InFocus 02/2007
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Ausgabe 02 | 2007 InFocus Magazin für Optische Messsysteme von Polytec Automobilentwicklung Validierung und FE-Model Updating eines BMW-Hinterachsträgers mithilfe des 3D-Scanning Vibrometers Seite 09 Topographie-Messungen Weißlicht-Interferometer ermöglichen die präzise Vermessung strukturierter Funktionsoberflächen Seite 12 MEMS-Bausteine genau betrachtet Wie gut lassen sich reale Systemeigenschaften von Mikrostrukturen vorausberechnen? Seite 18 Von riesig bis winzig: alles berührungsfrei messen Inhalt Editorial Seite 2 Polytec News Seite 3 Optische Sensoren: Steigender Bedarf Seite 4 Dr. Helmut Selbach Polytec Spektrometer für chemische und physikalische Parameter in Labor- und Prozessanwendungen Eric Winkler Seite 5 Editorial Liebe Leserin, lieber Leser, Validierung und FE-Model Updating eines BMW-Hinterachsträgers mithilfe des 3D-Scanning Vibrometers Seite 9 Laser Surface Velocimeter messen die Abschnittslänge von Gussstahl in rauer Industrieumgebung Seite 11 in diesen Tagen blicken wir auf 40 Jahre Firmengeschichte zurück: Polytec wurde 1967 von Liselotte und Heinz Lossau in Karlsruhe als kleines Handelsunternehmen gegründet. Die Familie Lossau hatte es von Anfang an verstanden, die Chancen technologischer Innovationen frühzeitig zu erkennen und diese mit visionärer Tatkraft und unternehmerischem Geschick konsequent umzusetzen. Präzise Messung strukturierter Funktionsoberflächen mit TopMap Weißlicht-Interferometern So hat Polytec auch die Erfolgsgeschichte der optischen Technologien seitdem immer aktiv mitgestaltet. Nach wie vor sind wir Partner führender internationaler Hersteller für Vertrieb, Applikation und Service von innovativen Produkten und optischen Lösungen im europäischen Raum. Einhefter Darüber hinaus sind wir mit Produkten aus eigener Entwicklung und Fertigung zu einem global agierenden Unternehmen mit Niederlassungen in den USA, Japan und Europa sowie einem weltweiten Netzwerk von über 40 Vertriebspartnern herangewachsen. Wir bieten ein breites Spektrum an optischer Sensorik und darauf aufbauende hochentwickelte Messsysteme, die weltweit unsere Kunden bei der Lösung anspruchsvoller Aufgabenstellungen in der Schwingungs-, Oberflächen- und Längenmesstechnik sowie in der Spektroskopie unterstützen. Diese Ausgabe der InFocus soll Ihnen erneut einen kleinen Einblick in die weite Welt der Applikationen mit den Messsystemen von Polytec geben. Wir wünschen Ihnen viel Freude beim Lesen! Seite 12 Grundlagen der WeißlichtInterferometrie Vorbild Natur: Intelligente Sensor-Arrays Seite 15 Einsatz eines Polytec Vibrometers zur Resonanzanalyse an Prüfständen für Piezoaktoren Seite 16 MEMS-Bausteine genau betrachtet: Bestimmung der realen Systemeigenschaften von Mikrostrukturen Seite 18 In-Plane-Vibrometer von Polytec helfen bei hochdynamischen Dehnungsmessungen Seite 21 Produkt-Neuheiten Seite 22 Dr. Helmut Selbach Eric Winkler Geschäftsleitung Polytec GmbH Leiter des Geschäftsbereichs Optische Messsysteme 2 Events – Impressum Seite 24 Polytec beim MessTec Masters Sensor Award 2007 Polytec Frankreich – ausgezeichnet neu aufgestellt Im Rahmen der MessTec Masters 2007 Messe in Oberhausen im September ist das neue RLV-5500 Rotationsvibrometer von Polytec mit dem zweiten Preis in der Kategorie „Sensorik“ ausgezeichnet worden. Das RLV-5500 ist ein innovatives Sensorsystem zur berührungslosen Messung von Drehschwingungen an rotierenden Strukturen und Komponenten. Sein neues optische Konzept umfasst einen kompakten IP 67-geschützten Messkopf Jean-Marc Guerinot mit integrierter Freiblasvorrichtung und ist auch für den mobilen Einsatz am fahrenden Fahrzeug geeignet. www.polytec.de/rotvib Schwingungsmesstechnik von Polytec hilft beim Bau des weltgrößten Riesenrads Der „Singapore Flyer“ (siehe Titelbild dieser Ausgabe) ist ein gigantisches Riesenrad, das derzeit in Singapur gebaut wird und im März 2008 fertiggestellt werden soll. Das Rad hat eine Gesamthöhe von 165 m, womit es das bisher größte „London Eye” um 15 m überragt, und ist seitlich mit mehreren Stahlseilen am Boden verankert, die je nach der Spannung der Seile unterschiedlich schwingen. Um die Auslenkung der schwingenden Kabel zu messen, setzt Mitsubishi Heavy Industries seit mehreren Monaten ein OFV-5000/ OFV-505 Vibrometersystem ein. Auf diese Weise leistet die LaservibrometerTechnologie von Polytec einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit und Zuverlässigkeit dieser neuen Attraktion. Mehdi Batel Als neuer Geschäftsführer unserer französischen Niederlassung wird Jean-Marc Guerinot seine langjährige Erfahrung in Antriebstechnik und Akustik einbringen. Zuvor war er Leiter des ersten französischen Technologiezentrums für Automobilakustik (C.E.V.A.A.), Teamleiter beim Automobilzulieferer Tenneco Automotive/ Monroe-Gillet-Walker in Deutschland und Entwicklungsingenieur für Unterwassertechnologie bei der Thomson Group (jetzt Thales), wo er auch seinen Mastertitel erwarb. Zeitgleich wird das französische Team durch den neuen Verkaufsleiter Mehdi Batel verstärkt. Aus seiner Tätigkeit bei Brüel & Kjær bringt er ebenfalls eine breite und internationale Erfahrung mit schall- und schwingungstechnischen Fragestellungen (NVH) in der Kraftfahrzeugentwicklung mit. Wir wünschen den beiden, wie auch dem ganzen Team von Polytec Frankreich, viel Glück und Erfolg! www.polytec.fr PSV-400-3D Scanning Vibrometer: Premiere in China Vom 13. bis 15. September fand in Nanjing (China) der 14. Internationale Workshop für piezoelektrische Materialien und Anwendungen mit über 200 Wissenschaftlern statt. Der Organisator, Prof. Zhao, ist ein begeisterter Anwender der Scanning Vibrometrie von Polytec und steuerte einige Piezoantriebe bei, die bei der Messung mit dem 3D-Vibrometer faszinierende Ergebnisse lieferten. Das PSV-400-3D war zum ersten Mal in China zu sehen und Polytec konnte dem internationalen Publikum erfolgreich demonstrieren, dass diese 3DTechnik nicht nur für große, sondern auch für kleine Strukturen hervorragend geeignet ist. Bild: Prof. Haiyan Hu, Präsident der Nanjing Universität für Luft- und Raumfahrt und Prof. Chunsheng Zhao, Leiter des Precision Driving Lab bei einer Vorführung des PSV-400-3D durch unseren chinesischen Spezialisten Dr. Zhijian Chen (v.l.n.r.) 3 Marktübersicht Medizin, Biowissenschaften und Life Sciences In Biologie, Medizin und vielen anderen Fachgebieten sind Polytec Vibrometer unersetzliche Werkzeuge (lesen Sie dazu den Artikel über Messungen an Grillen auf Seite 15). Zunehmend kommen hier auch Topographie-Messsysteme zum Einsatz (Seite 12), außerdem Polytec Spektrometer (Seite 5) beispielsweise zur Produktionskontrolle in der Chemie- und Agrarwirtschaft. Fertigungsprüfung Optische Sensoren: Steigender Bedarf Foto: Polytec Einpunkt-Vibrometer zur Gehörforschung und -diagnose Polytec bietet eine große Bandbreite optischer Messsysteme für eine wachsende Zahl von Anwendungen in Forschung, Entwicklung und Produktion. Als erfahrener und kompetenter Entwickler und Hersteller laserbasierter Schwingungs- und Geschwindigkeitssensoren haben wir unser Produktspektrum auf weitere präzise und berührungsfrei arbeitende Sensortechnologien ausgedehnt. Dazu gehören Weißlicht-Interferometer zur Messung von Oberflächentopographien und NIR-Spektrometer zur Bestimmung spektraler Materialeigenschaften. Industrieforschung und -entwicklung In der industriellen Forschung und Entwicklung werden Polytec Vibrometer zur Untersuchung von Objekten ganz unterschiedlicher Größe eingesetzt, von kompletten Autokarosserien und -baugruppen (Seite 9), über Flugzeugteile, Motoren und Gebäude bis zu kleinen Piezo- aktuatoren (Seite 16) oder Festplattenbauteilen. Typische Anwendungen sind Validierungen von dynamischen Simulationsmodellen, strukturdynamische Untersuchungen und Langzeitüberwachung. Eine umfassende Prüfung von Mikrostrukturen auf topographische und dynamische Eigenschaften ermöglicht der Micro System Analyzer (Seite 18). Sowohl für die 100 %-Prüfung an Teilen als auch für die Online-Analyse kontinuierlich erzeugter Güter bietet Polytec unterschiedliche interferometrische Sensoren für Schwingungen, Geschwindigkeit, Länge (Seite 11), Oberflächenbeschaffenheit (Seite 12) und Materialzusammensetzung (Seite 5). Die Sensoren arbeiten zuverlässig und berührungsfrei, sind industrietauglich aufgebaut, wartungsarm und flexibel einsetzbar. Akustik, Metrologie und vieles mehr Vibrometermessungen schaffen experimentelle Grundlagen für anspruchsvolle akustische Fragestellungen beispielsweise im Lautsprecheroder Musikinstrumentenbau. Die Vibrometrie ermöglicht auch die Überprüfung von Testverfahren, wie Zugfestigkeits- (Seite 21) oder Resonanzprüfungen (Seite 16) sowie präzise Kalibrierungen unter Rückführung der gemessenen Größen auf die Wellenlänge des Laserlichts. Für Mess- und Kalibrieranwendungen gewinnt die Topographiemessung ebenfalls zunehmend an Bedeutung (Seite 12). Unzählige weitere Einsatzgebiete gibt es in Maschinenbau, Bauingenieurwesen und vielen anderen Disziplinen. Weitere interessante Anwendungen und Polytec Applikationsnoten finden Sie unter www.polytec.de/anwendungen 4 Prozesskontrolle mit NIR-Spektroskopie Polytec Spektrometer-Systeme für die Bestimmung von chemischen und physikalischen Parametern in Labor- und Prozessanwendungen Vorteile der NIR-Spektroskopie Berührungs- und zerstörungsfreies Verfahren Schnelle und automatisierbare Messung Vielfältige und flexible Prozessintegration Genaue und reproduzierbare Messwerte Keine Probenvorbereitung Die NIR (Nah-Infrarot)-Spektroskopie bietet in der Industrie und Forschung die Möglichkeit, ohne aufwendige Probenvorbereitungen schnelle, zuver- lässige und zerstörungsfreie Messungen auszuführen, um Prozesse und Produkte gleichzeitig zu optimieren. Im Rahmen der Qualitätssicherung wird die Prozessanalytik dazu eingesetzt, die definierten