Untersuchung der Eignung von künstlichen Neuronalen Netzen für die Regelung des Probenspitzenabstands in Rasterkraftmikroskopen. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der Rasterkraftmikroskopie wird eine Spitze, die am Ende eines Cantilevers befestigt ist, in geringem Abstand über die Oberfläche von Messproben gerastert. Im Tapping Modus von Rastersondermikroskopen wird der Cantilever in der Nähe seiner Eigenfrequenz zu einer Schwingung angeregt. Die Schwingungsamplituden des Cantilevers hängen vom Abstand zwischen der Probe und Spitze ab. Um den Probenspitzenabstand, sowie die Amplituden während der Messung konstant zu erhalten, benötigt man ein Regelungssystem, um die Positioniereinrichtung des Rasterkraftmikroskops anzusteuern, und damit die Topographie abzufahren und mit der Bewegung die Information über die Topographie der Probe zu erhalten. Im Industriebereich wird meistens eine klassische PID-Regelung, die aus einem Proportional-, Integral- und Differentialglied besteht, verwendet, um das Ansteuerungssignal zu berechnen. Eine PID-Regelung ist schnell, einfach und günstig realisiert, und verfügt über drei Parameter Kp, Ki und Kd, um ihr Verhalten anzupassen. Als Nachteil einer solchen Regelung kann Überschwingen auftreten. In dieser Arbeit wird untersucht, ob es möglich ist, mit Hilfe von heutzutage populärem Maschinellen Lernens eine bessere Regelung zu erstellen. Es soll untersucht werden, ob die durch künstliche Intelligenz (KI) erstellte Regelung den Nachteilen der klassischen PID-Regelung überlegen sein könnte. Im Rahmen der Arbeit wird dies mit einem auf einem künstlichen neuronalen Netzwerk basierenden Regelungssystem mit Python gemacht.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Die vorliegende Master-Thesis entstand in Kooperation mit der Dr. Ing. h.c. F. Porsche AG und befasst sich mit der Entwicklung eines Prüfstandes zur Untersuchung von temperatur- und drucksensitiven Farben. Durch die temperatur- und drucksensitiven Farben soll das messtechnische Anwendungsfeld in der Fahrzeugentwicklung erweitert werden. Das Messprinzip der Farben besteht in der Anregung der im Lack enthaltenen Luminophoren durch Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs (beispielsweise UV-Licht). Das Messsignal wird mit Hilfe von Kameras in einem anderen Wellenlängenbereich aufgenommen und weiterverarbeitet. Zu Beginn der Arbeit werden die Anforderungen an den zu entwickelnden Prüfstand erarbeitet. Dazu wird zunächst eine theoretische Recherche durchgeführt. Im Anschluss erfolgt die Ausarbeitung eines Gesamtkonzeptes für den Prüfstand. Der Prüfstand besteht aus einer druckdichten Kammer mit integrierter Heizplatte und optischem Zugang. In der Kammer können unterschiedliche Atmosphären und Temperaturen erzeugt und deren Einflüsse auf die Messergebnisse untersucht werden. Auch die Evakuierung der Kammer ist möglich. Die notwendige Referenzgröße (Oberflächentemperatur) wird durch Extrapolation ermittelt. Dabei können die Einflüsse unterschiedlicher Probenmaterialien, Probengeometrien und Schichtdicken mit hoher Reproduzierbarkeit untersucht werden. Die für die Fertigung und Montage notwendigen 3D-Modelle, Baugruppen und Einzelteilzeichnungen werden mit einem CAD-Programm erstellt.
Entwicklung und Untersuchung eines fasergekoppelten Multiwellenlängeninterferometers. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Aufgrund des Fortschritts in der Lasertechnik werden gegenwärtig Interferometer in der Präzisionsmesstechnik immer zahlreicher eingesetzt. Dabei entstehen gleichzeitig stetig wachsende Anforderungen an die Qualität einer interferenzoptischen Messung. Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung verschiedener Methoden zur Aufnahme und Verarbeitung von Interferometersignalen. Es werden zwei grundsätzlich unterschiedliche Typen der Signalaufnahme betrachtet: die Aufnahme mit separaten Fotodetektoren oder die Signalaufnahme mittels einer Kamera. Im Rahmen dieser Arbeit wurde Software zur Auswertung der Signale erstellt und mittels Simulation, sowie am Demonstrationsaufbau eines Interferometers getestet. Auf dieser Basis werden verschiedene Beiträge zur Messunsicherheit untersucht. Weiterhin werden die verschiedenen Methode der Signalaufnahme miteinander verglichen.
