Dissertationen

Diese Promotionsschrift befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des Wärmetransports und Stofftransfers feuchter Luft mit Phasentransition an einer Oberfläche. Eine Motivation hierfür gibt unter anderem das vermehrte Auftreten von unerwünschter Kondensation innerhalb von Automobilscheinwerfern. Hierzu wird ein experimenteller Aufbau vorgestellt, der die physikalischen Prozesse abbildet, die für die Tropfenkondensation und die Verdampfung von Tropfen relevant sind. Der in dieser Arbeit untersuchte Parameterbereich umfasst 200 < Re < 1300, bei 0 < Gr < 108 und relative Luftfeuchten von 0.19 < ϕein < 0.85 (bei 25 ◦C). Das Geschwindigkeitsfeld im Zellinneren wurde mittels tomografischer Particle Image Velocimetry gemessen. Die Ergebnisse einer probabilistischen Analyse und einer Hauptkomponentenanalyse werden präsentiert. Hierbei zeigt sich, dass die erzwungene Strömung den internen Wärme- und Stofftransport dominiert, höhere Temperaturgradienten jedoch zu einer Stabilisierung beziehungsweise Symmetrieerhöhung der großskaligen Strömung führen. Zur Bestimmung des Massentransfers beim Kondensieren und Verdampfen werden drei Messmethoden vorgestellt. Die erste bilanziert die Menge an Wasser an Ein- und Auslass, die zweite wiegt die Wassermasse direkt, während die dritte Konturen einzelner Tropfen mittels eines Mikroskops misst. Die ersten beiden liefern Aussagen über die globale Entwicklung der Masse auf der Kühlplatte. Die optische Methode eröffnet Einblicke in die lokale Tropfendynamik. Auf Basis dieser Messergebnisse wird die Skalierung der Sherwood-Zahl in Abhängigkeit von der Reynolds-Zahl und der relativen Luftfeuchte am Einlass untersucht. Zusätzlich wurde eine dimensionslose Beschreibung des Anwachsens und Schrumpfens von Einzeltropfen auf der Oberfläche formuliert. Die Messergebnisse des sensiblen und des latenten Wärmestroms werden abschließend in einem 1D-Modell reproduziert, validiert und auf den konkreten Betriebsfall eines Serienscheinwerfers angewendet.

In dieser Dissertation wird die Entwicklung einer modifizierten und verbesserten Version eines Kraft-Weg-Messsystems auf Basis der elektromechanischen Waage vorgestellt, mit der Möglichkeit, die gemessenen Kräfte im Bereich von 50 nN bis 1 mN künftig auf die elektrischen SI-Einheiten zurückzuführen. Die Hauptmessmethode der Vorgängerversion des Systems war das elektromagnetische Prinzip der Kraftkompensation (EMFC) unter Verwendung der statischen und dynamischen Methoden der Kraftkonstantenkalibrierung. In dieser Studie wurde durch den Austausch des elektromagnetischen Aktuators und die Integration eines automatischen Lade-/Entladesystems eines bekannten Kalibriergewichts auf der Waage zur statischen Kalibrierung der elektromagnetischen Kraftkonstante im Vakuum die Unsicherheit des Absolutwerts der Kraftkonstante um den Faktor 1,5 reduziert. Außerdem wurde ein elektrostatischer Aktuator in Form eines Dreiplatten-Differentialkondensators in das System integriert, wodurch die dynamische Kalibrierung der elektromagnetischen Kraftkonstante deutlich verbessert werden konnte. Über und unter der Waage, die die elektrisch geerdete bewegliche Platte darstellt, wurden zwei flache Plattenelektroden mechanisch befestigt. Dieser Aktuator wurde mit vier verschiedenen Methoden kalibriert, von denen drei statisch (Kompensation eines Referenzgewichts, Messung eines Kapazitätsgradienten, Kompensation einer elektromagnetischen Referenzkraft) und eine dynamisch (Messung eines induzierten Stroms) sind. Die Ergebnisse umfangreicher Messungen aller Methoden zeigen