Band 89, Heft s1 - Supplement: XXXVI. Messtechnisches Symposium 2022 / Gastherausgeberin: Ulrike Steinmann

Zusammenfassung Während die prinzipielle Eignung der elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) zur Charakterisierung und Zustandsüberwachung von Materialsystemen gesichert ist, bestehen bei der Reproduzierbarkeit und der Unsicherheit von EIS-Messungen in Feldanwendungen vielfach noch Erkenntnislücken. Dies gilt besonders bei Schüttgütern - wir interessieren uns speziell für Gießereisande -, weil man Schwankungen bei der Schüttungsdichte oder der Befüllungshöhe von Messzellen erwarten darf. Wir haben diese offene Frage der Messunsicherheit mit einer Messzelle untersucht, bei der zwischen zwei planparallelen Elektroden wiederholt Schüttungen eingefüllt und die resultierende Impedanz der Anordnung in einem Frequenzbereich von 20 Hz bis 1MHz gemessen wurde. Die Unsicherheit der EIS-Gerätschaften an sich wurde über Wiederholungsmessungen bei gleichbleibender Messzellenfüllung bestimmt. Der Einfluss des Befüllungsvorgangs und damit der Schüttungszusammensetzung auf die Gesamtunsicherheit wurde über mehrmalige Befüllungs- Entleerungs-Zyklen mit ein und demselben Schüttgut untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Gesamtmessunsicherheit klein genug ist, dass eine Klassifizierung verschiedener Sandzustände, sei es mit klassischen Methoden oder mit Hilfe von KI-Methoden, machbar erscheint.

We report on our newest studies of electrically conductive interpenetrating polymer networks (IPNs) for application in temperature micro sensors. We manufactured polymeric structures on glass with a micro pattern generator by exposing a combination of Novolak and Terthiophene doped with copper(II) perchlorate with a UV laser. We assessed the effects of prolonged temperature loads on the structures’ impedances in a range of 30 to 130 °C. Such polymers and our approach may be of interest for the fabrication of different micro sensors, particularly when only a limited number of highly specialized sensors is required, e.g. for fire safety infrastructure.

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird ein Messsystem vorgestellt, das auf einem tiefenscannenden Micheslon-RGB-Interferometer zur Erfassung von 3DMikrotopographien beruht. Bei der Messung des Interferenzsignals wird bewusst das Nyquist-Shannon- Abtasttheorem verletzt, so dass die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu einem klassischen Weißlichtinterferometer (WLI) signifikant erhöht werden kann, ohne auf die Vorteile des WLI, wie einen großen Eindeutigkeitsbereich und axialen Messbereich, verzichten zu müssen. Das RGBInterferometer wird mit einem Auswertealgorithmus kombiniert, der die Oberflächentopographie durch eine Korrelationsanalyse zwischen einem Mess- und einem Referenzsignal mit Nanometer-Höhenauflösung bestimmen kann. Der Messprozess wird anhand eines Stufenmessnormals experimentell validiert.

Zusammenfassung Unter dem Begriff der Auflösung wird für gewöhnlich das kleinste messbare Merkmal eines Messsystems verstanden. In der dimensionellen Computertomografie hingegen haben sich in den vergangenen Jahren mehrere Auflösungskonzepte etabliert, die aufgrund der fehlenden Normung zueinander im Kontrast stehen. In diesem Beitrag werden die drei häufigsten Konzepte, die Voxelgröße, die Ortsauflösung und die metrologische Strukturauflösung in Kürze vorgestellt. Anschließend wird eine Abgrenzung zwischen den Konzepten getroffen und ein Integration der bestehenden Konzepte in ein gemeinsames Amplituden-Wellenlängen Diagramm diskutiert.

Zusammenfassung Endoskope sind für die minimalinvasive Chirurgie essenziell. Dabei ist vor allem ein hohes Auflösungsvermögen bei geringem Durchmesser gefordert. Kommerzielle auf Faserbündel basierte Verfahren verwenden aufgrund der gestörten Phaseninformation lediglich die Intensitätsinformation und erreichen so eine maximale Auflösung von 10 kpx bei einem Endoskopdurchmesser im mm-Bereich. Hier wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt, welches durch empfangsseitige Kompensation der Phasenstörung eine Auflösung von ≈ 69 kpx bei gleichzeitig reduziertem Durchmesser von 400 μm erreicht.

