Band 86, Heft s1 - Supplement XXXIII. Messtechnisches Symposium 2019. Gastherausgeber: Tino Hausotte

A realistic description of fluid mechanical and acoustic processes requires the volume viscosity of the medium to be known. This work describes how the volume viscosity of pure fluids can be determined by measuring acoustic absorption with the pulse-echo method. The challenge in realizing such a measurement method lies in the separation of the different dissipative effects that superimpose on absorption. Diffraction effects ultimately cause a dissipation of acoustic energy and acoustic reflector surfaces have a small, but finite transmission coefficient. Further, influences of the transducer (in particular its frequency response), as well as the system’s electrical components have to be taken into account. In contrast to the classical approach relying on the amplitude ratio, the absorption is determined by the moments of the amplitude spectrum. The measurement system applied is originally designed for precision measurements of the sound velocity by means of the propagation time difference of two acoustic signals.

Ultrasound Imaging with a linear phased array allows measuring turbulent vector profiles in two dimension with two components (2D2C). This is interesting in narrow channels for the application in battery cells or research in magnetohydrodynamics (MHD), where the access to the opaque fluid is often restricted. There are two main velocity estimation methods applicable: the Ultrasound Doppler Velocimetry (UDV) or the Ultrasound Image Velocimetry (UIV). In this work, these methods were evaluated by their attainable measurement uncertainty for the application in narrow channels, where the acquisition of the lateral velocity component is crucial. With a calibration rig, UIV could achieve a total measurement uncertainty of 9.9% and UDV 17.6%. As UIV reaches a 44% lower measurement uncertainty, it is the preferential method to measure lateral flows in narrow channels. In future work, the calibration rig will be adapted to optimize and characterize the flow instrumentation in opaque liquid metals.

This article presents a new tilting atomic force microscope (AFM) with an adjustable probe direction and piezoresistive cantilever operated in tapping-mode. The AFM is based on two rotational axes, which enable the adjustment of the probe direction to cover a complete hemisphere. The whole setup is integrated into a nano measuring machine (NMM-1) and the metrological traceability of the piezoresistive cantilever is warranted by in situ calibration on the NMM-1. To demonstrate the capabilities of the tilting AFM, measurements were conducted on a step height standard.

Zusammenfassung Mit der Entwicklung eines neuen Sensorsystems nach dem chromatisch konfokalen Prinzip erweitern sich die Anwendungsmöglichkeiten für Nano-Koordinatenmessmaschinen [8]. Unter Verwendung der im Institut für Prozessmess- und Sensortechnik (IPMS) der Technischen Universität Ilmenau entwickelten Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPMM) stehen ausgedehnte und präzise adressier- und positionierbare Mess- und Arbeitsvolumina zur Verfügung [9]. Beschrieben wird die Integration des neuen Sensors in die NPMM, sowie die Erweiterung des Systems um einen Lithografielaser für maskenloses direktes Laserschreiben (engl. Direct-Laser-Writing (DLW)) [16]. Die messtechnischen Eigenschaften des Sensors werden vorgestellt und seine Anwendungsmöglichkeit in lithografischen Strukturierungsprozessen erweitert. Der Sensor wird genutzt, um den Bearbeitungslaser im Bereich seiner Tiefenschärfe konsequent auf die Probenoberfläche zu fokussieren. Dadurch werden Strukturbreiten minimiert [17].

Zusammenfassung Die Oberflächeneigenschaften, insbesondere die Rauheit, sind in der Industrie von großer Bedeutung. Derzeit gibt es zahlreiche Verfahren zur optischen Rauheitsmessung. Ziel der in diesem Artikel beschriebenen Arbeiten ist es, eine Verbesserung der in [1, 2] beschriebenen Verfahren zu erzielen. Da bei realen Rauheitsmessungen gekrümmte Streifen auftreten, wird das Verfahren durch eine lokale Ermittlung der Streifenausrichtung im Interferogramm erweitert. Durch die Richtungsbestimmung der Streifen kann eine hohe laterale Auflösung erzielt und Oberflächenunregelmäßigkeiten besser erkannt werden. Als Referenz im Messsystem wird ein räumlicher Lichtmodulator verwendet.

