ein Messaufbau konstruiert. Die Messergebnisse werden mit den analytischen Berechnungen und numerisch bestimmten Werten verglichen. Des Weiteren werden die Grundlagen der Energieübertragung über induktiv gekoppelte Spulen dargelegt, um eine drahtlose Energieübertragung zur Versorgung der zuvor analysierten Antriebe zu realisieren. Dazu wird die Anwendbarkeit eines Systems nach dem QI-Standard untersucht, mit dem eine drahtlose Energieversorgung der Aktorspulen in Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation möglich ist. Außerdem wird die Anwendbarkeit von in die Aktoren integrierter Sensorik in EMK-Waagen untersucht, um eine Genauigkeitssteigerung der Positionsmessung zu erreichen. Hierzu werden zunächst die Grundlagen dargestellt, woraus sich die analytischen Berechnungen ergeben, die mit den numerisch ermittelten Werten und den Messergebnissen verglichen werden.

Diese Abschlussarbeit behandelt die Konzeption und praktische Umsetzung einer Anlage zur Demonstration der Plattform- und Achslastwägung im Modellmaßstab. Zu diesem Zweck wird ein Grundaufbau konstruiert, gefertigt und montiert. Für die Messung der Gewichtskraft werden Dehnmessstreifen-Wägezellen (DMS-Wägezellen) der Firma Sartorius Weighing Technology GmbH (Sartorius) verbaut und durch eine National Instruments (NI) ENET-9237 Box ausgewertet. Als selbstangetriebene Fahrzeuge werden Modellautos der Marke Carrera® verwendet, sie werden digital über einen Mikrocontroller gesteuert. Die Position der Autos wird dabei von Lichtschranken ermittelt, welche aus einer Infrarot-Led (IR-LED) im Fahrzeug und in die Fahrbahn eingelassenen Fototransistoren bestehen. Die Auswertung der Signale dieser Sensoren wird ebenfalls durch den Mikrocontroller durchgeführt. Damit der Mikrocontroller seine Aufgaben erfüllen kann, wurde ein kontinuierlich ablaufendes Programm erzeugt. Sowohl die NI Box als auch der Mikrocontroller kommunizieren mit einem Computer. Für die Auswertung der Schnittstellen wurde eine graphische Nutzeroberfläche programmiert, welche die Steuerung der Fahrzeuge und die Auswertung, Darstellung und Speicherung der von den Wägezellen eingelesenen Messdaten ermöglicht. Abschließend wurden Qualität und Konsistenz der Messergebnisse durch Testmessungen an beiden verbauten Waagen, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten, überprüft. Hierbei wurden die Unsicherheiten der Messergebnisse von Wägewert und Geschwindigkeit ermittelt.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen zur Optimierung der eingesetzten Messtechnik zur Bestimmung von abgegebenen Kraftstoffmengen an Tankstellen. Es wurde eine theoretisch optimale, volumetrische Prüfvorrichtung ermittelt und vorhandene Prüfvorrichtungen in Teilaspekten, wie beispielsweise der nötigen Rüstzeit, mit der optimalen verglichen. Dabei wurden, anhand gegebener Bedingungen, parametrisierte Modelle von zwei repräsentativen Prüfvorrichtungsvarianten aufgestellt, die einen objektiven Vergleich der nötigen Rüstzeiten erlauben. Die Prüfvorrichtung mit mehreren Zwischentanks hat sich als vorteilhafter herausgestellt. Um die nötigen Prozesse und Abläufe einer Eichung mit den beiden repräsentativen Prüfvorrichtungsvarianten besser darzustellen, wurden Prozessablaufpläne erstellt, die den gesamten Messvorgang wiedergeben. Anwendungsorientierte Untersuchungen hinsichtlich Schaumbildung und Abtropfverhalten wurden durchgeführt. Dabei wurde eine Möglichkeit zur Abschätzung der nötigen Rüstzeit bei Schaumbildung gefunden. Auch aufgrund der zusätzlichen Beimischung regenerativer Biokraftstoffe wurde vorgeschlagen, die Vorgehensweise zur Bestimmung der Messunsicherheit für Diesel anzupassen. Alternativ kann die Abtropfzeit bei Diesel erhöht werden. Begründete Zusammenhänge legen die Vermutung nahe, dass die Abtropfzeit bei Diesel zu gering ist und angepasst werden muss. Weitere Messungen können diese Vermutung beweisen. Diese beiden Alternativen berücksichtigen die besonderen Eigenschaften des Diesels besser und ermöglichen eine Anpassung an die geänderten Gegebenheiten der Kraftstoffgemische. Bei der Untersuchung alternativer Messprinzipien zur Volumenermittlung wurde die Durchflussmesstechnik jedoch bedingt ausgeschlossen. Die Verwendung des gravimetrischen Messprinzips kann empfohlen werden, falls ein geeigneteres Dichtemessgerät benutzt werden kann. Die Kombination eines separaten Dichtemessgerätes und der GraVol ist ein Ansatz zur Verwendung eines alternativen Messprinzips. Ein weiteres alternatives Messprinzip ist die Verwendung einer automatisierten, volumetrischen Prüfvorrichtung. Diese Prüfvorrichtung wurde in Grundzügen beschrieben und mögliche Einflüsse erfasst, jedoch ohne eine diese zu quantifizieren. Alle beschriebenen alternativen Messprinzipien haben die Gemeinsamkeit, dass sie durch die Automatisierung den Gesamtprozess einer Eichung hinsichtlich seines Auf-wandes optimieren, die Manipulationssicherheit erhöhen und eine größere Flexibilität aufweisen. Weiterhin werden kaum oder nicht beherrschbare Probleme wie Schaumbildung und Abtropfverhalten teilweise oder ganz umgangen. Um die Eignung der alternativen Prüfvorrichtungen zu belegen sind Praxistests mit vorhandenen oder noch zu entwickelnden Prototypen durchzuführen.

Das Ziel der Diplomarbeit bestand darin, mit Hilfe numerischer Berechnungen für ein spezielles Thermoelement die Abhängigkeit des dynamischen sowie des mechanisch-thermischen Verhaltens von der Temperaturabhängigkeit der Materialdaten und verschiedenen Randbedingungen zu untersuchen. Dieses Thermoelement soll für den Einsatz in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen optimiert werden. - Die Ergebnisse der numerischen Berechnungen sollen an Versuchseinrichtungen experimentell verifiziert werden. In der vorliegenden Arbeit fanden diese experimentellen Untersuchungen mit Hilfe der Aufnahme von Sprungantworten des Thermoelements in einen Wasserthermostaten statt. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse für diesen Anwendungsfall zeigten eine gute Übereinstimmung. - Für verschiedene, theoretisch angenommene Wärmeübergangskoeffizienten eines Fahrzeug - Abgaskanals wurden die Einflüsse von temperaturabhängigen Materialdaten und der Sprungrichtung (Erwärmung und Abkühlung) auf das dynamische Verhalten des Thermoelementfühlers bestimmt. Die Ergebnisse sind in Diagrammen dargestellt und ausgewertet. Es wurde gezeigt, dass sich die Sprungantworten bei der Erwärmung und Abkühlung unterscheiden. - Zum Schluss wurde die Auswirkung der Temperaturgradienten auf das mechanisch-thermische Verhalten des Thermoelementfühlers ermittelt.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der metrologischen Eigenschaften des AMFs Solver HV-2 im Stand-Alone-Betrieb. In Anbetracht des vorhandenen AFM-Messkopf und der Steuerelektronik wurde ein Messplatz für den Stand-Alone-Betrieb des AFMs aufgebaut. Für die Kalibrierung des AFMs auf ein Pitch-Normal wurden entsprechende Algorithmen entwickelt. Die Geräteeinstellungen und Regelungsparameter sind dabei optimiert worden. Bei dieser Kalibrierung wurden Kalibrierfaktoren für die x-, y-, z-Achsen des AFMs bestimmt, sowie die Messunsicherheit abgeschätzt. Darüber hinaus wurde die Scratching und Oxidationslithografie im Nanometerbereich durchgeführt. Die lithografischen Parameter wurden optimiert.

