Volume 84, Issue s1 - Supplement: XXXI. Messtechnisches Symposium 2017. Guest Editor: Christian Rembe

The characterization of a measurement instrument can be achieved by measuring a known structure or comparing the measurement results with those obtained by a reference instrument. Exact comparative measurements with instruments of different clamping arrangements are usually difficult to achieve in practice, since ambient influences, angles between the measuring object and the measuring instrument, location of the measurement field do not agree exactly. In this contribution a novel multisensor measuring system is presented, which allows to compare surface topographies measured by different sensors in a single set-up. Two commercial sensors (an AFM instrument and a confocal microscope) are used as reference measuring systems and two self-assembled sensors (a Mirau interferometer and a fiber-coupled high-speed sensor) are also included. Comparative measurements with the reference sensors allow the characterization and optimization of the self-assembled interferometers as well as the investigation of optical effects at critical measuring structures. In addition to the overall concept of the multisensor measuring system, the working principles of the sensors are explained. Based on this, surface topographies measured by the sensors are presented, demonstrating the difficulties of accurate reconstruction of the surface. With regard to the measurement results, the focus is on the Mirau interferometer and the fiber-coupled high-speed sensor.

This publication describes a positioning system with a moving range of up to 550 mm and a position stability in the sub-nanometer range. The existing drive system guided by air-bearings of t he so-called Nanometer Camparator had been upgraded by an additional electromagnetic actuator and an FPGA-based motion controller. The new motion control loop takes advantage of feedback signals derived from t he integrated vacuum interferometer. Recent measurements have demonstrated a positioning noise ( 1 σ) of 0.2 nm at an integration time of 10 ms.

Varity of applications in science and engineering require technical abilities to conduct force measurements with high accuracy and precision in traceable manner. An example of such is the Lorentz Force Velocimetry (LFV), where forces of about 1 μN and below acting in horizontal direction on the object with approximately 1 kg weight are required to be resolved. In this paper we present a setup initially developed for this application, however, showing also a potential to be used elsewhere as a portable and conceptually unique setup. By the setup presented the force measurements in horizontal direction with 20 nN are resolved with 5 % to 7 % accuracy on the full range of the scale up to several mN. Zusammenfassung Verschiedene wissenschaftliche und technologische Anwendungen erfordern technische Fähigkeiten, um Kraftmessungen mit hoher Genauigkeit und Präzision in einer metrologische Rückführbarkeit Methode zum einen Primärstandard. Ein Beispiel für eine mögliche Anwendung ist die Lorentz Force Velocimetry (LFV), wo Kräfte in horizontaler Richtung von etwa 1 μN und darunter gemessen werden müssen. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf der Erhöhung der relativen Auflösung der Kraftmessung, d. h. dem Quotienten der kleinsten in horizontaler Richtung auflösbaren Kraftkomponente und der Totlast (Aufhängung mit das Objekt mit etwa 1 kg Gewicht) std(FL)/Fg. Im Folgenden wird ein entwickeltes Kraftmesssystem vorgestellt und hinsichtlich der Eignung für den vorliegenden Anwendungsbereich geprüft. Allerdings zeigt sich auch ein großes Potenzial für anderen Bereichen als tragbares Setup benutzt werden. Durch das Setup wurden die Kraftmessungen in horizontaler Richtung mit 20 nN Auflösung und mit 5% bis 7% Genauigkeit auf den ganzen Skalenbereich bis zu mN aufgelöst.

The THz-microscope was developed at the Institut für Elektrische Messtechnik und Grundlagen der Elektrotechnik to measure the spatial electromagnetically high frequency field distribution above electronic circuits. A so called Josephson cantilever is used as sensor. The measurement process and some of the results of the characterization of these sensors is presented in this paper. These measurements are necessary to optimize the sensors for the intended frequency range.

White Etching Cracks (WECs) and White Etching Areas (WEAs) are failure modes, which appear prevalently in rolling contact bearings. There is still a lack of methods to identify such failure modes before the visible crack appears on the bearing surface as early as possible. In this article the measured operational deflection shapes (ODS) from a rolling contact bearing with and without WECs and WEAs are compared. The measurement was obtained by using our vibrometer system, which is mounted on a robot. The measured ODS's are compared by using the ordinary coherence, Frequency Response Assurance Criterion (FRAC) and Cross Signature Assurance Criterion (CSAC) for checking their correlation. The results show that the ODS's from the bearing with and without WECs and WEAs are not correlated in the hole frequency spectrum. Therefore monitoring the ODS's of the bearing by using the three comparing criterions seems to be feasible to detect the existence of WECs or WEAs in bearings. Online measuring ODS's require surface vibration measurements which should be realized by simultaneous measurement techniques with multiple channels.