Zusammenfassung Heterodyne Interferometer messen Schwingungsamplituden bei Frequenzen > 100MHz mit definierter Messunsicherheit im Gegensatz zu homodynen Verfahren. Die geringe Effizienz von Bragg-Zellen als Frequenzschieber bei Frequenzen > 409MHz limitieren den Einsatz von heterodynen Interferometern im Gigahertz- Bereich. In diesem Beitrag stellen wir ein heterodynes Laser-Doppler-Vibrometer-Mikroskop vor, in dem eine optoelektronische Phasenregelschleife zwei Diodenlaser auf eine Frequenzdifferenz regelt und die Trägerfrequenz erzeugt. Unser Messsystem bietet eine Auflösung von Schwingungsamplituden im Pikometer-Bereich bei Schwingungsfrequenzen von 10MHz bis 700MHz. Die Messfähigkeit der Betragsamplitude und Phase der Schwingung wird am Messbeispiel eines Oberflächenwellen-Filters demonstriert.

Ellipsometry is a widely used optical method for the characterization of materials and thin films. However, only flat or nearly flat surfaces can be measured since small deviations of the angle of incidence might lead to significant experimental errors. In order to overcome the geometrical limitations of ellipsometry, the retroreflex ellipsometry developed at Fraunhofer IOSB is used. Based on this configuration, a new illumination method is proposed. When the sample is illuminated by modulated circular polarized light (LCP and RCP), the ellipsometric parameters (Ψ, Δ) and the tilted angle (Φ) can be determined directly. Combined with reflectance measurement or prior knowledge of optical properties of samples, the surface orientation can be obtained.

Zusammenfassung Spektraloptische Sensorik erfasst sowohl physikalische als auch (bio-)chemische Messgrosen auf der Grundlage von deĄnierten spektralen Eigenschaftsanderungen des Messwandlers. In diesem Beitrag wird dafur eine Signalauswertung mit einer Doppelphotodiode (DPD) vorgestellt, die durch ihren Stapelaufbau aus zwei unterschiedlich spektralempfindlichen Photodiodenschichten gleichzeitig spektralselektives Element und Detektor ist. Statt wie bisher die spektrale Information aus einem Spektrum zu extrahieren, wird der Schwerpunkt der spektralen Gesamtverteilung anhand des gemessenen Verhaltnisses der beiden wellenlangenabhangigen Photostrome echtzeitfahig ausgewertet. Die Leistungsfahigkeit der DPD wird anhand von OberĆachentemperaturmessungen mit dem Leuchtstoff NaYF 4 :Yb 3+ ,Er 3+ demonstriert. Es zeigt sich, dass mit einer Integrator-basierten Auswerteelektronik eine max. Messabweichung der Schwerpunktwellenlange von 0,1 nm erreicht werden kann. Die onlinefahige Signalverarbeitung und kompakte Baugrose der Doppelphotodiode befordert die vor-Ort-Eignung spektraloptischer Sensoren fur die Prozessindustrie, das Umweltmonitoring und viele andere Bereiche.

For road maintenance up-to-date information about road conditions is important. Such information is currently expensive to obtain. Specially equipped measuring vehicles have to perform surface scans of the road, and it is unclear how to automatically Ąnd faulty sections in these scans. This research solves the problem by stereo vision with cameras mounted behind the windshield of a moving vehicle so that the system can easily be integrated into a large number of vehicles. The stereo images are processed into a depth map of the road surface. In a second step, color images from the cameras are combined with the depth map and are classified by a convolutional neural network. It is shown that the developed system is able to Ąnd defects that require knowledge about surface deformations. These defects could not have been found on monocular images. The images are taken at usual driving speed.

Zusammenfassung Die nicht-negative Matrixfaktorisierung wird als Ansatz zur Lösung des inversen Problems bei Oberflächenmessungen basierend auf der Auswertung von Streulichtverteilungen vorgeschlagen. Die Entwicklung neuer Streulichtmethoden basiert derzeit auf empirischen Lösungen, die stark von der jeweiligen Anwendung abhängen. Die vorgeschlagene modellbasierte Lösung wird ohne a priori Expertenwissen für Au-Nanosphären auf Au-Substraten angewendet und für die Messung der Oberflächenabdeckung mit Partikeln mittels Streulichtsimulationen verifiziert. Ausblickend werden Strategien für die Validierung vorgestellt.

