Volume 87, Issue s1 - Supplement: XXXIV. Messtechnisches Symposium 2020 Gastherausgeber: Peter Lehmann

Zusammenfassung Um die Prozessicherheit von Laser-Flachbettmaschinen zu steigern, ist es von Vorteil vorhersagen zu können, ob ein geschnittenes Teil nach dem Schneiden verkippen wird. Dies ist nur möglich, wenn die Position der Auflagestege unter dem zu schneidenden Blech bekannt ist. Die Detektion der Auflagestege ist mit Grauwertbildern aus dem sichtbaren Spektrum möglich, aber nicht sehr robust. In dieser Arbeit wird eine schmalbandige Nahinfrarot-Dunkelfeldbeleuchtung untersucht, die die Auflagestege und einzelne Auflagespitzen robust, schnell und mit hoher Genauigkeit detektieren kann. Eine geeignete Beleuchtungsposition wird ermittelt und passende Bildverarbeitungsalgorithmen werden vorgestellt. Die Detektion von Auflagestegen ist mit dem vorgeschlagenen Messsystem fehlerfrei möglich, während Auflagespitzen mit einer Genauigkeit von 93% erkannt werden.

Zusammenfassung Die Deflektometrie analysiert Messproben durch indirekte Beobachtung einer bekannten Referenzszene als Reflexion in der Oberfläche. Sie benötigt jedoch Zusatzwissen, z.B. über mindestens einen Oberflächenpunkt, um sehr präzise Oberflächengradienten zu messen. Lichtfeldkameras als optische 3D-Messgeräte erlauben es bei teilspiegelnden Oberflächen, die Entfernung sowohl zur Oberfläche als auch zur Referenzszene zu messen. In diesem Beitrag wird ein Ansatz präsentiert, bei dem diese doppelte Tiefenschätzung effektiv mit der Deflektometrie kombiniert wird. Durch Formulieren der Oberflächenrekonstruktion als Variationsproblem wird die Tiefenschätzung mit den deflektometrischen Gradienten fusioniert. Experimente bestätigen die Methode und zeigen, dass hohe Rekonstruktionsgenauigkeiten erreicht werden.

Zusammenfassung Gewinde sind Maschinenelemente mit vielseitiger Funktionalität. Sie werden zum Befestigen, Verbinden, Abdichten oder Zentrieren verwendet und in großen Stückzahlen hergestellt. Dabei steigen die Anforderungen an die Fertigung und Qualitätssicherung stetig an. Nach aktuellen Normen und Richtlinien erfolgt die Prüfung der Bestimmungsgrößen an Gewinden stichprobenartig in wenigen festgelegten Axialschnitten und Prüfebenen. Die komplex geformten und stark gekrümmten Werkstückoberflächen von Gewindeflanken werden deshalb hinsichtlich ihrer Funktionalität unzureichend bewertet. Das neuartige Messverfahren basiert auf einem dreidimensionalen mathematischen Modell zur Beschreibung der Gewindegeometrie. Die Aufnahme der Messpunkte als Ist-Punktewolke erfolgt durch eine flächenhafte Messstrategie auf konventionellen Koordinatenmessgeräten. Der anschließende ganzheitliche Auswertealgorithmus ermöglicht erstmals die Bestimmung aller relevanten Bestimmungsgrößen am Gewinde auf Basis eines einzigen Datensatzes. Des Weiteren liefert der neue Auswertealgorithmus erstmals ein Ergebnis für die lokalen Bestimmungsgrößen, welche zur Berechnung des Paarungsflankendurchmessers benötigt werden.

Zusammenfassung Die Vermessung von Spänen, welche bei einem Drehprozess entstehen, ist insbesondere bei einer helixartigen Form eine große Herausforderung. Die Analyse lässt sich nur in den Randbereichen durchführen, da die inneren Bereiche durch den Span selbst verdeckt werden. Außerdem lassen sich Späne, die aus sprödem Material bestehen, nicht zerstörungsfrei analysieren. Da sich metallisches Material sehr genau durch einen Computertomographen vermessen lässt, wurde eine Methode entwickelt, mit welcher sich das 3D-Bild eines Spanes virtuell zu einem geradlinigen Span transformieren lässt. Im Anschluss liegt der Fokus auf der Extrahierung des Segmentspanabstandes, welcher über einen Stauchungsfaktor mit der Segmentspanbildungsfrequenz zusammenhängt. Zuletzt wird die Methode mit einer manuellen Untersuchung der Späne unter einem konfokalen Mikroskop verglichen, wobei gezeigt werden kann, dass der Vorteil der CT-Analyse darin liegt, dass sie auch in der Analyse helixförmiger Späne zu einem Ergebnis kommt.