For diagnosis and predictive maintenance of mechatronic systems, monitoring of bearings is essential. An important building block for this is the determination of the bearing friction condition. This paper deals with the possibility of monitoring different journal bearing friction states, such as mixed and fluid friction, and examines a new approach to distinguish between different friction intensities under several speed and load combinations based on feature extraction and feature selection methods applied on acoustic emission (AE) signals. The aim of this work is to identify separation effective features of AE signals to subsequently classify the journal bearing friction states. Furthermore, the acquired features give information about the mixed friction intensity, which is significant for remaining useful lifetime (RUL) prediction. Time domain features as well as features in the frequency domain have been investigated in this work. The combination of several features generates feature spaces. The position of the objects within these spaces has proved that it is possible to differentiate between journal bearing friction states with the use of AE signals and suitable feature extraction methods. In addition, features that indicate different mixed friction intensities have been found. Zusammenfassung Für die Diagnose und der prädiktiven Instandhaltung mechatronischer Systeme ist die Überwachung von Lagerungen essentiell. Ein wichtiger Baustein dafür ist die Bestimmung des Lagerreibzustandes. Diese Publikation behandelt die Möglichkeit der Überwachung verschiedener Gleitlagerreibungszustände, wie Misch- und Flüssigkeitsreibung und untersucht dabei eine neue Methode zur Unterscheidung dieser Reibzustände bei verschiedenen Drehzahl- und Lastkombinationen anhand von Merkmalsextraktions- und Merkmalsselektionsmethoden, welche auf Körperschallsignale angewendet werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, trennungswirksame Merkmale der Körperschallsignale zu identifizieren, um anschließend die Gleitlagerreibungszustände zu klassifizieren. Des Weiteren liefern die aufgenommenen Merkmale Informationen über die Mischreibungsintensität, welche für die Vorhersage der verbleibenden Restlebensdauer signifikant ist. Sowohl zeitbasierte Merkmale als auch Merkmale im Frequenzbereich wurden in dieser Arbeit untersucht. Die Kombination verschiedener Merkmale erzeugt Merkmalsräume. Die Lage der Objekte in diesen Merkmalsräumen hat gezeigt, dass es möglich ist, mit Hilfe von Körperschallsignalen und geeigneten Merkmalsextraktionsverfahren zwischen verschiedenen Gleitlagerreibzuständen zu unterscheiden. Darüber hinaus wurden Merkmale gefunden, die unterschiedliche Mischreibungsintensitäten aufzeigen.

We present two designs of organic optoelectronics for compact lab-on-chip fluorescence detection. In the first configuration, organic light emitting diode (OLED) and organic photo diode (OPD) are fabricated Zusammenfassung Wir präsentieren zwei Designs organischer Optoelektronik für ein kompaktes Lab-on-Chip System zur Fluoreszenzdetektion werden kann. In dem ersten Ansatz werden organische Leuchtdiode (OLED) und organische Fotodiode (OPD) auf separaten Substraten hergestellt. Fluoreszenzmessungen werden in Transmission unter Verwendung eines dichroitischen Farbfilters durchgeführt. Durch diesen Filter werden Teile des OLED Spektrums unterdrückt, die mit der OPD Sensitivität überlappen. Die Fluoreszenz von Acid Yellow 73 in Wasser wird für Konzentration bis 0.52 μM gemessen. Im dem zweiten Ansatz werden OLED und OPD in einer zylindrischen Geometrie zusammen auf ein Substrat für ein noch kompakteres System prozessiert, das in Reflektion betrieben wird.

Computational imaging adjusts the traditional optics of a camera in order to process the light signal prior to digitalization. A major problem is the effort of subsequent adjustments of the optical components, limiting such cameras to very narrow fields of application. This article analyzes a camera that uses a transparent liquid crystal display instead of a mechanical aperture. The simple adjustability of the optical transfer function enables a flexible application and adaptation to varying ambient conditions. The performance of the camera is exemplariliy analyzed in the scope of depth estimation with the depth-from-defocus method. Our algorithm estimates the scale of the point spread function in a single image by comparing the power spectral density of the observed image with the known aperture shape used to capture the image. The analysis of a test scene shows that the camera is capable to reproduce previous simulative results and that object distances can be reliably estimated from single images.