Untersuchung zum Einfluss von Frequenzschwankungen auf die interferometrische Längenmessung. - Ilmenau. - 85 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der vorliegenden Arbeit werde hauptsächlich auf die Messungen und Analysieren der Langzeitfrequenzstabilität von He-Ne-Lasern verschiedener Hersteller konzentrieren. Die Hauptmessmethode besteht darin, mit einem hochpräzisen optischen Frequenzkamm die Frequenz des zu messenden Lasers durch Messung des Schwebungssignals zu erhalten und die Langzeitfrequenzstabilität des Lasers und den Einfluss auf die Interferometrische Messung zu analysieren. Die Analyse wird im Zeitbereich durch Allan-Deviation durchgeführt. Gleichzeitig werden Reproduzierbarkeit-Messungen für verschiedene Lasertypen sowie einige Zusatzmessungen durchgeführt, um die Charakterisierung der Frequenzstabilität umfassender zu untersuchen. Die Faserkopplung hat keinen offensichtlichen Einfluss auf die Frequenzstabilität. Die relative Stabilität von He-Ne-Lasern beträgt im Allgemeinen etwa 1E-9 innerhalb einer Messzeit von 24 Stunden, und der Laser mit Zeeman-Effekt-Stabilisierung ist stabiler als der Laser mit Zwei Moden-Vergleichsverfahren (Polarisation-Stabilisierungsverfahren). Und die Anzahl und Dauer der Reproduzierbarkeit-Messungen beeinflusst die langperiodische Schwankungen. Abschließend wurde der im Labor vorhandene ultrastabile Extern-Cavity Diodenlaser mit ORS-System vermessen und mit dem He-Ne-Laser verglichen. Die Fluktuation des Diodenlasers beträgt weniger als 50 kHz in 24 Stunden. Bei Kurzzeit dominiert die Frequenzstabilität durch Frequenzkamm, und ab Integrationszeiten 1000 s dominiert die Drift des ORS-Systems. Stromeinstellung scheint Einfluss zu periodische Schwankung. Mit zunehmender Messzeit (mehrere Tage) wird die Stabilitätsdifferenz zwischen dem Diodenlaser und dem He-Ne-Laser allmählich kleiner oder gleich.
Entwicklung und Untersuchung von vakuumtauglichen Dämpfungsmechanismen für hängende Waagschalen. - Ilmenau. - 100 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Für die hochgenaue Massebestimmung werden häufig Vakuummassekomparatoren auf Basis elektromagnetischer Kraftkompensationswaagen genutzt. Durch technischen Fortschritt können die Arbeitsweise und Performance dieser komplexen Apparate stetig verbessert werden. Im Rahmen dieser Masterarbeit werden parasitäre Einflüsse von pendelnden, hängenden Waagschalen analysiert und geeignete Gegenmaßnahmen in Form von vakuumtauglichen Dämpfungskonzepten erarbeitet. Nach einer gewichteten Bewertung wird das leistungsfähigste Konzept zu einem Versuchsstand aufgebaut und messtechnisch untersucht. Abschließend erfolgt eine kritische Reflexion der ermittelten Lösungsansätze.
