Differentielle Laser-Doppler-Vibrometrie für kleinste Auslenkungen für Frequenzen unterhalb von 10 Hz

Schewe, Marvin

In der Industrie besteht ein Bedarf an Sensoren bzw. Aktoren, die im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden können. Aktuell verfügbare Sensor-Aktor-Systeme, wie beispielsweise piezoelektrische Sensoren oder Aktoren, sind dabei für die gewünschte Anwendung nur begrenzt einsetzbar. Diese sind entweder durch niedrige Curie-Temperaturen unterhalb von 500 °C limitiert oder besitzen bei höherer Temperaturstabilität nur geringe Auslenkungen. In diesem Zusammenhang zeigen Volumenkristalle wie Praseodym-Cer-Mischoxide (PCO) ein großes Potential. Diese weisen bei Änderungen der Temperatur bzw. der spannungsabhängigen Sauerstoffaktivität sehr hohe und reversible Dehnungen in Form chemischer Expansion auf. Um das Potential von PCO-Schichten als Sensor-Aktor-System beurteilen zu können, ist eine Charakterisierung des Verhaltens der Auslenkung in Abhängigkeit der Sauerstoffaktivität zwingend erforderlich. Dazu ist es notwendig, die von der chemischen Expansion verursachte Auslenkung genau messen zu können. Die zugrundeliegenden Ausgleichsprozesse sind dabei sehr langsam und Gleichgewichtszustände werden oft erst nach 60 s erreicht. Für kontaktlose Schwingungsmessungen eignen sich insbesondere Laser-Doppler-Vibrometer (LDV), die sich in der Industrie zur Messung von Auslenkungen etabliert haben. In der Literatur liegen die niedrigsten noch messbaren Auslenkungen chemischer Expansion bei hohen Temperaturen mit einem kommerziellen LDV bei 800 °C und 0,1 Hz bei Amplituden von ca. 12 nm sowie bei Raumtemperatur und 0,5 Hz bei Amplituden von 5 nm. Zur Charakterisierung ist es allerdings notwendig, auch Auslenkungen einiger Nanometer im Bereich weniger Millihertz messen zu können. Im niedrigen Frequenzbereich werden die Messungen durch einen hohen Rauschpegel durch Umwelteinflüsse wie Hitzeflimmern limitiert. Mit den Methoden des Stands der Wissenschaft ist es deshalb nicht möglich, kleinste Auslenkungen in niedrigen Frequenzbereichen zu messen. Durch die raue Oberfläche einiger Proben, wodurch die Signalstärke limitiert wird, werden Messungen zusätzlich erschwert. Für die Erforschung einer geeigneten Methode zur Messung niederfrequenter Schwingungen wurden zwei wissenschaftliche Hypothesen herausgearbeitet. Die erste Hypothese ist, dass es mit einer differentiellen Messung, spezifischer mit einem differentiell messenden LDV (DLDV) möglich ist, Umwelteinflüsse wie das Hitzeflimmern weitgehend zu kompensieren. Zur Klärung dieser Hypothese wurden die zugrundeliegenden physikalischen Einflüsse untersucht, die das Rauschen verursachen. Dazu wurden Turbulenzeinflüsse erläutert und mit Messungen untersucht. Daraus konnten weitere Anforderungen an die zu entwickelnde Methode gestellt werden. Das komplette DLDV mit sämtlichen notwendigen Komponenten und der erforderlichen Demodulation wurden selbst erarbeitet. Schließlich wurden alle Rauscheinflüsse analysiert und minimiert. Der Speckle-Effekt kann durch Umwelteinflüsse bei Messungen auf rauen Oberflächen einen limitierenden Einfluss haben. Deshalb wurde als zweite wissenschaftliche Hypothese formuliert, dass es mit Signaldiversität möglich ist, den Einfluss des Speckle-Effekts zu minimieren. Diese Hypothese konnte durch Messungen mit einem experimentellen Aufbau bestätigt werden. Darüber hinaus konnte eine verbesserte Methode zur Signalkombination für Signaldiversität entwickelt und getestet werden. Im Laufe der Arbeit wurde festgestellt, dass sich der Laserspot auf der Probe während einer Messung deutlich weniger als um einen Fokusdurchmesser des Messstrahls bewegt. Da der Speckle-Effekt so keinen limitierenden Einfluss auf die Messung an PCO-Schichten hat, wurde bei der Entwicklung des DLDV auf die Implementation von Signaldiversität verzichtet. Mit dem entwickelten DLDV konnte mit Experimenten der Einfluss fast aller Rauscheinflüsse zugeordnet und die Funktionalität zur Unterdrückung von Umwelteinflüssen nachgewiesen werden. Damit konnte die erste wissenschaftliche Hypothese bestätigt werden. Bei DLDV-Messungen an PCOSchichten bei hohen Temperaturen konnte eine deutliche Verbesserung der Auflösungsgrenze erzielt werden. So konnte die bisherige Grenze signifikant unterschritten und mit dem entwickelten DLDV erstmals Auslenkungen bei 700 °C und 0,001 Hz mit Amplituden von ca. 6 nm gemessen werden.