eine gute Übereinstimmung untereinander und mit den analytisch berechneten Werten. Im Rahmen der Studie wurden verschiedene Konzepte, Regelungssysteme und Regelungen implementiert und schließlich teilweise zur Regelung der Mess- und Kalibrierprozesse angepasst. Insbesondere wurden alle analogen, hybriden analog-digitalen und nur digitalen PID-Regler getestet, in das System integriert und die Ergebnisse verglichen. Basierend auf den Testergebnissen wurde ein Mikrocontroller für den Dauereinsatz ausgewählt, der den Zeitaufwand für die Kalibrierung deutlich reduzierte und die Systemleistung verbesserte. Das System wurde verwendet, um die Steifigkeit verschiedener Cantilever und MEMS auf der Grundlage der Kraft-Weg-Kurvenmessungen zu messen. Ein sehr weicher Cantilever mit einer Steifigkeit von weniger als 15 mN/m wurde nach dem Kompensationsprinzip elektromagnetischer und elektrostatischer Kräfte gemessen, die gesamte relative Unsicherheit der gemessenen Steifigkeit betrug 1,32 % bzw. 1,68 % (k = 2). Dies bestätigte die Möglichkeit, den elektromagnetischen Aktor durch einen elektrostatischen zu ersetzen, um Kräfte im Bereich von 50 nN bis 1 μN zu messen.

Arbeiter können zur Prävention muskuloskelettaler Erkrankungen durch industrielle Exoskelette im Berufsalltag unterstützt werden. Dabei können aus dem Oberflächenelektromyogramm (OEMG) gewonnene Informationen verwendet werden, um die Ansteuerung des Exoskeletts zu verbessern. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Machbarkeit einer OEMG-basierten Erkennung der Bewegungsintention sowie einer Schätzung der muskulären Ermüdung unter den Randbedingungen einer technischen Anwendung im industriellen Arbeitsumfeld zu untersuchen. Aus den Erkenntnissen zu den betrachteten physiologischen Abläufen kann zunächst ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet werden. Es werden OEMG-Daten der Schulter- und Armmuskulatur sowie die Kinematik von 66 Probanden (32 m., 34 w., 50 (20-37 J.), 16 (45-60 J.), 17 Linkshänder) bei Bewegungen entsprechend der Randbedingungen des technischen Anwendungskontextes aufgezeichnet und mittels eigens entwickelter Methodik (teil-)automatisch für die weitere Verwendung aufbereitet. Mittels Hüllkurven werden OEMG-Muster für unterschiedliche Bewegungsrichtungen identifiziert. Die OEMG-Verläufe bei statischen sowie zyklisch-dynamischer ermüdender Tätigkeiten werden systematisch gekennzeichnet und mit dem physiologischen Prozessverständnis der muskulären Ermüdung abgeglichen. Zusätzlich wird das OEMG auf intra- sowie interindividuelle Variabilität untersucht. Bei diesen Untersuchungen zeigt sich eine ausreichende Reproduzierbarkeit und Systematik zur automatisierten Signalverarbeitung. Aus den wissenschaftlich bekannten Methoden werden geeignete für die OEMG-Onset-Detection ausgewählt, auf die erhobenen Daten angewandt und bewertet. Als Referenz für den Bewegungsbeginn werden dabei kinematische Daten verwendet. Die beste Methode (TKEO+CFAR) erreicht dabei 91 % Sensitivität, 93 % Präzision und Zeitdifferenzen von 215±50 ms zum Bewegungsbeginn. In gleicher Weise werden Methoden zur Schätzung der muskulären Ermüdung aus dem OEMG implementiert und hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Störanfälligkeit verglichen. Dabei zeigen unterschiedliche Signalparameter zur Erfassung der Frequenzveränderungen im OEMG-Spektrum eine hohe Übereinstimmung mit subjektiven Ermüdungsangaben (R2=0,9 statisch, R2=0,72 dynamisch). Ein Konzept zur Einbindung der OEMG-basierten Informationen in das Ansteuerungskonzept eines aktiven Exoskeletts wird dargestellt.

