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Dr. Alexander Spaett M.Sc.
Betreuung und Begutachtung durch:
Betreuer, Begutachter und Prüfer: | |
| Betreuer, Begutachter und Prüfer: | Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Thomas Thurner, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster |
Weiterer Prüfer: | Univ.-Prof. Dr. Bernhard Jakoby |
| Rigorosum: | 26. April 2024 |
Faserwerkstoffe finden häufig Anwendung in hochtechnisierten Produkten. Es ist folglich notwendig diese Fasern, aus denen diese Werkstoffe bestehen, zu charakterisieren. Teil der mechanischen Charakterisierung ist das Bestimmen der Spannungs-Dehnungskurve. Die Abmessungen von Fasern machen dies zu einer herausfordernden Aufgabe. Im Rahmen
dieser Arbeit wird ein für diese Anwendung entwickeltes System zur Dehnungsmessung analysiert und die dazugehörige Signalverarbeitung optimiert.
Das präsentierte Messsystem verwendet zur Dehnungsmessung subjektive Laser-Speckle-Muster. Diese dienen, ähnlich dem Verfahren von Videoextensometern, als Marker für die Bewegung lokaler Oberflächenelemente. Betrachtet man die Verschiebung zweier solcher lokaler Oberflächenelemente einer Probe vor und nach einer Dehnung und kennt man die initiale Distanz zwischen ihnen, so lässt sich die technische Dehnung schätzen.
Die für dieses Verfahren benötigten Laser-Speckle-Muster werden mit den folgenden Komponenten: HeNe-Laser, 4f-Optik und Zeilenkamera erzeugt und beobachtet.
Es kann gezeigt werden, dass die Größe der von der Zeilenkamera beobachteten Speckles abhängig von der, in der Fourierebene der 4f-Optik, eingesetzten Apertur ist. Eine optimale Specklegröße für die verwendete Signalverarbeitung wird begründet und mit Hilfe von Simulationen gefunden. Daraus ergibt sich dann auch die optimalen Abmessungen der Apertur.
Neben der theoretischen Analyse des Systems wird gezeigt, dass das Kreuzleistungsdichtespektrum, geschätzt über das Verfahren nach Welch, eine gute Grundlage zum Schätzen der Verschiebung der lokalen Oberflächenelemente und damit auch der Dehnung bietet. Eine Gewichtung analog zu jener verwendet in der Generalized Cross Correlation verbessert das Messergebnis.
Die Arbeit endet mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick, welcher mit Vorschlägen und Ansätzen zur weiteren zukünftigen Optimierung des Systems schließt.
Abb. 1: Messaufbau: Ein HeNe-Laser beleuchtet die Faser, hier ein Haar, - zu erkennen nur durch den roten Laserpunkt. Beobachtet wird dies durch eine 4f-Optik mit einem rechteckigen Aperturstop in der Fourierebene. Diese rechteckige Apertur sorgt für die hier gewünschten länglichen Speckles. Die Linienkamera nimmt schließlich die in der Bildebenen entstehenden Laser-Speckle-Muster auf. Diese können dann ausgewertet werden.
Schlagwörter: Laser-Speckle-Muster, Dehnungsmessung, 4f-Optik, Fasern, Kreuzleistungsdichtespektrum, Optimale Specklegrösse