In this article a compact optical sensor for online oil condition monitoring in combustion engines is presented. It is based on the principle of non-dispersive infrared spectroscopy (NDIR spectroscopy) and measures the absorption in seven different spectral regions. By calibrating with a linear regression model, it allows the measurement of important oil condition parameters, such as water content, oxidation, sulfation and base number. The results obtained from a sample data set of three different engine oil types show good agreement with reference values from a laboratory analyis.

The application of thermographic ftow visualization on wind turbines in operation differs from the well-established application in wind tunnel experiments. The large distance of up to 400 m between the rotor blade and the thermographic camera, mainly due to the height of the wind turbine, results in a poor spatial resolution and a small numerical aperture. Furthermore, the required temperature difference between the rotor blade and the flow only relies on the absorbed solar radiation, which often leads to a low signal-to-noise ratio. The fundamental effects on the measurement uncertainty for the localisation of a laminar-turbulent transition are presented and validated for a measurement on a 1.5 MW wind turbine. As a result, the standard uncertainty of the ftow transition position amounts to ±0.21 pixel, which corresponds to ±0.3% chord length. The measurement uncertainty is currently not limited by the measurement system, but by flow induced temperature fluctuations.

In industrial processes, such as crystal growth of photovoltaic silicon or continuous steel casting, the quality of the end products depends on the melt flow. Therefore, in situ flow imaging of opaque melts under harsh conditions is important. Conventional ultrasound measurement systems can not be operated at temperatures beyond the Curie temperature of the ultrasound transducer. An approach is to use a multimode waveguide to spatially separate the sensor from the hot measurement fluid. To overcome the complex ultra.sound propagation through the waveguide and enable imaging of the measurement volume, the time reversal virtual array (TRVA) method is used. The time invariance of the wave equation in an unknown, linear medium allows the refocusing on a limited set of calibrated points, which form the virtual array. This virtual array can concepttually be treated as a conventional phased array to image the flow field behind it. In this paper, the TRVA has been characterized theoretically, numerically and experimentally. It has been shown, that the virtual array is able to focus the ultrasound beam in transmit and receive modes. A planar velocity measurement of rotating flow in gallium-indium-tin is demonstrated using a 68mm borosilicate waveguide and 3 MHz central transmit frequency. A comparison with a reference measurement showed a relative deviation smaller than 25%. Zusammenfassung In industriellen Prozessen, wie beispielsweise Kristallwachstum von photovoltaischem Silizium oder dem Stahlstranggießen, hängt die Qualität der Endprodukte von der Strömung in der Schmelze ab. Daher ist die nichtinvasive, prozessinterne Strömungsbildgebung der opaken, heißen Schmelzen von großem Interesse. Herkömmliche Ultraschallmesssysteme können nicht angewendet werden, da die Prozesstemperatur über der Curie-Temperatur eines Ultraschallwandlers liegt und diese folglich thermisch zerstört würden. Ein Ansatz ist die Verwendung eines Multimode-Wellenleiters, der das Messsystem und das heiße Fluid räumlich trennt. Um die komplexe Wellenausbreitung im Wellenleiter zu kompensieren und die Bildgebung dahinter zu ermöglichen, wird das Konzept von Time Reversal Virtual Array (TRVA) angewendet. Die Zeitumkehrinvarianz der Wellengleichung erlaubt das Refokussieren durch ein unbekanntes, lineares Medium zu einer begrenzten Anzahl von Kalibrierpunkten, die das virtuelle Array bilden. Anschließend kann das virtuelle Array wie ein konventionelles Phased-Array betrieben werden, um das Strömungsfeld dahinter zu vermessen. In diesem Paper wurde das TRVA theoretisch, numerisch und experimentell charakterisiert. Mit dem virtuellen Array ist sowohl eine sendeseitige, als auch eine empfangsseitige Fokussierung möglich. Eine bildgebende Geschwindigkeitsmessung einer rotierenden Strömung in Gallium-Indium-Zinn wurde durch einen 68mm Borosilicatglas-Wellenleiter mit einer Sendemittenfrequenz von 3 MHz demonstriert. Ein Vergleich mit einer Referenzmessung ohne den Wellenleiter zeigte eine Messabweichung von unter 25%.