Spezifikationen des Endproduktes während des Herstellungsprozesses zu überwachen. Die Produktfunktionalität lässt sich mit dieser Methode sowohl qualitativ als auch quantitativ bestimmen, wobei Messungen in fester und flüssiger Matrix möglich sind. Die Polytec Spektrometer mit faseroptischen Sonden erschließen durch hohe Messgeschwindigkeit und variable Probenpräsentation ein weites Anwendungsfeld vom VIS- bis in den erweiterten NIR-Messbereich. NIR-Spektroskopie – einfach und flexibel Der Spektralbereich der optischen Spektroskopie ist in Bild 1 (Seite 6) im Wellenlängenintervall von 200 nm 5 bis 25 µm abgebildet. Dieser gliedert sich in die folgenden Bereiche: UV/VIS: 200 – 760 nm Nah-Infrarot: 760 – 2500 nm Mittleres Infrarot: 2500 nm – 25 µm Während im UV/VIS-Bereich elektronische Übergänge im Molekül erfolgen, werden im NIR-Bereich Molekülschwingungen durch die elektromagnetische Strahlung angeregt. Die Spektroskopie im Nah-Infrarot-Bereich wird wegen der variablen Probenpräsentation und der sehr hohen Messgeschwindigkeit in vielen Gebieten der Prozessüberwachung und -steuerung eingesetzt. Die Vorteile dieser Analytikmethode sind die geringen Absorptionskoeffizienten von organischen Molekülen und die damit verbundene verhältnismäßig große Eindringtiefe in die Probe. Somit können die Proben normalerweise ohne Vorbereitung vermessen werden und man erhält Informationen bezüglich Prozesskontrolle welches Routinevorhersagen zur Überwachung und Steuerung von Prozessen ermöglicht. UV / VIS NIR MIR Anregung von Elektronen Anregung von Schwingungen Anregung von Schwingungen 200 nm 760 nm 2500 nm Die Integration in den Fertigungsprozess erfolgt in zwei Stufen (Bild 3). 25 µm Energie nimmt zu Bild 1: Bereiche der elektromagnetischen Strahlung der Probenoberfläche und des Probenvolumens. Die Messung erfolgt zerstörungsfrei, d. h. die Proben werden nicht verändert und können weiterverwendet werden. Hierdurch ist eine einfache Integration in automatisierte Fertigungsprozesse gegeben, wobei die Verwendung von Glasfasern sehr flexible Messanordnungen ermöglicht. Theorie der NIR-Spektroskopie Die Wechselwirkungen der elektromagnetischen Strahlung mit der Probensubstanz lassen sich durch die folgenden Effekte beschreiben: Absorption/Reflexion (Bild 2a) Aus den Absorptionsspektren lassen sich verschiedenste Inhaltsstoffe qualitativ oder quantitativ bestimmen. Oberflächeneffekte (Bild 2b) Über die Auswertung von Oberflächenstreueffekten werden Materialeigenschaften, wie Rauigkeiten oder Korngrößen zugänglich. Grenzflächeneffekte (Bild 2c) Die von Grenzflächen erzeugten Interferenzmuster in den Spektren lassen sich z. B. zur Schichtdickenbestimmung heranziehen. Die Messungen lassen sich in Transmissions- und Reflexionsanordnungen durchführen, wobei je nach Wechselwirkungsart unterschiedliche Informationen über die Proben gewonnen werden können. Die Auswertungen der Spektren erfordern wegen der Überlagerung der oben genannten Effekte statistische Verfahren zur Datenanalyse. Auswertungsverfahren Unter Chemometrie versteht man die Anwendung statistischer Methoden (z. B. Hauptkomponentenanalyse, PCA; Partial Least Squares Regression, PLS) zur Gewinnung von Informationen aus chemischen oder spektroskopischen Daten. Man unterscheidet Verfahren zur qualitativen und quantitativen Multikomponentenanalyse. Eine Quantifizierung, d. h. Herstellung von Zusammenhängen zwischen dem Sensorsignal und der Konzentration, ist trotz unspezifischer Wechselwirkungen möglich. Zur Kalibrierung des Analysensystems werden Datensätze mit bekannten Konzentrationen der interessierenden Stoffe spektroskopisch untersucht. Die Auswertung dieser Datensätze und die entsprechende Referenzanalytik bilden die Grundlage für die Methodenentwicklung. Hierbei entsteht ein chemometrisches Modell, Anwendungsgebiete Bei der NIR-Spektroskopie werden kovalente Molekülbindungen zum Schwingen angeregt. Daher ist sie beispielsweise zur Bestimmung des Wassergehaltes landwirtschaftlicher Produkte (Nachwachsende Rohstoffe, Getreide, Milch, Mais) sehr gut geeignet. Weiterhin lassen sich organische und pharmazeutische Produkte auf Proteine (NH-Bindungen) oder den Fettgehalt (CH-Bindungen) untersuchen. In Kunststoffen können verschiedene Strukturelemente, z. B. Carboxylgruppen (COOH) erkannt werden. Aufgrund der beschriebenen Möglichkeiten findet das Verfahren in der chemischen, pharmazeutischen und lebensmitteltechnischen Industrie bei Qualitätsanalysen, sowie in der Prozesskontrolle eine breite Anwendung (mehr dazu ab Seite 7). Polytec PSS Spektrometer und Module Die von Polytec entwickelten PSS Polychromatoren (Bild 4) bilden das Herzstück der Polytec PSS Spektrometersysteme oder auch kundenspezifischer Systeme (OEMs). Durch die moderne Diodenzeilen-Technik ergibt sich eine sehr kompakte und durch den Verzicht Bild 2: a: Absorption/Reflexion zur Bestimmung von Konzentrationen und zur Identitätskontrolle; b: Messung von Oberflächeneffekten zur Bestimmung von Oberflächenrauigkeit oder Korngröße; c: Schichtdickenbestimmung aus Grenzflächeneffekten a b 6 c Methoden-Entwicklung Probenmessung Model Files Online-Messung Prozesssteuerung Polytec PSS SpektrometerSoftware Methoden-Anwendung Bild 3: Prozessintegration der NIR-Technologie auf bewegliche Teile auch sehr robuste Bauform. werden nachfolgend an einigen ausgewählten Beispielen vorgestellt. Die PSS Spektrometer (Bild 5) sind wahlweise im 19”-Tischgehäuse oder als 19”-Einschub zur Integration in einen Industrieschrank erhältlich. Sie können mittels Lichtwellenleiter an unterschiedliche Messanordnungen angeschlossen werden, z. B. an Tauchsonden oder Durchflusszellen. Darüber hinaus unterstützen bedienerfreundliche Softwarelösungen unterschiedlichste Applikationen in Labor und Industrie. Die robuste Ausführung der PSS Systeme ermöglicht den direkten Einsatz an Produktionsanlagen und liefert zuverlässige Ergebnisse in Echtzeit. Ergänzend dazu besteht über optische Multiplexer die Möglichkeit, mehrere Messstellen von einem Spektrometer aus anzusteuern. Steuerung von Biogasanlagen Bild 4: PSS Polychromator Bild 5: PSS Spektrometer mit Lichtleiter Applikationsbeispiele Wasser-, Fett- oder Eiweißgehalt sind in der Nahrungsmittelproduktion kosten- und qualitätsbestimmend. Solche Parameter können mit der NIR-Technologie einfach und schnell ermittelt werden, beispielsweise in Fleischprodukten oder Fertiggerichten, und damit die entsprechenden Produktionsund Weiterverarbeitungsschritte gesteuert und optimiert werden. Ein Beispiel ist die Bestimmung des Alkoholgehaltes von Bier durch NIR-Spektroskopie (Bild 7). Erkennung von Kunststoffsorten Kunststoffe geben sehr charakteristische Spektren (Bild 8). Die Identifizierung von PE, PET, PP, PS etc. ist daher ein optimaler Anwendungsbereich für die PSS NIR-Systeme. Die hohe Messgeschwindigkeit sowie die Erkennungssicherheit ist Grundlage für den industriellen Einsatz in Sortier- und Recyclinganlagen. Bei der Produktion neuer Kunststoffe ist eine einfache und Bild 6: Überwachung von Prozessparametern bei der Biogaserzeugung Wavelength [nm] Predicted Concentration Die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der NIR-Spektroskopie zur Prozesskontrolle und Laboranalytik Biogasanlagen werden aufgrund fehlender Messtechnik überwiegend im Unterlastbetrieb gefahren, um Instabilitäten und im Extremfall ein Kippen des Fermentationsprozesses zu verhindern. Hieraus resultieren reduzierte Energieausbeuten und damit finanzielle Defizite. Der effiziente Betrieb der Biogasanlagen erfordert verlässliche und präzise Messtechnik. Eine automatisierte Prozessüberwachung ist daher sehr wünschenswert. Mit NIRSonden können verschiedene Prozessparameter direkt im Reaktor quantifiziert und zur Prozessteuerung eingesetzt werden. Exemplarisch ist die Bestimmung der Essigsäurekonzentration in Bild 6 dargestellt. Ein Überhandnehmen der Essigsäurekonzentration im Fermenter würde zur Hemmung der Biogasproduktion führen. Überwachung der Lebensmittelqualität in der Produktion Absorbance Prozess Referenz-Analytik Kommerzielle ChemometrieSoftware True Concentration 7 Prozesskontrolle Zusammenfassung Beer 2 True Concentration [%] Bild 7: Überwachung des Alkoholgehalts in verschiedenen Biersorten Mittels NIR-Spektroskopie können aus Interferenzmustern dünner Filme berührungsfrei Schichtdicken im Bereich von 100 nm bis einige hundert µm ermittelt werden (Bild 9). Dies gilt sogar für Schichten, die im sichtbaren Spektralbereich nicht transparent sind. Ein Anwendung für die Schichtdickenbestimmung nicht transparenter Stoffe ist die Prüfung von Lacken und Druckfarben. Qualitätskontrolle von Tabletten, Kapseln und Rohstoffen Mittels faseroptischer Sonden lassen sich pharmazeutische Präparate direkt in der Produktionsanlage sehr einfach und schnell analysieren. Durch die extrem hohe Messgeschwindigkeit kann beispielsweise jede bereits produzierte Tablette oder Kapsel auf ihren Wirkstoffgehalt hin überprüft werden (100 %-Qualitätskontrolle). NIR – Prozess- und Multikomponentenanalyse in der Chemie Mit speziellen Sonden, die direkt an Rohrleitungen, Reaktoren usw. angeschlossen werden, ist die Überwachung Die quantitative Bestimmung aller an einer Reaktion beteiligten Komponenten ist für die Überwachung und Steuerung vieler chemischer Prozesse entscheidend. Mithilfe anwendungsoptimierter Sonden können wichtige Kenngrößen (z. B. Viskosität, Zusammensetzung, Dichte etc.) aus den NIR-Spektren in Echtzeit ermittelt werden. Produktionskontrolle von Papier Die NIR-Spektroskopie eignet sich hervorragend zur Online-Feuchteüberwachung von Papierbahnen. Zusätzlich können vielseitige kundenspezifische Auftragungen oder Beschichtungen kontrolliert werden. www.analytic-web.com oder [email protected] Bild 8: Erkennung von Kunststoffsorten aufgrund ihrer NIR-Spektren Wavelength [nm] Bild 9: Interferenzmuster dünner Lackschichten (links) und