Traceable multicomponent force and torque measurement. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (xv, 124 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Ein Gerät, das für die Messung von Kraft- und Drehmomentvektoren eingesetzt wird und ein Kalibriersystem integriert, wird in dieser Arbeit beschrieben. Die Kräfte und Drehmomente werden auf die Messung von Position, Winkel, elektrischer Spannung, elektrischem Widerstand und Zeit zurückgeführt. Hinsichtlich fundamentaler Naturkonstanten können die Kräfte und Drehmomente auf die Planck Konstante h, die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz des Hyperfeinübergangs von Caesium [Delta]v_Cs zurückgeführt werden. Das Messprinzip basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation und die Kalibrierung auf dem Kibble-Waagen Prinzip. Mehrere Schwierigkeiten und Einschränkungen von traditionellen Kalibrierverfahren für Mehrkomponenten-Kraft- und Drehmomentaufnehmer werden mit diesem System überwunden und neue Möglichkeiten werden vorgeschlagen, wie z.B. die automatische Inprozess-Kalibrierung. Mithilfe einer sorgfältigen Unsicherheitsanalyse wird die erreichbare Unsicherheit für die Kraft- und Drehmomentmessung ausgewertet und die Einschränkungen identifiziert, die durch die verschiedenen Komponenten des Systems verursacht werden. Ein Prototyp wird vorgestellt, der die Kraft- und Drehmomentmessung im Bereich vom 2.2 N und 0.11 N m mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 44 ppm bzw. 460 ppm ermöglicht. Weiterhin wurde das System durch die Messung einer bekannten Kraft überprüft, die von einem kalibrierten Testgewicht erzeugt wird. Experimentelle Ergebnisse wurden durch die Anwendung von Mehrkomponentenaufnehmern in der Lorentzkraft-Anemometrie, Mikrobearbeitung und für die Identifikation von Kraft- und Drehmomentmesssystemen erzielt. Auf Verbesserungsmöglichkeiten für die weitere Reduzierung der Unsicherheit bei der Kraft- und Drehmomentmessung mit dem Gerät wird eingegangen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000043
High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2019. - 1 Online-Ressource (XII, 93 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2019
Die Lorentzkraft-Anemometrie wurde als neuartige Methode für die berührungslosen Geschwindigkeitsmessungen leitfähiger Strömungen entwickelt. Die induzierte Lorentzkraft ist proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Mit einem Kraftmesssystem kann die Reaktionskraft der induzierten Lorentzkraft, die auf das integrierte Magnetsystem wirkt, gemessen werden. Dadurch kann die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Eigenschaften der Geschwindigkeitsmessung hängen von den Eigenschaften des Kraftmesssystems ab. Bei Fluiden mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Elektrolyten, liegt die erzeugte Lorentzkraft im Bereich von Mikronewton und darunter. Das Kraftmesssystem unterstützt eine Masse eines Magnetsystems von ca. 1 kg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit ein Kraftmesssystem zu entwickeln, welches auf der einen Seite eine verbesserte Kraftauflösung in horizontaler Richtung für niedrigleitende Elektrolyte aufweist und auf der anderen Seite die Tragfähigkeit der Eigenlast von über 1 kg zur Unterstützung des integrierten Magnetsystems gewährleistet. In vorherigen Arbeiten wurde die Wägezelle nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation (EMK-Wägzelle) in aufgehängter Konfiguration mit dem 1 kg Magnetsystem zur Messung der Lorentzkraft verwendet. Basierend auf verschiedenen Experimenten in dieser vorgestellten Arbeit wird festgestellt, dass aufgrund des mechanischen Aufbaus sowohl Neigungsempfindlichkeit als auch Steifigkeit der EMK-Wägezelle stark von der genutzten Konfiguration und dem Gewicht der unterstützten Eigenlast abhängig sind. Um die durch diese Abhängigkeiten verursachten Einflüsse zu minimieren, wird ein Torsionskraftmesssystem basierend auf dem Prinzip