The following paper presents the development of a novel magnet system for use in a 1 kg Planck balance. For this purpose, several preliminary theoretical and experimental investigations were carried out and an optimized prototype magnetic system was modeled, designed and built based on the results. Initial measurements showed that the magnet system with an outer diameter of 104mm and a height of 50mm achieved a constant average value of 85 . 25NA −1 at a range of motion of ±0 . 6mm.

Zusammenfassung Die Fertigungsgeschwindigkeit der chemischen Laserbearbeitung (LCM) ist derzeit begrenzt, um störende Siedeblasen in der Prozessflüssigkeit zu vermeiden. Eine Erhöhung erfordert eine Anpassung des Laserstrahls oder der Lasereigenschaften. Das derzeitige Verständnis der Mechanismen des Oberflächenabtrags ist für eine gezielte Anpassung jedoch unzureichend. Für ein besseres Prozessverständnis bzw. eine präzise Prozessmodellierung sind prozessbegleitende Messungen der Oberflächengeometrie, der Oberflächentemperatur und der Siedeblasen erforderlich. Aufgrund der komplexen Prozessumgebung existiert jedoch keine geeignete In-Prozess-Messtechnik. Deshalb wird ein indirekter Ansatz zur Geometriemessung auf Basis der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie untersucht, der das Potenzial für eine prozessnahe Anwendung im LCM-Prozess bietet. Im Ergebnis wird gezeigt, dass die Mikrogeometrie verschiedener Oberflächen unter LCM-äquivalenten Prozessbedingungen wie dicken Flüssigkeitsschichten und Gasblasen im Strahlengang indirekt messbar ist. Darüber hinausgehend ermöglicht der Messaufbau kombinierte fluoreszenzbasierte Messungen von Geometrie und Temperatur.

This work is concerned with model-based remote gaze estimation through monocular video oculography using the pupil center and corneal reflections in the context of manual work. Based on simulations, the influence of undetected corneal glints on the estimated direction of gaze is quantified and discussed.

Zusammenfassung Eine häufig untersuchte Materialklasse für Anwendungen, die hochdehnbare und nachgiebige Sensoren erfordern, sind Elastomere mit einem perkolativen Netzwerk aus Kohlenstoffpartikeln, z.B. Leitruß oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT Carbon Nano Tubes). Diese haben für neuartige Anwendungen wie weiche Roboter oder Smart Textiles einige Vorteile gegenüber den etablierten Dehnmessstreifen. Gleichzeitig ist ihre Funktionsweise aber noch nicht ausreichend verstanden. Solche Materialien werden in dieser Arbeit als Dehnungssensoren in Bezug auf ihr dynamisches Verhalten untersucht und ihre aktuellen Limitierungen aufgezeigt. Dabei wird ersichtlich, dass derartige Sensoren unter dynamischen Belastungen eine nicht monotone Kennlinie aufweisen, die sich deutlich von der in quasi-statischen Versuchen unterscheidet. Aus den Ergebnissen und einem aufgestellten Netzwerkmodell werden zwei Strategien zur Verbesserung der Sensoreigenschaften abgeleitet, modelliert und experimentell analysiert. Erstens werden durch einen Schmelzspinnprozess verschiedene Grade von Anisotropie realisiert, der die CNT-Füllpartikel in Prozessrichtung orientiert. Zweitens wird durch eine zusätzliche auxetische Trägerstruktur eine lokal negative Querkontraktion erzeugt. Während die dadurch erzeugte Anisotropie nicht ausreichend ist, um eine Verbesserung der Sensoreigenschaften zu erreichen, kann die Dehnungssensitivität durch die auxetische Struktur deutlich gesteigert werden.