Die Durchführung dimensioneller Messaufgaben mit Reproduzierbarkeiten im Mikro- und Nanometerbereich erfordern geeignete leistungsfähige dreidimensionale Tastsysteme. Ein solches System liegt in Form des, an der TU Ilmenau entwickelten, Laser-Fokussensors vor. Bei vorangegangenen Messungen stellte sich heraus, dass der Sensor nur Messungen an Oberflächen mit einer Neigung von weniger als ±20˚ erlaubt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde die Abhängigkeit des Laser-Fokussensors von der Neigung der Messobjektoberfläche im Antastpunkt untersucht. Anhand einer zu Beginn durchgeführten theoretischen Betrachtung wird die Winkelabhängigkeit des Sensors beschrieben. Diese wurde durch nachfolgende Untersuchungen des Verhaltens des Laser-Fokussensors an geneigten Oberflächen bestätigt. Hierzu wurde der vom Messobjekt reflektierte Strahl hinter der Fokuslinse mittels einer Kamera zur Strahldiagnose hinsichtlich seiner Verlagerung und Intensitätsverteilung untersucht. Aussagekräftige Ergebnisse wurden bei experimentellen Untersuchungen nach Integration des Fokussensors in die Nanomess- und Positioniermaschine erzielt. Als Messobjekte für die Untersuchungen dienten Präzisionstastkugeln sowie ein, auf einem Kipptisch positionierter, Planspiegel. Durch die nachgewiesene Winkelabhängigkeit des Fokussensors kann in einer späteren Betrachtung der Einfluss auf das Messergebnis untersucht und eine mögliche Messwertkorrektur durchgeführt werden.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Designvorschrift für die Koeffizienten eines digitalen Filters gesucht, die, angewendet auf Kontrollwaagen optimale Wägemesswerte liefert. Die besonderen Randbedingungen einer EMK-Kontrollwaage lassen Vereinfachungen und Spezifikationen zu, die ermöglichen den Filtermechanismus grundsätzlich zur Genauigkeitssteigerung der Massebestimmung zu nutzen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Neigungsmessverfahren auf Basis einer elektromagnetischen Kraftkompensations-Waage. Als Ausgangsgerät für dieses Messverfahren dient ein EMK-Wägesystem, welches standardmäßig in Präzisionswaagen Verwendung findet. Bei der Massebestimmung entstehen Fehler, falls sich das gesamte Wägesystem neigt. Die Reaktion des Wägesystems auf Neigungsänderungen ist die Grundlage des Neigungsmessverfahrens. Dabei zeigen analytische und numerische Simulationen eine Empfindlichkeitssteigerung, wenn das gesamte System in der vertikalen anstatt der standardmäßigen horizontalen Einbaulage betrieben wird. Durch die Änderung der Einbaulage ist es möglich das System auspendeln zu lassen und auf die Regelung in eine Referenzlage zu verzichten. Die entsprechenden Modifikationen für die Änderung der Einbaulage sind ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Bei der Ermittlung der messtechnischen Eigenschaften konnten Neigungsänderungen von bis zu 0,014 Winkelsekunden unter atmosphärenseitigen und bis zu 0,005 Winkelsekunden unter reduziertem Luftdruck aufgelöst werden. Untersuchungen von Störgrößen und Messungen unter verschiedenen Gerätekonfigurationen sind ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Zur Verbesserung der messtechnischen Eigenschaften sind Messungen im Vakuum zukünftig geplant. Die dafür notwendige Vakuumkammer wurde im Rahmen dieser Arbeit konstruiert.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Erfassung der Ausbreitungsparameter eines Laserstrahls. Die genaue Kenntnis der Parameter der Strahlausbreitung spielt eine große Rolle für die Kollimierung des Laserstrahls und zur Minimierung von damit verknüpften Störeinflüssen auf die Messung. Dazu werden zwei unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Das erste Verfahren ist die Untersuchung und Bestimmung der Parameter des Laserstrahls aus der Intensitätsverteilung. Das zweite Verfahren basiert auf der Bestimmung des Krümmungsradius der Wellenfront mittels Shearing-Interferometer. Die Ergebnisse der Messungen mit den verschiedenen Verfahren sollen miteinander und mit Ergebnissen aus Simulationen vergliechen werden. Für die Untersuchung der Strahlparameter wurde ein spezieller Messaufbau konstruiert, der zwei verschiedene Messmethoden ermöglicht. Bei beiden Methoden nimmt eine CMOS-Kamera die Ergebnisse auf. Ein fasegekoppelter Helium-Neon-Laser wurde mit diese Anordnung untersucht.

Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der zerstörungsfreien Prüfung von Falzklebeverbindungen in bei der Volkswagen AG gefertigten Karosseriebauteilen mittels Thermografie. Resultierend aus den Untersuchungen an vielfältigen Probentypen konnte eine grundsätzliche Eignung der ultraschallangeregten Thermografie zur Detektion von Klebstoffstrukturen in Falzklebeverbindungen nachgewiesen werden. Dabei gelang es praxisrelevante Fehler, wie Klebnahtunterbrechungen, Delaminationen oder Poren sichtbar zu machen. Zusätzlich kann im ausgeprägteren Falz an der Türaußenseite auch eine zufriedenstellende Beurteilung des Füllgrades erreicht werden. Bei der darauf aufbauenden Übertragung der Vorgehensweise auf reale Bauteile konnten ebenso ansprechende Ergebnisse erzielt werden. Die teilweise auftretende Diskrepanz zwischen der Ergebnisqualität an einfachen Proben und Realbauteilen bietet für zukünftige Weiterentwicklungen noch Verbesserungspotenzial. Schlagwörter: Zerstörungsfreie Prüfung, Ultraschallangeregte Thermografie von Klebstoffverbindungen , Korrosionsvermeidung bei Falzklebeverbindungen

Inhalt dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung einer kontaktlosen Energie- und Datenübertragung zur Ansteuerung und Energieversorgung eines Zentrieraufsatzes auf einem Rundtisch. Das System zur Energieübertragung wird weitesgehend selbst entwickelt, da vorhandene Systeme nur schlecht den geometrischen Anforderungen entsprechen. Die Grundlage hierzu bildet die Theorie der Schaltnetzteile. Im Rahmen dieser Entwicklung wird die Energieübertragung modelliert um einen höchstmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen. Die drahtlose Datenübertragung wird unter Verwendung des IrDA-Standards als optische Datenübertragung zwischen zwei Mikrocontrollern ausgeführt. Dabei organisiert ein Mikrocontroller die Kommunikation mit einem PC über eine RS232-Schnittstelle, sodass über diesen Mikrocontroller die Daten vom PC an den Mikrocontroller auf dem Rundtisch gesendet werden können.