Ergebnis der Schichtdickenbestimmung aus den Interferenzmustern (rechts) Frequency [Hz] Bestimmung von Schichtdicken von Wasser, Alkohol, TOC etc. leicht möglich. Absorbance schnelle Überprüfung der Qualität, z. B. des Wassergehaltes von Polymergranulaten, mit NIR-Spektroskopie möglich. Mit der NIR-Spektroskopie lassen sich sehr viele unterschiedliche Informationen und Parameter gewinnen, was eine Vielzahl von Anwendungen im Labor und in der Prozesskontrolle erlaubt. In Verbindung mit statistischen Auswerteverfahren sind qualitative und quantitative Aussagen zur Zusammensetzung von Multikomponentengemischen möglich. Durch unterschiedliche Wechselwirkungsprinzipien kann man neben der chemischen Zusammensetzung beispielsweise auch Schichtdicken oder Oberflächenbeschaffenheiten messen. Die eingehende Betrachtung der kundenspezifischen Aufgabenstellung ist die Voraussetzung für eine klare Aussage über die optimale Verwendbarkeit der NIR-Spektroskopie. Absorbance Predicted Concentration [%] Beer 1 Wavenumber [cm-1] 8 Layer Thickness [µm] Automobilentwicklung Model Updating Validierung und FE-Model Updating eines BMWHinterachsträgers mithilfe des 3D-Scanning Vibrometers Der Hinterachsträger ist als Verbindung zwischen dem Differenzial und den Rädern die zentrale Komponente der Hinterachskonstruktion bei den heckgetriebenen BMW-Fahrzeugen (Titelbild). Die Konstruktion des Trägers wurde mit einem Finite-Elemente-Modell optimiert. Dieser Beitrag beschreibt die Validierung des FE-Modells mithilfe einer experimentellen Modalanalyse. Die Messungen wurden mit einem 3D-Scanning Vibrometer von Polytec durchgeführt. eine hohe räumliche Auflösung erzielt werden. Eine typische Messung nutzt insgesamt 500 Messpunkte (1500 FRFs) für die Validierung. Experimenteller Aufbau Der in einem Rahmen frei aufgehängte Träger (Bild 1) wird mit dem Shaker angeregt, der so ausgerichtet wird, dass in allen Raumrichtungen (x, y, z) in etwa dieselbe Anregungsenergie wirkt. Dadurch können die räumlichen Moden mit einer einzigen Quelle angeregt werden. Der Shaker wurde mit einem Pseudo-Random-Signal mit einer Bandbreite von 100 bis 1000 Hz betrieben und die Antwort mit einer Abtastrate von 2560 Hz und einer Blocklänge von 4096 Samples aufgenommen. Bild 1: Versuchsaufbau mit dem Hinterachsträger, Shaker (links) und den 3D-Scanning Messköpfen (rechts) Einführung Messungen mit dem 3D-Scanning Vibrometer haben den Vorteil, dass die Struktur nicht, wie bei der Anwendung von taktilen Sensoren, mit zusätzlichen Massen und Steifigkeiten belastet wird. Es können bei geringem experimentellen Aufwand (da keine Aufnehmer angebracht werden müssen) sehr viele Punkte gemessen und damit 9 Automobilentwicklung Ergebnisse Die Messdaten wurden aus der PSV Software im Universal File Format in die Structural Dynamics Toolbox (SDT) übernommen. Die SD Toolbox basiert auf Matlab und ermöglicht alle möglichen dynamischen Analysen einschließlich fortgeschrittener Optimierungsalgorithmen, die eine genaue Identifizierung der modalen Parameter erlauben. Bild 2 zeigt die 500 Punkte auf dem Hinterachsträger, die mit dem Vibrometer vermessen wurden. Channel 3 −4 10 −6 Amplitude [m/N] 10 −8 10 −10 10 −12 10 100 200 300 400 500 600 Frequency [Hz] 700 800 900 1000 Bild 3: Anpassungskurve mit realen Residuen Das verwendete Modell basiert auf Normalmoden und enthält niedrige und höhere Residuen. Nach der Wahl geeigneter Parameter wurde das Modell berechnet und die Pole und Residuen wurden bestmöglich angepasst. In der SD Toolbox wird die Fehlerminimierung mithilfe einer nichtlinearen Regression bewerkstelligt. Die mit diesem Modell erhaltene Anpassung ist in Bild 3 für eine ausgewählte Transferfunktion dargestellt. Die berechnete Kurve passt gut mit den Messdaten zusammen, insbesondere im Bereich der Resonanzpeaks. Im höheren Frequenzbereich ist allerdings zwischen den Resonanzen deutliches Rauschen bemerkbar. Das FE-Modell wurde anschließend einer Modalanalyse in NASTRAN mit einem iterativen Lanczos-Algorithmus unterworfen. Die Rechnung ergab 17 Eigenfrequenzen im Bereich bis 1000 Hz. Bild 2: VibrometerMesspunkte auf dem Hinterachsträger Validierung des FE-Modells Die gemessenen Eigenfrequenzen wiesen zunächst Abweichungen von der FE-Analyse um 2 % auf. Eine detailliertere Aussage über die Güte des Modells kann allerdings mit der nachfolgend beschriebenen MACAnalyse (Modal Assurance Criterion) gewonnen werden. Um die berechneten und gemessenen Eigenschwingungsformen mithilfe der MAC-Analyse korrelieren zu können, müssen die Moden bei beiden Verfahren an denselben Gitterpunkten diskretisiert werden. Dazu wurde die UFF-Exportdatei aus der Messung in das FE-Modell importiert und so das Messpunktgitter auf das FEM-Gitter überlagert. Anschließend wurden 124 Punkte aus dem FE-Modell ausgewählt, die mit Messgitterpunkten übereinstimmten, sodass die Struktur des Hinterachsträgers vollständig wiedergegeben wurde. Die MAC-Analyse in der SD Toolbox ergab die in Bild 5 dargestellten Resultate. Die Übereinstimmungen der ersten acht Moden waren hervorragend und auch die Moden 10, 12, 13, 15, 16 Bild 4: FE-Modell des Trägers Beschreibung des FiniteElemente-Modells Das FE-Modell des Hinterachsträgers wurde mit der Medina Software erstellt. Die Geometrie wurde aus einem CADModell importiert. Das Gitter besteht aus Doppeltetradern, und das resultierende Modell (Bild 4) weist insgesamt 1,3 Millionen Freiheitsgrade auf. 10 und 18 korrelierten mindestens zu 85 %. Die MAC-Werte der Moden 9, 11, 14 und 17 waren allerdings niedrig. Vermutlich wurden die Moden 9, 11 und 14 bei der Messung unzureichend angeregt. In Bild 6 ist zu sehen, dass diese Moden eine geringe Amplitude aufweisen. Außerdem sind die Moden 13 und 14 wegen der beschränkten Auflösung bereits hoch korreliert, was sich auch in Bild 5 (rechts) zeigt, wo die beiden FE-Moden zum Teil aufeinander abgebildet werden. Schließlich scheint die Mode 17 ein Artefakt aus der Versuchsanordnung zu sein. Vermutlich sind die Moden 16 und 17 eigentlich identisch, werden jedoch durch eine geringe Asymmetrie der Struktur aufgespalten und ergeben somit zwei getrennte Moden. Diese Erklärung wird dadurch erhärtet, dass im FE-Modell nur eine Mode gefunden wird, mit einer Korrelation von 85 % zu Mode 16, aber nur 50 % zu Mode 17. Insgesamt ist die Korrelation zwischen der FE-Modellrechnung und der Experimentellen Modalanalyse sehr Schlussfolgerungen Die Ergebnisse der Experimentellen Modalanalyse stimmen sehr gut mit den FEM-Simulationen überein. 12 der 17 Eigenmoden weisen eine Korrelation von mindestens 90 % auf, davon 10 sogar über 95 %. Die gemessenen Eigenfrequenzen waren im Allgemeinen etwas höher als die berechneten Frequenzen, vermutlich infolge von Fertigungstoleranzen der Träger sowie Einflüssen aus der Versuchsanordnung und Ungenauigkeiten beim Materialansatz des FEModells. Nur drei der Eigenschwingungsformen zeigten eine eher geringe Übereinstimmung. Die Abweichungen zwischen Modell und Messung konnten alle als Folge der Messmethodik erklärt Bild 5: Ergebnisse der MAC-Analyse für alle Punkte (links) und nur für FE-Moden (rechts) 124 Nodes Finite Element Nodes Finite Element Nodes 124 Nodes Identified Nodes Finite Element Nodes SUM (all channels of IIxf) −6 10 −8 10 SUM [m/N] gut, soweit man sich auf die wesentlichen Peaks in Bild 6 beschränkt. Alle wichtigen Schwingungsmuster sind in beiden Modellen vorhanden. −10 10 −12 10 −14 10 100 200 300 400 500 600 Frequency [Hz] 700 800 Bild 6: Anpassungskurve mit realen Residuen werden, z. B. durch ungenügende Anregung oder Aufspaltung von Moden. Die Analyse zeigt das hohe Potenzial berührungsloser Messungen mit 3DScanning Vibrometern. Das FE-Modell des Hinterachsträgers konnte durch die Ergebnisse der Messungen vollständig validiert werden. D. de Klerk, M.Sc.; S.N. Voormeeren, B.Sc. [email protected] Delft University of Technology [email protected] Erfolg auf der ganzen Linie Laser Surface Velocimeter messen die Abschnittlänge von Gussstahl in extrem rauer Industrieumgebung Polytec Laser Surface Velocimeter (LSVs) helfen bei der Online-Überwachung der Bahngeschwindigkeit und Länge von Bändern, Zuschnitten, Rohren und Profilen in Warm- und Kaltwalzwerken wie auch in Gießereien. Ungenauigkeiten und Verzögerungen durch Schlupf und Verschleiß, wie sie bei den traditionell verwendeten Messrädern häufig auftreten, gibt es beim LSV infolge der modernen Lasertechnologie nicht. Die oft heiße, staubige und raue Industrieumgebung stellt hohe Anforderungen an die Messtechnik, die das LSV durch einen weiten Arbeitsabstand und durch Einsatz eines wassergekühlten Gehäuses sowie einer Freiblasvorrichtung für das optische Messfenster zuverlässig erfüllt. Weltweit sind mehrere hundert Surface Velocimeter von Polytec in unterschiedlichen Bereichen in Betrieb. Das Foto zeigt eine Parallelinstallation von vier LSV Sensoren auf einem Knüppelgießstand bei Nucor Steel in Darlington, South Carolina. Alle vier Messköpfe arbeiten problemlos bei sehr schwierigen Umgebungsbedingungen bis über 200 °C und messen die Abschnittlänge aller vier Bahnen auf mindestens ±13 mm genau. Die großen, kundenseitig entwickelten Schutzboxen enthalten dazu ein zweites Kühlsystem als Ergänzung zum serienmäßigen LSV-026 Kühlgehäuse, um den LSV Sensor effektiv vor allzu hohen Temperaturen zu schützen. Die Freiblasvorrichtung wird mit reinem Stickstoff betrieben, da die 11 normale Druckluft zu Verschmutzungen der Fenster führte. Mit der Leistung der Surface Velocimeter ist der Kunde sehr zufrieden. www.polytec.de/lsv 900 1000 Oberflächenmesstechnik Gar nicht oberflächlich Präzise Messung strukturierter Funktionsoberflächen mit TopMap Weißlicht-Interferometern Strukturierte Funktionsoberflächen mit engen Toleranzen erfordern hochpräzise Messsysteme, die in kurzer Zeit flächig die Topographie eines Werkstückes oder Objektes aufnehmen können. Die mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern oder sogar von Subnanometern in vertikaler Richtung arbeitende Weißlicht-Interferometrie ist deshalb in den letzten Jahren zu einem Standardwerkzeug in der industriellen Qualitätskontrolle geworden. rungsfreie und schnelle Messung auch von weichen Oberflächen und – unter bestimmten Voraussetzungen – die Bestimmung von Schichtdicken. Einführung Durch Verwendung kurzkohärenten Lichts vermeiden die Weißlicht-Interferometer von Polytec die Nachteile klassischer interferometrischer Messungen, die bei rauen Oberflächen wegen der auftretenden Speckles ausfallen oder bei der Bestimmung von Stufenhöhen bzw. von nicht zusammenhängenden Flächen durch Verlust der Ordnungszahl der Interferenzstreifen versagen. Weißlicht-Interferometer ermöglichen die berührungslose Bestimmung von Parametern wie Ebenheit und Parallelität, Welligkeiten und Rauheiten. Als optisches Messverfahren erlaubt die Weißlicht-Interferometrie eine zerstö- Der optische Aufbau eines typischen modernen Weißlicht-Interferometers besteht aus einer Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im µm-Bereich, einem Strahlteiler, einem Referenzspiegel und einer Kamera mit Objektivsystem. 