Neuartiges monolithisches Tiltmeter mit Nanorad Auflösung :
Novel monolithic pendulum tiltmeter with nanorad resolution. - In: Technisches Messen, ISSN 2196-7113, Bd. 85 (2018), 4, S. 244-251
Tiltmeters with nanorad resolution in a large measurement range of ±9 mrad (±0.5˚) and a very good linearity have been developed at the Technische Universität Ilmenau in the recent years. The working principle bases on the measurement of tilt-dependent lateral forces, which act on a hanging force-compensated weigh cell (precision balance). The disadvantage is the relatively complex design of the weigh cell mechanics, the large dead weight and the high manufacturing costs. - For that reason a simplified tiltmeter was developed. It only consists of two components: a monolithic pendulum mechanics and an optical position sensor. State of the art pendulum tiltmeters contain several components that are linked by screwed, clamped or glued connections. This can limit the long-term-, temperature- or humidity stability of the tiltmeter. - The position sensor achieves a standard deviation of ˜50 pm at a measuring frequency of 10 Hz. The length of the pendulum amounts to 0.1 m, its mass is ˜62 g. With this combination, the theoretical standard deviation of the tilt measurement should result to ˜0.6 nrad at 10 Hz measuring frequency and was approved by measurements. The measurement range of the new monolithic tiltmeter amounts ˜±2 mrad.
https://doi.org/10.1515/teme-2017-0097
Transfer characteristics of optical profilers with respect to rectangular edge and step height measurement. - In: Optical Measurement Systems for Industrial Inspection X, (2017), Seite 1032916-1-1032916-16
Optical profilers are mature instruments used in research and industry to study surface topography features. Although the corresponding standards are based on simple step height measurements, in practical applications these instruments are often used to study the fidelity of surface topography. In this context it is well-known that in certain situations a surface profile obtained by an optical profiler will differ from the real profile. With respect to practical applications such deviations often occur in the vicinity of steep walls and in cases of high aspect ratio. In this contribution we compare the transfer characteristics of different 3D optical profiler principles, namely white-light interferometry, focus sensing, and confocal microscopy. Experimental results demonstrate that the transfer characteristics do not only depend on the parameters of the optical measurement system (e. g. wavelength and coherence of light, numerical aperture, evaluated signal feature, polarization) but also on the properties of the measuring object such as step height, aspect ratio, material properties and homogeneity, rounding and steepness of the edges, surface roughness. As a result, typical artefacts such as batwings occur for certain parameter combinations, particularly at certain height-to-wavelength ratio (HWR) values. Understanding of the mechanisms behind these phenomena enables to reduce them by an appropriate parameter adaption. However, it is not only the edge artefacts, but also the position of an edge that may be changed due to the properties of the measuring object. In order to investigate the relevant effects theoretically, several models are introduced. These are based on either an extension of Richards-Wolf modeling or rigorous coupled wave analysis (RCWA). Although these models explain the experimental effects quite well they suffer from different limitations, so that a quantitative correspondence of theoretical modeling and experimental results is hard to achieve. Nevertheless, these models are used to study the characteristics of the measured signals occurring at edges of different step height compared to signals occurring at plateaus. Moreover, a special calibration sample with continuous step height variation was developed to reduce the impact of unknown sample properties. We analyzed the signals in both, the spatial and the spatial frequency domain, and found systematic signal changes that will be discussed. As a consequence, these simulations will help to interpret measurement results appropriately and to improve them by proper parameter settings and calibration and finally to increase the edge detection accuracy.
https://doi.org/10.1117/12.2270185
Ganzheitliche Erfassung von Gewinden als Antwort auf gesteigerte Messunsicherheitsanforderungen. - In: Messunsicherheit praxisgerecht bestimmen und Prüfprozesse in der industriellen Praxis, (2017), S. 207-215
Vergleich von FEM-Simulations- und Messergebnissen unter Berücksichtigung ihrer Unsicherheiten : am praktischen Beispiel des Modells einer Fixpunktzelle zur Kalibrierung von Berührungsthermometern. - In: Messunsicherheit praxisgerecht bestimmen und Prüfprozesse in der industriellen Praxis, (2017), S. 123-138
Eine praktische Durchführung, realisiert mit kommerzieller Software, zur Ermittlung der Unsicherheit einer numerischen thermischen Simulation mit FEM wird in diesem Beitrag vorgestellt. Hintergrund davon ist die Prognosefähigkeit dieses FEM-Modells anhand seiner Validierung mit Messungen unter Berücksichtigung ihrer Reproduzierbarkeiten zu Berechnen und daraus die Güte oder Wahrscheinlichkeit der Übereinstimmung von Mess- und Simulationsergebnissen unter Berücksichtigung ihrer Unsicherheiten in drei unterschiedlichen Szenarien zu finden, mit unbekannten Messergebnissen, mit bekannten Messergebnissen und nicht vollständig bekannten Randbedingungen und mit bekannte sowohl Messergebnissen als auch Randbedingungen. Der Vergleich der Ergebnisse wird mit einer Erweiterung der Area-Metrik Methode gemacht.
