Laser-Doppler-Dehnungssensor

Die Messung der dynamischen Dehnung bei der Betriebsfestigkeitsprüfung spielt in vielen Industriebereichen wie etwa dem Automobilbau eine entscheidende Rolle. Die Dehnungsmessung erfolgt konventionell und auch heute noch überwiegend mit taktilen Sensoren, den sogenannten Dehnungsmessstreifen (DMS). DMS sind kostengünstig und technisch ausgereift. Allerdings bestehen bei dieser Messmethode vielen Einschränkungen. Zum Beispiel folgt der Verformung des DMS die Verformung des Messobjekts aufgrund des Klebestoffs zwischen DMS und dem Messobjekt nicht perfekt. Die Messkonfiguration erfordert bei mehreren Messstellen eine aufwendige Vorbereitung. Neben den konventionellen taktilen Messverfahren werden auch zahlreiche berührungslose optische Messverfahren entwickelt. Die Korrelationsverfahren wie digitale Bildkorrelation, Speckle-Korrelation werden häufig in der Industrie verwendet. Allerdings ist die Dehnungsauflösung von diesen Methoden durch die Pixelgröße der Kamera begrenzt. Bei einer hohen Abtastrate liefert die Bildverarbeitung aufgrund der Bildfrequenz der Kamera und der zeitaufwändigen Berechnung der Bildverarbeitung in der Regel kein Echtzeitsignal.
Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Dissertation ein neuartiger optischer Dehnungssensor nach dem Messprinzip der differentiellen In-Plane-Laser-Doppler-Vibrometrie für die Berührungslose Überwachung der dynamischen Dehnung erforscht. Dazu wird ein mathematisches Modell für Bestimmung des optimalen Designparameters der Sensorstruktur gebildet Sowohl die optischen Komponenten als auch die elektrischen Komponenten des Sensors wurden anhand des Modells entworfen, um eine kleinste minimal detektierbare Dehnung zu gewährleisten.
Während der Dehnungsmessung bei der Betriebsfestigkeitsprüfung wurde der Einfluss des Speckle-Effekts beobachtet. Die Signalleistung variiert mit den unterschiedlichen Specklepositionen und erzeugt Specklerauschen wird. Insbesondere wird die Signalqualität stark beeinträchtigt, wenn die Signalleistung unter der gesamten Rauschleistung fällt. Dieses Phänomen definiert den Signalaussetzer. Daher wurde die Polarisationsdiversität für Reduzierung des Auftretens des Signalaussetzers und des Specklerauschens untersucht. Um den Lösungsansatz herauszufinden, wurde das statistische Verhalten des Träger-Rausch-Verhältnis (C/N) mathematisch untergesucht. Die theoretische Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Signalaussetzern wurde berechnet. Diese Theorie wurde auch mit dem experimentellen Aufbau nachgewiesen. Außerdem wurde in dieser Arbeit der Stand der Technik von Signalkombinationsmethode verbessert und ein Kombinationsalgorithmus wurde optimiert implementiert.
Insgesamt wurde der neuartige Dehnungssensor in einem kompakten Gehäuse eingebaut und in eine Resonanzprüfmaschine integriert. Dieses kompakte Laser-Doppler-Dehnungssensor liefert vergleichbare Messergebnisse wie konventionelle DMS. Die maximale Dehnungsabweichung zwischen dem optischen Dehnungssensor und DMS wurde kleiner als 4×10−5 nachgewiesen.