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Dehnungsmessung von dünnen Naturfasern mit Laser Speckles
Ricardo Gridling
Betreuung: Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar
Dünne Naturfasern besitzen herausragende Eigenschaften und kommen im täglichen Leben in vielfältiger Weise vor. Dementsprechend groß ist das Interesse, die mechanischen Fasereigenschaften zu charakterisieren. Diese Arbeit stellt eine einfache und kostengünstige Methode vor, um Zugversuche an Einzelfasern durchzuführen. Aufgrund der geringen Querschnitte kommen für Fasern nur berührungslose Dehnungsmessmethoden in Betracht.
Die Zugprüfmaschine wird auf Basis des Lorentzkraftprinzips mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor realisiert. Dadurch weist sie einen großen Dynamikbereich und hohe Genauigkeit auf. Für die notwendige Motorkalibrierung im Millinewtonbereich wird eine Methode auf Basis einer Präzisionslaborwaage vorgestellt. Versuche zeigen, dass das verwendete Wirkprinzip sehr vielversprechend ist, für die Praxis allerdings speziell abgestimmte Geräte benötigt werden, um Messungen mit entsprechender Genauigkeit durchzuführen.
Abb. 1: Messaufbau für die Kalibrierung des Kraftaktuators mithilfe einer Präzisionswaage.
Die berührungslose Dehnungsmessung erfolgt mit Laser Speckles. Dies sind stochastische Interferenzmuster, die bei Beleuchtung mit ausreichend kohärentem Licht auf einer genügend rauen Oberfläche entstehen. Oberflächenbewegungen bzw. -verformungen führen zu Veränderungen des Specklemusters. Durch Verfolgung dieser Veränderungen lassen sich Bewegung bzw. Verformung quantitativ bestimmen. Ein Schätzer für die Verschiebung auf Basis des Kreuzleistungsdichtespektrums erlaubt es, diese genauer als ein Pixelpitch der verwendeten Kamera zu schätzen. Die Dehnung kann dadurch sehr präzise von der Verschiebung abgeleitet werden. Auch hier wird gezeigt, dass spezielle Geräte, aber auch eingehende wellenoptische und signaltheoretische Betrachtungen für präzise Messungen unerlässlich sind.
Abb. 2: Kennlinienschar als Ergebnis der Kalibrierung. Dargestellt ist das Kraft-Strom-Verhältnis über dem Rotorwinkel.
Schlagwörter: Laser Speckles, Lorentzkraft-Aktuator, Zugversuch, Dehnungsmessung, Kalibrierung, Verschiebungsschätzer über das Kreuzleistungsdichtespektrum
25. März 2022