der Torsionswaage entwickelt. Diese ist theoretisch neigungsunempfindlich und behält bei unterschiedlichen Eigenlasten eine konstante Steifigkeit bei. Die Auslenkungsmessungen werden verwendet, um die Ausgangsspannung des Torsionskraftmesssystems sowohl in Positionswerten als auch in Kraftwerten zu kalibrieren. Ein Closed-Loop-Betriebsmodus wird mithilfe eines PID-Reglers aufgebaut, mit dem die Grenzfrequenz von 0,002 Hz auf 0,1 Hz verbessert wird. Ein spezialangefertigter kapazitiver Aktor wird entwickelt, um eine rückführbare elektrostatische Kraft zu erzeugen, die anstelle der elektromagnetischen Kraft verwendet werden kann. Um die elektrostatische Kraft zu kalibrieren, werden drei Methoden genutzt: (a) durch Messung des Kapazitätsgradienten; (b) durch Vergleich mit einer elektromagnetischen Kraft und (c) durch Messung des induzierten Stroms in einem Velocity-Modus. Bei der Datenauswertung wird eine numerische Verarbeitung mit Newton-Polynominterpolation durchgeführt, um die thermischen und seismischen Störungen und Driften während der Messungen zu schätzen und zu korrigieren. Im Vergleich zu vorherigen Arbeiten, wo die Kraftauflösung auf 20 nN und die Eigenlast auf 3 kg begrenzt waren, ist das Torsionskraftmesssystem in der Lage, Kräfte bis zu 2 nN aufzulösen und eine Eigenlast bis zu 10 kg zu tragen. Schließlich wird die sogenannte Halb-Trocken-Kalibrierung am Torsionskraftmesssystem durchgeführt. Die Messempfindlichkeit wird für unterschiedliche Leitfähigkeiten ermittelt. Basierend auf den experimentellen Ergebnissen, zeigt das Torsionskraftmesssystem das Potential, um Messungen mit weiter geringerer Leitfähigkeit bis hinunter zu 0.0064 S/m durchzuführen.
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:ilm1-2019000068
A method for the evaluation of the response of torque transducers to dynamic load profiles. - In: Acta IMEKO, ISSN 2221-870X, Bd. 8 (2019), 1, S. 13-18
http://dx.doi.org/10.21014/acta_imeko.v8i1.654
Insights into the crystallinity of layer-structured transition metal dichalcogenides on potassium ion battery performance: a case study of molybdenum disulfide. - In: Small, ISSN 1613-6829, Bd. 15 (2019), 15, 1900497, insges. 9 S.
Layer-structured transition metal dichalcogenides (LS-TMDs) are being heavily studied in K-ion batteries (KIBs) owing to their structural uniqueness and interesting electrochemical mechanisms. Synthetic methods are designed primarily focusing on high capacities. The achieved performance is often the collective results of several contributing factors. It is important to decouple the factors and understand their functions individually. This work presents a study focusing on an individual factor, crystallinity, by taking MoS2 as a demonstrator. The performance of low and high-crystallized MoS2 is compared to show the function of crystallinity is dependent on the electrochemical mechanism. Lower crystallinity can alleviate diffusional limitation in 0.5-3.0 V, where intercalation reaction takes charge in storing K-ions. Higher crystallinity can ensure the structural stability of the MoS2 layers and promote surface charge storage in 0.01-3.0 V, where conversion reaction mainly contributes. The low-crystallized MoS2 exhibits an intercalation capacity (118 mAh g^-1), good cyclability (85% over 100 cycles), and great rate capability (41 mAh g^-1 at 2 A g^-1), and the high-crystallized MoS2 delivers a high capacity of 330 mAh g^-1 at 1 A g^-1 and retains 161 mAh g^-1 at 20 A g^-1, being one of the best among the reported LS-TMDs in KIBs.
https://doi.org/10.1002/smll.201900497
Android-App zur Nutzung von numerischen Verfahren in der Temperaturmesstechnik. - In: Tagungsband AALE 2018, (2018), S. 337-346
Metrological reliability of thermoelectric nanosensor of quantum temperature standard :
Мetrologična nadijnistь termoelektryčnogo nanosensora kvantovogo etalonu temperatury. - In: Measuring Equipment and Metrology, ISSN 2617-846X, Bd. 79 (2018), 2, insges. 9 S.
