Alexander Spaett,
"Analyse und Signalverarbeitung für ein auf subjektive Laser-Speckle-Muster basierendes Messsystem zur berührungslosen Dehnungsmessung"
, 2-2024
Original Titel:
Analyse und Signalverarbeitung für ein auf subjektive Laser-Speckle-Muster basierendes Messsystem zur berührungslosen Dehnungsmessung
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
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.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Analysis of, and signal processing for a subjective laser speckle-based, non-contacting strain measurement system
Englische Kurzfassung:
Fiber composites are often used in high-tech products. Therefore, it is necessary to
characterize the fibers from which they are made. Part of the mechanical characterization
involves measuring the stress-strain curve. Due to the generally small dimensions of
the fibers, accomplishing this task is challenging. In the context of this work, a system
developed for strain measurement within thin fibers is analyzed, and its signal processing
is optimized.
The measurement system uses subjective laser speckle patterns to determine the strain.
These patterns serve as markers for the movement of local surface elements, similar to
those applied when video extensometers are used. By observing the displacement of two
such local surface elements of a sample before and after deformation and knowing the initial
distance between the two surface elements, the engineering strain can be estimated.
The laser speckle patterns required for this method are generated and observed using
the following components: HeNe-laser, 4f-optics, and linescan camera.
It can be shown that the size of the speckles observed by the linescan camera depends
on the aperture used in the Fourier plane of the 4f-optics. An optimal speckle size for the
signal processing used is justified and found through simulations. The optimal speckle
size then leads to the optimal dimensions of the aperture.
In addition to the theoretical analysis of the system, it is demonstrated that the crosspower
density spectrum, estimated using the Welch method, provides a good basis for
estimating the displacement of local surface elements and thus the strain. Weighting
similar to that used in the Generalized Cross Correlation improves the measurement
result.
A summary and an outlook are given, concluding with suggestions and approaches for
further future system improvements.
Forschungs-