In dieser Arbeit wurde das Driftverhalten von interferometrischen Messanordnungen bei Änderung der Umgebungsbedingungen (insbesondere Temperatur) untersucht. Das interferometrische Messergebnis ist das Resultat aller Änderungen im Mess- und Referenzarm eines Inteferometers während einer Messung. Dieses Ergebnis setzt sich aus systematischen und zufälligen Fehlern zusammen. Der nach der Korrektur des Messergebnisses mit den bekannten systematischen Fehlern zurückbleibende Messwert wird als Drift bezeichnet. Um die systematischen Fehler bei den in der Arbeit verwendeten interferometrischen Messanordnungen korrigieren zu können, wurde der Begriff des Messkreises auf die Messanordnung angewendet. Es stellte sich heraus, dass für die exakte Fehlerkorrektur zwischen optischem und mechanischem Messkreis unterschieden werden muss. Auf dieser Basis gelang es, bei Messungen mit durch Schraubverbindungen auf Aluminiumträgern befestigten Interferometerbaugruppen bisher unerreichte reproduzierbare Driftwerte in der Größenordnung von nur ca. 20 nm/K mit einer Vielzahl von Messungen mit unterschiedlichen Anordnungen zu erreichen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die resultierende Drift unabhängig von der gewählten Totstrecke ist, d.h. dass bei unterschiedlich großen Totstrecken von z.B. 24 mm bzw. 198 mm, gleiche Driftwerte erreicht wurden.

Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Zusammenhang zwischen Krafteinleitungssystem und Kraftsensorelement in der Wägetechnik. Dazu wurden zunächst drei Sensorprinzipien (Krafteinleitungssysteme) zur Messung kleiner Kräfte analysiert. Weiterhin erfolgte die Untersuchung drei verschiedener Kraftsensorelemente. Die Kombination aus Parallellenker-System als Krafteinleitungssystem und Laseroptischem Sensor mit Neodym-YAG-Kristall als Kraftsensorelement wurde näher betrachtet, um Messunsicherheiten bei Messungen, die mit diesem System durchgeführt werden, zu bestimmen. Unter Zuhilfenahme der Berechnungs-Werkzeuge ANSYS (FEM), MATLAB und Excel wurde auf verschiedenen Wegen nachgewiesen, dass die Einwirkung einer Querkraft auf ein Nd:YAG-Laser-Sensorelement zu einer Abweichung der Messergebnisse führt. In einem am Fachgebiet durchgeführten Experiment wurde ein Messstand mit o.g. Kombination aus Krafteinleitungssystem und Kraftsensorelement aufgebaut, mit dem Ziel, den - aus der gegebenen Steifigkeit des Krafteinleitungssystems bedingten - Querkrafteinfluss auf das Sensorelement zu ermitteln. Dabei stellte sich heraus, dass die Steifigkeit des Parallellenker-Systems in Messrichtung den Erwartungen und Anforderungen der theoretischen Voruntersuchungen entsprach und nur zu einer kleinen, systematischen Messabweichung führt. Die Betrachtung der Steifigkeit des Krafteinleitungssystems senkrecht zur Messrichtung ergab allerdings, dass diese Steifigkeit im Vergleich zum Kraftsensorelement viel zu klein ist, sodass sich die für das Messsystem sehr ungünstigen Querkräfte bei diesem Krafteinleitungssystem nicht vermeiden lassen.

Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Störfaktoren beim Einsatz von Inline-Messtechnik zur Beurteilung von Produktionsprozessen. Eine Minimierung oder Vermeidung ungewollter Einflussgrößen senkt die Messunsicherheit produktionsintegrierter Messprozesse. Es wurden Untersuchungen zur Wirksamkeit bestehender Kompensationsmodelle der Messeinrichtung sowie zu bisher unberücksichtigten Störfaktoren durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurde ein Konzeptentwurf erstellt, dessen Umsetzung sowohl an bestehenden Anlagen als auch zukünftigen Anlagen möglich ist. Eine Optimierung der Produktionsprozesse mit Blick auf das thermische Verhalten der Messobjekte und der Messeinrichtung und eine Steigerung der Robustheit der Messsysteme gegen Schwankungen im optischen Verhalten der Messobjekte bewirken eine Verringerung der Messunsicherheit und erlauben eine zuverlässige Beurteilung der Prozessqualität.

Eine Klimabox betreibt eine Langzeitmessung mit dem interferometrischen Messgerät. In der Kammer wird Temperatur und relative Luftfeuchte konstant gehalten. Die Luftverwirbelungen sind zu minimieren. Der Messaufbau darf nicht in Schwingung, durch Instabilität, geraten. In meiner Arbeit werde ich eine flüssigkeitstemperierte Klimabox konstruieren.

In der Diplomarbeit wird die Entwicklung, der Aufbau und die Untersuchung eines Messdatenerfassungs- und -verarbeitungssystems sowie Steuerungs- und Regelungssystems für aktive Tastsysteme vorgestellt. Aktive Tastsysteme verfügen über Aktoren zur Antast- und Messkraftregelung oder zur Erzeugung einer Modulation. Der Active Probe Controller lässt sich zur Erhöhung der Regeldynamik von ein- oder mehrachsigen Antastregelungen einsetzen. In Zusammenhang mit der Signalmodulation kann das System auch zur Detektion der Antastrichtung von Betragstastsystemen verwendet werden. Das Gerät besteht aus der Signaleingabe- und Signalausgabeleiterkarte zur Messdatenerfassung und -verarbeitung und dem Netzteil zur Spannungsversorgung. Zentrale Baugruppe des Systems ist ein digitaler Signalprozessor in Kombination mit mehreren A/D- und D/A-Wandlern (D.Module.C6713 und D.Module.ADDA16). Die Software des Prozessors ist modular aufgebaut und ermöglicht eine einfache Anpassung an unterschiedliche Aufgaben und Tastsysteme der NMM-1. Das entwickelte System wurde als quasianaloger PID-Regler für einen metrologischen Rasterkraftsensor der NMM-1 getestet und untersucht. Als Regelungssystem ermöglicht es eine Verbesserung der Messkraftregelung und eine Erhöhung der Scangeschwindigkeit. Der Active Probe Controller erweitert die Möglichkeiten zur Lösung der Messaufgaben aus der dimensionellen Messtechnik im Mikro- und Nanometerbereich mit der NMM-1.