Entwicklung eines fasergekoppelten Tiltmeters. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Tiltmeter sind Neigungssensoren, welche sehr kleine Verkippungen detektieren können. Daher werden sie hauptsächlich in der Geodäsie und im Bauwesen zur Überwachung der Verformung bzw. Bewegungen des Untergrundes angewandt. Zusammen mit Seismografen können sie zur Vorhersage von Erdbeben und Vulkanausbrüchen genutzt werden. Für diese Aufgabe ist es wichtig, dass Tiltmeter eine sehr hohe Auflösung besitzen, dafür benötigen sie aber keinen allzu großen Messbereich. In vorangegangenen Forschungsarbeiten an der TU Ilmenau wurden Tiltmeter entwickelt, welche auf Pendelkörpern aus Festkörpergelenken basieren, deren Auslenkung elektromagnetisch kompensiert werden kann. Die benötigte Kraft der Kompensierung ist dabei proportional zum Kippwinkel des Sensors. Um mit diesem Prinzip eine Verkippung in zwei Achsen messen zu können, müssen zwei solcher Aufbauten in einem exakten 90 ˚ Winkel angeordnet werden. Dies führt zu einem komplexen Aufbau und hohen Fertigungskosten. Als Alternative dazu wurde in dieser Arbeit ein Tiltmeter auf dem Prinzip einer Glasfaser als Pendelkörper konzipiert, konstruiert, aufgebaut und untersucht. Dabei wird Licht in die Faser eingeleitet. Bei einer Verkippung des Tiltmeters wird das freie Faserende ausgelenkt. Der austretende Lichtpunkt trifft anschließend auf einen 2D-fotosensitiven Sensor. Durch die Lage des Lichtpunktes auf dem Sensor kann auf den eingebrachten Kippwinkel zurückgeschlossen werden. Im Anschluss an die Inbetriebnahme fanden Funktionstests statt, die den Zusammenhang zwischen der Position des Lichtpunktes auf dem Sensor und dem Winkel der Verkippung ermittelten. Dazu wurde das Tiltmeter auf einem hochgenauen Kipptisch untersucht. Es wurde zudem die Auflösung des Sensors bestimmt. Die kleinste noch zuverlässig unterscheidbare Winkeländerung betrug dabei ca. 700 nrad. Der maximale Messbereich des Aufbaus beträgt ± 0,3 ˚. Zudem wurde ein Langzeittest durchgeführt, um das Driftverhalten des Tiltmeters zu untersuchen.
Untersuchung optoelektronischer Positionsdetektoren in EMK-Systemen. - Ilmenau. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Wägesysteme nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation (EMK) benötigen einen Positionsdetektor, um den Gleichgewichtszustand bestimmen zu können. In dieser Arbeit wird daher auf Basis des konstruktiven Entwicklungsprozesses (KEP) ein möglichst einfacher, idealerweise monolithischer Referenzaufbau entwickelt, bei der temperatur- sowie feuchteabhängige Untersuchungen der verschiedenen Verbindungstechnologien (stoff-, kraft- und formschlüssig) zwischen den mechanischen Komponenten des EMK-Systems und den optoelektronischen Bauteilen des Positionsdetektors durchgeführt werden sollen. Zusätzlich wird eine Justageeinrichtung entworfen mit deren Hilfe u.a. die einzelnen Komponenten des Referenzaufbaus untereinander positioniert werden können.
Untersuchung von Methoden zur Ermittlung des Übertragungsverhaltens industrieller Temperaturmessstellen direkt im Prozess. - Ilmenau. - 62 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der vorliegenden Masterarbeit werden thermische Modelle auf der Basis von realen Messdaten entwickelt und anhand von Experimenten überprüft. Hierzu wurde das Übertragungsverhalten einer Temperaturmessstelle direkt im Prozess untersucht. Zuerst werden in Kapitel 2 die relevanten physikalischen Grundlagen gelegt und in Kapitel 3 der Stand der Technik recherchiert. Mit den Materialdaten erfolgt die Berechnung des thermischen Widerstands und der Wärmekapazität. In Kapitel 4 werden die Messeinrichtungen und Messobjekte usw. dargestellt. Im Folgenden unterteilen sich die realen Messungen in vier Situationen unter verschiedenen Luftgeschwindigkeiten. Dann werden die Modelle aus dem berechneten Wärmewiderstand und der Wärmekapazität in Kapitel 5 erstellt. Kapitel 6 zeigt die Simulationsergebnisse des Modells und dessen Vergleich mit realen Messwerten. Kapitel 7 geht auf mögliche Ursachen von Messabweichungen ein. In Kapitel 8 schließt die Arbeit mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick. Durch die Simulationen auf Basis möglichst einfacher Modelle konnte der reale Prozesse bis zu einem gewissen Grad mit vertretbaren Unsicherheiten nachgebildet werden.