12 Die Funktionsweise ist in der neuesten Ausgabe des Polytec Tutorials (rechts) ausführlich beschrieben. Bei der technischen Ausführung sind verschiedene Varianten möglich, die nachfolgend beschrieben werden. Telezentrische Optik für großflächige Messungen Folgt man dem Aufbau eines klassischen Twyman-Green-Interferometers, ergibt sich ein System mit telezentrischer Optik. Polytec bietet hier je nach Einsatzschwerpunkt unterschiedliche Modelle der TopMap-Serie an – für den schnellen Durchsatz in der Fertigungslinie, für hochaufgelöste Messungen im Labor oder für universelle Anwendungen. Einen Überblick über die ganze Bandbreite der Topographie-Messsysteme von Polytec finden Sie im Einhefter (Seite E32) und auf www.topmap.de. Lesen Sie weiter auf Seite 13 Grundlagen der Weißlicht-Interferometrie Dreidimensionale Strukturen mit rauen technischen oder optisch glatten Oberflächen, ob mit oder ohne Stufen, können mit senkrecht scannenden Weißlicht-Interferometern gemessen werden. Die Weißlicht-Interferometrie ist eine berührungslose optische Methode für die 3D-Profilmessung von Strukturen mit Abmessungen zwischen einigen Zentimetern und einigen Mikrometern. Aufbau des Interferometers Die Weißlicht-Interferometer von Polytec sind als sog. Twyman-Green-Interferometer (Bild 1) ausgeführt; ein besonderer Typ des bekannten Michelson-Interferometers mit einer bildgebenden Optik, die das Messobjekt und die Referenzebene auf einem 2D-Empfänger abbildet. Der Empfänger ist ein CCD-Kamerachip und es kommt eine Breitband-Lichtquelle zum Einsatz. Das Messobjekt wird in einem Arm des Weißlicht-Interferometers platziert. Das Weißlicht wird durch eine Kondensorlinse kollimiert und von einem Strahlteiler in Referenz- und Messstrahl aufgeteilt. Ein Strahl wird vom Referenzspiegel reflektiert, während der andere Strahl von der Oberfläche des Messobjektes reflektiert oder gestreut wird. Die zurückkehrenden Strahlen werden vom Strahlteiler zum CCD-Sensor weitergeleitet und bilden in Abhängigkeit von der Position des Messobjektes für jedes einzelne Pixel ein Interferenzsignal. Die Korrelogrammbreite entspricht, wie nachfolgend ausgeführt, der Kohärenzlänge des Lichts und hängt daher von der spektralen Breite der Lichtquelle ab. Advancing Measurements by Light www.polytec.de Polytec GmbH Polytec-Platz 1-7 D-76337 Waldbronn Tel. +49 (0)72 43 6 04-0 Fax +49 (0)72 43 6 99 44 [email protected] Camera Camera lens Aperture Aperture Object lens Condenser lens Light source Reference flat Beam splitter z Specimen Bild 1: Optischer Aufbau eines Twyman-Green-Interferometers mit Kamerasensor Eine raue Objektoberfläche hat ein Speckle-Muster zur Folge, das mit dem Licht von der Referenzebene in der Detektorebene interferiert. Jedes einzelne Speckle hat eine zufällige Phase. Die Phase bleibt innerhalb eines Speckles annähernd konstant. Daher erscheint auf dem Kamerapixel eine Interferenz, wenn sich die optischen Pfadlängen der beiden Arme um weniger als die halbe Kohärenzlänge der Lichtquelle unterscheiden. Jedes Pixel des Kamerasensors tastet ein typisches WeißlichtKorrelogramm (Interferenzsignal) ab, wenn die Länge des Referenz- oder des Messarms mit einer Positioniereinheit verändert wird. Genauigkeit der Positioniereinheit begrenzt. Die lateralen Positionen der Höhenwerte hängen von dem entsprechenden Objektpunkt ab, der auf die Matrix der Kamerapixel abgebildet wird. Die x-Koordinaten beschreiben zusammen mit den entsprechenden y-Koordinaten die geometrische Form des gemessenen Objektes. Das Interferenzsignal eines Pixels weist eine maximale Modulation auf, wenn die optische Pfadlänge des Lichts, das auf dem Pixel auftrifft, für Referenzund Messstrahl genau gleich ist. Daher entspricht der z-Wert des Punktes auf der Oberfläche, der auf dieses Pixel abgebildet wird, dem z-Wert der Positioniereinheit, wenn die Modulation des Korrelogramms maximal ist. Man kann eine Matrix mit den Höhenwerten der Objektoberfläche ableiten, indem für jedes einzelne Kamerapixel die z-Werte der Positioniereinheit bestimmt werden, bei denen die Modulation maximal ist. Der Aufbau ähnelt einem optischen Standardmikroskop. Die einzigen Unterschiede sind eine interferometrische Objektivlinse und eine genaue Positioniereinheit (ein piezo-elektrischer Stellantrieb), um das Interferenzobjektiv senkrecht zu verfahren. Wenn das Mikroskopobjektiv das Messobjekt auf Unendlich abbildet, hängt die optische Vergrößerung des Bildes auf dem CCDChip nicht vom Abstand zwischen Tubuslinse und Objektivlinse ab. Die Höhenunsicherheit hängt hauptsächlich von der Rauheit der gemessenen Oberfläche ab. Bei glatten Oberflächen wird die Messgenauigkeit durch die Weißlicht-InterferometerMikroskope Um mikroskopische Strukturen sichtbar zu machen, muss das Interferometer mit dem optischen Aufbau eines Mikroskops kombiniert werden. Ein solcher Aufbau ist in Bild 2 dargestellt. Das Interferenzobjektiv ist der wichtigste Teil eines Interferometermikroskops. Es gibt verschiedene Typen von Objektiven. Bei einem Mirau-Objektiv, wie in Bild 2 dargestellt, wird der Referenzstrahl durch einen Strahlteiler wieder in Richtung der ObjektivE30 Frontlinse zurückreflektiert. Auf der Objektiv-Frontlinse befindet sich ein winziger Spiegel von derselben Größe wie die beleuchtete Oberfläche auf dem Messobjekt. Bei großen Vergrößerungen ist der Spiegel daher so klein, dass seine Abschattung vernachlässigt werden kann. Durch Bewegen des Interferenzobjektivs wird die Länge des Messarms verändert. Das Interferenzsignal eines Pixels weist eine maximale Modulation auf, wenn die optische Pfadlänge des Lichts, das auf dem Pixel auftrifft, für Referenzund Messstrahl genau gleich ist. Daher entspricht der z-Wert des Punktes auf der Oberfläche, der auf dieses Pixel abgebildet wird, dem z-Wert der Positioniereinheit, wenn die Modulation des Korrelogramms maximal ist. Zusammenhang zwischen spektraler Breite und Kohärenzlänge Wie oben erwähnt, definiert der zWert der Positioniereinheit, bei der die Modulation des Interferenzsignals für ein bestimmtes Pixel maximal ist, den Höhenwert für dieses Pixel. Daher haben Qualität und Form des Korrelogramms einen großen Einfluss auf die Auflösung und Genauigkeit des Systems. Bild 2: Schematischer Aufbau eines Interferenzmikroskops mit Mirau-Objektiv Camera Tubus lens Light source Beam splitter Condenser lens Mirau objective with z-stage Mirror z-Controller Die wichtigsten Parameter der Lichtquelle sind ihre Wellenlänge und ihre Kohärenzlänge. Die Kohärenzlänge definiert die Korrelogrammbreite. Das Korrelogramm wiederum bezieht sich auf die spektrale Breite der Lichtquelle. Deshalb hängt die Korrelogrammbreite von der spektralen Breite der Lichtquelle ab. In Bild 3 (a) ist die spektrale Dichtefunktion für ein Gaußsches Spektrum dargestellt, das zum Beispiel eine gute Näherung für eine LED darstellt. In Bild 3 (b) ist zu erkennen, dass die entsprechende Intensitätsmodulation nur in der Umgebung um die Position z0 von Bedeutung ist, wo Referenz- und Messstrahl dieselbe Länge haben und sich kohärent überlagern. Der z-Bereich der Positioniereinheit, in dem die Hüllkurve der Intensitätsmodulation mehr als 1/e des Maximalwertes beträgt, bestimmt die Korrelogrammbreite. Die Korrelogrammbreite entspricht der Kohärenzlänge, da die Differenz der optischen Pfadlänge die doppelte Längendifferenz zwischen Referenz- und Messarm des Interferometers beträgt. Das Verhältnis zwischen Korrelogrammbreite, Kohärenzlänge und spektraler Breite ist im Folgenden für das Beispiel eines Gaußschen Spektrums berechnet. Die normalisierte spektrale Dichtefunktion ist gemäß Gleichung 1 definiert, wobei 2⌬ die effektive 1/e-Bandbreite und die mittlere Frequenz ist. Gemäß dem allgemeinen Wiener-KhintchineTheorem ist die Auto-Korrelationsfunktion des Lichtfeldes gegeben durch die Fourier-Transformation der spektralen Dichte (Gleichung 2), die durch Interferenz der Lichtfelder von Referenz- und Messstrahl gemessen wird. Wenn man den Fall betrachtet, dass die Intensitäten in beiden Interferometerarmen gleich sind, ergibt sich für die Intensität, die auf dem Bildschirm beobachtet werden kann, der in Gleichung 3 angegebene Zusammenhang. Hier ist I0 = Iobj + Iref mit Iobj und Iref als jeweilige Intensitäten am Objektsensor bzw. am Referenzarm. Die mittlere Frequenz 0 = c/0 kann 0/2 ⌱ S() 0 z0 z Bild 3: a) Spektrale Dichtefunktion der Lichtquelle, b) Lichtintensität als Funktion der Objektspiegelposition anhand der zentralen Wellenlänge und die effektive Bandbreite anhand der Kohärenzlänge lc = c/⌬ formuliert werden. Aus den Gleichungen 2 und 3 folgt für die Intensität am Bildschirm der in Gleichung 4 dargestellte Zusammenhang. Dabei muss berücksichtig