Volume 88, Issue s1 - Supplement: XXXV. Messtechnisches Symposium 2021 Gastherausgeber: Peter Lehmann

Zusammenfassung Zur rückführbaren Kraftmessung mit AFM-Cantilevern ist aufgrund von Fertigungstoleranzen eine individuelle Kalibrierung jedes einzelnen Cantilevers notwendig. An der TU-Ilmenau wurde ein Prüfstand entwickelt, welcher die Steifigkeit nach einem statisch experimentellen Verfahren bestimmt. Dabei wird der Cantilever um einen definierten Weg ausgelenkt und die dazu notwendige Kraft gemessen. Die Wegmessung erfolgt durch ein kommerzielles Differenzinterferometer und die Kraftmessung mithilfe einer neu entwickelten Wägezelle. In diesem Artikel wird die Funktion des Prüfstandes am Beispiel einer Kalibrierung beschrieben und ein Messunsicherheitsbudget aufgestellt. Die relative Messunsicherheit beträgt ca. 1,5% bei einer maximalen Kalibrierkraft von <100 nN. Eine anschließende Untersuchung des Cantilevers ergab keine nachweisbaren Schäden an dessen Spitze.

Zusammenfassung Eine Planck-Waage ist eine einfach bedienbare und vergleichsweise kostengünstige Umsetzung des Kalibrierprinzips einer Kibblewaage. Zu diesem Zweck besteht das Gesamtsystem möglichst aus kommerziell verfügbaren Komponenten wie z.B. einer Wägezelle nach dem Prinzp der elektromagnetischen Kraftkompenastion. Diese dient sowohl der Aufnahme des Masseprüflings im Wägemodus, als auch zur Führung im Bewegungsmodus. Da Abweichungen vom Idealverhalten bezüglich Kraft- und Momentenaufnahme sowie der Bewegungstrajektorie großen Einfluss auf das Messergebnis haben, müssen diese analysiert und im Messprozess berücksichtigt werden.

Zusammenfassung Im Bereich der Massekalibrierung können systematische Abweichungen von Massenormalen mit unterschiedlichen Materialien und Geometrien durch sogenannte Transferkörper bestimmt und korrigiert werden. Vorgestellt werden neuartige Transferkörper aus monokristallinem natürlichem Silizium. Diese haben seit der Revision des Internationalen Einheitensystem (SI) eine besondere Bedeutung. Erläutert werden Anforderungen, die an Sorptions-, Duplex- und Auftriebskörper gestellt werden, um die Einflüsse von Oberflächenbelegungen und Luftauftrieb zu charakterisieren. Beschrieben werden die mathematischen Modelle und die iterativen Lösungswege, mit denen transzendente Gleichungen zur Bestimmung der Geometrie gelöst wurden. Eine patentierte Kupplung ermöglicht eine statisch bestimmte Lagerung der zerlegbaren Transferkörper und gewährleistet zudem die besonderen Anforderungen einer einfachen Handhabung und Reinigung. Die Ergebnisse mittels Monte-Carlo-Simulationen zeigen, welche Messunsicherheiten für die Parameter Volumen, Fläche und Masse erreicht werden.

Zusammenfassung Zur Entwicklung eines Systems zur Vorhersage der restlichen Lebensdauer eines Gleitlagers ist es notwendig, den fortschreitenden Verschleiß quantitativ zu überwachen. Hierzu soll ein Datensatz über den Verlauf mehrerer Verschleißexperimente an Gleitlagern erstellt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Überwachung des Verschleißes durch Messung von Rundheits- und Oberflächenprofilen vor und nach einem Experiment. Das Oberflächenprofil kann zur Erkennung und Überwachung des Einlaufvorgangs verwendet werden. Dahingegen kann mit dem Rundheitsprofil das Verschleißvolumens über die gesamte Lebensdauer des Gleitlagers ermittelt werden. Hierzu wird ein Vorgehen zur Schätzung des Verschleißvolumens beschrieben. Die Unsicherheit des Vorgehens wird analysiert, wobei sich zeigt, dass das Vorgehen eine gute Genauigkeit besitzt und die Unsicherheit durch die manuelle Einstellung der Messpositionen induziert wird. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit können Schwellenwerte für messbares Verschleißvolumen ermittelt werden.