Inhalt der Diplomarbeit ist die mechanisch-konstruktive Entwicklung eines Justieraufsatzes zur Rundheitsmessung von Lehrringen. Der dazu erforderliche Messaufbau besteht aus einem interferenzoptischen Sensor und einem luftgelagerten Rundtisch. Dabei wird die Oberfläche eines Lehrrings mit dem Messstrahl des gestellfesten interferenzoptischen Sensors angetastet. Mittels Drehbewegung um die Hochachse des Lehrrings kann so dessen Rundheit vermessen werden. Für die Drehbewegung der Lehrringe wird ein luftgelagerter Präzisionsrundtisch UPR-160 Air des Herstellers MICOS eingesetzt. Zur fluchtenden Ausrichtung der Hochachsen von Drehbewegung und Lehrring ist ein Justieraufsatz notwendig. Dieser soll um die Kontakt- und Verschleißprobleme mechanischer Kontakte zu vermeiden, drahtlos mit Energie und Steuersignalen versorgt werden. Der Justieraufsatz realisiert zwei Teilfunktionen: eine laterale Bewegung entlang der x, y Achsen und eine rotatorische Bewegung um x, y-Achsen. Deshalb besteht der Justieraufsatz aus einer Kombination zweier selbständiger Funktionsgruppen: einer Verschiebeeinrichtung und einer Kippeinrichtung. Die Konstruktion der Verschiebeeinrichtung unter Verwendung von Schrittmotoren, Planeten- und Schraubengetrieben ermöglicht eine hochgenaue laterale Positionierung der Lehrringe. Durch die Verwendung von Präzisionswälzführungen wird eine sehr geringe Reibung sowie eine weitgehende Wartungsfreiheit erzielt. - Die Konstruktion der Kippeinrichtung, unter Verwendung einer Kombination aus Schrittmotoren, Schraubengetrieben, Keilschubgetrieben, Zugfedern und Kugelgelenk ermöglicht die präzise Winkelverstellung um die Hochachse. - Der Justieraufsatz ermöglicht eine Wegverstellung von ± 2 mm mit einer Auflösung von 0,2 æm und eine Winkelverstellung von ±1&ayn; mit einer Auflösung von 0.09". Die Abmessungen des Justieraufsatzes betragen 200mm x 69 mm, bei einem Eigengewicht von 1700g. Aufgrund des geringen Energieverbrauchs der eingesetzten Schrittmotoren ist die Stromversorgung mittels Akku realisierbar.

Aufgrund des zunehmenden Einsatzes mikrotechnischer Produkte steigt auch der Bedarf an Mess- und Prüftechnik zur Fertigungs- und Qualitätskontrolle von Mikrosystemkomponenten und -strukturen. Dimensionale Messungen an Mikrostrukturen erfordern sowohl Nanopositionier- und -messmaschinen als auch geeignete leistungsfähige dreidimensionale Mikrotastsysteme. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges 3-D-Mikrotastsystem, das an der TU Ilmenau am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik entwickelt wurde, in die NPMM-25 integriert. Das Funktionsprinzip basiert auf der gleichzeitigen optischen Auswertung der Verkippung und der Translation einer Silizium-Bossmembran mit einem fokussierten Messstrahl. Mit Hilfe der NPMM-25 erfolgten zahlreiche Untersuchungen zu messtechnischen Eigenschaften des Tastsystems, die dessen Eignung für Messungen an Mikrostrukturen nachweisen. Darüberhinaus wurde die Tauglichkeit für typische Messabläufe in der Koordinatenmesstechnik untersucht, wobei die Messunsicherheit bei der Bestimmung des Antastpunkts verglichen wurde. Dabei zeigte sich, dass Scanmessungen in der Regel größere Messunsicherheiten als Punktmessungen aufweisen. Die Extrapolation des antastkraftfreien Ortes aus der Tasterkennlinie erwies sich als die beste Variante, wenn Messunsicherheiten und Reproduzierbarkeiten im Subnanometerbereich gefordert werden. Die Untersuchung der messtechnischen Eigenschaften des interferenzoptischen 3-D-Mikrotastsystems hat verschiedene Optimierungsmöglichkeiten aufgezeigt. Ein überarbeitetes Tastersystem auf Basis eines Verformungskörpers aus Quarzglas wurde vorgestellt und dimensioniert.

Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich ausgehend von neuen Kapazitiv-Digital Umsetzern der Firma Analog Devices mit der Entwicklung eines kapazitiven Kraftaufnehmers. Eine Literatur- und Patentrecherche bildet die Grundlage für den konstruktiven Entwicklungsprozess. Mittels der KIRCHHOFF'schen Plattentheorie werden die Biegelinie einer im Umfang eingespannten Kreisplatte unter zentraler Krafteineinleitung und die damit einhergehende Kapazitätsänderung eines Messkondensators hergeleitet. Mit diesem Formelwerk wird ein entsprechender Sensor ausgelegt und aufgebaut. Ein Kraftmessstand und eine Mikrocontroller-Steuerung werden zur Untersuchung der technischen Eigenschaften des Sensors eingerichtet. Ein Algorithmus zur Kompensation der Temperatur und Linearisierung der Kennlinie sowie Aussagen zur Messunsicherheit, Störeinflüssen und Wirtschaftlichkeit bilden den Abschluss der Arbeit

Angesichts des hohen Termindrucks und der schnelllebigen Zeit, wächst bei den Kunden der Firma PAARI Waagen- und Anlagenbau der Wunsch nach Lösungen, die ein noch schnelleres Wiegen ermöglichen, als es ohnehin schon gewährleistet werden kann. Diese Entwicklung hat bei der Firma zur Überlegung geführt, ein Achslastwägesystem konzipieren zu lassen, welches das Wiegen ohne Anhalten für die Fahrzeuge ermöglicht. Dazu ist neben einer Software auf der Wägeelektronikseite, welche die Gewichte schnell berechnen kann, auch eine Fahrzeugzuordnung nötig. In der Arbeit wurden verschiedene Ansätze für die automatische Zuordnung diskutiert und eine geeignete ausgewählt. Der Stand der Technik im Bereich Weigh-In-Motion, zu dem Achslastwaagen zählen, wurde aufgenommen. Entstanden ist ein Prototyp bestehend aus einer Achslastwaage auf Wägezellenbasis, einem Schaltschrank mit Wägeterminal und Signalanlage sowie einem Softwarepaket. In das Softwarepaket ist ein Modul für die Wägeelektronik zur Gewichtsermittlung, ein übergeordnetes Leitsystem und die Schnittstellen zwischen diesen zu zählen. Zur Fahrzeugzuordnung wurden Funkfernbedienungen gewählt, mit denen die Anmeldung an der Waage erfolgt. Die Einstellungen für diese werden im Leitsystem vorgenommen. Der Prototyp wurde auf dem Betriebshof einer Biogasanlage aufgebaut und erfolgreich zahlreichen Tests unterzogen.

Ziel der Diplomarbeit war es, den Messwerterfassungs- und Auswertebestandteil einer Prüfeinrichtung zur dynamischen Keilabstandsprüfung für Lehneneinsteller auf Plausibilität zu untersuchen, Fehlerquellen aufzudecken und den Prozess gegebenenfalls zu optimieren, um eine konstante Messqualität zu gewährleisten. Die Messqualität des Keilabstandes ist entscheidend für die Gewährleistung der Funktion über die Lebensdauer des Beschlages. Dazu fand eine ausführliche Untersuchung der mechanischen Komponenten und der Steuerungssoftware statt. Zusätzliche wurde eine Überprüfung der Auswirkung veränderbarer Parameter (Prüfgeschwindigkeit, Kalibrierung) durchgeführt. Es wurde ein Prüfstand entwickelt, an dem der Messvorgang nachgestellt werden kann. Ein weiterer wichtiger Aufgabenteil bestand in der Dokumentation der verschiedenen Bestandteile der Prüfeinrichtung. Eine Zusammenfassung der Informationen über die Parameter der einzelnen Maschinenbauteile, den Aufbau der Messsoftware und der Vorgaben vom Hersteller ist unabdingbar für das Verständnis des Messprozesses und einer stetigen Fehleranalyse und Fehlerbehebung.