Zusammenfassung Um die Grenzen der optischen Messtechnik zu erweitern und feinere Strukturen messbar zu machen, wurden verschiedene Systeme in der aktuellen Forschung publiziert. Es wurde gezeigt, dass im Nahfeld aufgebrachte Mikrokugeln die Auflösung eines interferometrischen Messsystems verbessern und Strukturen unterhalb Abbe’s Beugungsgrenze sichtbar machen können. In dieser Studie werden Messergebnisse mit einem hochauflösenden Linnik-Interferometer unterhalb der Auflösungsgrenze gezeigt. Des Weiteren werden simulative Analysen zum Phasenverhalten im Nahfeld der Mikrokugeln vorgestellt, um die theoretische Erklärung des superauflösenden Verhaltens von Mikrokugeln und die bildgebenden Prozesse des Systems zu ermöglichen.

Zusammenfassung In diesem Beitrag präsentieren wir die Fertigung polymerer, diskret gestufter spiraler optischer Phasenplatten (SPPs) für die Erzeugung von Ringmoden in Laserstrahlen. Wir beschreiben das von uns verwendete Modell um die Wirkung von SPPs im Fernfeld abhängig von ihrer Geometrie zu simulieren und diese zu dimensionieren. Weiter berichten wir von der Fertigung zunächst 3- und 4-stufiger SPPs aus dem Negativlack AZ nLOF 2070 auf Kalk-Natron-Glas durch Spin Coating und Polymerisation mittels direkter Laserlithografie. Wir zeigen die Wirkung der Bauteile auf das Strahlprofil eines Helium-Neon-Lasers im Fernfeld und validieren damit auch das verwendete Modell.

Diffractive lens arrays with overlapping apertures can produce spots with high numerical apertures (NAs). Such diffractive optical elements (DOEs) can replace high-NA objectives and measure a large area with high resolution in transmission microscopes. However, in reflection microscopes for surface measurements, the axial resolution is still limited by the objectives. Direct-imaging DOEs are proposed to solve the problem. They can perform high-NA multi-spot measurement in reflection configurations in both lateral and axial directions. Experiments demonstrate a lateral non-vanishing contrast up to 1448 lp/mm and an axial response on a plane mirror with a full width at half maximum (FWHM) of 2.24 μm.

Zusammenfassung Bei der kontaktlosen Schwingungsmessung im Hochtemperaturbereich mit einem heterodynen Laser-Doppler-Vibrometer begrenzen insbesondere im Frequenzbreich unter 50 Hz mehrere Faktoren die minimal auflösbaren Schwingungsamplituden. In diesem Beitrag werden der Einfluss des Hitzeflimmerns auf den Rauschpegel analysiert und Methoden vorgestellt, wie dieser Einfluss minimiert werden kann. Darüber hinaus werden weitere begrenzende Faktoren wie der Einfluss der Laufzeitunterschiede der Laserstrahlen sowie Lösungen zu deren Minimierung vorgestellt.

The increasingly simulation-driven design process of ultrasonic transducers requires several reliable parameters for the description of the material behaviour. Exact results can only be achieved when a single specimen is used in the identification process, which typically is prone to the problem of low sensitivities to certain material parameters and thus high uncertainties. Therefore, a custom electrode topology for increased sensitivity is proposed for a piezoceramic disc. The thereupon conducted measurements of the electric impedance can be used as a starting point for an inverse approach where an equivalent simulation model is used to identify fitting material parameters. An optimisation strategy based on a preliminary sensitivity analysis is presented that leads to a good agreement between measurement and simulation. Furthermore, the proposed measurement procedure is able to evaluate the quality of the simulation model. Hence, different frequency-dependent damping models are presented and evaluated.