Zusammenfassung Die Erweiterung von Nanopositionier- und Nanomessmaschinen (NPM-Maschinen) zu Fabrikationsmaschinen durch den Einsatz eines Femtosekundenlasers für die Umsetzung von direktem Laserschreiben mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA) ist ein vielversprechender Ansatz zur skalenübergreifenden metrologischen Fertigung im Bereich der lithografischen Techniken [23]. Dazu wurde zunächst ein Konzept zur Integration der Zwei-Photonen-Technologie in eine NPM-Maschine entwickelt und umgesetzt. Anschließend erfolgten eine Charakterisierung des Systems sowie gezielte Untersuchungen, um den Nachweis für die Synergie der beiden Techniken zu erbringen. Auf dieser Grundlage wurde ein neuer Ansatz zur Mikro- und Nanofabrikation mit hohem Durchsatz entwickelt und untersucht, welcher neue Möglichkeiten in der skalenübergreifenden, hochpräzisen Fertigung aufzeigt [5]. Dieser Mix-and-Match-Ansatz basiert auf einer Verbindung von 2PA-Laserschreiben mit Feldemissionslithografie zur Herstellung von Mastern für anschließende Nanoimprintlithografie. Nicht nur die Vorteile des großen Positionierbereichs der NMM-1 konnten herausgestellt werden, sondern auch die Vorteile, die sich durch die hochgenaue Positionierung ergeben. Eine systematische Reduzierung des Abstands zweier benachbarter Linien führte zu einer minimalen Stegbreite von unter 30nm [15], was bei den kleinsten in der Literatur beschriebenen Distanzen zwischen zwei lasergeschriebenen Linien einzuordnen ist [3, 9, 19]. Die Center-to-Center-Distanz der Linien von etwa 1.695 μm bei einer numerischen Apertur von 0.16 und einer Wellenlänge von 801nm beträgt nur etwa 56% der für den Zweiphotonenprozess erweiterten Beugungsbegrenzung nach Rayleigh. Erstmalig konnte somit eine Stegbreite weit unterhalb der Beugungsbegrenzung mit herkömmlichem Zwei-Photonen-Laserschreiben in Positiv-Photolack realisiert werden.

In this paper a measurement procedure is presented to identify both elastic and viscoelastic material parameters of plate-like samples using broadband ultrasonic waves. These Lamb waves are excited via the thermoelastic effect using laser radiation and detected by a piezoelectric transducer. The resulting measurement data is transformed to yield information about multiple propagating Lamb waves as well as their attenuation. These results are compared to simulation results in an inverse procedure to identify the parameters of an elastic and a viscoelastic material model.

Strong acoustical aberrations such as induced by multi-mode waveguides or the human skull can significantly reduce the quality of or prevent effective ultrasoundbased imaging. We propose a novel non-invasive calibration method that utilizes two independent acoustical accesses and a time reversal virtual array (TRVA) for adaptive wavefront correction. Numerical characterization and a model experiment utilizing this method show an improvement of the lateral resolution and the peak to background ratio by up to 35% and 10% respectively.

Zusammenfassung Da die Spansegmentierungsfrequenz bei der Zerspanung hochfester Materialien in direktem Zusammenhang mit dem Eigenspannungszustand des Werkstücks steht, ist sie eine wichtige Kenngröße. Bei bisherigen Methoden kommt hauptsächlich, zur Schätzung der Segmentspanbildungsfrequenz mithilfe von Körperschallsignalen beim orthogonalen Schnitt, die FourierTransformation zum Einsatz, welche jedoch bei den im Außenlängsdrehen vorkommenden, stark unharmonischen Signalen ungeeignet ist. Es wird eine Methode vorgestellt, welche die Periodizität der Körperschallsignale im Zeitbereich ermittelt und daraus die Segmentierungsfrequenz schätzt. Dazu werden zeitvariante Merkmale vorgestellt, welche die Segmentspanbildungsfrequenz approximieren. Im Anschluss wird die Methode mit beim orthogonalen Schnitt eingesetzten Methoden verglichen, wobei gezeigt werden kann, dass die hier vorgestellte Methode grundsätzlich robuster gegenüber Störeinflüssen ist, bei den zeitvarianten Merkmalen jedoch noch Potenzial zur Verbesserung besteht.