Die Motivation für die vorliegende Arbeit bestand darin, ein kompaktes fasergekoppeltes Heterodyn-Planspiegel-Interferometer auf der Basis einer Zwei-Laser-Beat-Frequenz-Erzeugung zu konstruieren, aufzubauen und erproben. Für das Interferometer gibt es zahlreiche Anordnungsmöglichkeiten, aus denen die optimale Lösung realisiert werden sollten. Dazu wurde der Variantenvergleich verschiedener Anordnungen untersucht und die Konstruktionsergebnisse beschrieben. - Aufgrund des kompakten Aufbaus kann das Interferometer in zahlreiches Messsystem zum Einsatz kommen. Es wurde daher eine interferometrische Messanordnung zur gleichzeitigen dreidimensionale Koordinatenmessung konzipiert. - Als weiterer wichtiger Aspekt wurde ein Konzept für das Interferometer zur Verringerung des Temperatureinflusses von Wärmequellen der Elektronik vorgeschlagen. Es basiert auf der Abtastung mit Lichtwellenleiter. - Abschließend wurde ein geeigneter Experimentaufbau zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Interferometers realisiert und die Konstruktionsergebnisse beschrieben.

Ein neues Messverfahren zur hochgenauen Messung von statischen Kräften ist das polarisationsoptische Verfahren unter Nutzung von Nd:YAG-Laser Kristallen. Zielsetzung der Diplomarbeit war die Konstruktion eines Messaufbaus zur umfassenden Untersuchung dieses Messeffektes. - Der erste Schritt dazu ist eine vollständige thermische und mechanische Entkopplung zwischen Pumplaserquelle und Nd:YAG Resonator mittels Faserkopplung. Zur Übertragung der Pumpstrahlung sind sowohl polarisationserhaltende als auch polarisationsneutrale Monomodelichtwellenleiter einsetzbar. - Eine zweite Teilaufgabe umfasst die Konstruktion eines universellen Krafteinleitungssystems inklusive der mechanischen Lagerung des Nd:YAG Kristalls. Ein piezoelektrisches Krafterzeugungssystem ermöglicht die Wahl des Arbeitpunktes sowie einen Betrieb des Messsystems in einer Regelschleife zur Erzeugung einer konstanten Beatfrequenz.

In der Diplomarbeit wurden laseroptische Untersuchungen an einem konstruktiv veränderten turboaufgeladenen Benzindirekteinspritzer mit vollvariablem Ventiltrieb gemacht. Dazu wurden nach eingehender Beschreibung des Basismotors die Unterschiede des Glasmotors beschrieben und hinsichtlich der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das Entwicklungsvorhaben bewertet. Nach Darstellung der optischen Messumgebung am Glasmotor und der zugrunde liegenden Funktionsweise der Tracer LIF Methodik zur Lambdaquantifizierung, wurde die Prüfstandstechnik und seine Bedienung bei der Betriebspunkteinstellung betrachtet. Die Vorbereitung der Messpunktaufnahme sowie der optische Messprozess werden danach ausgeführt. Die nachgeschaltete Auswerteroutine bestimmt die Genauigkeit der Bilder mit und wird einzeln erläutert. Im Folgekapitel erfolgt eine Auflistung der Ergebnisse der glasmotorischen Messungen auf Basis des Betriebspunkts bei der Drehzahl 1500U/min und der inneren Last wi=0,2kJ/L. Dabei werden die einzelnen Software- und Hardwarevariationen jeweils der Ursprungskonfiguration gegenübergestellt und bewertet. Aus den optischen Messergebnissen wurden Optimierungsmaßnahmen für den Betrieb abgeleitet. Der abschließende messtechnische Ausblick eröffnet weitere experimentelle Möglichkeiten zur Nutzung des optischen Motors.

In vielen technischen Bereichen werden heutzutage Strukturen im Nanometerbereich gefertigt und genutzt. Zum überprüfen dieser Strukturen werden Messgeräte mit Messunsicherheiten im Nanometerbereich gefordert. Weiterhin bestehen immer höhere Anforderungen an den Messbereich solcher Messgeräte. Der Messbereich orientiert sich zum Beispiel an der Größe der gezogenen Silizium Einkristalle und der daraus gefertigten Wafer. Die Messunsicherheit dieser Messgeräte hängt von der regelmäßigen Kalibrierung und dem damit verbunden Anschluss an das nationale Längennormal ab. Hierzu werden in der Praxis die verschiedensten Formen von kalibrierten Transfernormalen genutzt. Zur Kalibrierung der z-Achse von Messgeräten können zum Beispiel Stufenhöhennormale genutzt werden. Um eine Kalibrierung über den gesamten Messbereich zu gewährleisten ist hier allerdings ein Satz von Normalen verschiedener Höhen erforderlich. - In der vorliegenden Diplomarbeit wurde solch ein Satz von Stufenhöhennormalen der Werte 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm und 1 mm gemessen. Hierzu kam die an der TU-Ilmenau entwickelte Nanomess- und Positioniermaschine mit einem Laserfokussensor als Antastsystem zum Einsatz. Weiterhin ist die Messunsicherheit der Stufenhöhenmessung nach dem in der Praxis anerkannten Verfahren des GUM ermittelt worden. Die Auswertung der Stufenhöhe erfolgte in Anlehnung an die DIN EN ISO 5436-1. - Im Vorfeld wurden hierzu einige Untersuchungen an der Nanomess- und Positioniermaschine durchgeführt. Zum Beispiel wurde die Korrekturfunktion der z-Messspiegelfläche überprüft und korrigiert. Es haben weiterhin Untersuchungen zu Temperaturänderungen innerhalb der Nanomessmaschine während des Betriebs stattgefunden. Die daraus ermittelten Werte wurden in das Messunsicherheitsbudget einbezogen. Die Untersuchungen wurden an der Nanomessmaschine der SIOS Messtechnik GmbH durchgeführt. - Es fanden weiterhin Vergleichsmessungen der Stufenhöhennormale an den Nanomessmaschinen im Ernst-Abbe-Zentrum und im Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien statt. Der Einfluss der Lage des Messobjekts auf der Messspiegeloberfläche und ein gezielter Abbeversatz des Antastsystems wurden ebenfalls untersucht.

