Masterarbeiten, Diplomarbeiten

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem neuen Aufbau einer Wägeeinrichtung nach dem Prinzip einer elektromagnetischen Levitationswaage. Der Aufbau verzichtet komplett auf eine mechanische Führung der Waagschale durch Federgelenke und unterscheidet sich somit stark von den nach Stand der Technik üblichen Waagen nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation. Daraus ergeben sich Vorteile wie eine erhöhte mechanische Robustheit und eine geringere Federsteifigkeit der Waage. In dieser Arbeit wird der mechanische und elektrische Aufbau der Waage und des Messaufbaus genauer beschrieben. Anschließend werden Messungen verschiedener für den Betrieb der Waage wichtigen Parameter durchgeführt und bewertet. Untersucht werden das Signalrauschen verschiedener Messignale, die Federsteifigkeit der Waagschalenbewegung, das Temperaturverhalten, die Linearität der Kennlinie, die Wiederholpräzision und das Ecklastverhalten. Die Wiederholpräzision ist im Verlauf dieser Arbeit deutlich verbessert worden. Sie ist jedoch immer noch ein limitierender Faktor der Waage. Des Weiteren wurde ein prinzipbedingter Ecklasteffekt durch das zusätzliche Messen von Hilfsspannungen kompensiert. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass der Einfluss der Temperatur durch Berücksichtigung von drei Aktortemperaturen deutlich verringert werden kann. Darauf aufbauend wurden verschiedene Ansätze zur weiteren Verbesserung der Waage gemacht.

Bei Verwendung von der Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NPMM) 200 zur Messung der Proben wirkt sich die Oberflächentopografie des Referenzspiegels direkt auf das Messergebnis des Messobjekts aus, da es sich um eine relative Messung handelt. Aus diesem Grund ist eine Bestimmung der tatsächlichen Spiegeltopographie und eine anschließende Korrektur für exakte Messungen unumgänglich. Im Rahmen dieser Arbeit wird die konjugierte Differentialmethode untersucht und ihre Fähigkeit zur Rekonstruktion der Oberflächentopografie des Referenzspiegels von NPMM-200 durch Simulation verifiziert. Durch die vierstufige Mikrobewegung des Testspiegels in der konjugierten Position wird die Differenzoberflächenform des Testspiegels in beiden orthogonalen Richtungen (x-Richtung und y-Richtung) durch Subtrahieren der Messdaten in positiver und negativen Richtungen erhalten, und dann wird die absolute Oberflächentopografie des Testspiegels durch den Rekonstruktionsalgorithmus erhalten. Unter diesen gibt es zwei Oberflächenrekonstruktionsalgorithmen, einer ist die Fourier-Transformationsmethode und der andere ist die Zernike-Polynomanpassungsmethode. Im Simulationsprozess werden die Rekonstruktionsfähigkeit der beiden Methoden auf der Referenzoberfläche und der Einfluss verschiedener Faktoren, wie z.B. Oberflächenpaarung, Relativverschiebung, Messrauschen usw., auf die Rekonstruktionsergebnisse analysiert und bewertet. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die beiden Rekonstruktionsalgorithmen gute Rekonstruktionsfähigkeiten für die Topografie des Referenzspiegels aufweisen.