Zusammenfassung Bei der Laufzeitmessung von Ultraschallsignalen, wie sie bei Durchflussmessungen eingesetzt wird, beeinträchtigen überlagerte Interferenzsignale die Genauigkeit der Messung. Diese störenden Signalanteile entstehen u. a. durch eine dispersive Mehrwegeausbreitung über die Rohrwand, was zu einer Überlagerung im selben Frequenz- und Zeitbereich führt, weshalb eine konventionelle Filterung nicht möglich ist. In dieser Arbeit wird ein Verfahren präsentiert, welche den Prozesseinfluss der Temperaturänderung gezielt nutzt und modelliert, um dennoch eine störgrößeninvariante Schätzung der Laufzeit zu ermöglichen. Das Modell nutzt die Hilbert-Transformation in Kombination mit der Hauptkomponentenanalyse, um den Einfluss temperaturunabhängiger Signalanteile zu unterdrücken. Abschließend wird das Verfahren an Messdaten eines Durchflussmesssystems validiert und mit dem konventionellen Verfahren der Nulldurchgangsbestimmung verglichen.

Harvesting energy from ambient vibration sources is challenging due to its low characteristic amplitude and frequencies. In this purpose, this work presents a compact hybrid vibration converter based on electromagnetic and magnetoelectric principles working for a frequency bandwidth and under real vibration source properties. The combination of especially these two principles is mainly due to the fact that both converters can use the same changes of the magnetic field for energy harvesting. The converter was investigated using finite element analysis and validated experimentally. Results have shown that a frequency bandwidth up to 12 Hz with a characteristic resonant frequency at 24 Hz and a power density of 0.11mW/cm 3 can be reached.

This paper research presents the design of wide input range indirect current feedback-instrumentation amplifier (CFIA). In order to extend the input range without sacrificing the amplifier performance, the negative feedback is applied to the source coupled differential pairs inputs. The feedback network and the biasing current can be programmed to work at different values to meet different signal conditions or to self-correct the drift in the amplifier properties. The simulated input range Vin; P-P=1.6 V with total harmonic distortion of 0.93 % at 5 MHz frequency. Thus the proposed CFIA is very suitable to read the high speed and high common mode range TMR differential voltage sensor signal. The circuit is implemented using the CMOS 0.35 μm technology from Austriamicrosystems (AMS) and by using Cadence Virtuoso design tools.

Zusammenfassung Rohranlegethermometer stellen eine spezielle Bauform der an Oberflächen messenden Berührungsthermometer dar. Ziel der Messung ist i. A. die Bestimmung der Mediumstemperatur im Inneren eines durchströmten Rohres. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass bei der Messung mit Rohranlegethermometern stets eine genaue Kenntnis der Eigenschaften des Gesamtsystems, bestehend aus Medium, Rohr, Thermometer mit Kontaktwiderstand und Umgebung, erforderlich ist.

Zusammenfassung Da vermehrt mehrere Sensorsysteme oder auch Multisensor-Systeme zur Charakterisierung von Oberflächen eingesetzt werden, kann durch eine geeignete Kombination der erhaltenen Ergebnisse ein holistisches Ergebnis erzielt werden. Die Grundlage dafür bildet eine passende Registrierung der unterschiedlichen Messungen der Oberflächentopografie. Dieser Beitrag beschreibt ein mögliches Verfahren für die Registrierung von multimodalen Sensordaten. Dabei wird für diesen Anwendungsfall zuerst eine Konturenextraktion zur Merkmalsgewinnung für eine grobe Registrierung eingesetzt, welche mit einem flächenbasierten Verfahren auf Basis der Transinformation zur feinen Registrierung ergänzt wird. Die Kombination kann die Zuverlässigkeit der Registrierung erhöhen, da die einzelnen Verfahren für sich alleine in manchen Fällen keine aussagekräftigen Ergebnisse liefern.