werden, dass = 2·(z – z0)/c, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Folglich beschreibt Gleichung 4 das Korrelogramm, wie es in Bild 3 (b) dargestellt ist. Man kann erkennen, dass die Intensitätsverteilung durch eine Gaußsche Hüllkurve und eine periodische Modulation mit der Periode 0/2 gebildet wird. Für jedes Pixel wird das Korrelogramm mit einer bestimmten Schrittweite der Gleichung 1 Gleichung 2 Gleichung 3 Gleichung 4 Gleichung 5 Gleichung 6 E31 z-Verschiebung abgetastet. Zusätzlich führen Phasenverschiebungen auf der reflektierenden Oberfläche des Messobjektes, Ungenauigkeiten der Positioniereinheit, Verteilungsdifferenzen zwischen den Armen eines realen Interferometers, Reflexionen von anderen Oberflächen als der Objektoberfläche und Rauschen im Kamerasensor zu einem deformierten Korrelogramm. Daher kann sich ein reales Korrelogramm von dem Ergebnis aus Gleichung 4 unterscheiden, aber das Ergebnis verdeutlicht die starke Abhängigkeit des Korrelogramms von den beiden Parametern Wellenlänge und Kohärenzlänge der Lichtquelle. Die Berechnung des Hüllkurvenmaximums Die Hüllkurve wird durch den exponentiellen Term in Gleichung 4 beschrieben (Gleichung 5). Die Software errechnet die Hüllkurve aus den Korrelogrammdaten. Das Prinzip der Hüllkurvenberechnung besteht darin, den Cosinus-Term aus Gleichung 4 zu entfernen. Mithilfe einer Hilbert-Transformation wird der Cosinus-Term in einen Sinus-Term umgewandelt. Die Hüllkurve erhält man durch Summieren der Potenzen der cosinus- und sinusmodulierten Korrelogramme (Gleichung 6). Für die Berechnung des Hüllkurvenmaximums werden zwei geringfügig unterschiedliche Algorithmen verwendet. Der erste Algorithmus wertet die Hüllkurve des Korrelogramms aus. Der z-Wert leitet sich vom Maximum der Hüllkurve ab. Der zweite Algorithmus wertet zusätzlich die Phase aus. Mithilfe von Automatisierungsschnittstellen (z.B. Makros) kann jeder der beiden Algorithmen verwendet werden. Die Unsicherheit der Berechnung des Hüllkurvenmaximums hängt ab von: Die ganze Bandbreite der Polytec Topographie-Messsysteme TMS-100 TopMap Metro.Lab TMS-600/650 TopMap Pro.Lab Als eine komplette Messstation ist das TopMap Metro.Lab ideal für die Messung großflächiger Topographien nahezu aller Oberflächen geeignet. Die große vertikale Dynamik von 70 mm erlaubt Messungen auch unter schwierigen Bedingungen bei 20 nm Auflösung. Ein sehr gutes Preis-/Leistungsverhältnis macht den Einsatz des TopMap Metro.Lab auch für kleinere Firmen mit geringerem Aufgabenvolumen attraktiv. Für Qualitätsprüfungen im Labor bitet das TopMap Pro.Lab Interferometer-Messungen an nahezu beliebigen Oberflächen von sehr rau bis glänzend, mit einem Höchstmaß an Flexibilität und einer vertikalen Auflösung im Subnanometer-Bereich. Durch intelligente Software-Lösungen können auch stark geneigte Flächen problemlos vermessen werden. Das System erzeugt hochaufgelöste 3D-Bilder mit drei wählbaren Bildfeldern bis ca. 30 mm x 40 mm. TMS-300/320 TopMap In.Line TMS-1200 TopMap µ.Lab Das TopMap In.Line lässt sich vielseitig in der Fertigungslinie montieren und misst vorgegebene Spezifikationen (Ebenheit, Topographie) innerhalb kurzer Taktzeiten. Die Messung selbst ist schnell und vollständig automatisierbar. Die vertikale Auflösung beträgt wenige Nanometer und es sind je nach Aufgabenstellung unterschiedliche Messfelder von 4,2 mm x 5,5 mm bis zu 19 mm Durchmesser verfügbar. Das TopMap µ.Lab ist ein optisches Oberflächenmesssystem auf Basis der bewährten TopMap InterferometerTechnologie mit hoher lateraler Auflösung zu einem attraktiven Preis-/ Leistungsverhältnis. Einfach, schnell und nanometergenau erfasst das neue Messsystem die Topogaphie von Funktionsoberflächen und Mikrostrukturen zur Bestimmung abgeleiteter Parameter, wie Ebenheit, Welligkeit und Rauheit. der Kohärenzlänge, der Abtastschrittweite des Korrelogramms, Abweichungen von den z-Werten gegenüber vorgegebenen Werten (z. B. aufgrund von Schwingungen), dem Kontrast, der Rauheit der Oberfläche. Die besten Ergebnisse werden mit einer kurzen Kohärenzlänge, einer kleinen Abtastschrittweite, guter Schwingungsisolation, hohem Kontrast und einer glatten Oberfläche erzielt. www.topmap.de E32 Fortsetzung von Seite 12 Bei Interferometern mit telezentrischem Aufbau werden typische laterale Auflösungen zwischen 10 µm und 50 µm und Messfeldgrößen im Zentimeterbereich erreicht. Der vertikale Verfahrweg beträgt mehrere Zentimeter, was auch Messungen in tiefen Bohrungen bis zu 70 mm ermöglicht. Damit erschließen sich anspruchsvolle Aufgaben wie Messungen in Vertiefungen, wo es beispielsweise um Abstände zweier Flächen, Parallelitäten oder Planaritäten geht, ebenso Messungen mit größeren Gesichtsfeldern bis zu 50 mm. Die Überprüfung solcher Parameter ist zum Beispiel für die Qualitätskontrolle von Werkstücken in der Automobilindustrie wichtig. Mikroskopische Optik für lateral hochauflösende Messungen Wird eine hohe laterale Auflösung benötigt, bieten sich Mikroskopsysteme an, bei denen der optische Aufbau mitsamt dem Referenzarm in das Objektiv integriert ist (z. B. Mirau-Objektiv). Je nach Objektiv lässt sich eine laterale Auflösung von 1 µm und kleiner erreichen. Ein solches System ist das neue TopMap µ.Lab von Polytec (Seite 22), das die Topographie von Mikrostrukturen schnell erfasst und leistungsfähige Auswertungsmöglichkeiten bietet, beispielsweise bei Messungen an MikroSensoren, -Aktoren und anderen MEMSBauteilen. Auch die Untersuchung von strukturierten Blechen oder von Laufflächen in Kurbelgehäusen sind Beispiele, bei denen eine hohe laterale Auflösung benötigt wird. Standardisierung von Oberflächenmesstechniken Es ist sehr zeitaufwendig, größere Flächen tastend zu vermessen. Daher besteht der dringende Wunsch nach einer schnellen Messmethode. Hier bieten sich allgemein optische Verfahren an. Unterschiedliche Messverfahren erzeugen aber unterschiedliche Ergebnisse für Oberflächenstrukturen und Bild 1: Monitorfolie (links) und polierte Glasoberfläche (rechts) Bild 2: Verschleißverhalten von Bremsscheiben -parameter, da je nach der bei der Messung auftretenden Wechselwirkung zwischen Sensor und Oberfläche verschiedene Grenzflächen erfasst werden. Beim klassischen Tastschnittverfahren können Fehler auftreten, da der mechanische Taster zu kleine oder zu stark zerklüftete Strukturen nicht mehr erkennen oder z. B. weiche Oberflächen beschädigen kann. Optische Messverfahren können diese Schwierigkeiten überwinden. Neue Richtlinien des VDI oder die aktuelle internationale ISO-Normungstätigkeit im Bereich der geometrischen Produktspezifikationen beziehen nun auch andere als die Tastschnittverfahren für Oberflächen ein. Dadurch wird eine Rückführbarkeit gewährleistet und eine Vergleichbarkeit von optischen Messungen hergestellt. Der von Polytec verfolgte Ansatz, mithilfe von einfachen Makro-Programmen werkstückspezifische Mess- und Auswertealgorithmen einzusetzen, erhöht die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Daher ist die Weißlicht-Interferometrie auch bei Routinemessungen ein sehr leistungsfähiges und zuverlässiges Messverfahren für Oberflächenparameter. 13 Beispiel 1: Großflächige Messung mit hoher Genauigkeitsanforderung Die vertikale Auflösung ist bei Weißlicht-Interferometern unabhängig vom horizontalen Gesichtsfeld und damit von der horizontalen Auflösung. Die Beispiele in Bild 1 mit ihren glatten Oberflächen geben einen guten Eindruck davon, welche Höhenauflösungen unter „normalen“ Laborbedingungen möglich sind. Unter optimalen Bedingungen sind sogar Genauigkeiten im Subnanometerbereich erreichbar. Großflächige Messungen sind schnell und es müssen keine sequentiell gemessenen und aneinandergefügten kleineren Bildfelder ausgewertet werden. Untersuchungen von Verschleiß und Abnutzung sind ebenfalls klassische Aufgaben für topographische Messungen, beispielsweise zur Analyse von Fehlerursachen bei der Abnutzung von Bremsscheiben (Bild 2). Beispiel 2: Einrichtung von Maschinen Die Überprüfung der Einrichtung von Bearbeitungsmaschinen ist eine häufig vorkommende Anwendung. Hierbei werden die relevanten Parameter über- Oberflächenmesstechnik den Lochrändern möglich (rechts), wobei das Bildfeld beim 50x-Objektiv auf ca. 180 x 230 µm2 begrenzt ist. Zusammenfassung Bild 3: Lage und Form von zwei Flächen eines Werkstücks zueinander prüft, bevor die Fertigungsserie beginnt, und die Einstellungen der Bearbeitungsmaschinen werden optimiert. Bild 3 zeigt ein bearbeitetes Teil mit zwei untereinander liegenden Flächen. Die untere Fläche in einer Tiefe von ca. 3,4 mm wird hinsichtlich ihrer Parallelität zur oberen Fläche (Mitte) und ihrer Ebenheit (rechts) gemessen. Beispiel 3: Qualitätssicherung – Messungen in der Linie In der Fertigungskontrolle beträgt die Taktzeit meist nur wenige Sekunden und in dieser Zeit muss die Gut/SchlechtAnalyse abgeschlossen sein. Wegen der anspruchsvollen Umgebungsbedingungen benötigt man vollautomatisch arbeitende, wartungsarme Sensoren. Für Toleranzen von ca. 1 µm müssen Genauigkeiten von mindestens 100 nm oder wesentlich besser erreicht werden. Ein typischer automatisierter Messablauf bestimmt beispielsweise an dem in Bild 4 gezeigten Stoßdämpferteil den mittleren Höhenabstand (links) und das eingezeichnete Kreislinienprofil (rechts). Wegen unvermeidlicher Toleranzen bei der Beladung wird zunächst eine sehr schnelle Messung durchgeführt, um den interessierenden Höhenbereich zu finden, der anschließend etwas langsamer, aber genauer vermessen wird. Die Auswertung ergibt die Masken und Abstände für die Profile, außerdem wird eine Fläche rechnerisch mithilfe einer linearen Regression ausgerichtet und die Verkippung der anderen dazu berechnet. Der ganze Vorgang ist nach wenigen, in diesem Fall 4 – 10 Sekunden abgeschlossen. Beispiel 4: Großflächige und mikroskopische Messungen an einer Zerstäuber-Membran Wie oben ausgeführt, hat Polytec für Messungen