Zusammenfassung Die Vibrationsmessung großer und schwer zugänglicher Konstruktionen ist oftmals mit enormen Aufwand verbunden. Durch die Positionierung des Messstrahls eines Laser-Doppler-Vibrometers mit Hilfe an Drohnen befindlicher Spiegel, sind Schwingungsmessungen an schwer zugänglichen Messpunkten möglich. In diesem Beitrag stellen wir mögliche Messmethoden vor, betrachten auftretende Störeinflüsse und zeigen anhand von Messergebnissen inwieweit diese unterdrückt werden können.

Attitude metrology (roll, pitch, and yaw) plays an important role in many different fields. Roll angle is considered the most difficult measurement quantity in angular displacements compared to pitch and yaw angles because the rotation axis of the roll angle is parallel to the probe beam. In this work, a sensitivity enhanced roll-angle sensor is presented. The principle is based on the polarization change of a sensing unit (quarter-waveplate). The polarization model is analyzed by Mueller matrix formalism. The Stokes parameters are detected by a Stokes polarimeter. The novel coaxial design improves the sensitivity and reduce the complexity of optical system alignment by means of a fixed quarter-waveplate. The proposed sensor provides a simple setup to measure roll angles with a high sensitivity of 0.006 ∘ and a long unambiguous measurement range of 180 ∘ .

Zusammenfassung Der Bedarf an skalierbaren Messsystemen für die umfassende Qualitätsprüfung zahnindividueller Formparameter metergroßer Zahnräder mit einstelliger Unsicherheit im Mikrometerbereich wächst. Taktile Standardverzahnungsmesssysteme sind präzise, aber aufgrund der limitierten Geschwindigkeit und des begrenzten Messvolumens für eine umfassende Qualitätsprüfung aller Zähne nur bedingt geeignet. Aus diesem Grund wird ein schnellerer optischer Multi-Distanz-Messansatz mit modellbasierter Auswertung zur Verzahnungsmessung untersucht. Über bisherige Arbeiten hinausgehend, in denen zunächst der mittlere Grundkreisradius als grundlegender Formparameter von allen Zähnen bestimmt wurde, wird hier die Eignung des Messansatzes zur Erfassung zahnindividueller Formparameter untersucht. Messungen an kleinen Verzahnungen zeigen, dass der zahnindividuelle Grundkreisradius im Mittel mit einer Unsicherheit < 10 μm ( 𝑘 = 2) bestimmt werden kann, was eine vielversprechende Grundlage für die zukünftige Anwendung des Multi-Distanz-Messansatzes bei Großverzahnungen bietet.

Zusammenfassung Die Lasertriangulation ist eine wichtige und häufig eingesetzte Messmethode in der absoluten Abstandsmessung. Dabei ist eines der Hauptprobleme, dass diese sehr anfällig gegenüber Verschiebungen des optomechanischen Aufbaus ist. So können bereits geringe Temperaturänderungen zu signifikanten Messabweichungen führen. In dieser Arbeit wird ein Kompensationsaufbau analysiert, mit dem wesentliche Fehlerquellen der Lasertriangulation eliminiert werden können. Durch thermische Simulationen wird gezeigt, dass sich durch die Kompensation bei Temperaturänderungen unter realen Bedingungen eine wesentliche Verbesserung der Messergebnisse erreichen lässt. Durch die Erweiterung der Kompensation um eine Berücksichtigung der Verschiebung der Kompensationsoptik kann die Messabweichung zusätzlich reduziert werden.

The 3D transfer characteristics of interference microscopes and their effect on the interference signals occurring at surface slopes are studied. The interference image stacks acquired during a depth scan are 3D Fourier transformed. This allows a comprehensive frequency domain analysis of the interferograms. The double foil model introduced in a previous publication enables the interpretation of the signal spectra and the underlying transfer behavior of the interferometer using the concept of the Ewald sphere, which is limited by the numerical aperture (NA) of the imaging system. Analysis in the 3D spatial frequency domain directly discloses that the lateral dimensions of the transfer function depend on the axial spatial frequency. In this contribution we investigate measuring objects produced by Nanoimprint-Lithography. The corresponding signal spectra bear information that can be utilized to optimize the subsequent signal processing algorithms. These include envelope and phase evaluation procedures of the interference signals. A narrow bandpass filter is used to actively select certain frequency components in order to improve the robustness of the estimation of the envelope position. Although the shape and width of the envelope are affected, this procedure increases the reliability of the evaluation process and improves the accuracy of the measured topography especially at steeper surface slopes.