Zusammenfassung In zukünftigen Flugtriebwerken soll ein Planetengetriebe zwischen Fan und Turbine integriert werden, um den Wirkungsgrad und das Nebenstromverhältnis des Triebwerks zu erhöhen. Ein solches Getriebe muss im fortlaufenden Betrieb überwacht werden, um mögliche Getriebeschäden wie Zahnradverschleiß oder Grübchen auf den Zahnradflanken frühzeitig zu erkennen. In diesem Beitrag wird eine Methode vorgestellt, die aus einer Schwingungsmessung, sensorabhängigen Merkmalsgewinnung und einer Support Vector Machine (SVM)-basierten Klassifizierung von Zahnradgrübchen zur Zustandsüberwachung von Getrieben besteht. Mehrere Zahnräder wurden auf einem genormten Zahnrad-Verspannungsprüfstand mit einem konstanten Drehmoment bis zu einer vorgegebenen Grübchenfläche belastet. Die Grübchenfläche wurde begleitend zu den Versuchen fotografisch erfasst. Es wurden Merkmale aus Beschleunigungssensoren und einem Körperschallsensor extrahiert und auf der Grundlage der Ergebnisse der fotografisch erfassten Grübchenfläche wurde ein SVM-Klassifikator entwickelt, um den Grübchenschaden zu identifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Grübchen ab einer relativen Grübchenfläche am Einzelzahn von weniger als 1 % effektiv identifiziert werden können.

Time-dependent estimation of playing instruments in music recordings is an important preprocessing for several music signal processing algorithms. In this approach, instrument recognition is realized by neural networks with a two-dimensional input of short-time Fourier transform (STFT) magnitudes and a time-frequency representation based on phase information. The modified group delay (MODGD) function and the product spectrum (PS), which is based on MODGD, are analysed as phase representations. Training and evaluation processes are executed based on the MusicNet dataset. By the incorporation of PS in the input, instrument recognition can be improved about 2% in F1-score.

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird das Fokussierverhalten mittels akustischer Zeitumkehr in Wasser diskutiert. Als Grundlage zur Generierung einer hochaufgelösten örtlichen und zeitlichen Fokussierung dient eine eigenentwickelte FPGA-basierte Plattform (auf einem ZynqMP Ultrascale+). Diese ermöglicht eine synchrone Anregung von bis zu 32 Wandlern bei einer Abtastrate von 4,8 MSa/s und 8 bit Amplitudenauflösung. Zudem wird die gewählte Filter- und Verstärkertechnik vorgestellt und die FPGA-Plattform mit einem kommerziellen analogen System verglichen. Die Messung des Schalldruckfeldes innerhalb der Flüssigkeit erfolgt über ein Nadelhydrophon, das an ein 3D-Schallfeldscanner-System angekoppelt ist. Die im Kalibrierschritt der Methodik erzeugten analogen zeitumgekehrten Impulsantworten werden über eine frequenz- und auflösungsabhängige Pulsweitenmodulation (PWM) für die darauffolgende synchrone FPGA-Ansteuerung umgewandelt. Der jeweilige Fokuspunkt wird hinsichtlich seiner Amplitude, räumlichen Auslenkung sowie dem Kontrastverhältnis des Fokuspunktes gegenüber dessen akustisch nicht adressierten Umgebung bewertet. Dabei wird die Fokusqualität bezüglich einer unterschiedlichen Wandleranzahl und an verschiedenen Zielpositionen untersucht.

