Volume 71, Issue 4 - 4

Die moderne Qualitätsprüfung technischer Oberflächen erfordert zunehmend berührungslose und zerstörungsfreie Messverfahren. Die Triangulation sowie die Weißlichtinterferometrie erfüllen hier die meisten Anforderungen bezüglich Messgenauigkeit. Zur Messung nicht-ruhender Objekte sind diese Verfahren jedoch meist nur begrenzt geeignet. Die Zwei-Wellenlängen-Speckle-Interferometrie bietet eine interessante Alternative für Einsatzgebiete, bei welchen besonders die Messzeit eine entscheidende Rolle spielt. Es wird ein Messsystem vorgestellt, das die simultane Aufzeichnung aller für die interferometrische Formerfassung notwendigen Daten ermöglicht und somit den Einfluss von Bewegungen weitgehend unterdrücken kann. Eine GPU-basierte (GPU = Graphic Processing Unit) Interferogramm-Auswertung ermöglicht eine hohe Messgeschwindigkeit und Messrate.

Thema des Beitrags ist die automatische visuelle Inspektion geschliffener Oberflächen. Dazu werden neuartige Strategien auf der Grundlage von Bildfolgen mit variiertem Azimut einer gerichteten Beleuchtung vorgestellt, die sich zur Detektion von Fehlstellen in Schleiftexturen mit mehreren Riefenscharen eignen. Im Parameterraum der Beleuchtung werden geeignete Merkmale definiert, um Defektstellen in der Schleiftextur sicher zu klassifizieren. Gegenüber Standardverfahren, die eine Texturanalyse durch Auswertung lokaler Nachbarschaftsbeziehungen vornehmen, benötigen die hier gezeigten Strategien eine bedeutend geringere Bildauflösung und erweisen sich auch bei den i. Allg. schwierig zu beleuchtenden Schleiftexturen als zuverlässig und robust.

Die Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten (KMG) kann durch die Integration eines selbstnachführenden Laserinterferometers deutlich verbessert werden. Das in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelte Verfahren verknüpft die Koordinaten jedes gemessenen Punktes des KMG mit einer hochgenauen interferometrischen Längeninformation. Die zentrale Komponente hierbei ist das ebenfalls in der PTB entwickelte selbstnachführende Laserinterferometer. Sein konstruktiver Aufbau ermöglicht hochgenaue Abstandsmessungen im Raum. Ergebnisse aus Simulationen und Messungen verifizieren das neue Verfahren.

In der vorliegenden Arbeit werden Beispiele für Neuentwicklungen auf dem Gebiet der akustischen Sensorik diskutiert. Dazu gehören zum einen neuartige Mikrofone und andere Sensoren auf der Basis von zellularen, geschäumten Piezopolymeren, einer Materialgruppe, die erst seit wenigen Jahren bekannt ist und die sich durch sehr hohe piezoelektrische d 33 -Koeffizienten auszeichnet. Beispielsweise erreichen derartige Mikrofone bereits Empfindlichkeiten von bis zu 3 mV/Pa und äquivalente Rauschpegel von etwa 35 dB(A). Ein anderes aktuelles Forschungsgebiet, welches besprochen wird, sind akustische Siliziumsensoren, die auf der Basis mehrerer Wandlerprinzipien realisiert werden können. Insbesondere werden kapazitive sowie mikrooptische Mikrofone beschrieben. Die kapazitiven Sensoren, welche jetzt auch erstmals in der Form von Silizium-Kondensatormikrofonen kommerziell erhältlich sind, haben sehr gute elektroakustische Eigenschaften mit Empfindlichkeiten ebenfalls im Bereich von einigen mV/Pa und äquivalenten Rauschpegeln unter 30 dB(A), während die mikrooptischen Wandler zwar höhere Rauschpegel aufweisen, aber für Spezialanwendungen besonders geeignet sind.

Zur Sicherung eines langfristigen Schutzes von piezoresistiven Silizium-Drucksensorelementen vor aggressiven Messmedien gibt es gegenwärtig keine Alternative zu Edelstahlgehäusen mit metallischen Trennmembranen und Koppelmedium. Der Einfluss der einzelnen Sensorbauteile auf das Übertragungsverhalten wird beim kompletten Entwurf des Differenzdrucksensors und der Auswahl der Fertigungstechnologien berücksichtigt. Auf Basis der so optimierten Entwurfsparameter wird die Konstruktion eines Differenzdrucksensors abgeleitet.

Am Beispiel eines Heizkörper-Ventilantriebes wird ein neues Aktor-Sensor-System unter Nutzung eines elektrochemischen Aktors (ECA) und eines induktiven Positionssensors beschrieben. Aufgrund des pneumatischen Wirkprinzips können ECAs große Kräfte bei kleinem Volumen und geringem Energiebedarf lautlos bereitstellen. Über digitale Signalverarbeitung ist das System fähig, sich bei Inbetriebnahme selbst zu kalibrieren, während des Betriebs automatisch zu überwachen und zu rekalibrieren. Durch Kontrolle der wichtigsten Parameter des ECA, wie Ladespannung, Ladestrom und Hub sowie der Kennlinie des Positionssensors, können bevorstehende Ausfälle des Systems rechtzeitig erkannt werden.

Coriolis-Massedurchflussmesser (CMD) zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitig kleiner Querempfindlichkeit gegenüber den Fluideigenschaften aus. Allerdings zeigt sich unter schwierigen Prozessbedingungen, insbesondere bei CMD mit einem einzigen geraden Messrohr, das Problem einer Änderung von Nullpunkt und Empfindlichkeit. In dieser Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur On-line-Bestimmung dieser Kenngrößen des CMD vorgestellt. Er basiert auf der Kompensation sowohl der Corioliskräfte als auch der internen Kopplungen des CMD. Zur Realisierung des Kompensationsverfahrens wird eine neuartige Regelung, bestehend aus zwei kaskadierten Reglern, vorgestellt. Der äußere Regelkreis basiert auf einem Zeigerverfahren und einem optimalen Zustandsregler (LQ-Regler) für die Ausgangssignale des CMD. Der innere Kreis regelt die Phasendifferenz zwischen Ein- und Ausgangssignal des 1. Modes des Messrohres, indem die Antriebsfrequenz verstellt wird. Er gewährleistet den Betrieb des CMD in der Eigenfrequenz des 1. Modes.

Die akustische Maschinendiagnose hat die Aufgabe, aus dem möglicherweise verrauschten und durch andere Signale gestörten Schallsignal einer Maschine auf deren Fehlerzustand zu schließen. Da dieses Mustererkennungsproblem bereits bei ungestörten Signalen schwierig ist, wird vorgeschlagen, die Störungen mit einer mehrkanaligen Signalschätzung zu eliminieren. Der vorgestellte Algorithmus beruht auf den Methoden der ICA (Independent Component Analysis), integriert vorhandene, jedoch ungenaue geometrische Informationen und erzielt somit sehr gute Schätzraten bei hoher Robustheit. Er ist nicht wie die derzeitigen Algorithmen der akustischen blinden Quellentrennung auf zwei Signale begrenzt und erzielt somit sehr gute Schätzraten bei höherer Robustheit als adaptive Beamformer.