mit unterschiedlich großen Gesichtsfeldern und damit unterschiedlich großen horizontalen Auflösungen unterschiedliche Messtechniken entwickelt. Bild 5 zeigt das Profil einer Zerstäuber-Membran, gemessen mit einem telezentrischen TopMap Pro.LabGerät (links). Die horizontale Auflösung beträgt hierbei ca. 50 µm bei einem Bildfeld von ca. 40 x 30 mm2; die unter 50 µm kleinen Zerstäuberlöcher werden jedoch nicht aufgelöst. Das TopMap µ.Lab Mikroskopsystem mit einem 20x-Objektiv kann diese Löcher jedoch darstellen und mit dem 50xObjektiv ist sogar die Analyse der Topographie des Auswurfmaterials an Die Weißlicht-Interferometrie ist zu einem wichtigen Werkzeug für die zerstörungsfreie Qualitätsprüfung geworden. Es können Oberflächenparameter bestimmt, Strukturen analysiert oder Fehler detektiert werden. Auch Amplitudensprünge im Profil und Riefen mit großem Aspektverhältnis sind mithilfe der Weißlicht-Interferometrie messbar. Die vertikale Auflösung kann im Subnanometerbereich liegen und ist in der Praxis nur durch die Umgebungsbedingen begrenzt, nicht durch das Messprinzip. Die Anforderungen an die zu vermessenden Oberflächen sind vergleichsweise gering: Es können glatte und raue, stufige und geneigte, dunkle und helle Oberflächen vermessen werden. Da optische Grenzflächen erfasst werden, stört im Gegensatz beispielsweise zu Streiflichtverfahren eine gewisse Transparenz des Werkstückes nicht. Alles dies macht die Weißlicht-Interferometrie zu einem universellen Werkzeug für die Bestimmung der Oberflächentopographie. www.topmap.de Bild 4: Topographie eines Stoßdämpfer-Werkstücks Bild 5: Topographie einer Zerstäuber-Membran bei verschiedenen Maßstäben, aufgenommen mit einem TopMap Pro.Lab (links) und mit einem TopMap µ.Lab (Mitte und rechts) 14 Intelligente Sensor-Arrays Vorbild Natur Schwingungen mit Frequenzen bis zu 10 kHz reagiert. Die mechanischen Rezeptoren erkennen sowohl die Richtung als auch die Dynamik (Frequenz, Geschwindigkeit) von Luftströmen. Messungen Bild 1: Messanordnung Die Grille verfügt über eines der empfindlichsten bisher bekannten Sensorsysteme. Es besteht aus einer Anordnung winziger Haare, die minimale Veränderungen der Luftbewegung registrieren. Sollte es gelingen, ein solches System mithilfe der Mikrosystemtechnik künstlich nachzuahmen, würde dies kleine, hochempfindliche Sensoren ergeben, die mithilfe neuronaler Techniken Informationen aus ihrer Umwelt aufnehmen und bereitstellen können. Einführung Das Verhalten der Sensorhaare, die sich auf den Antennen am Hinterleib der Grille befinden, wird an der University of Reading eingehend untersucht. Die Haar/Basis-Struktureinheit verhält sich wie ein Hörorgan, das auf äußere Für die Messungen wird der Hinterleib der Grille auf einem frei justierbaren Träger befestigt, der im Messfeld des MSA-400 Micro System Analyzers positioniert wird (Bild 1). Die Haare werden durch eine schwingende Membran mit „weißem Rauschen“ angeregt und die resultierenden Schwingungen mit dem Scanning-Laservibrometer des MSA gemessen. Das Vibrometer bestimmt die Schwinggeschwindigkeit und den Schwingweg einzelner Haare in der Beobachtungsrichtung (Bild 2). und bei der Entwicklung technischer Äquivalente nutzbar zu machen, wurden sowohl die Mechanik als auch die Morphologie untersucht. Das Projekt ist noch in einem frühen Stadium, zeigt jedoch schon viel versprechende Ergebnisse. Mechanisch gesehen führen die Haare eine Kombination aus Biegeund Rotationsbewegungen durch, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. In der Folge sollen weitere Parameter, wie Auslenkung, Bewegungsrichtung und Dämpfung der Haare untersucht werden. Bild 2: Typische Frequenzantwort eines Sensorhaars, dargestellt in der Scanning Vibrometer Software Bei der Datenauswertung wird besonderes Augenmerk auf den biologisch signifikanten Frequenzbereich (0 bis 400 Hz) gelegt sowie auch auf den Bereich zwischen 3 und 10 kHz. Hier hatten vorausgegangene Untersuchungen Hinweise auf eine Rotationsbewegung der Haare gegeben. Die Resonanzen der Membran werden durch die Haare eindeutig detektiert. Schlussfolgerungen Um die grundsätzliche Funktion solcher Sensorsysteme in der Natur zu verstehen 15 Prof. George Jeronimidis, Dr. Emma Johnson Centre for Biomimetics, University of Reading, Berkshire, RG6 6AH, England [email protected] Resonanzanalyse Prüfstände auf dem Prüfstand Einsatz eines Polytec Vibrometers zur Resonanzanalyse an Prüfständen für Piezoaktoren von Polytec war dies aufgrund des optischen Messprinzips sehr einfach möglich, wogegen mechanische Sensoren aufgrund ihrer Massenträgheit den Bewegungen ab einer gewissen Frequenz nicht mehr folgen können. Was ist ein Piezoaktor? Bild 1: Schema eines Piezoaktors Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes mit einem namhaften Hersteller von Piezoaktoren wurde das Eigenschwingungsverhalten von Bauteilprüfständen untersucht. Mit dem OFV-503 Laservibrometer Ein Piezoaktor (Bild 1) verformt sich durch eine angelegte Spannung auf der Basis des piezoelektrischen Effekts. Die Dehnung des Aktors ist sehr gering, erfolgt aber mit sehr großer Kraft und Geschwindigkeit. Diese Eigenschaft wird beispielsweise beim Öffnen und Schließen eines Kraftstoff-Einspritzventils in Verbrennungsmotoren genutzt. Durch die rasche und exakte Arbeitsweise des Piezoaktors im Einspritzventil kann eine erhebliche Menge an Treibstoff gespart werden. Bei der Weiterentwicklung des hier untersuchten Aktors arbeitet man daran, die Performance des Bauteils zu steigern. Unterschiedliche Herstellungsparameter werden variiert, danach werden die Bauteile in speziellen Prüfrahmen untersucht. Die Auslenkung des Aktors wird abhängig von verschiedenen Bedingungen gemessen, beispielsweise der angelegten elektrischen Spannung oder der Temperatur. Hierbei soll das Verhalten des Prüfrahmens selbst, d. h. die Eigenschwingungen des Rahmenaufbaus und der Einspannvorrichtung, die Messergebnisse nicht beeinflussen. Messaufbau Mechanische Sensoren, die Bewegungen direkt über einen Metallstift abtasten, können aufgrund der Trägheitskräfte der raschen Bewegung des Aktors nicht Bild 2: Versuchsaufbau mit OFV-503 Vibrometer und schematische Darstellung des Prüfstands 16 Laser Stahlrahmen Metallstift Federsystem Piezoaktor Grundplatte folgen und erweisen sich auch wegen der Auswerteelektronik bei höheren Frequenzen als ungeeignet, wie sich im Rahmen der Untersuchung herausstellte. Deswegen wurde das Eigenschwingungsverhalten des Prüfrahmens mit dem Laservibrometer gemessen. Der Versuchsaufbau bestand aus folgenden Komponenten (Bild 2): Vibrometersystem von Polytec (OFV-503 Einpunkt-Messkopf und OFV-5000 Vibrometer Controller mit DD-200 Wegdecoder) Mechanisches Wegaufnehmersystem und Auswerteelektronik Piezoaktor mit Prüfrahmensystem und Ansteuerungselektronik des Laservibrometers dargestellt. Bei geringen Frequenzen (kleiner als 5 Hz) wird die Auslenkung in sehr guter Übereinstimmung (< 1%) gemessen. Bei hohen Frequenzen kann das mechanische System bzw. der Messverstärker, der die Daten auswertet, der Bewegung nicht mehr folgen. Die Gesamtauslenkung, die in diesem Experiment bestimmt wurde, liegt im Bereich von einigen 10 µm. Bild 5 zeigt eine Schwingungsanalyse des Prüfrahmens bei äußerer mechanischer Anregung. Die Fourieranalyse des Schwingungsbildes belegt, dass dem Rahmen eine eindeutige Eigenfrequenz zugeordnet werden kann. Error [%] 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 0 20 40 60 80 100 120 Frequency [Hz] Bild 4: Vergleich des mechanischen Wegaufnehmers mit dem Laservibrometer (relativer Amplitudenfehler des Wegaufnehmers) Die folgenden Diagramme zeigen einen Vergleich des mechanischen Wegaufnehmers mit dem Laservibrometer und eine Resonanzstudie des Prüfrahmens sowie des Aktors. In Bild 4 ist der Amplitudenfehler des Wegaufnehmers relativ zum Messwert Bild 3: Messfleck des Laservibrometers auf dem Metallstift Amplitude Amplitude Ergebnisse Frequency Time Bild 5: Schwingungsbild des Prüfrahmens (links) und Fourieranalyse (rechts) Amplitude Die Vergrößerung zeigt eine schematische Darstellung des Prüfrahmens zur Charakterisierung von Piezoaktoren. Der Piezoaktor wird zwischen der Grundplatte und einem Federsystem eingespannt. Ein Metallstift berührt den Aktor und bewegt sich entsprechend der Dehnung des Aktors. Das Laservibrometer misst die Bewegung auf der Außenfläche des Stifts (Bild 3). Amplitude Optischer Tisch der Firma Linos (luftgedämpfte Edelstahlplatte mit Wabenkern) Frequency Time Bild 6: Schwingungsbild des Piezoaktors (links) und Fourieranalyse (rechts) In Bild 6 ist eine Schwingungsanalyse des Piezoaktors nach einmaliger kurzer Spannungsanregung des Aktors (Spannungspuls) dargestellt. Der eingespannte Piezoaktor zeigt ebenfalls ein sehr einfaches Schwingungsspektrum. Drei Schwingungsmoden und deren harmonische Oberschwingungen sind zu erkennen. Zusammenfassung Um die Eigenschaften eines Piezoaktors ohne Einfluss des Prüfrahmens selbst erfassen zu können, muss man den Aktor 17 in einem Frequenzbereich fern der Eigenfrequenz des Rahmens betreiben. Die Eigenfrequenzen lassen sich auf einfache Weise mit dem Laservibrometer von Polytec bestimmen. Mit dem Laservibrometer wurden in der Folge auch Messungen direkt am Aktor durchgeführt, um die Eigenschaften des eigentlichen Bauteils zu charakterisieren. Josef Kreith Institut für Struktur- und Funktionskeramik Montanuniversität Leoben, Österreich [email protected] 140 160 Mikrosystemtechnik Excitation Model of the System (A Priori Knowledge) Non-Parametric Analysis Parametric, Constitutive Modeling and Analysis Model Derivation Parameter Estimation Response Estimated Parameters Signal Processing Tested object on Micro System Analyzer Corrective Signals (Feedback) Processed Non-Parametric Response Comparison and Correction Direct Visualization Visualization Enhanced Visualization Model Structure Actual Model Response