This papers presents a low-cost electromyograph combined with marker-less pose detection using computer vision. The developed and build three channel electromyograph is tested by measuring the muscle activity of one leg, while the subject is performing squats. Simultaneously, a camera records the exercise and subsequently the image data is evaluated by OpenPose. We could show that this simple setup enables the user to evaluate the muscle activity of three independent muscles as function of the knee angle. These results are in good agreement to the expected muscle activity. The sample-rate of the EMG device is 2 kHz. The overall cost of the developed device is under 100 €. To our knowledge, this is the first work combining these two methods for dynamic exercises. The method is well customizable for other sports due to the battery powered device and its handy size.

This paper picks up the need for a wide range programmable corner frequency for anti-aliasing and antiimaging filters in on-chip impedance spectroscopy and sensor signal readout circuitry with self-X properties (selfdiagnosing/healing) for industry 4.0 applications. A fourthorder wide tunable range MOSFET-C low pass filter is designed by using XFAB 0.35 μm CMOS technology and Cadence design tools. The proposed circuit is based on fully differential Sallen-Key architecture with Butterworth approximation. It covers a frequency range from 30 Hz up to 7 MHz. Tunability is achieved using a potentially high resistance and linearized configurable MOS resistor to control the filter pole frequency. The configurable elements in the circuit serve as tuning knobs to be controlled by machine learning. The physical design area is 0.39mm 2 .

This paper presents a robust optimization technique for the reconfigurable measurement of sensory electronics for industry 4.0 to obtain a robust solution even in the presence of observer uncertainty using a cost-effective performance measurement method. The extrinsic evaluation of the proposed methodology is performed on an indirect current-feedback instrumentation amplifier (CFIA), which is a fundamental part of sensory systems. To reduce the CFIA device performance evaluation set-up cost, a low-cost test stimulus is applied to the circuit under test, and the output response of the circuit is examined to correlate with the device’s performance parameters. Due to the complexity of the smart sensory electronics search space, the meta-heuristic optimization algorithm is being selected as an optimizer. For objective space or observer uncertainty, the Gaussian process regression from the Bayesian statistical regression process is used to estimate the uncertainty level efficiently. Six different classical metrics have been used to evaluate the regression model accuracy. The highest achieved average expected error metrics value is 0.313, and the minimum value of correlation performance metrics is 0.908. The device is implemented using 0.35 μm austriamicrosystems technology.

Zusammenfassung In jüngster Vergangenheit sind immer mehr Halbleitergassensoren im Bereich Innenraumluftqualität auf den Markt gekommen. Diese messen die Gesamtbelastung an flüchtigen organischen Komponenten (engl.: volatile organic compounds, kurz: VOCs) oder einen relativen Innenraumluftqualitätsindex. Mit einer optimierten Betriebsweise und Kalibrierung können die Sensoren in ihrer Selektivität und Sensitivität gesteigert werden, was für die Bewertung der Innenraumluftqualität wichtig wäre. Die Möglichkeiten und Grenzen werden in dieser Studie vorgestellt. Für diese Zielanwendung müssen die Sensoren zuerst kalibriert werden. Auf Basis der Daten einer umfangreichen Laborkalibrierung kommen verschiedene Methoden des maschinellen Lernens für die Datenauswertung zum Einsatz. Diese Studie beinhaltet die Untersuchung der Eignung eines kommerziell verfügbaren Multisensors (SGP30, Sensirion) im temperaturzyklischen Betrieb für die selektive Messung von VOCs im Innenraum. Nach der Laborkalibrierung wurde der Sensor vier Wochen im Feld betrieben. Über Freisetzungstests durch Verdampfung von Flüssigkeiten wurden die Modelle auf Funktionalität geprüft. Außerdem wurden mit den analytischen Messsystemen TD-GC-MS (ThermodesorptionGaschromatographie-Massenspektrometer mit Tenax Probennahme) und einem mobilen GC mit Photo-IonisationsDetektor, PID (X-pid 9500, Dräger) regelmäßig Vergleichsmessungen durchgeführt. Mithilfe von Rekalibrierungen im Labor und anschließenden Feldtests wurde außerdem die Stabilität der Modelle untersucht. Diese Studie zeigt, dass mit dem SGP30 eine Vor-Ort-Messung der Gesamt-VOC-Belastung in Innenräumen mit hoher zeitlicher Auflösung möglich ist und auch eine selektive Messung bestimmter Stoffe und Stoffgruppen realisierbar ist.