Zusammenfassung Dieses Paper zeigt einen möglichen Aufbau zur in situ Messung der Positionierabweichung von seriell angeordneten Rotationseinheiten mit einem konstanten, gemeinsamen Momentanpol. Mit Hilfe dieses Aufbaus kann die Position des letzten Gliedes der kinematischen Kette in allen drei Raumachsen gemessen werden. Dazu wird der Abstand zu einer hemisphärischen Referenzfläche mit drei mitbewegten kartesisch angeordneten Fabry-Pérot-Interferometern gemessen. Diese Interferometer werden hinlänglich ihrer Eignung zur Messung auf einer gekrümmten Referenzfläche untersucht. Sie zeigen eine periodische Nichtlinearität von ±10nm und eine Positionswiederholbarkeit mit einer Standardabweichung von unter 1.6nm.

Zusammenfassung In diesem Beitrag stellen wir einen Lasersensor vor, der die mechanische Dehnung bei der Betriebsfestigkeitsprüfung in Schwingprüfmaschinen kontaktlos misst. Die Auslenkungen an zwei nebeneinanderliegenden Messpunkten in der Dehnungsrichtung werden mit dem Sensor interferometrisch erfasst. Die Differenzauslenkung bezogen auf den Abstand der beiden Messstellen entspricht der Dehnung. Im Vergleich zum Stand der Wissenschaft zeigen wir einen verbesserten Sensoraufbau und ein erweitertes mathematisches Modell. Außerdem werden erstmals Testmessungen mit unserem Versuchsaufbau durchgeführt. Schließlich bestimmen wir den Beitrag des Rauschens, der sich mit unserer derzeitigen Signalverarbeitung ergibt. Unsere jetzige Realisierung erlaubt eine Auflösung der Dehnungsmessung von 0 , 02 ‰ bei einer Bandbreite von 1 , 25 kHz.

Zusammenfassung In dem folgenden Artikel konnte anhand verschiedener Messreihen gezeigt werden, dass die optische Erfassung von Bauteiloberflächen unter verschiedenen Betrachtungswinklen auch zu unterschiedlichen Oberflächentexturkennwerten führt. Die Ergebnisse rechtfertigen die Entwicklung einer daraufhin angepassten messtechnischen Erfassung von Zahnradflanken mit Hilfe einer optischen Strahlumlenkung.

Zusammenfassung Im Rahmen dieses Beitrages wird die Weiterentwicklung eines Michelson-Interferometer- Aufbaus [3, 4] zur Messung von Formabweichungen rotierender Messobjekte vorgestellt. Das Interferometer nutzt eine sinusförmige Weglängenmodulation im Referenzarm, um Oberflächen rotierender Messobjekte mithilfe einer Zeilenkamera zu erfassen. Der Sensor wurde um zwei zusätzliche interferometrisch messende Punktsensoren erweitert, welche gegenüber einer bekannten Referenzfläche sowohl stochastische als auch systematische Abweichungen der Rotationsbewegung mit einer minimalen Messunsicherheit von unter 1nm erfassen können [7, 8] und so den Einsatz einer kostengünstigen Rotationsachse ermöglichen. Aus den Messdaten der Punktsensoren werden in Echtzeit relative Abstandswerte errechnet. Diese werden gespeichert und nach der Messung zur Korrektur der ebenfalls in Echtzeit ermittelten Höhenwerte des Liniensensors verwendet. Ergebnisse einer Messung unter Verwendung einer Rotationsachse mit starken stochastischen Höhenabweichung werden sowohl mit als auch ohne Korrektur anhand der Punktsensorergebnisse gezeigt. Ein optimiertes mechanisches Design wird vorgestellt, welches durch eine reduzierte Anzahl mechanischer Komponenten die Empfindlichkeit des Sensors gegen äußere Störeinflüsse reduziert.

Integration of smart materials to harvest energy from low vibration sources for powering wireless sensor networks has been of significant interest and still is. Owing to large magnetostriction and energy density of Terfenol- D, the use of piezoelectric/Terfenol-D composites exhibit great potential for the realization of vibration converters. In this work, a magnetoelectric vibration converter is dpresented. The interaction between the magnetic circuit and the magnetoelectric transducer is employed to tune the resonance frequency of the converter.

A detailed reconstruction of the environment is a crucial component of mobile robotic systems and enables higher level scene understanding. To achieve information redundancy heterogenous sensors need to be used with each sensor having specific strengths and weaknesses. Therefore, the goal of this work is to fuse information from multiple lidars, radars, a stereo camera and semantic camera information into one common scene representation. In contrast to past publications, we focus on the combination of distance measurements and semantic estimates in the image domain in one common evidential framework. Grid maps are used as common fusion structure which enable efficient data processing. The approach is validated on an automated driving plattform in real traffic scenarios. Experiments show that the scene reconstruction precision increases while still retaining the real-time capability.