Zusammenfassung Zur Realisierung extrem feiner Strukturen spielen direkte Laserschreibprozesse, basierend auf Zwei-Photonen-Absorptionsverfahren (2PA), eine zentrale Rolle in der Mikro- und Nanofabrikation. Dafür ist neben einem Lasersystem ein hochpräzises Positioniersystem notwendig. Meist basieren diese Positioniersysteme auf Prinzipien, die ohne zusätzliche Stiching-Verfahren nur kleine Positionierbereiche ermöglichen. Für piezoelektrische Tische sind zum Beispiel nur einige hundert Mikrometer möglich. Auf Galvanometer-Scannern basierten Systemen können sogar nur Positionierbereiche von wenigen zehn Mikrometern realisiert werden. Um ohne zusätzliche Stiching Verfahren größere Fertigungsbereiche mit hoher Präzision für Mikro- und Nanostrukturierung zu ermöglichen, wurde ein Aufbau aus einem Femtosekundenlaser für 2PA und einer Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) entwickelt [3]. Die NMM-1 wurde an der TU Ilmenau zusammen mit der SIOS Meßtechnik GmbH entwickelt, mit einem Positioniervolumen von 25mm×25mm×5mm und einer Positionierauflösung im Sub-Nanometerbereich. Dieser Aufbau wurde in den letzten Jahren weiter entwickelt und Strukturbreiten konnten reduziert werden [2]. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung einer funktionalen Einheit aus Femtosekundenlaser und NMM-1. Dies soll die Komplexität erhöhen und die Homogenität der geschriebenen Strukturen stark verbessern.

Zusammenfassung Es ist von höchster wissenschaftlicher Relevanz, Biosensoren in Lab-on-Chip-Systeme zu integrieren. Die Integration der Sensoren in die Zellkultursysteme ermöglicht die direkte Messung der biologischen und physiologischen Parameter während des Zellwachstums. Es erfordert ein spezielles Design des mikrofluidischen Chips und eine Mikrostrukturierung der leitfähigen Materialien. In dieser Arbeit präsentieren wir zwei Ansätze für in-situ Messungen von physiologischen Parametern. Der erste ist eine Integration eines kommerziellen optischen Sensors für die Sauerstoffgehaltsdetektion und der zweite ist ein eigener, von uns entworfener und hergestellter transepithelialer Widerstandssensor (TEER) für Zellkonfluenzmessungen. Beide Sensoren wurden in einen flexiblen Mikrofluidik-Chip auf Basis von Polydimethylsiloxan (PDMS) integriert.

Zusammenfassung Eine nicht invasive online Überwachung von Medikamenten-Konzentrationen in der Ausatemluft kann eine hohe therapeutische Bedeutung haben. In dieser Arbeit werden kommerzielle Halbleitergassensoren, insbesondere der ENS160 von ScioSense, im temperaturzyklischen Betrieb auf Eignung zur Quantifizierung des intravenösen Anästhetikums Propofol untersucht. Der Anwendungsfall Propofol wurde ausgewählt, da hier bereits eine Korrelation zwischen Plasmakonzentration und Konzentration in der Ausatemluft nachgewiesen wurde. Basierend auf einer Laborkalibrierung mit variierender Feuchte und Ethanol-Konzentration wird ein Regressionsmodell gebildet, das den Einfluss der Störgrößen unterdrückt und die Propofol-Konzentration vorhersagen kann. Ethanol wurde als Störgas gewählt, da es zum einen im klinischen Bereich vermehrt auftritt und gleichzeitig einen großen Störeinfluss auf MOS Sensoren hat. Der Validierungsfehler liegt bei 4 ppb für einen Konzentrationsbereich von 0 ppb bis 40 ppb, was den Schluss nahe legt, dass die Sensoren prinzipiell zur Überwachung geeignet sind.

Zusammenfassung In dieser Arbeit wird ein Elektroneneinfangdetektor basierend auf weicher Röntgenionisation mit vergleichbarer Performance bezüglich radioaktiver Elektroneneinfangdetektoren mit geringsten Nachweisgrenzen im pptv-Bereich und einer Linearität über drei Größenordnungen vorgestellt. In Elektroneneinfangdetektoren werden freie Elektronen erzeugt und deren Menge über die Entladung an einer Faraday-Detektorplatte ermittelt. Eintretende elektronenaffine Substanzen vermindern die Menge der messbaren Elektronen, wodurch die Substanzkonzentration bestimmt werden kann. Typischer Weise ionisieren zunehmend reglementierte radioaktive Strahler wie 63Ni mit bis zu 400 MBq Stickstoff zur Erzeugung freier Sekundärelektronen. Diese Ionisation findet im hier vorgestellten Elektroneneinfangdetektor mittels einer zulassungs- und anzeigefreien Röntgenröhre (unter 30 kV und 0,1 μSv/h im Abstand von 0,1m über berührbaren Oberflächen) statt [5].