While studying the physical foundations of the temperature standard, we obtained a quantum unit of temperature as the value of the temperature jump when one electron-phonon scattering per unit time. We expressed it in terms of the ratio of fundamental physical constants h/kB; it is equal to 3.199 493 42 &hahog; 10-11 K with a relative standard uncertainty of 59.2 &hahog; 10-8. The investigated quantum standard is recommended for use as an "intrinsic standard", which does not require continuously repeated measurements (to check its accuracy) in relation to the current unit of temperature. The possibility of the introduction of standard quantum temperature requires paying significant attention to the I (current) - T (temperature) converting element as unique electronic device that is subject to significant stress during operation. Considering its nanosized dimensions, since this element is made on the basis of CNTFET by transforming it into a nanosized thermocouple (source and drain) with a superconducting CNT gate as the thermocouple junction, we foresee particularly stringent requirements for this element.
https://doi.org/10.23939/istcmtm2018.02.020
Selective pattern transfer of nano-scale features generated by FE-SPL in 10 nm thick resist layers. - In: American journal of nano research and applications, ISSN 2575-3738, Bd. 6 (2018), 1, S. 11-20
High performance single nanometer lithography is an enabling technology for beyond CMOS devices. In this terms a novel mask- and development-less patterning scheme by using electric field, current controlled Scanning Probe Lithography (FE-SPL) in order to pattern structures on different samples was developed. This work aims to manufacture nanostructures into different resist by using FE-SPL, whereas plasma etching at cryogenic temperatures is applied for an efficient pattern transfer into the bottom Si substrate. The challenge for future quantum devices, generated by SPL and cryogenic etching, is finding a resist that is at most 10 nm in thickness and has a plasma durability high enough for pattern transfer into silicon. As a first step towards future quantum devices the silicon-to-resist selectivity of calixarene, AZ Barli, poly (3-hexylthiophen-2, 5-diyl) and polymethylmethacrylat for the anisotropic cryogenic dry etching process was estimated. A silicon-to-resist selectivity of about 4:1 for each of these resists was found. With these results, nano-scale, highly parallel double line features in silicon for future double patterning were generated.
https://dx.doi.org/10.11648/j.nano.20180601.12
Das neue Positionierungssystem am Nanometerkomparator der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2018. - 1 Online-Ressource (X, 147 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2018
Der Nanometerkomparator (NMK) ist ein nationales Normal der Bundesrepublik Deutschland zur metrologischen Weitergabe der Längeneinheit gemäß der Definition des Internationalen Einheitensystems. Er wird zur Kalibrierung von Strichmaßstäben, Photomasken und interferometrischen Messsystemen über eine Länge von bis zu 550 mm eingesetzt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines neuen Positionierungssystems für dieses Referenzsystem. Das Ziel ist eine Optimierung der Positionserfassung und eine präzisere Positionierung von Längenmaßverkörperungen im stationären und dynamischen Zustand. Bei der Konzeption des NMK wurde bereits auf die Einhaltung wesentlicher Designparadigmen im Präzisionsmaschinenbau geachtet, um minimale Messunsicherheiten zu erzielen. Um die Leistungsfähigkeit in dieser Hinsicht weiter zu erhöhen und somit steigenden Anforderungen zu entsprechen, wurden Antriebs-, Steuerungs- und Wegmesssystem weiterentwickelt und ihre Abstimmung optimiert. Das Fundament bildete die Entwicklung einer Auswerteelektronik für die interferometrischen Messsysteme am NMK, deren Auswerteverfahren an die Betriebsbedingungen am Nanometerkomparator angepasst wurde und ein Auflösungsvermögen im Sub-Pikometerbereich gewährleistete. Das bestehende Antriebssystem wurde durch einen Feintrieb ergänzt, um Störungen des Antriebssystems über eine feldkraftschlüssige Verbindung mit hoher Steifigkeit zu unterdrücken. Zur Bahnsteuerung der Achsbewegungen wurde ein dezentrales Steuerungssystem geschaffen, welches Rückkopplungsdaten von der Auswerteelektronik des im NMK integrierten Vakuum-Interferometers erhielt und mit einer Unterteilung von einem Pikometer verarbeitete. Die Lageregelung für die neu geschaffene Feintriebachse wurde mit einer iterativen Reglersynthese entworfen und führte zu einem zweistufigen Regelungskonzept. Untersuchungen des geschlossenen Regelkreises zeigen auf, dass niederfrequente Störungen in erheblichem Maße unterdrückt werden und die 127 kg schwere Vorschubmechanik mit Frequenzen von bis zu 145 Hz ausgeregelt wird. Anhand experimenteller Untersuchungen wurde ein signifikant verbessertes Positioniervermögen nachgewiesen, wobei Standardabweichungen im stationären und dynamischen Zustand von weniger als 0,3 nm erreichbar sind. Darüber hinaus wurde bei Vergleichsmessungen mit einem Encoder-System nachgewiesen, dass eine Wiederholbarkeit von 0,05 nm und eine Reproduzierbarkeit von 0,28 nm bei Anwendung eines ungetriggerten Aufnahmeverfahrens technisch umsetzbar sind. Es wird zudem gezeigt, dass sowohl die Anpassungen hinsichtlich der Positionserfassung als auch das neue Positionierungssystem zur Erzielung dieser Leistungsfähigkeit beitragen.