Anforderungen und Potentiale der Wägetechnik entwickelten sich in den letzten Jahren ständig weiter. Das Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der Fakultät Maschinenbau an der TU-Ilmenau beschäftigte sich in den vergangenen Jahren intensiv mit der Untersuchung selbsttätiger Kontrollwaagen und den dabei eingesetzten Wägezellen. - Im Entstehungszeitraum dieser Anlagen, für industrielle Zwecke, gab es vorerst keine oder nur wenige Untersuchungen der vielfältigen Einflussparameter während dem kontinuierlichen Transport von Produkten durch die Hersteller. Diese Parameter wurden erstmals an der Technischen Universität Ilmenau zusammenhängend untersucht. Das Wissen und gewonnene Erfahrungen in diesem Bereich sollen in die studentische Ausbildung einfließen und praktisch vermittelt werden. - Zu diesem Zweck wurde das Einsatzspektrum einer bereits vorhandenen Kontrollwaage erweitert und in Form eines Praktikumsversuches für die studentische Ausbildung ausgebaut. - Mit dem Praktikum "Dynamische Wägetechnik - Industrielle Förderbandwaage" soll den Studenten ein Gefühl für derartige Geräte und Messtechnik vermittelt werden. - Anhand von definiert geänderten Parametern werden gravierende Probleme bei der Messwertaufnahme durch Beschleunigungsänderungen von Wägegut durch kontinuierlichen und schnellen Transport deutlich. - Vorbetrachtungen und Auswahl möglicher veränderbarer Parameter sowie die konstruktive Erfassung der Anlage erfolgten in einer zuvor angefertigten Studienarbeit. Notwendige Umbaumaßnahmen wurden derart konstruiert, dass durch die Zusammenfassung der Einzelteile in Baugruppen, ein Rückschluss auf den zu simulierenden Fehler möglich wird. - Weitere Aufgaben beinhalteten die Einbindung und Programmierung eines Mikrocontrollers zur Implementierung der Lichtschrankensignale in den Messsignalfluss sowie die Erstellung einer Benutzersoftware zur Einstellung der Waagenparameter und Steuerung des Messvorgangs. - In der schriftlichen Ausarbeitung werden nachvollziehbar notwendige Schritte für die konstruktiven und softwaretechnischen Umbaumaßnahmen beschrieben und Überlegungen dokumentiert.

In Industrie und Forschung werden zunehmend interferometrische Messverfahren eingesetzt. Dabei dient die Wellenlänge des verwendeten Lasers als Maßverkörperung. Die Wellenlänge ist jedoch abhängig von Brechzahländerungen des umgebenden Mediums. Solche Änderungen werden beispielsweise durch Luftverwirbelungen verursacht. Diese können über eine Messung der Brechzahl kompensiert werden. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss von Luftverwirbelungen auf die Messfehler interferometrischer Messungen. Dazu werden Messungen unter Laborbedingungen mit Messungen verglichen, bei denen die Einflüsse von Luftfluktuationen durch Abschirmungen vermindert werden. Zusätzlich wird die Wirksamkeit verschiedener Abschirmungen durch das gezielte Einbringen von Turbulenzen untersucht. Die entstehenden Brechzahländerungen werden mit Hilfe eines Refraktometers erfasst. Im Vergleich mit Parameterverfahren, bei denen die Brechzahl aus Umweltdaten, wie Lufttemperatur, Luftdruck und Luftfeuchte, berechnet wird, zeigt die Brechzahlbestimmung auf Basis interferometrischer Messungen größere Genauigkeit. Es wird nachgewiesen, dass die Abschirmung der Messstrecke gegenüber Verwirbelungen zu einer signifikanten Reduktion der Messfehler führt. So verringerten sich z.B. bei vollständiger Abschirmung die auftretenden Brechzahländerungen um ca. 75%.

In der Halbleiterelektronik allgemein und in der Sensortechnik der Fahrzeugelektrik im Speziellen werden in zahlreichen Anwendungen Keramiksubstrate verwendet, auf welchem sich funktionale und elektrische Aufbauten wie mikromechanische Sensorelemente, Kondensatoren, Leiterbahnen etc. befinden. Aufgrund der Verbindung von mechanischen und elektrischen Bestandteile spricht in diesem Zusammenhang von Keramikhybriden. Vorschädigungen des Substratmaterials wie z.B. Risse können durch die im Einsatz auftretende Belastungen zum Ausfall der Elektronik führen. Daraus ergibt sich der Bedarf einer Rissprüfung von Keramikhybriden. Dieser Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf einer Prüfeinrichtung, welche für den Einsatz in den Fertigungslinien der Robert Bosch Fahrzeugelektrik Eisenach GmbH geeignet ist. Mit Hilfe des entstandenen Prototyps soll für die im Niederdrucksensor DS-S2 verbauten Dickschichthybride eine 100%- Prüfung auf Risse im Keramiksubstrat realisiert werden. Die Arbeit beinhaltet eine kurze Einleitung zur Thematik, eine Konkretisierung der Aufgabenstellung sowie die Beschreibung des mechatronischen Systementwurfs, inklusive der Auswahl der Systemkomponenten, der Konstruktion der Vorrichtung und der Programmierung des automatischen Prüfablaufs. Abschließend wird der aufgebaute Prototyp anhand von Funktionstests bewertet.

Mit den ständig wachsenden Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit im Maschinenbau ist eine Verschärfung der Qualitätskontrollen verbunden. Die Grundlagen einer hohen Fertigungsgenauigkeit sind die Verwendung präziser Werkzeugmaschinen sowie die Kontrolle der Reproduzierbarkeit der Fertigung durch Messungen am fertigen Werkstück. - Die Fertigungsgenauigkeit bei Werkzeugmaschinen ist, wie auch die Messunsicherheit bei Dreikoordinatenmessgeräten, von der geometrischen Genauigkeit ihrer Komponenten abhängig (z.B. Geradheit der Führungsbahnen). Daher ist es erforderlich, diese geometrische Genauigkeit durch Messungen aller sechs Freiheiten zu prüfen und zu kontrollieren. - Die Messung der Z-Längenkoordinate, der Rotation um die Y-Achse (Gierwinkel) und der Rotation um die X-Achse (Nickwinkel) kann mittels eines interferometrischen Messsystems erfolgen. - Zur Bestimmung der Rotation um die Z-Achse (Rollwinkel) und des lateralen Versatzes in X- und Y-Richtung kann ein Lateralversatz- und Rollwinkelsensor verwendet werden, der auf laseroptischen Messungen mit positionsempfindlichen Strahllagedetektoren beruht. - Ausgehend von einem bereits existierenden Lateralversatz- und Rollwinkelsensor sollen im Rahmen dieser Arbeit Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit und zur Auflösung dieses Messsystems, sowie Untersuchungen zum Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Lateralversatz- und Rollwinkelmessung vorgestellt werden. Weiterhin wird auf Grundlage dieser Untersuchungen ein weiterentwickelter Lateralversatz- und Rollwinkelsensor vorgestellt.