Generator Model Based Response Model Confidence Indicator MEMS-Bausteine genau betrachtet Bestimmung der realen Systemeigenschaften von Mikrostrukturen Der hier vorgestellte Aufbau eines Universal-Messsystems zur Charakterisierung mikro-elektro-mechanischer Systeme (MEMS) kombiniert LaserInterferometrie und Weißlicht-Profilometrie mit speziellen Programmen zur Signalanalyse und Modellierung. Messungen an mikrogefertigten Biegebalken aus Polysilizium illustrieren die Leistungsfähigkeit des Systems. Einführung Die Entwicklung von MEMS erfordert ein breites Spektrum fortschrittlicher Techniken zur Definition der gewünschten Geometrie- und Materialeigen- schaften. Die realen Eigenschaften können allerdings aufgrund von Fertigungseinflüssen signifikante Abweichungen zeigen, die wegen der kleinen Dimensionen nicht ohne Weiteres ausreichend schnell und genau bestimmbar sind. Berechnete mathematische Modelle sind in der Regel eine gute Möglichkeit, um physikalische Eigenschaften von MEMS-Bauteilen nachzuvollziehen. Allerdings erweist sich dieses Vorgehen oft wegen schwer zu definierender Werte der physikalischen Grundeigenschaften als äußerst kompliziert. Dynamische MEMS-Modelle sind oft numerisch schlecht konditioniert, was ihre Anwendung bei der Entwicklung computergestützter Analyse- und Berechnungsmethoden einschränkt. Da die Fehler inhärent sind, wird mit 18 symbolischen, konstitutiven Modellen sowie Berechnungen mit beliebig anpassbarer Genauigkeit gearbeitet. Deshalb erfordert die experimentelle Untersuchung solcher unzureichend modellierter Systeme präzise Messtechniken, wobei sowohl die Abmessungen der MEMS-Bauteile als auch die Zahlenwerte der physikaBild 1: Vergrößertes Videobild des Biegebalkens lischen Größen (Masse, Dämpfung) sehr klein sind. Berührungsfreie Verfahren wie Laserinterferometrie und Weißlicht-Profilometrie sind wegen ihrer hervorragenden Auflösung und Genauigkeit für Wafer-Level-Messungen sehr gut geeignet. Integrierter Ansatz zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften Die Grafik auf Seite 18 zeigt ein Schema des Messsystems. Der derzeitige Aufbau umfasst Funktionen zur Messung und/oder Abschätzung folgender Parameter: Bewegung, Temperatur und Oberflächentopographie Materialparameter, wie Elastizitätsmodul oder spezifische Dichte Mechanische Parameter, wie Steifigkeit oder Dämpfung Als Messinstrumente kommen vorrangig der MSA-400 Micro System Analyzer oder das MSV-400 Microscope Scanning Vibrometer von Polytec zum Einsatz. Die Messsysteme (Schema Seite 18) ermöglichen zunächst eine nichtparametrische Modalanalyse und Datenvisualisierung, wobei in die Signalauswertung („Signal Processing“) die Anregungsund Messsignale mit eingehen. Der rechte Teil des Schemas umreißt die Anwendung parametrischer Methoden unter Einbeziehung der zugehörigen konstitutiven Modelle. Die Eigenschaften der untersuchten MEMSBauteile bestimmen die Koeffizienten des Modells, die mit den experimentell ermittelten Anregungs- und Antwortsignalen als Randbedingungen berechnet werden. Sobald die Koeffizienten bekannt sind, können die gesuchten physikalischen Eigenschaften ermittelt werden. Das Beispiel im folgenden Abschnitt illustriert, wie wichtig der Abgleich zwischen nichtparametrischen und parametrischen Methoden ist, um die Zuverlässigkeit der Messungen bewerten und die benötigte Präzision genau bestimmen zu können (Schema, unterer Teil). Experimentelle Ergebnisse Eine typische Anwendung des Entwicklungssystems ist die Untersuchung in SUMMiT-Technologie gefertigter MikroBiegebalken, die entweder aus Polysilizium-Schichten des Typs P1 und P2 oder aus der P3-Schicht allein bestehen. Tabelle 1 (Seite 20) gibt die nominalen Bild 2: Sprungantwort des 200 µm-Balkens (links) und Animation der zweiten Schwingmode (rechts) Bild 3: Oberflächentopographie (links) und Verwindung (rechts) gemessen mit dem MSA-400 Analyzer 19 Abmessungen wieder und Bild 1 zeigt ein vergrößertes Videobild (20x-Objektiv) des 200 µm langen P1&P2-Balkens, auf dessen freiem Ende der Messfleck des Lasers zu erkennen ist. Der Signalgenerator des MSA erzeugt ein geeignetes Anregungssignal für den Aktuator, der den Balken zum Schwingen anregt. Damit werden zunächst die „eindimensionalen“ modalen Eigenschaften wie Resonanzfrequenzen oder Dämpfungskonstanten bestimmt. In Bild 2 (links) ist beispielhaft die Sprungantwort des Balkens auf einen Rechteckimpuls dargestellt. Im ScanningModus ermöglicht das MSA die Bestimmung modaler Parameter und die Animation der Schwingmoden (Bild 2, rechts). Dieselben Parameter und Eigenschaften können auch mithilfe des analytischen Modells erzeugt und dargestellt werden (Schema Seite 18). Zusätzlich bietet das MSA die Möglichkeit, Topographien der Proben zu messen (Bild 3). Materialprüfung Tabelle 1: Eigenschaften der untersuchten Strukturelemente Feature P1&P2-Struktur P3-Struktur Breite [µm] 20 20 Dicke [µm] 2,5 2,25 Länge [µm] 200; 300 200 Abstand [µm] 2 6,8 Aktuator [µm] 82 200 Tabelle 2: Vergleich der nominalen, gemessenen und modellierten Eigenschaften (f = Frequenz; = Dämpfungskonstante) Datenquelle Nominal Gemessen Modelliert Schwingmode 1 f1 84 962 Hz 68 706 Hz 68 690 Hz 1 0,182 0,312 0,328 Schwingmode 2 f2 532 447 Hz 443 454 Hz 442 425 Hz 2 0,030 0,045 0,041 Max. Auslenkung 8,5 nm 17,8 nm 17,5 nm Lücke 2 µm variabel variabel Tabelle 2 stellt die wichtigsten Eigenschaften des untersuchten Balkens einander gegenüber: berechnet mit dem idealisierten Modell unter Einsatz der nominalen Parameter experimentell mit dem MSA-400 gemessen berechnet mit einem konstitutiven Modell unter Verwendung der aus den Messwerten abgeleiteten Parameter Im Rahmen der Materialprüfung setzt man zunehmend Hochgeschwindigkeitsmaschinen für Schnellzerreiß- und Durchstoßversuche ein, wobei Polytec In-Plane-Vibrometer seit Jahren zur hochgenauen Geschwindigkeitsmessung dienen. Die Verwendung zweier Vibrometer eröffnet darüber hinaus die Möglichkeit, neben der exakten, rückwirkungsfreien Bestimmung des Geschwindigkeits-Zeit-Verlaufes an der Probe mit Endgeschwindigkeiten bis 50 m/s auch die Dehnung berührungsfrei zu messen. Sowohl bei den Herstellern von HochgeschwindigkeitsPrüfmaschinen, in den Instituten als auch in der Industrie findet diese Methode der Dehnungsmessung zunehmend Beachtung. Zusammenfassung Zielstellung Die Ergebnisse bestätigen die großen Unterschiede zwischen den nominalen und realen Eigenschaften des hier untersuchten Mikro-Biegebalkens. Die wesentlichen Ursachen hierfür sind (1) Abweichungen der Dicke vom nominalen Wert, (2) Verwindung des Balkens aufgrund von Eigenspannung und (3) partielles Mitschwingen der Basis. Die Bestimmung der realen Eigenschaften wird ermöglicht durch die verschiedenen Analysewerkzeuge des Systems, die Verwendung konstitutiver Modelle und Berechnungen mit beliebig anpassbarer Genauigkeit. Diese Methoden nutzen nicht nur die Ergebnisse fortschrittlicher Messtechniken, sondern geben auch wertvolle Hilfestellungen, um die experimentellen Daten richtig zu interpretieren und die Signalerfassung genau passend abzustimmen. Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen war es, auf einem Hochgeschwindigkeits-Zugprüfstand während der Verformung des Prüflings die InPlane-Bewegung an zwei Punkten bei Geschwindigkeiten bis zu ca. 20 m/s mit extrem hoher Bandbreite exakt zu messen und aus dem Geschwindigkeitsunterschied an den beiden Messpunkten die Dehnung zu bestimmen. Dr. Swavik Spiewak, Wenyu Liu · Schulich School of Engineering University of Calgary, Kanada · [email protected] Eric Lawrence · Polytec, Inc., Tustin, CA, USA · [email protected] 20 Dabei sollte das Verfahren unabhängig von unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Objektoberfläche und möglichst unempfindlich gegenüber Objektbewegungen senkrecht zur Messebene sein. Des Weiteren sollte optional bei hohen Temperaturen und Bild 1: Aufbau der beiden In-PlaneVibrometer-Messköpfe auf dem Zugprüfstand (Foto: Zwick/Roell) Spannend bis zum Zerreißen In-Plane-Vibrometer von Polytec helfen bei hochdynamischen Dehnungsmessungen ohne Aufbringen von Markierungen (wie bei anderen optischen Verfahren) gemessen werden können. Zwei Vibrometer müssen synchron bei einem minimalen Messfleckabstand (Referenzlänge) von 5 mm einsetzbar sein. Messaufbau und Ergebnisse Bei den Versuchen wurde die HFVariante des OFV-3320 Controllers mit 250 kHz Bandbreite eingesetzt, wodurch eine extrem hohe Zeitauflösung mit Anstiegszeiten unter 1,8 µs erreicht wird. Bei Zwick/Roell kamen zwei LSV-065-306F Standardoptiken mit minimalen Messfleckabmessungen zum Einsatz (Bild 1), während ein anderer Anwender die Eignung von In-PlaneMessköpfen mit unterschiedlichem Arbeitsabstand (300 mm und 500 mm) sowie unterschiedlicher Fokussierung untersuchte. Das Aufzeichnungsintervall liegt typisch zwischen –10 ms und +15 ms bezogen auf den Start des Zugvorgangs, wobei der eigentlich interessante Dehnungsbereich von ca. 0,5 ms bei ca. +2 ms liegt. Ergebnisse Bild 2 zeigt ein typisches Diagramm eines Zugversuchs an einer Aluminiumprobe. Unter dem Verlauf von Kraft und Kolbengeschwindigkeit sind die mit dem Vibrometer gemessene Oberflächengeschwindigkeit und die daraus rechnerisch abgeleiteten Größen Weg und Beschleunigung dargestellt. Der geforderte Messbereich von 20 m/s für die Geschwindigkeit kann mit dem In-Plane-Vibrometer sicher abgedeckt werden. Der Messkopf mit 500 mm Brennweite ist durch seinen größeren Tiefenschärfebereich einfacher zu justieren, wogegen die 300 mm-Variante einen kleineren Messfleck aufweist, was bei geringeren Referenzlängen von Vorteil ist. Bei einem Einsatz zweier baugleicher Messköpfe ist bei geringeren Referenzlängen um 5 mm eine gegenseitige Beeinflussung nicht auszuschließen. Wählt man zwei Messköpfe mit unterschiedlichen Wellenlängen und entsprechenden optischen Sperrfiltern, wird dieses Problem behoben und Messungen mit minimaler