Masterarbeiten, Diplomarbeiten

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.