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Speckle-Messtechnik

Grundlagen der Messtechnik

Die Speckle-Messtechnik stellt die Grundlage einer Vielzahl von experimentellen Feldmessverfahren zur Erfassung lokaler Verschiebung, Dehnungen oder Dehnungsfelder an Prüfkörpern und Bauteilen aus verschiedenartigsten Werkstoffen (Metalle, Keramiken und Kunststoffe) dar. Auf der Basis dieser optischen Messtechnik können somit groß- oder kleinflächig, berührungslos und rückkopplungsfrei Informationen zur Form- bzw. Gestaltsänderung komplizierter und komplexer Bauteile unter mechanischer und/oder thermischer sowie medialer Beanspruchung erhalten werden. Die Ergebnisse können dann zur Verifizierung von Finite Elemente Methode (FEM)-Daten oder zur Überprüfung konstruktiver Details genutzt werden [1–3]. Wichtige Feldmessverfahren, die auf diesem messtechnischen Prinzip beruhen, sind das Raster-Reflexionsverfahren, das Objekt-Rasterverfahren, die Laser-Speckle-Interferometrie (ESPI) und die Shearographie.
Je nach Ausstattungsvariante der oben genannten Prüfsysteme können die flächenhaften Verschiebungen u und v in x- und y-Richtung (in-plane bei 2d) als auch die Verschiebungen w (out-of-plane bei 3d) in z-Richtung ausgewählter Oberflächenmerkmale in Echtzeit ermittelt und zur Berechnung der jeweiligen Verschiebungsvektoren und Dehnungsverteilungen verwendet werden.

Damit können mit diesen berührungslosen Prüfverfahren je Messanordnung und Ausstattung folgende Prüfaufgaben wahrgenommen werden:

  • Ermittlung von drei- oder zweidimensionalen Verschiebungen und Verschiebungsfeldern auf der Oberfläche des Prüfobjekts,
  • Bestimmung der zugehörigen in-plane- und out-of-plane Dehnungen und Dehnungsfelder des Prüfobjekts,
  • Ermittlung des Verformungsverhaltens von Werkstoffen oder Kunststoffen und gefügten Bauteilen sowie Messung der Objektkontur und Verifizierung von FEM-Modellrechnungen,
  • Bestimmung des Werkstoffverhalten und von Werkstoffkennwerten, wie Poissonzahl, Spannungsüberhöhung infolge von Kerben oder Werkstoffinhomogenitäten sowie Ermittlung von lokalen Elastizitätsmoduli.

Die für die Prüfung erforderlichen Oberflächenmerkmale können natürlicher Art oder herstellungsbedingt sein, wie z. B. die Rauigkeit oder Poren bei Schäumen oder Luftblasen in Beton sowie Kunstharzen.
Falls sehr glatte und/oder reflektierende Oberflächen vorliegen können diese Oberflächenstrukturen auch künstlich aufgebracht werden. Dazu werden auf der Oberfläche regelmäßige Rasterstrukturen, wie z. B. Linien- oder Punktemuster mittels Ätz- oder Siebdruck-Verfahren aufgebracht oder es werden auf dem zu untersuchenden Oberflächenbereich stochastische Muster durch Sprayen generiert. Je nach Größe des Prüfobjekts können hier kommerzielle Spraydosen z. B. für Autolacke (Graphitspray) oder das Paintbrush-Verfahren verwendet werden. Die entstehenden Muster auf der Oberfläche nennt man in Anlehnung an die ESPI- oder Shearographie Methode „Speckles“ bzw. „Fleckchen“, wobei diese zur Verfolgung der Verschiebungen auf der Oberfläche genutzt werden.