In der Praxis sind Formmessgeräte, bei denen die radialen Rundheitsabweichungen in Bezug auf die Drehachse eines Rundtisches mit Hilfe eines induktiven Tasters bestimmt werden, am weitesten verbreitet. Die Messunsicherheit dieser Geräte ist stark abhängig von der regelmäßigen Kalibrierung der Taster, der exakten Ausrichtung der Messobjekte (vor allem der Werkstückexzentrizität) und der Rundlauffehler des Rundtischs. - In dieser Arbeit wurde ein zweistrahliges interferenzoptisches Rundheitsprüfgerät entwickelt mit dem die Durchmesserabweichung von Lehrringen in Bezug auf die Drehachse eines Rundtischs gemessen werden kann. Dessen Messergebnisse sind in weiten Bereichen unabhängig von der Ausrichtung der Werkstücke und von den Rundlauffehlern des Rundtischs. - Durch die Verwendung von Interferometern besteht ein direkter Maßanschluss, eine Kalibrierung des Geräts entfällt damit. Es wurde eine Reproduzierbarkeit der Durchmesserabweichungen von Lehrringen von 4 nm erreicht. Die mit diesem Messprinzip einhergehende Unterdrückung der durch Fehlbewegungen des Messobjekts verursachten Messfehler konnte nachgewiesen werden. Es wurde ein Korrekturalgorithmus gefunden, mit dem die Abhängigkeit dieser Messabweichungen bei einer Exzentrizität e < 40 [my]m auf unter ± 10 nm reduziert werden konnte. - Weiterhin wurden 4-Quadrantendioden in den Aufbau integriert. Mit deren Hilfe ist es möglich, das Werkstück zur Drehachse des Rundtischs auszurichten. Messabweichungen durch Verkippung des Werkstücks zur Drehachse werden somit vermieden. - Zur Brennpunktanpassung auf verschiedene Durchmesser der Messobjekte wurde ein Duplex-Objektiv entwickelt. - Schließlich wurde ein neuer Messkopf konstruiert. Dieser eignet sich zur Messung von Ringen im Durchmesserbereich 10 mm <= D <= 300 mm. Die Justagemöglichkeiten wurden weiter verbessert, somit kann mit diesem Messkopf noch geringere Messabweichungen infolge der Exzentrizität erreicht werden.

Der Piezo LEGS-Antrieb ist ein piezoelektrischer Motor, der einen Keramikstab sowohl schrittweise als auch kontinuierlich bewegen kann. Da dieser Antrieb jederzeit eine definierte Positionierung des Stabes gewährleistet, ist bei kontinuierlicher Bewegung ein möglicher Einsatz in der Nanomessmaschine vom Vorteil. Getestet wurden seine Positionierauflösung und seine Geschwindigkeitskonstanz hinsichtlich der Linearität und der Form. Vier verschiedene Signalformen wurden dafür analysiert. Drei der vier eignen sich nicht für den Betrieb, weil sie nichtlineare Bewegungen verursachen. Eine ergab sich als viel versprechend für den Einsatz in der Nanomessmaschine, die Übergangszone muss jedoch gezielter gesteuert werden. Weitere Tests mit einem stabileren Aufbau sind noch erforderlich, um eine endgültige Entscheidung über den Einsatz treffen zu können.

Diese Arbeit behandelt ein neues Heterodyn-Verfahren. Ziel dieses Verfahrens ist es die Vorteile der Homodyn- und Heterodyn- Interferometrie zu kombinieren und deren spezifischen Nachteile zu vermeiden. Großer Nachteil der bisher bestehenden kommerziellen Systeme ist, dass es keine Lichtwellenleiterkopplung zwischen Laserquelle und Interferometer gibt. Ein fasergekoppeltes polarisationsneutrales Interferometer wird vorgestellt, das mit zwei phasengekoppelten Lasern betrieben wird. Durch den polarisationsneutralen Aufbau sollen Nichtlinearitäten, wie sie bei herkömmlichen Heterodynverfahren auftreten, vermieden werden. Die Interferometer sind hinsichtlich der Messunsicherheit, Signalqualität und Drift untersucht worden. Das bestehende System wurde zu einer kompakten Prismeneinheit zusammen gefasst, was die Luftstrecken und den Bauraum reduziert. Der Einsatz spezieller Prismen erleichtert dabei die Justierung. Der Einfluss der Lichtleitfasern wird hinsichtlich der Art und dem Messort für Referenz- und Messfrequenz untersucht. Es werden Untersuchungen für thermische und mechanische Einflüsse vorgenommen. Der Einsatz polarisationserhaltender Fasern ist obligatorisch, Mess- und Referenzfrequenz müssen an den Ausgängen des Interferometers bestimmt werden. Die über einen Phasenregelkreis gekoppelten Laser stellen eine neues Verfahren dar, mit dem es gelungen ist, die Standardabweichung der Differenzfrequenz auf 10-20Hz zu reduzieren. Die Beatfrequenz ist in weiten Grenzen einstellbar, die Regelabweichung beträgt praktisch Null.

Inhalt der vorliegenden Diplomarbeit ist die numerische und messtechnische Untersuchung des Temperaturverhaltens in Präzisionsmessgeräten. Dazu wurde, aufbauend auf den Ergebnissen der Projektarbeit, das FEM-Modell der NPMM des SFB 622 erweitert. Insbesondere wurde die Temperaturverteilung in den Interferometerstrahlen ermittelt. Dazu mussten die Interferometer als zusätzliche Wärmequelle in den Gesamtaufbau einbezogen werden. Es wurden messtechnisch Untersuchungen zur optimalen Beschreibung der Randbedingungen vorgenommen. Durch die Erweiterung des FEM-Modells um die Interferometer vergrößert sich das bereits bestehende FEM-Modell sehr stark. Die Berechnungen würden deswegen an Kapazitätsgrenzen der Universitätslizenz des verwendeten Programmsystems ANSYS hinsichtlich Speicher- und Rechenleistung stoßen. Um das zu vermeiden, sollten Möglichkeiten der modelltechnischen Vereinfachung des Gesamtaufbaus der NPMM gefunden und untersucht werden. Dazu wurde ein Versuchsaufbau zur Untersuchung des thermischen Verhaltens des verwendeten Interferometers konzipiert. An diesem Versuchsaufbau wurden messtechnische Untersuchungen vorgenommen, die mit den numerischen Ergebnissen verglichen wurden. Es wurde ein FEM-Modell erstellt, das zum Ziel hatte, Vorschläge zum modulartigen Aufbau der NPMM zu erarbeiten. Die Wärmeleitfähigkeit und der Wärmetransport im System wurden ebenfalls messtechnisch und numerische Untersucht und beschrieben. Auch hierzu wurde ein Versuchsaufbau konzipiert. Die erzielten Ergebnisse der FEM-Modellierung wurden mit den messtechnisch erzielten Ergebnissen verglichen, und eine sehr gute Übereinstimmung festgestellt. Als Ergebnis der Diplomarbeit ist ein modulartig aufgebautes Modell der NPMM zur Beschreibung des thermischen Verhaltens entstanden. Daraus wurde eine Ableitung für analoges Vorgehen in anderen Fällen erarbeitet.