Zusammenfassung Verlustbehaftete Kapazitäten sind für kommerzielle Kapazitätssensoren, die nur einen Kapazitätswert ausgeben, problematisch: der parasitäre ohmsche Widerstand parallel zur Kapazität verfälscht das Messergebnis. Bei Messungen an Flüssigkeiten im Rahmen der elektrischen Kapazitätstomographie (ECT) kann der Einfluss gravierend werden. Mit erhöhtem Messaufwand könnte man die ECT zur elektrischen Impedanztomographie (EIT) erweitern und damit sowohl die Kapazität als auch den Widerstand der verlustbehafteten Kapazität messen. Als aufwandsarme Alternative stellen wir hier einen modellbasierten De-Embedding-Ansatz vor. Er ertüchtigt kommerzielle Kapazitätssensoren, die die Kapazität über die Messung einer Entladezeitkonstante bestimmen, auch mit stärker verlustbehafteten Kapazitäten zurechtzukommen. Der Ansatz beruht auf dem Ersatzschaltbild der realen Messsituation, dessen zugehörige Differentialgleichung im Zeitbereich gelöst wird. Durch Variation der gesuchten Kapazität und des gesuchten Widerstands wird die vom Sensor ermittelte Zeitkonstante über die Anzahl der nacheinander durchgeführten Lade-/Entladevorgänge (Perioden) ermittelt. Das Verfahren wird an einem diskreten Aufbau aus konzentrierten Elementen und an einer typischen ECT-Messsituation getestet. Die ermittelten Zeitkonstanten bei einer realen ECT-Messsituation mit Leitungswasser als zu vermessendem Medium zeigen einen Unterschied zum diskreten Aufbau mit den konzentrierten Elementen.

The conventional method for testing the performance of reconfigurable sensory electronics of industry 4.0 relies on the direct measurement methods. This approach gives higher accuracy but at the price of extremely high testing cost and does not utilize the new degrees of freedom for measurement methods enabled by industry 4.0. In order to reduce the test cost and use available resources more efficiently, a primary approach, called indirect measurements or alternative testing has been proposed using a non-intrusive sensor. Its basic principle consists in using the indirect measurements, in order to estimate the sensory electronics performance parameters without measuring directly. The non-intrusive property of the proposed method offers better performance of the sensing electronics and virtually applicable to any sensing electronics. Efficiency is evaluated in terms of model accuracy by using six different classical metrics. It uses an indirect current-feedback instrumentation amplifier (InAmp) as a test vehicle to evaluate the performance parameters of the circuit. The device is implemented using CMOS 0.35 μm technology. The achieved maximum value of average expected error metrics is 0.24, and the lowest value of correlation performance metrics is 0.91, which represent an excellent efficiency of InAmp performance predictor.

This manuscript presents an implementation of the configurable indirect current-feedback instrumentation amplifier (CFIA) for sensor interface readout circuit. Configuration is achieved by designing digital weighted scalable arrays for some selected elements to serve as tuning knobs controlled by the evolutionary optimization algorithm. This scheme resulting in a programmable circuit for different aspects to support self-x functionality. The robustness and flexibility of the proposed circuit fit to the demands of measurement and sensory systems in industry 4.0 and other intelligent systems applications. The circuit is designed by Cadence tools using ams 0.35 μm CMOS technology.

In this work we present, in the context of the transition from amplitude to robust spike domain sensing and electronics, a floating memristor. It can be used to construct memristor SNNs used for noise-robust conditioning and analog-to-digital conversion and manufactured using leading-edge technologies with more ’cranky’ devices, low-voltage, low power, and minimal area on-chip. Also, this supports both machine learning as well as the self-x properties in advanced sensor electronics system for industry 4.0. The proposed memristor has less design complexity and a higher number of resistance levels as compared to other existing memristors. The proposed CMOS memristor is designed using AMS 0.35 μ m CMOS technology and Cadence design tools. Its layout occupies an area of 70 μ m × 85 μ m. The simulation shows the performance of the proposed floating memristor emulator in the temperature range (-40 °C to 85 °C) and Monte-Carlo simulation.

Zusammenfassung Die quantitative Bestimmung von Materialparameterverläufen in Hohlraumresonatoren ist eine relativ neue Methode zur echtzeitfähigen Überwachung verfahrenstechnischer Prozesse. Dazu werden elektromagnetische Resonanzen des Hohlraumresonators als Eingangsdaten für die Rückrechnung (Inversion) verwendet. Der Rückrechenalgorithmus ist allerdings empfindlich auf Störungen (= Messabweichungen) der Eingangsdaten und neigt zum Divergieren. In dieser Arbeit wird ein auf der Monte-Carlo-Methode beruhender Korrekturalgorithmus präsentiert, der für ein konvergentes Verhalten des Rückrechenalgorithmus sorgt.

