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Auflösung Laserextensometer-Gerätesysteme

Allgemeines

Die Auflösung von Laserextensometern entspricht der kleinsten registrierbaren Veränderung des gemessenen Wegsignals, welche von den optischen Eigenschaften des jeweiligen Systems, der Messwerterfassung und der Elektronik des jeweiligen Messsystems abhängig ist. Deutliche Unterschiede existieren hier bei den scannenden Laserextensometern (Längs-Quer-Scanner oder Winkel-Scanner, Parallel-Scanner, Laser-Multi-Scanner, Laser-Doppel-Scanner sowie Laser-TMA-Scanner), den Laser-Interferometern und den Laser-Anemometern (Laser-Doppler-Scanner), da hier unterschiedliche primäre Messgrößen erfasst und differierende physikalische Wirkprinzipien verwendet werden [1, 2]. Die bei Laser-Interferometern genutzten Strichgitter zur inkrementalen Messung der Längenänderung weisen im besten Fall einen Abstand von ca. 10 µm auf, was aber nicht die maximale Auflösung darstellt, da unter Nutzung von Referenzgittern und Auswertung der Hell-Dunkel-Übergänge der Moiré-Streifen ein deutlich verbessertes Auflösungsvermögen realisierbar ist [3].

Beispiel Laser-Parallel-Scanner

Am Beispiel des Laser-Parallel-Scanners, der im Reflexionsmodus arbeitet und eine Weiterentwicklung des Laser-Winkel-Scanners ist, wird nachfolgend die in der Laserextensometrie verwendete Messtechnik schematisch dargestellt. Der durch eine Laserdiode erzeugte Laserstrahl (Schutzklasse 2M, 670 nm und 4 bis 6 mW Leistung) wird mit einem rotierenden Prisma abgelenkt und auf den kodierten Prüfkörper fokussiert (Bild 1), wobei die Laserstrahlen an den Scannpositionen (Reflektoren) planparallel zueinander diffus reflektiert werden.

Aufloesung Laserextensometer-1.jpg

Bild 1: Funktionsweise des Laser-Parallel-Scanners zur Ermittlung der lokalen zeitlichen Längsdehnung

Die Reflektoren oder Targets sind in wahlfreien Abständen, aber minimal mit 1 mm Distanz, auf dem Prüfkörper applizierbar. Die Diagonale des verwendeten Prismas definiert den Scanbereich dieses Laserextensometertyps. Von der Fa. Fiedler-Optoelektronik GmbH, Lützen, [4] werden die Typen P-50, P-100 und P130 mit Scannbereichen von 50 bis 130 mm angeboten. Die diffusen Reflexionen von den Reflektorstreifen werden über eine Sammellinse von einer Flächenphotodiode als lokale zeitliche Positionsänderung z. B. im Zugversuch registriert.
Mit mehreren Scans im lastlosen Zustand können die Abstände der Reflektorstreifen als Referenzwerte (lokale L0) für die Ermittlung der lokalen Verlängerungen und Dehnungen ermittelt werden. Die Start- und Stoppdioden definieren das jeweilige Scannintervall des n-ten Scanns und dienen gleichzeitig der Kompensation von Gleichlaufschwankungen des Prismenmotors.
Durch die Messtechnik werden die Flanken des Spannungsverlaufs der Hell-Dunkel- bzw. Dunkel-Hell-Übergänge analysiert. Der jeweilige Triggerzeitpunkt wird im Nulldurchgang der 2. Ableitung der Spannung U (t) analysiert (Bild 2), wobei an dieser Stelle ein Multi-Stopp-Counter z. B. mit der Zählfrequenz von 100 MHz gestartet wird. Wird der nächste Nulldurchgang an einem Reflektor erreicht, dann wird der Zählvorgang gestoppt und das jeweilige Ergebnis abgespeichert, wobei sich dieser Vorgang bis zum Erreichen der Stoppdiode wiederholt. Als Resultat eines Scannvorganges liegen dann die zeitlichen Positionen der Reflektorübergänge vor, wodurch die Relativbewegung der Targets als auch die Dehnung des Targets selbst ermittelbar sind. Da für jeden Scannvorgang die lokalen Zeiten als auch der korrigierte Geschwindigkeitsverlauf (Vorgabe: 50 oder 200 Hz) bekannt sind, kann hieraus die lokale Verlängerung und daraus die lokale Dehnungsverteilung (siehe: Laser-Heterogenität der Dehnungsverteilung) berechnet werden.

Aufloesung Laserextensometer-2.jpg

Bild 2: Triggerung des Laser-Parallel-Scanners zur Ermittlung der lokalen Längsdehnung

Auflösung Laserextensometer-Gerätesysteme

Die Auflösung der verschiedenen Laserextensometer wird von der gesamten Messkette, dem Objektabstand und der Verwendung von Vakuumrohren zwischen Laserquelle und Prüfkörper maßgeblich beeinflusst. Die unterschiedlichen Lasermesssysteme weisen je nach Objektabstand [4] folgende Auflösungen auf:

Winkelscanner 1 bis 3 µm
Parallelscanner 0,1 bis 0,3 µm
Längs-Quer-Scanner 0,1 bis 1,5 µm
Doppel-Scanner 0,1 bis 0,5 µm
Multi-Scanner 1 bis 3 µm
TMA-Scanner 0,05 bis 0,1 µm
Doppler-Scanner 0,1 µm


Literaturhinweise

[1] Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015), 3. Auflage S. 534−539, (ISBN 978-3-446-44350-1; E-Book: ISBN 978-3-446-44390-7; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] Grellmann, W., Bierögel, C.: Laserextensometrie anwenden. Einsatzmöglichkeiten und Beispiele aus der Kunststoffprüfung. Materialprüfung 40 (1998) 11-12, 452−459
[3] Schrüfer, E.: Elektrische Messtechnik. Carl Hanser Verlag, München, 9. Auflage (2007), (ISBN 978-3-446-40904-0)
[4] Homepage: Fiedler Optoelektronik GmbH, Lützen, http://www.fiedler-oe.de/de/index.html