Neues miniaturisiertes und monolithisches Tiltmeter mit Nanorad Auflösung. - In: 77. Jahrestagung der Deutschen Geophysikalischen Gesellschaft, (2017), S1.1-001, Seite 148-149
Das Ziel der vorgestellten Arbeiten ist die Entwicklung eines temperatur- und langzeitstabilen, einfach zu handhabenden und zu niedrigen Kosten herstellbaren Tiltmeters mit der Auflösung von 1 nrad. Neigungsmessungen mit Nanorad Auflösung sind in der Geophysik weit verbreitet. Sie sind aber auch in anderen Bereichen von Wissenschaft und Technik wie der hochpräzisen Kraftmess- und Wägetechnik von Bedeutung. In den vergangen Jahren wurden an der TU Ilmenau Tiltmeter mit Nanorad Auflösung entwickelt. Diese Tiltmeter basierten auf der Messung von neigungsbedingten Querkräften, die auf hängend gelagerte Präzisionswägezellen wirken. Der Vorteil dieses Messprinzips sind der sehr große Messbereich von ± 9 mrad (± 0,5˚) und die sehr gute Linearität. Der Nachteil ist die vergleichsweise große Komplexität der Mechanik, das hohe Eigengewicht und die hohen Herstellkosten. Aus diesem Grund wurde ein vereinfachtes Tiltmeter entwickelt, welches nur aus zwei Bauteilen besteht: einer monolithischen Pendelmechanik und einem optischen Wegsensor. Die monolithische Pendelmechanik ist durch ein Festkörpergelenk realisiert. Das Kerbgelenk besitzt eine minimale Dicke von 50 [my]m womit sich eine Drehfedersteifigkeit des Gelenks von ct = 7 &hahog; 10-3 Nm/rad ergibt. Mit dem optischen Wegsensor wird eine Standardabweichung der Wegmessung von ˜ 50 pm bei einer Messfrequenz von 10 Hz erreicht. Die Pendellänge beträgt 0,1 m, die Masse des Pendels ˜ 60 g. Damit kann eine theoretische Standardabweichung der Neigungsmessung von ˜ 0,6 nrad bei 10 Hz Messfrequenz erreicht werden. Durch die natürlich vorhandenen Neigungen und Querbeschleunigungen ist diese Standardabweichung mit dem Tiltmeter nicht erreichbar. Am Aufstellort an der TU Ilmenau wurde eine Standardabweichung bei 0,1 s Integrationszeit von ca. 11 nrad erreicht. Diese konnte bei Integrationszeiten von > 30 s auf < 1,5 nrad reduziert werden. Der Messbereich des neuen monolithischen Tiltmeters beträgt ˜ ± 2 mrad. Weitere Messungen, insbesondere der Langzeitstabilität sind geplant und werden unter anderem in Moxa durchgeführt werden.
National comparison of spring constant measurements of atomic force microscope cantilevers. - In: Measurement facing new challenges, (2017), S. 222-227
This paper illustrates a comparison of spring constant measurements between Technische Universität Ilmenau (TU Ilmenau) and Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). For the traceable comparison, an atomic force microscope (AFM) cantilever with a nominal stiffness of 40 N/m was chosen as the transfer artefact. The determined spring constants differ less than 1 %. The measurement uncertainty was ≤ 4 % (k = 2) and hence conforms to the state of the art of AFM cantilever spring constant measurements. The main uncertainty contribution is due to the cantilever itself (simple bending beam) rather than to the measurement of force and deformation.
Static and dynamic identification of multi-component force and torque sensors. - In: Measurement facing new challenges, (2017), S. 77-80
Investigation to the tilt sensitivity of the Lorentz force velocimetry system for the flow rate measurement of low conducting fluids. - In: Measurement facing new challenges, (2017), S. 343-346
Neues miniaturisiertes monolithisches Tiltmeter mit Nanorad Auflösung. - In: Tagungsband der 5. Tagung Innovation Messtechnik, (2017), S. 24-28
In den vergangen Jahren wurden an der TU Ilmenau Referenzneigungsmesssysteme (Tiltmeter) mit Nanorad Auflösung, einem sehr großen Messbereich von ± 9 mrad (± 0,5˚) und sehr guter Linearität entwickelt. Diese Referenztiltmeter basieren auf der Messung von Neigungsbedingten Querkräften, die auf hängend gelagerten Präzisionswägezellen wirken. Deren Nachteil ist die vergleichsweise große Komplexität der Mechanik, das hohe Eigengewicht und die hohen Herstellkosten. Aus diesem Grund wurde ein vereinfachtes Tiltmeter entwickelt, welches nur aus zwei Bauteilen besteht: einer monolithischen Pendelmechanik und einem optischen Wegsensor. Mit dem Wegsensor wird eine Standardabweichung der Wegmessung von ˜ 50 pm bei einer Messfrequenz von 10 Hz erreicht. Die Pendellänge beträgt 0,1 m, die Masse des Pendels ˜ 60 g. Damit kann eine theoretische Standardabweichung der Neigungsmessung von ˜ 0,6 nrad bei 10 Hz Messfrequenz erreicht werden. Der Messbereich des neuen monolithischen Tiltmeters beträgt ˜ ± 2 mrad.
Einsatz von Monte-Carlo-Methoden zur Bestimmung der Kennlinienunsicherheit : Anwendung auf die Berechnung der Unsicherheit von Thermometerkennlinien. - In: Messunsicherheit praxisgerecht bestimmen und Prüfprozesse in der industriellen Praxis, (2017), S. 151-162