Zusammenfassung Zu Beginn des Beitrages werden verschiedene Lokalisierungstechniken auf Basis von Ultraschall für einzelne und mehrere mobile Objekte (Sensoren) in einem zylindrischen Behälter verglichen. Eine Untergliederung erfolgt im Bezug zu der Fähigkeit des Sensors, aktiv Signale und/ oder Daten für die Ortung zu senden und einer passiven Lokalisierung. Weiterhin erfolgt eine Gegenüberstellung der möglichen maximalen Energieausbeute, der für den Anwendungsfall ausgewählten Methode. Zur Validierung der Funktionsprinzipien erfolgen experimentelle Untersuchungen an einem Messaufbau mit Wassertank. Erforderliche Komponenten zur Signalgenerierung sowie Datenerfassung werden aufgezeigt und diskutiert. Des weiteren wird die Energieausbeute in Bezug zur Einsatzdauer eines ausgewählten Mikrocontrollers dargelegt.

Zusammenfassung Die Erkennbarkeit von Rissen und geometrischen Qualitätskennwerten von Fügeverbindungen mittels Computertomografie ist von der Interfacestrukturauflösung abhängig, welche mittels geeigneter Prüfkörper untersucht wird. Die Reduktion von Abbildungsartefakten im Bereich von Bauteilzwischenräumen und -oberflächen verbessert deren dimensionelle Erfassbarkeit.

Zusammenfassung Es wird ein physikalisches und methodisches Konzept vorgeschlagen, das auf der Anwendung eines phononischen Kristalls zur Manipulation und Detektion heterogener Flüssigkeit in einem Kanal basiert. Der phononische Kristall wurde aus einem Edelstahlblock mit einer periodischen Struktur aus zylindrischen Löchern hergestellt. Ein Defekt der periodischen Struktur in Form eines flüssigkeitsgefüllten Kanals wurde in die Mitte des phononischen Kristalls gelegt. Die akustische Defekteigenmode wurde auf den Bandlückenfrequenzbereich des phononischen Kristalls abgestimmt. Eine wandernde akustische Welle wurde entlang des Defekthohlraums gestartet, um die heterogene Flüssigkeit zu manipulieren, und über den Hohlraum wurde eine lokale Schallsondierung der Zusammensetzung der Flüssigkeit mit Schallgeschwindigkeit durchgeführt. Als Beispiel für eine heterogene Flüssigkeit wurde Milch gewählt.

Zusammenfassung In diesem Beitrag wird der Einfluss von Querempfindlichkeiten auf die defektinduzierte Impedanzänderung des Potentialsondenverfahrens für die Zustandsüberwachung von Brückenbaustrukturen untersucht und ein Verfahren zur Temperaturkompensation vorgestellt. Die defektinduzierte Impedanzänderung konnte von Querempfindlichkeiten getrennt werden und die Wirksamkeit der Temperaturkompensation wurde erfolgreich demonstriert.

Zusammenfassung Die mangelnde Verfügbarkeit von präzise charakterisierten Kugeln im Submillimeterbereich schränkt derzeit die Leistungsfähigkeit von Mikro- und Nano-Koordinatenmessgeräten ein. Aus diesem Grund werden am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau neue Ansätze zur Messung solcher Kugeln untersucht und daraus entsprechende Messverfahren entwickelt. Ein vielversprechender Ansatz basiert dabei auf einer Reihe von Oberflächenscans im Zusammenhang mit einem Stitching-Algorithmus. Als Oberflächensensor kommt zur Zeit ein Atomkraftmikroskop (AFM) im Kontaktmodus zum Einsatz. Eine rückführbare Messung erfordert eine präzise Charakterisierung der AFM-Spitzenform und deren Unsicherheit, um diesen Einfluss zu korrigieren und die Unsicherheit fortzupflanzen sowie möglichen Verschleiß der AFM-Spitze während des Messvorgangs festzustellen. Diese Aspekte fanden bisher keine Beachtung. Ausgehend von dem publizierten Stand wurde deshalb die Messstrategie und der Auswertealgorithmus durch eine geeignete Strategie zur Korrektur des Spitzenformeinflusses sowie der Ermittlung der Spitzenform erweitert. Diese wurde experimentell durch den Einsatz unterschiedlicher AFMSpitzen mit nominellen Radien von 100nm bis 2 μm an einer 300 μm-Rubin-Kugel untersucht. Im Rahmen des Beitrags werden dazu erste Ergebnisse vorgestellt und diskutiert.