In lightweight structures, the polarization state of integrated piezoceramics is evaluated nondestructively by thermal excitation. Thermal oscillations (laser intensity modulation method) or thermal pulses lead to a pyroelectric current in frequency or time domain. The frequency spectrum is described by an analytical model with thermal relaxation times which characterize the heat losses. The signals in time domain are Fourier-transformed and corrected by the transfer function of the measurement set-up. Furthermore, the mean temperature of the sample is determined analytically and numerically to derive the current in time domain.

The detection of short gas pulses with small amounts of reducing gases is demonstrated based on the differential surface reduction at 100°C . With a commercial sensor (AS- MLV) various reducing gases can be measured in one case down to 1 ppb · s. Different reaction speed can be observed for ethanol, benzene and toluene.

Polymer-derived ceramics with piezoresistive properties consist of siliconoxycarbide nanocomposites (SiOC/C). In contrast to commercial (piezo-) resistive materials, SiCO/C nanocomposites have high pressure sensitivity and a high temperature resistance over 400°C. Because of its ceramic properties, SiOC/C can be modeled as a volume body and therefore does not require any additional spring elements. By varying the volume percent of the segregated carbon x c , above the percolation threshold (x c = 10 ... 20 vol%), the sensitivity can be influenced. The pressure sensitivity is systematically examined by bending and compression tests and compared with each other. Zusammenfassung Polymerabgeleitete Keramik mit piezoresistiven Eigenschaften bestehen aus Siliconoxycarbide-Nanocomposite (SiOC/C). Im Gegensatz zur kommerziellen (piezo-)resistiven Materialien weist SiCO/C Nanokomposite eine hohe Druckempfindlichkeit und eine hohe Temperaturfestigkeit über von 400°C. Wegen seiner keramischen Eigenschaften kann SiOC/C als Volumenkörper modelliert werden und benötigt deshalb keinen zusätzlichen Verformungskörper. Durch Variation des Volumenan teils des segregierten Kohlenstoffs x c um die Perkolationsgrenze (x c = 10...20 vol%) kann die Empfindlichkeit gezielt beeinflusst werden. Die Druckempfindlichkeit wird im Biege- und Stauchversuch systematisch untersucht und miteinander verglichen.

During the Implantation of cochlea implants trauma and irritation of the auditory canal tissue must be avoided. Aim of the present work is the supply of a realtime monitoring of the position of a cochlea implant based on continuous impedance measurement between the implant electrodes during insertion. The present work presents first model measurements with several fluids.

This paper presents an AMR magnetometer, which suppresses intrinsic sensor properties like sensor offset and offset drift by means of modulation techniques while maintaining a frequency bandwidth of more than 100 kHz. The magnetometer is integrated in a housing and contains two sensitive axes which are realized as sensor arms. In the characterization, important parameters such as sensitivity, frequency bandwidth, magnetic noise and time drift are presented and discussed.

In this article evaluation measurements of a reverberation chamber are presented. Different loading conditions with absorptive material are analyzed on basis of existing standards developed for other wireless applications. In addition to the measurement results a configuration of the reverberation chamber is demonstrated, which is in particular suitable to test wireless sensor/actuator modules for industrial indoor applications.

The DMT (Deutschen Motorik Tests) investigate the current motor abilities, which are related to health and athletic physical activity, of children and youths. The aim of this work is the development of a suitable computer-controlled measuring station, which allows a simple and objective data collection of the performance of the kinesiology task of the balancing backward of the DMT. In this task, the child has to balance backward on three beams with different widths (6 cm, 4.5 cm and 3 cm) and a length of 3 m. The test starts on a board in front of the beam. The number of steps has to be counted till the subject touches the floor. The automated recording of measured values was investigated by various measuring methods, for example, acceleration, force sensors and gyroscopes . We propose a solution using the Kinect for Windows V2 for the data acquisition, which reduces personnel and time expenditure. We developed an algorithm to count the steps and to detect the floor contact, which leads to the end of the test. Zusammenfassung Der DMT (Deutschen Motorik Tests) soll Aufschluss über den aktuellen motorischen Leistungsstand, welcher in Zusammenhang zur Gesundheit und sportlich-körperlichen Aktivität steht, von Kindern und Jugendlichen geben. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines geeigneten rechnergesteuerten Messplatzes, welcher eine einfache und objektive Datenerfassung der Bewegung bei der sportmotorischen Aufgabe des rückwärtigen Balancierens des DMT ermöglicht, wobei rückwärts über einen 6 cm, 4.5 cm oder 3 cm breiten Balken (300 cm Länge) balanciert wird. Der Test beginnt stets am Startbrett. Gezählt werden die Anzahl der Schritte, bis es zum Bodenkontakt kommt oder der Balken überquert wurde. Eine automatisierte Messwertaufnahme wurde bisher mit Sensoren, wie z. B. Beschleunigungs-, Kraft- und Drehratesensoren, untersucht. Wir schlagen eine Lösung mit dem Bewegungserfassungssystem Kinect für Windows V2 vor, welches eine Reduzierung des personellen und zeitlichen Aufwands ermöglicht. Unser Algorithmus zählt die Schritte zählt und erkennt Bodenberührungen.