Die transkranielle Gleichstromstimulation (tDCS) ist eine nicht-invasive Technik zur Neuro-Modulation, bei der schwache Ströme durch Elektroden auf der Kopfhaut gesendet werden, um vorübergehend Eigenschaften des Gehirns zu verändern. Durch die gezielte Beeinflussung bestimmter kortikaler Bereiche haben Forscher tDCS eingesetzt, um Motorik, Emotionen, Gedächtnis, Sprachverarbeitung und verschiedene andere kognitive Funktionen zu beeinflussen. Konventionell wird bei der tDCS eine bipolare Standardmontage verwendet, um eine bestimmte Hirnregion von Interesse zu stimulieren, was in der Literatur zu unterschiedlichen Ergebnissen führte. In jüngster Zeit haben Optimierungsmethoden für die mehrkanalige tDCS (mc-tDCS) an Interesse gewonnen, die genau auf einen bestimmten Hirnbereich abzielen und das Potenzial haben, kontrolliertere und konsistentere Ergebnisse zu erzielen. In dieser Arbeit wird ein neuartiger mc-tDCS-Ansatz, der Distributed Constrained Maximum Intensity Approach (D-CMI), vorgeschlagen, um die somatosensorische P20/N20-Zielquelle des menschlichen Gehirns im Brodmann-Areal 3b zu stimulieren. Um die P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b für die tDCS genau zu rekonstruieren, wird eine integrierte und kombinierte Magnetoenzephalographie (MEG) und Elektroenzephalographie (EEG) Quellenanalyse mit individualisierter, auf die Leitfähigkeit des Schädels kalibrierter realistischer Kopfmodellierung vorgeschlagen. Die D-CMI-Methode wird für die somatosensorische P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b zunächst in einer Simulationsstudie und dann in einer experimentellen Validierungsstudie untersucht. In der Simulationsstudie wurden simulierte elektrische Felder (EF) für die neue D-CMI-Methode und die bereits bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Maximalintensitäts- (MI) und Standard-Bipolarmethoden erzeugt und für die individualisierten somatosensorischen P20/N20-Ziele verglichen. Die praktische Anwendbarkeit des D-CMI-Ansatzes wird in einer experimentellen Studie zur Stimulation der somatosensorischen P20/N20-Zielquelle im Brodmann-Areal 3b getestet und mit bipolaren Standard-TDCS- und Sham-TDCS-Bedingungen verglichen. Für den Vergleich werden die Daten der mit dem Finger elektrisch stimulierten somatosensorisch evozierten Felder (SEF) vor und nach der Anwendung der drei verschiedenen tDCS-Bedingungen (D-CMI, bipolare Standard- und Sham-Bedingungen) aufgezeichnet. Insbesondere werden die 20ms SEF-Spitzenamplituden vor und nach der Anwendung der drei tDCS-Bedingungen verglichen, um die Leistung von D-CMI im Vergleich zu Sham und bipolarer Standard-TDCS zu testen. Die in dieser Arbeit aus der Simulationsstudie gewonnenen Ergebnisse zeigten, dass die individualisierten D-CMI mc-tDCS-Montagen im Vergleich zur bipolaren Standardmethode hohe Stromintensitäten am Ziel zeigten. Ein weiterer Aspekt der individualisierten D-CMI-Montagen ist die potenzielle Reduzierung von Nebenwirkungen und Hautempfindungen. In dieser Hinsicht berücksichtigt die D-CMI die wichtigsten Stimulationsparameter, wie z. B. eine hohe Zielgerichtetheit (DIR) mit dem Potenzial geringerer Hautsensationen und elektrischer Feldamplituden in entfernten Hirnarealen. Die statistischen Vergleiche der 20ms SEF-Spitzenamplituden aus der experimentellen Studie in dieser Arbeit zeigten, dass der D-CMI-Ansatz den bipolaren Standard-TDCS-Ansatz, der auf das somatosensorische Brodmann-Areal 3b abzielt, übertrifft. Eine reduzierte Hautempfindung und Konsistenz während des gesamten Experiments mit D-CMI-basierter Scheinkonditionierung war ebenfalls erfolgreich. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass die D-CMI-Methode in Verbindung mit einer hochindividualisierten Schädelkonduktivität, die durch eine realistische Kopfmodellierung kalibriert wird, zu einer besseren Kontrolle der Stimulationsergebnisse führen kann als die Standard-TDCS-Methoden. Eine integrierte kombinierte MEG- und EEG-Quellenanalyse mit D-CMI-Montagen für die mc-tDCS-Stimulation kann möglicherweise die Kontrolle und Reproduzierbarkeit verbessern und die Empfindlichkeitsunterschiede zwischen Schein- und realen Simulationen verringern.