Bei kohärenter Beleuchtung einer diffus reflektierenden optisch rauen Oberfläche oder mit künstlichen Mustern versehenen Oberfläche mit Wellenlängen, die in etwa der Strukturgröße entsprechen, erscheint diese in einer körnigen Struktur, den sogenannten Speckles, die auch als Licht- oder Lasergranulationen bezeichnet werden. Dieser Effekt basiert auf Interferenzerscheinungen von benachbarten Punkten, die als Streuzentren fungieren, und hängt von der Gesichtsfeldblende (Beobachtungsapertur) ab. Alle Arten von Bewegungen der Oberfläche lassen sich durch die Analyse der Speckle-Verschiebungen erfassen [4, 5]. Werden diese Speckles direkt auf einem Beobachtungsschirm projiziert, dann spricht man von subjektiven Speckles. Nutzt man dagegen komplexe optische Systeme zur Darstellung der Oberflächeneffekte, dann liegen sogenannte objektive Speckles vor.
Die Speckles entsprechen also einer Vielstrahlinterferenzerscheinung, die von Wellen hervorgerufen wird, die von vielen kohärenten stochastisch verteilten Durchlichtoder Auflicht-Lichtquellen (Objektbeleuchtung) erzeugt wird (Bild 1).

Speckle Messtechnik 1.jpg

Bild 1: Entstehung von Speckles durch Vielstrahlinterferenzen in der Sichtebene


Die Phase einer gestreuten Welle wird im Wesentlichen durch die Phase der Laserwelle an dem jeweiligen Streuzentrum definiert, wobei sich aufgrund der räumlichen Kohärenz der Laserstrahlung die Phase zeitlich an allen Streuzentren um den identischen Wert ändert, so dass die zeitliche Intensitätsverteilung im Speckle-Bild zwischen den Streuwellen konstant bleibt. Die Auflösung (Speckle-Korngröße) der registrierten Struktur Δy wird von der Apertur sin φ und der Wellenlänge λ mit Δy = λ / (2· sin φ) bestimmt.

Messtechniken

Es existieren im Wesentlichen zwei verschiedene Messtechniken, die sich wie folgt einordnen lassen:

Speckle-Pattern-Photographie

Wird eine monochromatische und kohärente Laserstrahlung auf eine raue Oberfläche gestrahlt, dann entsteht durch diffuse Reflexion und die Interferenz an den Streuzentren der Oberfläche ein Interferenzmuster, welches auch Speckle-Feld genannt wird. Wird der Werkstoff bzw. seine Oberfläche mechanisch oder thermisch beansprucht, dann verformt sich die Oberfläche und es entsteht ein zum lastlosen Zustand verändertes Speckle-Feld.
Mittels einer photographischen Doppelbelichtung des lastlosen und belasteten Zustands der Oberfläche erhält man auf dem Detektor-Film eine Lageänderung der Speckles, quasi eine Mikrogitterstruktur, wobei der Abstand und die Orientierung der entstehenden Streifen (YOUNGsche Interferenz- oder Korrelationsstreifen) den Betrag und die Richtung der In-plane-Verschiebung (x- und y-Richtung) des jeweiligen Punktes anzeigen. Liegt der Detektor-Film in der Beugungsebene der Abbildungsoptik, dann lassen sich auch Out-of-Plane-Verschiebungen (Verkippungen in z-Richtung) bestimmen.
Der Vergleich derartiger Interferenzfelder gestattet es mit der Laser-Speckle-Photographie, die auch als Speckle-Korrelationstechnik bekannt ist, kleinste Verschiebungen und Verformungen einer Bauteiloberfläche nachzuweisen, wobei der momentane Verformungszustand auf dem Foto optisch gespeichert wird.

Dieses Feldmess-Verfahren wird z. B. im Bauwesen zur zerstörungsfreien Verformungsanalyse, des lokalen Dehnungszustandes und von Rissbildungsprozessen (siehe: Bruchentstehung) an Stahlbetonbauteilen eingesetzt, allerdings sollten bei der Messung keine Vibrationen oder Festkörperverschiebungen auftreten [6, 7].