Der in einem optischen Hohlraum eingeschlossene Laserstrahl kann verwendet werden, um Kräfte zu verstärken, die durch den Effekt der Übertragung des Photonenimpulses erzeugt werden, der auf die Spiegel des Hohlraums wirkt. Um die Verlässlichkeit der Mehrfachreflexionen zu beschreiben und ihre Geometrie innerhalb des Hohlraums zu steuern, wurde eine theoretische Analyse unter verschiedenen Modellannahmen durchgeführt. Anfangs wurde der Laserstrahl als Linie betrachtet, dann in zylindrischer Form mit definiertem Querschnittsdurchmesser und alle Reflexionen sind spiegelnd. Auf dieser Grundlage zeigt dieser Bericht einen mathematischen Algorithmus, mit dem die Ausbreitungstrajektorie des Laserstrahls innerhalb des Hohlraums unter Berücksichtigung der geometrischen und verschiedener anderer Bedingungen wie des Reflexionsvermögens und der optischen Eigenschaften der Spiegel sowie des Einfallswinkels des Strahls beschrieben werden kann , die Größe der Spiegel, der Wechselwirkungswinkel, der Abstand zwischen den Spiegeln und der Durchmesser des Laserstrahls usw. Dieser mathematische Algorithmus wurde in der Matlab-Programmumgebung implementiert, und alle theoretischen Berechnungen können über die entwickelte GUI durchgeführt werden. In der Zwischenzeit wurde während der Arbeiten ein manuell einstellbares mechanisches System mit 4 Freiheitsgraden entwickelt, um Testmessungen durchzuführen und die theoretischen Berechnungen zu verifizieren. Es wurden Messungen der Reflektivitätsverteilung über die Oberfläche von Spiegeln durchgeführt, die zur Abschätzung der Leistungsverluste des Laserstrahls beitragen. In den Experimenten wurde die Abhängigkeit des Spiegelreflexionsvermögens vom Einfallswinkel (in 10 ˚, 11 ˚, 12 ˚, 20 ˚) des Laserstrahls getestet und die Reflexionsverteilung über die Spiegeloberfläche (räumliches Reflexionsvermögen) bestimmt. Schließlich wurden die gesammelten Daten aus Experimenten in Matlab verarbeitet und dann mit den theoretischen Ergebnissen verglichen. Die gegenseitige Überprüfung theoretischer Werte und experimenteller Ergebnisse gewährleistet die Zuverlässigkeit des mathematischen Modus.

Die Nanopositionier- und Nanomessmaschine 200 (NPMM-200) besitzt eine sehr hohe Messgenauigkeit, indem ein Abbe'sches Komparatorprinzip während der Messung eingehalten wird. Das heißt, die drei Laserstrahlen zur Längenmessung aus dem Interferometer schneiden sich in einem gemeinsamen Punkt, der als Abbepunkt bezeichnet wird. Dabei handelt es sich jedoch nur um den Idealfall. Praktisch schneiden sich die Laserstrahlen nicht genau im Abbepunkt und liegen in unterschiedlichen Ebenen. Das führt zu einer Erhöhung der Messunsicherheit von NPMM 200. Deshalb muss dieser Fehler eliminiert werden. Dafür muss eine neue Baugruppe entwickelt werden, die die drei Laserstrahlen detektieren und die räumliche Position der Laserstrahlen ermitteln kann, sodass bestimmt werden kann, wie die Laserstrahlen justiert werden sollen. Außerdem gibt es in X- und Y-Richtung jeweils einen extra Laserstrahl zur Winkelmessung und in Z-Richtung zwei. Der Abstand zwischen dem Laserstrahl zur Winkelmessung und demjenigen zur Längenmessung soll auch durch die entwickelte Baugruppe gemessen werden.

In der Meteorologie und in vielen industriellen Bereichen ist die genaue Kenntnis der Umgebungstemperatur von großer Bedeutung. Um diese zu gewährleisten, müssen die verwendeten Thermometer regelmäßig kalibriert werden. Die Kalibrierung ist oft sehr zeit- und kostenintensiv, besonders wenn die Messstelle schwer zugänglich ist. Außerdem müssen die Messungen, während eines Kalibriervorgangs unterbrochen werden. Am Institut für Prozessmess- und Sensortechnik der TU Ilmenau wird an einer Vorrichtung zur automatischen, rückführbaren Kalibrierung von Thermometern zur Umgebungstemperaturmessung gearbeitet, um diese Probleme zu lösen. In der vorliegenden Masterarbeit wird die Entwicklung, Konstruktion und Inbetriebnahme eines Positioniersystems beschrieben, welches als Demonstrator für eine solche Vorrichtung dienen soll. Das Positioniersystem soll zwei Thermometer nacheinander aus ihren Messpositionen holen, in Fixpunktzellen positionieren und nach erfolgreicher Kalibrierung wieder zurückfahren. Das System soll in einer Wetterhütte nach DIN 58 656 eingesetzt werden und wird entsprechend der erwarteten Umweltbedingungen ausgelegt. Die Ergebnisse werden messtechnisch untersucht und die Wiederholbarkeit der Positionierbewegung wird ausgewertet. Anschließend folgt eine Diskussion möglicher Verbesserungen.