https://www.db-thueringen.de/receive/dbt_mods_00039102
Modellierung der Drehsteifigkeit dünner Festkörpergelenke in der Präzisionsgerätetechnik. - In: Jahrbuch Optik und Feinmechanik, ISSN 0075-272X, Bd. 64 (2018), S. 139-165
Festkörpergelenke werden seit langem in verschiedensten Bereichen der Feinwerktechnik eingesetzt, besonders dort, wo erhöhte Anforderungen an die Präzision bestehen. Beispiele dafür sind Präzisionswaagen und Massekomparatoren, die bereits eine beeindruckende Leistungsfähigkeit erreicht haben. Dies ist nicht zuletzt auf die genaue Kenntnis der mechanischen Eigenschaften und deren Modellierung zurückzuführen. Dennoch ergeben viele in der Literatur verfügbare analytische Modellgleichungen zur Berechnung der Drehsteifigkeit der hier typischen, besonders dünnen Festkörpergelenke eine Abweichung von rund 10 % gegenüber dem 3D-Modell basierend auf der Finiten-Elemente-Methode. Dies wird anhand der genauen Betrachtung des Spannungszustandes im belasteten Gelenk aufgezeigt und ist ein relevanter Aspekt für die Entwicklung von Geräten für Präzisionsanwendungen und deren Justierung. Der Beitrag beleuchtet dieses Phänomen im Detail, zeigt Grenzen verschiedener Modellansätze in Abhängigkeit der Geometrie auf und bietet dem Leser einen Vorschlag zur präzisen Modellierung in einem großen Parameterraum an, die ohne eine aufwändige Finite-Elemente-Analyse auskommt.
On the design of long range multiaxial nanofabrication machines based on Cartesian nanopositioning systems with additional ultra precision rotations. - In: 33rd ASPE Annual Meeting, ISBN 978-1-887706-77-3, (2018), S. 527-532
As result of a comprehensive literature survey, the majority of nanopositioning and nanomeasuring machines (NPMMs) are based on three independent linear movements in a Cartesian coordinate system with a repeatability in the nanometer range. This in combination with the specific nature of sensors and tools (further on summarized as tool) limits the addressable part geometries. Depending on the tool in use, spherical and aspherical geometries as well as free-form surfaces cannot be measured or only to a certain limit. This article contributes to the enhancement of multiaxial machine structures by the implementation of rotational movements while keeping the precision untouched. A systematic parameter based dynamic evaluation approach was developed for the creation and selection of adequate machine structures for multiaxial nanopositioning systems (DOF>3). To support the selection, detailed parameter sets are generated containing explicit moving ranges, uncertainties, resolutions, reproducibilities and costs. The parameter sets are further detailed with derived characteristics such as deformations, vibrations or thermal influences due to the additional rotations based on FEA-models and verified experimental data. This approach is also applied to the rotation of the sample. The results are compared to those of the tool rotation and mixed versions. After all, the knowledge gained, is formed into general rules for the verification and optimization of design solutions for multiaxial nanopositioning machines. Out of these investigations, a rotation of the tool is a favourable solution. Kinematics with a high degree of fulfilment consider a common instantaneous center of rotation in the tool center point (T). Compared to a fixed tool position this leads to shifting deviations of (T) due to deformations of the frame depending on the actual mass distribution. In addition, deviations of (T) are caused by vibrations and thermal influences of the positioning system. The strict separation of the force frame and the metrology frame, thermal shielding and direct measuring systems for the deviation of (T) can compensate the effects that are dependent on the selected overall structure and positioning system.