Die vorliegende Arbeit umfasst die messtechnische Untersuchung von hochpräzisen Planflächen mit einem Zygo-Phasenschiebeinterferometer. Das Ziel besteht darin, die Messfehler des Messsystems zu analysieren und zu minimieren bzw. kompensieren. Um möglichst genaue Messdaten zu erhalten, müssen die Forderungen an das Messsystem und die Umweltbedingungen möglichst vollständig eingehalten werden, um Fehlerquellen zu minimieren. Die Messfehler lassen sich in drei Gruppen einteilen. Man kann Fehler durch das Interferometer, durch den interferometrischen Resonator und durch die Software unterscheiden. Dabei hat beim Interferometer besonders die Totstreckenlänge einen erheblichen Einfluss auf das Messergebnis. Um diesen Messfehler zu minimieren, muss die Totstreckenlänge auf ein Minimum reduziert werden. Bei der Benutzung der selbstzentrierten Befestigung beträgt die Länge der Totstrecke ca. 20 mm, bei den anderen Befestigungen ca. 8 mm. Ein weiterer Einfluss ist der mechanische Stress, der sehr von Anwender abhängig ist. Um diesen Fehler zu minimieren, sollte man den Feststellknopf der Befestigung nur locker anziehen, da die Platten sonst verzogen werden können. Beim interferometrischen Resonator hat der zeitliche und örtliche Temperaturgradient den größten Einfluss auf die Messergebnisse. Für die Reproduzierbarkeitsuntersuchung vom 3-Platten-Test stellt dagegen besonders der zeitliche Temperaturgradient einen Messfehler dar. Beim 2-Platten-Test ist besonders der örtliche Temperaturgradient für eine Deformation der Platten verantwortlich. Im ZMN-Labor ist über den gesamten Tag eine Temperaturschwankung von ±1&ring;C vorhanden, für die Messungen ist dies aber nicht optimal. Um den Messfehler beim 2-Platten-Test zu berücksichtigen, wird der Temperaturgradient in die Berechnung mit einbezogen. Beim 3-Platten-Test wird bei den Messungen darauf geachtet, dass sie zu einer Tageszeit durchgeführt werden, wo die Temperaturschwankungen möglichst gering sind. Neben dem Temperaturgradienten werden die meisten Fehler durch die Luftturbulenzen verursacht. Um den Einfluss der Luftturbulenzen zu minimieren, kann man durch die Software eine Phasemittelung erzeugen. Diese Werte der Phasenmittelung müssen anschließend noch einmal untersucht werden, um einen optimalen Einstellwert zu bekommen. Bei den Software Einstellungen wirken sich besonders die laterale Kalibrierung und die Min Mod % Einstellung auf das Messergebnis aus. Für die Reproduzierbarkeitsuntersuchung müssen diese Werte immer konstant sein, sonst erhält man unterschiedliche Messdaten und eine unterschiedliche Anzahl von Messdaten. Bei dieser Untersuchung hat sich zudem herausgestellt, dass die Vibrationen, die wahrscheinlich durch die Lüftung des ZMN-Labors erzeugt werden, sich nicht auf das Messergebnis auswirken. Es wurde über die MetroPro-Software ermittelt, dass sich die Vibrationen unterhalb des kritischen Wertes von 1 nm befinden, sie sind also nicht so kritisch wie die anderen Messfehler. In der vorliegenden Arbeit hat sich herausgestellt, dass sich mit einer einfachen Schutzmaßnahme (Schutzkarton) die Standardabweichung stark verbessert hat. Aufgrund dieser Tatsache kann man davon ausgehen, dass die Messbedingungen im ZMN-Labor für Präzisionsmessungen mit 2-Platten-Test (relatives Messverfahren) nicht optimal sind. Es ist zu empfehlen, dass bei zukünftigen Messungen einfache Schutzmaßnahmen, wie die beschriebene, verwendet werden, um möglichst gute Messergebnisse bzw. Reproduzierbarkeitsergebnisse zu erzielen. Beim 3-Platten-Test (absolutes Messverfahren) hat sich gezeigt, dass die Ergebnisse der Untersuchung der durchschnittlichen Reproduzierbarkeit der drei Platten schlechter sind als die Werte, die von der Firma Zygo vorgegeben sind. Dafür sind hauptsächlich das Alter der Platten und die Umweltbedingungen im ZMN-Labor (besonders Temperatur) verantwortlich. Zudem sollten auch jährliche Untersuchungen mit dem 3-Platten-Test zur Profiluntersuchung durchgeführt werden, um Ergebnisse über die Eigenschaften der Platten zu erhalten und diese Ergebnisse mit den Ergebnissen der vorangegangenen Jahre zu vergleichen. Daraus können Rückschlüsse über die Veränderung der Oberflächenqualität der Platten gezogen werden. Als wichtige Voraussetzung für den 3-Platten-Test sollte die Positionierung der Platten vor allem beim Tausch beachtet und sichergestellt werden. Die Platten sollten immer optimal und wiederholbar ausgerichtet sein. Zudem sollte sichergestellt werden, dass die Platten die gleichen Umweltbedingungen (besonders Temperatur) haben.

Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine ist eine an der TU Ilmenau entwickelte Maschine, die in einem Messraum von im Nanometerbereich misst. Durch eine besondere Anordnung der Lasermessinterferometer ist es gelungen, die Messungen abbefehlerfrei durchzuführen. Dies gilt für alle drei Koordinatenrichtungen. Wird eine Messung durchgeführt entstehen Messfehler. Diese Gründe hierfür müssen lokalisiert und möglichst genau quantifiziert werden. Dazu ist es nötig den Messvorgang in einem Modell zu beschreiben. Das Modell sollte alle möglichen Einflüsse auf die Messunsicherheit und das Messergebnis beinhalten. In der Diplomarbeit ist die Längenmessung mit der Nanopositionier- und Nanomessmaschine durch ein Differenzmodell beschrieben. Die Einflüsse auf das Messergebnis sind durch die einzelnen Komponenten ausgedrückt. Dazu zählen die Antastspitze, der Rahmen, die Interferometerreferenz- und Interferometermessarmkomponente, der Kosinusgesamt- und Abbefehler aufgrund der Winkelverkippungen der Führungsbahnen und den seitlichen Versatz der Interferometer, die Spiegelfehlerkomponente und die Änderung des Anfangspunktes der Messung während des Messvorgangs. Die Angabe der Messunsicherheit erfolgt nicht wie bisher üblich durch die Angabe der Einzelmessunsicherheiten in den drei Koordinatenrichtungen sondern durch die Angabe der Gesamtmessunsicherheit. Dadurch wird das Modell bzw. die Modellgleichung teilweise nichtlinear. Das durchaus anerkannte und in der Praxis genommene Verfahren des GUM stößt bei der Behandlung von nichtlinearen Modellen an seine Grenzen. Selbst wenn es möglich ist die Messunsicherheit einer Ergebnisgröße solcher Modelle mit dem GUM zu bestimmen, ist der mathematische Aufwand schwierig und kompliziert. Es muss nach anderen Verfahren gesucht werden. Eine mögliche Alternative stellt die Monte Carlo Methode dar. Dieses Verfahren beruht auf der Variation von Zufallszahlen. Im Gegensatz zum GUM werden keine Unsicherheiten sondern Wahrscheinlichkeitsverteilungen fortgepflanzt. Die so entstandene Wahrscheinlichkeitsverteilung der Ergebnisgröße muss ausgewertet werden. Das arithmetische Mittel ist der beste Schätzwert und die Standardabweichung die ihm beizumessende Messunsicherheit. Während der GUM davon ausgeht, dass die entstandene Verteilung der Ergebissgröße symmetrisch ist und aus diesem Grund das Intervall der erweiterten Messunsicherheit symmetrisch um den besten Schätzwert bildet, werden mit der Monte Carlo Methode auch nichtsymmetrische Verteilungen exakt ausgewertet. Die erweiterte Messunsicherheit liegt in diesem Fall nicht symmetrisch um den besten Schätzwert. Nach der Erstellung des metrologischen Modells, muss dieses simuliert werden. Das geschieht mit dem Programm MATLAB. Um die Qualität der Simulation einzuschätzen muss es mit dem Ergebnis der GUM Workbench verglichen werden. Die Auswertung hat gezeigt, dass die Monte Carlo Methode durchaus eine Alternative zum Verfahren des GUM darstellt.