Speckle-Pattern-Interferometrie

Die Speckle-Interferometrie oder Speckle-Pattern-Interferometrie ist ebenfalls ein Messverfahren zur Vermessung kleinster Distanzänderungen auf der Oberfläche von Prüfobjekten, wobei kohärentes aufgeweitetes Laserlicht die Speckles erzeugt. Das Muster der Speckles ändert sich durch Interferenz, falls Verformungen der reflektierenden Oberfläche oder laterale Bewegungen einer rauen Oberfläche auftreten und den Interferenzabstand (5 nm bis 50 nm) um Bruchteile der Wellenlänge verändern.
Dem vom Objekt erzeugten stochastischen Speckle-Feld wird dann ein deterministisches oder stochastisches Referenzwellenfeld überlagert.
Technische Relevanz besitzt hier insbesondere die Elektronische Speckle-Interferometrie-(ESPI). Dabei lassen sich die von der oder den Kameras registrierten Verformungszustände als elektrische Signale speichern und mit Signalen von Folgezuständen subtraktiv oder multiplikativ überlagern. Damit sind zeitgemittelte und/oder doppelte Aufnahmen möglich, welche die Deformationen der Oberfläche lokal darstellen.

Dieses vielseitige Prüfverfahren wird zur Darstellung kleinster lokaler Verformungen in der Werkstoff- und Bauteilprüfung sowie der Werkstoffentwicklung eingesetzt. Damit sind sowohl Raueitsmessungen an Oberflächen, die Ermittlung von Verschiebungs- und Dehnungsfeldern sowie innovative Rissprüfungen unter mechanischer, thermischer oder mediale Beanspruchung möglich [8–10].


Literaturhinweise

[1] Ritter, R.: Feldmeßmethoden zur Ermittlung von Weg- und DehnungsgrößenÜbersicht über den derzeitigen Stand. In: Tagungsband DVM-Tagung Werkstoffprüfung '93, Bad Nauheim, 2.–3.12. 1993: S. 131−143 (siehe AMK-Büchersammlung unter M 49)
[2] Galanulis, K., Ritter, R., Winter, D.: 3D-Verformungsmessung in der Bruchmechanik mit Hilfe des Rasterverfahrens. In: Tagungsband DVM-Tagung Werkstoffprüfung '92, Bad Nauheim, 3.–4.12.1992, S. 167−176 (siehe AMK-Büchersammlung unter M 48)
[3] Springmann, M.: Identifikation von Materialparametern schädigungsmechanischer Gesetze unter Einbeziehung der Dehnungslokalisierung. Dissertation Technische Universität Bergakademie Freiberg, (2005), (ISBN 3-89820-926-1)
[4] Kußmaul, K.: In Gräfen H. (Hrsg.): Lexikon Werkstofftechnik. VDI Verlag GmbH, Düsseldorf (1993), (ISBN 978-3-642-51732-7; siehe AMK-Büchersammlung unter L 31)
[5] Lettner, J.: Speckle-basierte Messverfahren zur Charakterisierung rauer Oberflächen. Mechatronics, Band 23, Trauner Verlag, Linz, (2014), (ISBN 3-9903-3273-2)
[6] Groß, K.-P.: Verformungsanalyse von Stahlbetonbauteilen mit der Laser-Speckle-Photographie. VDI-Berichte (1982) 439, S. 133–140
[7] Groß, K.-P.: Erfahrungen mit der Laser-Speckle-Photographie bei der Verformungsanalyse im Stahlbetonbau. VDI Berichte, März 1986, S. 334–344
[8] Rohrbach, C.: Handbuch für experimentelle Spannungsanalyse. Springer Verlag, Berlin (1989), (ISBN 978-3-540-62120-1)
[9] Koch, A. W., Ruprecht, M. W., Toedter, O., Häusler, G.: Optische Meßtechnik an technischen Objekten. Expert Verlag, Renningen-Mamlsheim, (1998), (ISBN 3-8169-1372-5)
[10] Lehmann, P.: In-process Laser-Messmethoden auf der Grundlage der Fourieranalyse. Expert Verlag, Renningen (2003)