Information provided by hyperspectral images allows to determine material abundances. As major drawbacks, the time-consuming measurement of hyperspectral images and the application of computationally expensive estimation algorithms are required. The use of programmable filters in the optical channel delivers a small number of intensity images which enable to decode material abundance estimates (optical measurement of material abundances). The way of determining these spectral filters influences the accuracy of the estimates. Since we account for the linear mixing model, a band selection is proposed. The newly developed method still enables an optical implementation by using some additional spectral filter configurations. The experimental evaluation shows that more accurate estimates for material abundances result.

We present a scanning confocal laser-Doppler vibrometer microscope for sensitive, contactless measurement of microelectromechanical systems (MEMS). This systems enables the dynamic analysis up to 3.2 MHz with a lateral resolution of few micrometers. We show measurements on developed MEMS for vocal-energy harvesting in wearables and medical implants. For efficient harvesting a cantilever beam with a serpentine form was designed with a fundamental resonance at 200 Hz. We verified the simulated mode shapes with our vibration measurements. The observed deviations in resonance frequencies between simulation and measurement are due to modelling and manufacturing dissimilarities. Zusammenfassung Wir stellen ein scannendes konfokales Laser-Doppler-Vibrometermikroskop für die empfindliche und berührungslose Messung von Mikrosystemen vor. Unser System erlaubt die dynamische Analyse der Bauteile bis zu einer Frequenz von 3.2 MHz bei einer lateralen Auflösung von wenigen Mikrometern. Wir zeigen Messungen an entwickelten Mikrosystemen zum Energie-Harvesting aus Stimmanregung für Wearables und medizinische Implantate. Für das effiziente Harvesting wurde ein serpentinenförmiger Cantilever entwickelt, der eine Resonanz bei 200 Hz besitzt. Wir verifizierten die simulierten Schwingformen mit unseren Schwingungsmessungen. Abweichungen der gemessenen Resonanzfrequenzen zwischen der Simulation und den Messungen sind auf Unterschiede zwischen Modell und gefertigtem Bauteil zurückzuführen.

Miniaturized force/torque sensors are relevant components for robotic interaction with humans and unknown environments. This paper presents a disruptive manufacturing process for multiaxial force/torque sensors based on a Stewart-Gough platform. The deformation element consists of a hexapod geometry with six sensing elements with a total diameter of 9 mm. The sensor manufacturing process is divided into three steps: 1. Milling a planar arrangement of sensing elements out of a 2 mm steel (1 .4301) plate, 2. applying twelve strain gauges in half-bridge configuration and 3. rolling the elements into a hexapod structure. The dimensions of the sensing elements are scalable to adjust the size and nominal measurement range of the sensor. The first prototype has a measuring range of 4 N and 66 mNm. The characterization of the sensor shows a maximal linearity and hysteresis error of 1.16% and a cross-sensitivity smaller than 2.76% . Zusammenfassung Miniaturisierte Kraft-Momenten-Sensoren sind notwendige Komponenten für die Interaktion von Robotern mit Menschen und unbekannten Umgehungen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz zur Fertigung solcher Sensoren auf Basis einer Stewart-GoughPlattform präsentiert. Der so gefertigte Sensor basiert auf einem sechseckigen Verformungskörper mit einem Durchmesser von 9 mm. Der Fabrikationsprozess besteht aus drei Schritten: 1. Fräsen einer planaren Struktur mit aus einer Stahlplatte mit einer Dicke von 2 mm, 2. Applikation von zwölf Metallfolien-DMS in einer Halbbrücken-Konfiguration und 3. Aufrollen des Verformungskörpers. Die Größe des Verformungskörpers kann dabei einfach an verschiedene Messbereiche angepasst werden. Der erste so gefertigte Prototyp weist einen Messbereich von 4N bzw. 66 mNm auf. Der Linearitäts- und Hysteresefehler beträgt 1,16%, das Übersprechen maximal 2,76%.