Whispering gallery mode resonatoren werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Industrie und im akademischen Bereich eingesetzt. Die Arbeit mit WGM ist mit Hürden wie die Herstellung, Charakterisierung und Anregung verbunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte vorzustellen, um diese Hürden zu verringern. Die Herstellung von photonischen Strukturen beruht auf der Mikrofabrikationstechnik, die keine Kontrolle des Seitenwandwinkels erlaubt. Die Steuerung des Seitenwandwinkels in SiO2 bei gleichzeitig sehr geringer Oberflächenrauhigkeit würde einen neuen Freiheitsgrad ermöglichen und die Leistung photonischer Strukturen verbessern. Es wird eine systematische Untersuchung vorgestellt, die den riesigen Parameterraum des Ätzprozesses mit einem ”educated guessing”-Ansatz eingrenzt, bis DoE-Ansätze realisierbar werden. Dies geschieht in mehreren Schritten. Zur Untersuchung der verbleibenden Parameter wird eine Surface-Response-Methodology angewandt. Das erstellte Modell ist validiert und stimmt gut mit den Experimenten überein und kann daher zur Optimierung verschiedener Responsevariablen wie Seitenwandwinkel, Rauheit und Ätzrate verwendet werden. Die Substrattemperatur ermöglich die Kontrolle des Seitewandwinkels von 50&ring; bis 90&ring;. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann in Kombination mit dem bereits vorhandenen Wissen in der Community genutzt, um die Fertigungsmöglichkeiten der Gruppe Technische Optik im Reinraum zu erweitern. Das SiO2-Verfahren ist auch für das Ätzen von Si3N4 mit hervorragenden Ergebnissen geeignet. Diese Mikrofabrikationstechniken werden dann für die Herstellung von 2,5D+ WGMRs eingesetzt. Es wird eine neue Charakterisierungstechnik vorgeschlagen, die die emittierten Photonen für die Analyse von WGM nutzt. Dazu wird eine Einzelphotonentechnologie wie die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung verwendet, die neben klassischen Intensitätsbildern auch die Aufnahme von räumlich aufgelösten Lebenszeitbildern ermöglicht. Ein experimenteller Aufbau wird konzipiert und realisiert. Aus fluoreszierendem Material hergestellte WGMs werden mit den vorgeschlagenen Techniken angeregt und analysiert; durch die Analyse der Lebensdauern können die Q-Faktoren der WGMs bestimmt werden. Schließlich wird ein alternativer Weg zur Einkopplung von Licht in WGM vorgeschlagen, der monolithisch integrierte DOE auf WGM verwendet. Aufgrund eines fehlenden theoretischen Rahmens werden Simulationen durchgeführt, um DOE und WGM separat zu modellieren. Die vorgeschlagenen Elemente werden mit den entwickelten Mikrofabrikationsverfahren hergestellt und mit dem neuartigen Charakterisierungsaufbau analysiert.