Entwicklung eines Messgeräts zur Parameteridentifikation permanentmagneterregter Synchronmaschinen. - Ilmenau. - 124 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
In der Automobilindustrie zählen permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) zu den am häufigsten eingesetzten Motortypen. Um diese Systeme effizient und hochdynamisch anzusteuern, sind Kenntnisse über die elektrischen Parameter der PMSM erforderlich. Die manuelle Identifikation dieser Werte ist zeitaufwendig und somit kostenintensiv. Im Gegensatz dazu kann eine automatisierte Vermessung äußerst vorteilhaft zur Anwendung kommen. Aus diesen Gründen wird im Rahmen dieser Arbeit ein Messgerät entwickelt, welches eine automatisierte Identifikation der benötigten Parameter ermöglicht. Hierzu werden verschiedene Identifikationsverfahren betrachtet und Konzepte zu deren Umsetzung erarbeitet. Das anhand einer Bewertung ausgewählte Messgerätekonzept basiert auf dem EtherCAT-Feldbus, welcher zur synchronen Datenerfassung und -ausgabe genutzt wird. Des Weiteren erfolgt die Verstärkung von Testsignalen durch Leistungsverstärker und die Fixierung und Rotation der zu testenden PMSM mittels einer Laststrecke. Zur Identifikation der Induktivitäten und des Strangwiderstands der PMSM wird ein Programmablauf basierend auf der AC standstill method implementiert. Hierbei werden für die Kompensation von prinzipbedingten Messfehlern spezifische Testsignale und Temperaturmodelle verwendet. Die Identifikation des verketten Flusses der Permanentmagnete und der Polpaarzahl erfolgt durch die Aufnahme der gegenelektromotorischen Kraft (Gegen-EMK) der PMSM. Nach Umsetzung eines Testaufbaus werden die auftretenden Messunsicherheiten berechnet und die Parameter einer PMSM und einer Ringkernspule identifiziert.
Improved mass calibration of an inertial pico-balance using micro-particles. - Ilmenau. - 60 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021
Im Rahmen dieser Masterarbeit wurden Untersuchungen zur Massekalibrierung und Positionsdetektion des Messobjekts von Mikrocantilever-basierten Massemessungen gemacht. Das zugrundelegende physikalische Prinzip beruht auf der Änderung der mechanischen Resonanzfrequenz des Cantilevers, sobald ein Messobjekt angehängt wird. Diese Methode kann genutzt werden, um die Masse von einzelnen biologischen Zellen unter Zellkulturbedingungen oder Mikropartikeln verschiedener Materialien im unteren Nanogramm- bis Picogrammbereich zu untersuchen (1 pg = 1&hahog;e-3 ng = 1&hahog;e-15 kg). Das Messsystem wurde als harmonischer Oszillator modelliert, um die Resonanzfrequenz des Cantilevers zu erhalten. Die Euler-Bernoulli Balkentheorie wurde zur Berücksichtigung der Position des Messobjekts angewandt. Die Position wurde mit einem mechanischen Ansatz detektiert, welcher sich die Informationen aus höheren Biegemodi zunutze macht. Es wurden Messungen an Polystyrol- (PS) und Siliziumdioxid- (SiO2) Mikrokugeln mit Durchmessern zwischen d = 10 [my]m - 15 [my]m durchgeführt. Der Fokus dieser Messungen lag auf Linearitäts- und Wiederholgenauigkeitsmessungen durch Vergleichen der gemessenen Masse mit einer zu erwartenden Masse, welche durch die gegebenen Durchmesser- und Dichtespezifikationen errechnet wurde. Die Sader Methode wurde zur Kalibrierung der Federkonstante des Cantilevers genutzt. Als Cantilever wurde eine FluidFM Mikropipette eingesetzt, welche es ermöglicht, an dem freien Ende des Cantilevers ein Messobjekt durch Unterdruck anzusaugen. Der Cantilever wurde durch einen Infrarotlaser photothermisch angeregt, wobei das Biegungssignal durch einen Vierquadranten-Photodetektor erfasst wurde. Massemessungen an 175 Mikrokugeln wurden durchgeführt, wobei eine durchschnittliche Messunsicherheit von 9.7 % (k = 2) ermittelt werden konnte. Durch die fünfmalige Messung eines Partikels (PS, d = 15 [my]m) wurde eine Wiederholgenauigkeit von 0.08 ng (k = 2) festgestellt. Die Ergebnisse der Multimode-Positionsdetektion haben gezeigt, dass die Position der Messobjekte mit einer Standardabweichung von 8 [my]m auf einem Cantilever der Länge l = 200 [my]m bestimmt werden konnte. Dabei wich die durchschnittliche gemessene Position um 3 [my]m von der erwarteten Position ab.