Zusammenfassung Die Übertragungsfunktion eines mechanischen Systems ist eine der wichtigsten Messgrößen in der Schwingungsanalyse. Um die Übertragungsfunktion möglichst breitbandig bestimmen zu können, wird eine breitbandige Anregung benötigt, welche z.B. durch eine Plasmaanregung realisiert werden kann. Allerdings stellt die Bestimmung des Spektrums einer solchen Plasmaanregung, welche für die Ermittlung der Übertragungsfunktion notwendig ist, zurzeit noch eine Herausforderung in der Forschung dar. In diesem Beitrag bestimmen wir das Anregungsspektrum durch ein Simulationsmodell und vergleichen das Ergebnis mit dem Resultat einer bisher typischerweise eingesetzten experimentellen Schätzmethode. Der vorgestellte Ansatz benötigt einen deutlich geringeren Aufwand und stellt damit für praktische Anwendungen eine gute Alternative zum aktuellen Stand der Technik dar.

Zusammenfassung Winde und Luftströmungen stellen eine potentielle Bedrohung für Hochspannungsleitungen dar. Die Luftbewegungen lassen die Leiterseile in beliebige Richtungen schwingen und verursachen mechanischen Stress an den Aufhängepunkten und den Leiterseilen. Um die Amplitude der Seilauslenkung zu messen, kann ein Vibrationssensor, basierend auf einer Beschleunigungsmessung, an der Leitung angebracht werden. Damit der Sensor in einem solchen Umfeld korrekt arbeitet und die Auswertung der Seilauslenkung ordnungsgemäß erfolgt, müssen zuerst Überlegungen angestellt werden. In diesem Beitrag sind diese herausgestrichen und in einen Laborprototypen eingeflossen, welcher anhand von Laborexperimenten verifiziert und charakterisiert wurde. Die Leistungsaufnahme des Prototyps sowie dessen Messunsicherheit und der mittlere quadratische Fehler, bezogen auf die Auslenkung, werden präsentiert.

Zusammenfassung Die Implementierung von Biosensoren in mikrofluidische Strukturen für Organ-on-a-Chip-Anwendungen ist eine vielversprechende Forschungsrichtung. Es kann Messungen der biologischen Reaktion in unmittelbarer Nähe von kultivierten In-vitro-Zellen ermöglichen. Ein zu messender Schlüsselparameter ist die Ionenkonzentration. Daher stellen wir in dieser Arbeit das Design, die Herstellung und die erste Testung eines Biosensors auf Basis eines organischen elektrochemischen Transistors (OECT) vor, der in einen Mikrofluidikkanal implementiert ist. Zur Herstellung der Elektroden und der aktiven Schicht für OECT wurden nur organische Polymere verwendet. In ersten Messungen konnte eine sehr gute Korrelation zwischen dem gemessenen und berechneten UI-Diagramm des Transistors gezeigt werden. Es wurden Messungenauigkeiten im Zusammenhang mit der Streuung von Materialeigenschaften und Fertigungstoleranzen analysiert und die Ungenauigkeit der Drainstrommessung ermittelt.

Zusammenfassung Wir präsentieren eine Untersuchung zur Auswirkung, Erkennung und Kompensation von Vergiftung durch Siloxane auf Halbleitergassensoren im temperaturzyklischen Betrieb. Mit dem in Innenräumen häufig anzutreffenden OMCTS (Octamethylcyclotetrasiloxan) wird ein auf Zinndioxid basierender Halbleitergassensor (AS-MLV-P2) gezielt in mehreren Schritten vergiftet (bis max. 9,77 ppm h) und regelmäßig mit Hilfe von randomisierten Gasangeboten am Beispiel von Innenraumluftqualität charakterisiert. Durch die differenzielle Oberflächenreaktion - eine spezielle Form des Temperaturzyklus basierend auf dem Sauerwald-Baur-Modell - können wir zeigen, dass die Reaktionsrate auf dem Sensor durch die Vergiftung stark abnimmt. Gleichzeitig kann durch die umgekehrte Betrachtung dieses Betriebes - der differenziellen Oberflächenoxidation - der Vergiftungs-Zustand des Sensors quantitativ bestimmt werden und die erhaltenen Sensorsignale für kleine Vergiftungen korrigiert werden.