There is a demand for sensors and actuators that can be used in the high-temperature range. Currently available sensor-actuator systems, such as piezoelectric sensors and actuators, however, can only be used to a certain extent for the required application. They are either limited by low Curie temperatures below 500 °C or have low displacements at higher temperature stabilities. In this context, bulk crystals such as mixed praseodymium-cerium oxides (PCO) show great potential. They exhibit very strong and reversible strains in the form of chemical expansion in response to changes in temperature or voltagedependent oxygen activity. In order to assess the potential of PCO films as a sensor-actuator system, it is imperative to characterize the behavior of the displacement as a function of oxygen activity. This requires precise measurement of the displacement caused by the chemical expansion. The underlying equilibration processes are very slow and equilibrium states are often only reached after 60 s. Laser Doppler vibrometers (LDV), which are established in the industry for measuring displacements, are well suited for non-contact vibration measurements. In the literature, the smallest still detectable displacements of chemical expansion at high temperatures with a commercial LDV are at 800 °C and 0.1 Hz with amplitudes of about 12 nm, and at room temperature and 0.5 Hz with amplitudes of 5 nm. However, for the characterization it is necessary to measure displacements of a few nanometers in the range of a few millihertz. At low frequencies, measurements are limited by a high noise level due to environmental effects such as heat haze. Therefore, it is not possible to measure the smallest displacements in the low frequency range using state of the art methods. Measurements are further complicated by the rough surface of some samples, which limit the signal strength. For the investigation of a suitable method for the measurement of low-frequency vibrations, two scientific hypotheses have been developed. The first hypothesis is that a differential measurement, more specifically a differential measuring LDV (DLDV), enables the compensation of environmental influences such as heat haze. To validate this hypothesis, the fundamental physical effects that cause the noise were investigated. For this purpose, the influences of turbulence were discussed and investigated with measurements. This allowed further requirements to be defined for the proposed method. The complete DLDV with all necessary components and the required demodulation were self-developed. Finally, all noise influences were analyzed and minimized. The speckle effect can have a limiting effect due to environmental influences for measurements on rough surfaces. The second scientific hypothesis is that it is possible to minimize the influence of the speckle effect with signal diversity. The hypothesis was confirmed by measurements with an experimental setup. Furthermore, an improved signal combination method for signal diversity was developed and tested. During the course of the thesis, it was observed that the laser spot on the sample moves significantly less than by one focal diameter of the measurement beam during a measurement. Since the speckle effect thus has no limiting influence on the measurement on PCO films, the implementation of signal diversity was omitted in the development of the DLDV. Using the developed DLDV, it was possible to identify the effect of almost all noise influences with experiments and to prove its functionality for eliminating environmental influences. Thus, the first scientific hypothesis could be confirmed. DLDV measurements on PCO films at high temperatures showed a significant improvement of the resolution limit. Thus, the previous limit could be significantly exceeded and displacements at 700 °C and 0.001 Hz with amplitudes of about 6 nm could be measured for the first time with the developed DLDV.

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Schewe, Marvin: Differentielle Laser-Doppler-Vibrometrie für kleinste Auslenkungen für Frequenzen unterhalb von 10 Hz. Clausthal-Zellerfeld 2022.

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