Kontaktlose interferometrische Dehnungsmessung

Fangjian Wang, M.Sc.

Der Sensor wird im Rahmen eines ZIM-Projekts in Kooperation mit der SincoTec GmbH erforscht.

Stand der Technik / Motivation

• Konventionelle Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen (DMS)
  • Messabweichung durch Kontaktierung (Klebstoff)
  • Empfindlich auf Dehnung quer zur Messrichtung
  • Einflüsse von Temperatur an der Messstelle
  • Aufwändiger Messaufbau mit mehreren Messpunkten
• Aktuelle optische kontaktlose Dehnungssensoren, z.B. Digital Image Correlation (DIC)
  • Geringe Abtastrate
  • Höheres Rauschen
  • Kein elektrisches Echtzeitmesssignal wegen Datennachverarbeitung

Methoden

• Sensorprinzip der In-Plane-Laser-Doppler-Vibrometerie auf die Dehnungsmessung übertragen
• Ein Streifenmuster wird durch zwei sich auf der Messoberfläche kreuzenden Laserstrahlen erzeugt. Die Bewegung des Streukörpers durch das Streifenmuster bildet die Intensitäts- modulation, deren Frequenz proportional zur Geschwindigkeit senkrecht zur Streifen ist. In-Plane Auslenkung jedes Messpunkts ist proportional zur Integration der Frequenz. Die Dehnung ergibt sich aus der Differenz der Auslenkung an zwei Messpunkten bezogen auf den Abstand.

Problem von Specklerauschen und Signalaussetzer:

• Geringe Lichtleistung wegen Dunkel Speckle – Specklerauschen
• Träger-Rausch-Verhältnis (C/N) des Detektorsignals fällt unter die Frequenzmodulationsschwelle (FM-Schwelle) – Signalaussetzer
• Bei Signalaussetzer Rauschen > Signalleistung, Dehnung nicht messbar

Lösungsansatz von Polarisationsdiversität:

• Für jeden Messpunkt zwei Fotodetektor erfasst Licht in den orthogonalen Polarisationszuständen
• Stochastisch unabhängigen Detektorsignale
• Wahrscheinlichkeit für zwei gleichzeitige Signalaussetzer ist deutlich geringer als für einen einzelnen Aussetzer

• Entwurf des Prinzips eines neuartigen kontaktlosen Dehnungssensors
• Simulation des optimalen Sensoraufbaus
• Realisierung eines Versuchsaufbaus des Sensors
• Integration des Dehungssensors in Resonanzprüfmaschine von SincoTec
• Der optische Sensor liefert vergleichbare Messergebnisse wie ein Dehnungsmessstreifen

Stand der Technik / Motivation

• Dehnungsmessung beim Hochgeschwindigkeitszerreißprüfung mit einer Geschwindigkeit von 30 m/s, Aufreißvorgang in nur wenigen ms oder µs
• Konventionelle Messverfahren wie Dehnungsmessstreifen (DMS) oder Speckle-Korrelation nicht geeignet
• Laser-Doppler-Dehnungssensor mit der hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung, geeignet für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsmessungen

Versuchsaufbau

• Laser-Doppler-Dehnungssensor in einer Hochgeschwindigkeitszerreißprüfmaschine von Sincotec GmbH

• Realisierung des Sensoraufbaus mit Signaldiversität. Einfluss von Signaldropout und Specklerauschen wird reduziert.
• Verbesserung des Signal-Rauschen-Verhältnis (SNR). Die hohe Rissgeschwindigkeit von 30 m/s erfordert eine sehr hohe Demodulationsbandbreite des Dehnungssensors. Das SNR sowie die Auflösung ist nicht schlechter als bei Dehnungsmessung in Betriebsfestigkeitsprüfung trotz der sehr hohen Bandbreite.

Veröffentlichungen

1. F. Wang, S. Krause, und C. Rembe:
   Signal diversity for the reduction of signal dropouts and speckle noise in a laser-Doppler extensometer
   ^{In: Measurement: Sensors, 2022. DOI: 10.1016/j.measen.2022.100377.}
2. F. Wang, S. Krause, J. Hug and C. Rembe:
   A Contactless Laser Doppler Strain Sensor for Fatigue Testing with Resonance-Testing Machine
   ^{In: Sensors 2021, 21(1), 319. DOI: 10.3390/s21010319.}
3. F. Wang and C. Rembe:
   Kontaktloser interferometrischer Dehnungssensor.
   ^{In: Tagungsband 3. Niedersächsisches Symposium Materialtechnik. pp. 51-65, 2019. DOI: 10.21268/20190312-3}
4. F. Wang and C. Rembe:
   Entwurf eines kontaktlosen interferometrischen Dehnungssensors.
   ^{In: tm - Technisches Messen. Vol. 85, Issue s1, pp. 117-123, Sept 2018. DOI: 10.1515/teme-2018-0045.}