Zusammenfassung Als Möglichkeit individuelle oder komplexe Produkte aus unterschiedlichen Materialien automatisiert, schnell und kostengünstig zu fertigen, gewinnt der 3D-Druck immer mehr an Bedeutung. Unter 3D-Druck werden mehre Verfahren zusammengefasst. Ein weit verbreitetes Verfahren ist das additive Aufbringen von Kunststoffschichten, um beispielsweise komplexe Modelle zu „drucken“. Dabei wird das erzeugte Produkt nicht durch subtraktive Fertigungsverfahren, wie Drehen oder Fräsen, erzeugt. Eine Möglichkeit Metalle additiv zu fertigen ist das „Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM)“ zur additiven Erzeugung einer Struktur. Die Anwendung von Lichtbogenschweißen als additives Verfahren stellt besondere Anforderungen an die Mess- und Regelungstechnik. Hier wird ein Messsystem vorgestellt, mit dem die Breite des Schmelzbades innerhalb einer Frequenz von 40 Hz bei einer Latenz von 25 ms erfasst wird und an einen Regler weitergegeben wird.

This papers presents a measurement setup which combines three different methods indicating the moisture fraction of a sample. This is managed by measuring the weight, the absolute electrical impedance with a harmonic excitation between 10 Hz to 1000 Hz and the surface reflectance of the sample with a spectroscope between 160nm to 1100nm. The measurements are carried out over 50 h every 5 min using a piece of porcine meat. The results show clear evidences that the dehydration occurs on the surface until the water inside is diffused to the surface completely. This can be seen on significant wavelengths of absorption bands in the reflected spectrum like 540nm, 575nm and 970nm (oxyhaemobglobin and water) and in the impedance measurement that are both set into ratio with the weight loss of the sample.

In this paper, the front-end circuit of a capacitance wire-mesh sensor (WMS) is analyzed in detail and a new methodology to tune its feedback gains is reported. This allows, for the first time, a capacitance WMS to be able to provide linear measurements of multiphase fluids with electrical conductivity greater than 100 𝜇 S/cm, which is particularly important for tap water, where the conductivity is typically in between 100 S/cm and 500 𝜇 S/cm. Experimental and numerical results show that the selected gains using the proposed methodology contribute to suppress cross-talk and energy losses, which in turn, reduces considerably the deviation of the conductivity measurement and the estimation of derived flow parameters, such as local and average phase fraction.

A conventional analog to digital converter (ADC) faces many issues with leading-edge technologies due to noise, manufacturing deviations, signal swings, etc. Thus, we pursue to design an adaptive spiking neural ADC (SN-ADC) with promising features, e.g., robust to noise, low-power, technology scaling issues, and low-voltage operation. Therefore, our approach promises to be technology agnostic, i.e., effectively translatable to aggressive new technologies. It supports machine learning and self-x (self-calibration, self-healing) that needs for industry 4.0 and the internet of things (IoTs). In this work, we design an adaptive spike-to-rank coding (ASRC), which is the main part of the spiking neural ADC. The ASRC is based on CMOS memristors emulating short-term plasticity (STP) and long-term plasticity (LTP) biological synapses. The proposed ASRC compensates deviations by adapting the weights of the synapses. Also, ASRC is designed using XFAB 0.35 μm CMOS technology and Cadence design tools. In addition, ASRC is simulated to test its performance in the temperature range (−40°C to 85°C).