Referenzlänge werden möglich. Zusammenfassung Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Polytec System hervorragend geeignet ist, direkt an der Probe Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerte mit hoher Genauigkeit berührungslos zu gewinnen. Um darüber hinaus Anforderungen an ein stabil arbeitendes Hochgeschwindig21 Bild 2: Ergebnisse eines Zugversuchs keits-Laser-Doppler-Extensometer zu erfüllen, werden noch Modifikationen zur Optimierung sowohl am optischen Aufbau (Tiefenschärfebereich, minimale Referenzlänge) und bei der Signalverarbeitung (Gewinnung eines höchstauflösenden Dehnungswertes) durchgeführt. Es besteht ein hoher Bedarf für derartige Systeme – nicht nur im Bereich der HochgeschwindigkeitsZerreiß- und Stoßversuche. Markus Tobisch · Zwick GmbH & Co. KG [email protected] Produkt-Neuheiten Feinste Details in Nahaufnahme TopMap µ.Lab für MikroTopographie-Messungen Das neue TMS-1200 TopMap µ.Lab ist ein Messmikroskop auf Basis der bewährten TopMap Weißlicht-InterferometerTechnologie zur Topographiemessung auf nahezu allen Arten mikrostrukturierter Oberflächen in der Produktentwicklung und Qualitätskontrolle. Mit seiner hohen räumlichen Auflösung setzt das µ.Lab neue Maßstäbe in der berührungsfreien Topographiemessung. Es wurde speziell zur Charakterisierung der Mikrotopographie funktionaler Oberflächen und Mikrostrukturen entwickelt und ermöglicht mittels Scanning-Weißlicht-Interferometrie schnelle Messungen von Ebenheit, Welligkeit, Rauheit und anderer topographischer Merkmale bei Auflösungen unterhalb 1 nm. Topographien von Objekten, die größer als das Bildfeld sind, Multi-Tool zur MEMS-Analyse Der neue MSA-500 Micro System Analyzer Angesichts der stark zunehmenden Anwendungsvielfalt mikro-elektromechanischer Systeme (MEMS) stellt Polytec mit dem MSA-500 das neueste Modell aus der preisgekrönten Micro System Analyzer-Serie vor. Der neue MSA-500 kombiniert in einzigartiger Weise mehrere leistungsstarke Messtechniken zur Charakterisierung statischer und dynamischer Eigenschaften von Mikrosystemen. Mikroskopische Scanning-Laservibrometrie und Stroboskopische Videomikroskopie dienen zur schnellen und berührungsfreien Bestimmung von Bewegungen bis in den MHz-Bereich, während die Weißlicht-Interferometrie Topographiemessungen mit einer Auflösung bis unter 1 nm ermöglicht. Unter vielen anderen neuen Merkmalen und Optionen bietet das MSA-500 Direkte Erfassung von Geometriedaten für die Schwingungsmessung mittels Geometrie-Scanner 22 können durch Verschieben der Probe und Kombination der Messungen von mehreren Ausschnitten erzeugt werden (Stitching), wobei Verfahrwege bis 50 mm jeweils in x- und y-Richtung verfügbar sind. Die Gesamtoberfläche wird dann in der TMS Software berechnet und dargestellt. Ein Messbeispiel finden Sie in dem Artikel auf Seite 14. www.topmap.de TMS Software Release 2.1 Zu jedem TopMap Weißlicht-Interferometer von Polytec gehört die leistungsfähige TMS Software. Mit neuen Funktionen und Optionen macht die neueste Version TMS 2.1 die Messungen noch schneller und flexibler. Um größere Flächen messen zu können, ist nun das Stitching mehrerer Messungen möglich. Weiter sind neue Linien- und Oberflächenparameter zur direkten Bestimmung genormter Rauheiten und anderer Kennwerte in der neuen Version verfügbar. Topographiemessungen mit höherer Auflösung und vereinfachtem Setup durch neue grüne LED-Lichtquelle mit im Messkopf integrierter Steuerung Größere Auswahl an Objektiven mit größeren Arbeitsabständen Unterstützung externer Anregungssignale PSV Software Release 8.5 In der neuen Version 8.5 der PSV Software für für Scanning-Vibrometermessungen mit MSA-, MSV- und PSVSystemen wurde die Datenerfassung und -auswertung wesentlich erweitert Die zweite Generation Neue Breitband- und Digitaldecoder für das modulare Vibrometer Die messtechnische Verarbeitung des Interferometer-Signals aus einem Laservibrometer-Messkopf ist eine echte Herausforderung. Polytec ist hier Experte sowohl im Hinblick auf das notwendige optische Design, als auch auf die Umwandlung des Hochfrequenzsignals in einen Spannungswert mithilfe hochwertiger Decoder-Technologien. Nahezu 20 Jahre an Entwicklungsarbeit stecken in den Polytec Vibrometer-Controllern bis hin zum modularen OFV-5000 Controller und einer großen Auswahl analoger und digitaler Decoder. Der neue OFV-5000-2G Controller der zweiten Generation wurde für die Aufnahme neuer digitaler, hinsichtlich Bandbreite und Auflösung bahnbrechender Decoder erweitert. Der neue VD-09 Geschwindigkeitsdecoder bietet bei hervorragender Auflösung eine Bandbreite von 2,5 MHz, wobei bis 1,5 MHz der volle Geschwindigkeitsbereich bis 10 m/s abgedeckt wird. 14 Messbereiche, davon acht breitbandige und sechs tiefpassgefilterte, ermöglichen eine effektive, anwendungsspezifische Voreinstellung. einschließlich neuer grafischer Funktionen sowie verbesserter Import- und Exportfilter. Für Modalanalysen mit Mehrfachanregung unter Nutzung der MIMO-Option bietet die neue Version mehr Unterstützung, beispielsweise durch virtuelle Kohärenzen und Principal Inputs. Zusammen mit der neuen Junction Box ist jetzt die Verwendung von vier unabhängigen Anregungssignalen möglich. Für die Desktop-Version, die jetzt auch unter Windows Vista läuft, gibt es Netzwerklizenzen für Arbeitsgruppen, die bequeme Offline-Analysen ohne Hardlock ermöglichen. Wenn es um direkte Wegdecodierung geht, ergänzt der DD-900 Wegdecoder den VD-09. Mit seiner Auflösung von 15 pm bei gleicher Bandbreite und seiner DC-Fähigkeit ist er ein ideales Werkzeug für Hochfrequenzanwendungen. Die digitalen VD-06 und DD-500 Decoder der ersten Generation und die Mehrzahl der analogen Decoder sind weiterhin für Upgrades und spezielle Anwendungen verfügbar. Mehr Funktionen, mehr Flexibilität: VibSoft Release 4.5 VibSoft ist ein umfassendes Soft- und Hardwarepaket zur Datenerfassung und -verarbeitung bei Messungen mit Einpunkt-Laservibrometern. Im neuen Release 4.5 wurde VibSoft wesentlich erweitert, beispielsweise mit erhöhten Frequenzauflösungen für Hochfrequenzsysteme. Die Desktop-Version läuft nun auch unter Windows Vista und ist als Netzwerkversion verfügbar. Kompakt und vielseitig – die Zubehörpalette für OFV-534 Der erfolgreiche Start der neuen kompakten OFV-534 Messköpfe für OFV-5000 und OFV-2500 Controller und dem All-in-one System CLV-2534 wird nun durch ein vielfältiges Angebot an optischem Zubehör abgerundet. www.polytec.de/vibrometer Messaufbau mit VIB-A-520 Teleobjektiv, ideal für Messungen an kleinen Objekten, wie beispielsweise dem hier gezeigten Schreib-/Lesekopf einer Festplatte Neues Zubehör (v. hinten n. vorn): Teleobjektiv; Standardobjektiv; Mikroskop-Objektiv und Beleuchtungseinheit; zwei 90°-Ablenkeinheiten ohne/mit Videobild-Umlenkung PMA Software Release 2.5 parameterdefinitionen sowie erweiterte Funktionen für das Datenmanagement. In-plane-Schwingungen von Mikrostrukturen erfasst der Micro System Analyzer mithilfe einer speziellen videostroboskopischen Technik, wobei die Messung und Auswertung durch die PMA (Planar Motion Analyzer)-Software erfolgt. Für die Version PMA 2.5 wurde in enger Zusammenarbeit mit den Anwendern eine Reihe neuer Leistungsmerkmale implementiert, beispielsweise eine Unterstützung beliebiger externer Anregungssignale, vereinfachte Frequenzband- und Mess23 www.polytec.de/microsystems Events Änderungen der technischen Spezifikationen vorbehalten. OM_IF_InFocus_2007_02_2500_D Messen und Events Optische Messsysteme 22. – 25.10. 2007 testXpo 16. Fachmesse für Prüftechnik Ulm 25. – 26.10. 2007 2. Kongress Biotech-/Pharmaindustrie Frankfurt a. M. 28. – 31.10. 2007 International Ultrasonic Symposium New York, USA 08. – 09.11. 2007 Jahrestagung Stahl 2007 Düsseldorf 15. – 16.11. 2007 3. Kolloquium des Arbeitskreises Prozessanalytik Stuttgart 22.11. 2007 Webinar: Laser-Doppler-Vibrometrie Einführung in die berührungslose Schwingungsmessung Online siehe unten 26.11. – 01.12. 2007 Vibrometer Application Training Waldbronn 20. – 21. 02. 2008 Cluster Workshop OFM Landshut 10. – 13. 03. 2008 DAGA 2008 Dresden 11. - 12. 03. 2008 Stuttgarter Symposium (FKFS) Stuttgart 12. 03. 2008 Fachtagung Optische Mess- und Sensortechnik Gießen 01. – 04. 04. 2008 Analytica 2008 München 15. – 17. 04. 2008 Aerospace Testing Expo 2008 – Europe München 22. – 25. 04. 2008 Control 2008 Stuttgart Alle aktuellen Messe- und Veranstaltungstermine finden Sie im Internet unter www.polytec.de/LM-events Polytec Web Academy Besuchen Sie unsere Webinare im Internet! Impressum Polytec InFocus Magazin für Optische Messsysteme Ausgabe 2/2007 – ISSN 1864-9181 Copyright © Polytec GmbH, 2007 Herausgeber: Polytec GmbH Polytec-Platz 1 – 7 D-76337 Waldbronn V.i.S.d.P.: Dr. Helmut Selbach Redaktion: Dr. Arno Maurer, Dr. Heinrich Steger Produktion: Regelmann Kommunikation Bildquellen: BMW, Nucor Steel, Montanuniversität Leoben, TU Delft, University of Reading, University of Calgary, Polytec, PI, Zwick/Roell, www.flickr.com/singapor3. Sie möchten mehr über die Grundlagen und Potenziale der berührungsfreien Laservibrometrie wissen? Unter http://polytec-de.webex.com bzw. http://polytec.webex.com bietet Polytec Ihnen jetzt OnlineSeminare rund um unsere berührungslose Messtechnik. Registrieren Sie sich frühzeitig für dieses kostenlose Online-Event und erleben Sie eine Live-Präsentation mit unseren Produkt- und Applikationsspezialisten. Die Teilnahme ist selbstverständlich kostenlos und unverbindlich. Polytec GmbH Die nächste Veranstaltung am 22.11. 2007 steht unter dem Titel: Laser-Doppler-Vibrometrie – eine Einführung in die berührungslose Schwingungsmessung. Advancing Measurements by Light Polytec GmbH Polytec-Platz 1-7 76337 Waldbronn Tel.+ 49 (0) 7243 604-0 Fax+ 49 (0) 7243 69944 [email protected] Vertriebs- und Beratungsbüro Berlin Schwarzschildstraße 1 12489 Berlin Tel.+49 (0) 30 6392-5140 Fax+49 (0) 30 6392-5141 www.polytec.de