This paper aims to propose a new technique to extend the performance of the reconfigurable self-x sensory system for industry 4.0 to efficiently obtain robust solution even in the presence of uncertainty both in the input and output stage. Variance measure is employed to handle the uncertainty in the input stage or search space. As far as measurement or objective space, uncertainty is concerned archive-based method applied, and it does not demand any additional computational resources. The traditional evolutionary algorithm, i.e., particle swarm optimizer (PSO), has been modified by expanding its selection process with the proposed solutions. The performance of the extended algorithm is undertaken to study on three benchmarking functions in the presence of uncertainties. The extrinsic evaluation of the proposed algorithm is also performed on the Miller operational amplifier, which is a fundamental part of sensory systems for industry 4.0. Drift due to fabrication process tolerances and aging effects of the transistors is modeled as input uncertainty of the operational amplifier, and imperfect observer (sensor or analog to digital converter) is modeled as output uncertainty. The application confirms the worthiness of proposed uncertainty handling algorithm for industry 4.0.

Zusammenfassung Bei additivem Lichtbogenschweißen (Wire Arc Additive Manufacturing - WAAM) hängt die Qualität des Materialauftrags von Prozessparametern wie der Schmelzbadtemperatur ab. Für eine Echtzeit- Prozessmessung muss die Temperatur des flüssigen Metalls durch den Lichtbogen gemessen werden. In diesem Beitrag stellen wir eine Methode vor, mit der die Temperatur berührungslos mit hoher räumlicher Auflösung gemessen werden kann. Dazu wird die Strahlung des Plasmas mittels schmalbandiger Filter unterdrückt und die Temperatur mit einem Pyrometer gemessen. Die Ausgabe erfolgt innerhalb einer für die Prozessregelung geforderten Latenz von 100 ms.

Zusammenfassung In diesem Artikel wird die Messpräzision eines hochfrequent fokusabstandsmodulierten, fasergekoppelten Konfokalsensors unter temperaturstabilen Bedingungen bestimmt. Insbesondere in der Mikro- und Nanomesstechnik verursachen thermische Driften signifikante Messabweichungen. Diese lassen sich bei wiederholten Messungen zwar zu einem großen Teil korrigieren, innerhalb einer Messung ist dies bisher jedoch nicht möglich. Das verwendete Nanokoordinatenmesssystem (NMM-1) wurde daher um eine Temperierhaube erweitert, um thermische Driften zu minimieren. Weiterhin wird die Temperatur mittels kalibrierter Pt100-Temperatursensoren während der Messungen erfasst, um die Korrelation des Messergebnisses und der Temperatur quantitativ zu bestimmen. Inwiefern die Korrektur des Messergebnisses anhand der aufgenommenen Temperatur möglich ist, wird in diesem Artikel evaluiert.

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird ein modellfreier Ansatz, basierend auf einem konvolutionalen neuronalen Netz, für die spektrale Entmischung von Hyperspektralbildern vorgestellt. Dieser wird anhand von Beispieldatensätzen evaluiert und mit Methoden, denen das lineare Mischmodell zugrunde liegt, verglichen. Außerdem werden Möglichkeiten vorgestellt, wie die physikalische Interpretierbarkeit der geschätzten Materialanteile gewährleistet werden kann. Bei dem hier vorgestellten Ansatz geschieht dies durch Ausgangsschichten, die erzwingen, dass die geschätzten Materialanteile alle positiv sind und in der Summe eins ergeben.

Autonomous vehicles have to be able to predict whether a human driver will wait at an unregulated inner city narrow passage or not to adapt its behaviour accordingly. To this end, a driving simulator study was conducted in which participiants were subjected to different cooperation behaviours during their approach to a narrow passage. They were asked to rate their intention afterwards. From the recorded trajectories, features which are specific to the scenario are derived. Therewith, Random Forest and Conditional Random Field classifiers for both intention and behaviour prediction are trained. The results show that robust prediction of driver intention and behaviour is possible.