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Optische Messtechnik mit Hochgeschwindigkeitskameras

Einleitung

Hochgeschwindigkeitskameras sind charakterisiert durch eine Bildwiederholrate, die deutlich größer als die üblichen 25 fps (frames per second = Bilder pro Sekunde) ist. Sie erlauben damit die Beobachtung von Prozessen, die ansonsten nicht zeitlich aufzulösen wären. Hierbei werden Serien von Bildern genutzt, um der zeitlichen Entwicklung eines Prozesses folgen zu können. Es sind besondere technische Lösungen für das kurzzeitige Speichern von großen Datenmengen erforderlich. Normalerweise ist der Speicher, dessen Größe die Aufnahmedauer beschränkt, direkt an der Kamera oder an der Bilderfassungskarte integriert. Daher erfolgt die Steuerung der Bildaufnahme üblicherweise durch ein Triggersignal, das mit dem zu beobachtenden Prozess synchronisiert ist.

Anwendungsbeispiel

PLC-Band
PLC-Band

Das Auftreten des Portevin-Le Châtelier (PLC) Effekts während der plastischen Deformation von Zugproben aus Metalllegierungen führt zu einer lokalen Konzentration der Verformung für die Dauer von wenigen Millisekunden in einer als PLC-Band bezeichneten Region. Die Anwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera dient der Untersuchung der Bandentstehung und vereinfacht damit die Erkennung der zugrundeliegenden Dynamik. Außerdem ist die Bestimmung der lokalen Dehnrate von besonderer Bedeutung, da das Phänomen eine enge Beziehung zur Verformungsgeschwindigkeit des Materials aufweist.

Für die Aufnahme von PLC-Bändern wird eine Kamera mit 1000 fps verwendet, die einen Bereich von 8×4 mm² mit einer Auflösung von 7,8 µm/Pixel erfasst. Die Kamera ist mit einem internen Speicher für eine Aufnahmedauer von höchstens einer Sekunde ausgestattet, der auch als Ringspeicher genutzt werden kann. Das bedeutet, dass Bilder kontinuierlich in den schnellen Speicher geschrieben werden, wobei die jeweils älteste Aufnahme durch das aktuelle Bild ersetzt wird. Nach dem Empfang des Triggersignals wird die 4 GB umfassende Bildfolge auf die Festplatte eines handelsüblichen Computers übertragen. Das Triggersignal wird durch ein optisches Extensometer erzeugt, das die Dehnungsverteilung über der gesamten Probe überwacht und das Entstehen eines PLC-Bandes erkennen kann. Wenn ein Band den von der Kamera erfassten Bereich durchlaufen hat wird die Bildaufnahme angehalten. Nach dem Versuch werden alle Bildfolgen durch ein Bildkorrelationsverfahren ausgewertet, um die Dehnungsverteilung Schritt für Schritt zu bestimmen.

Veröffentlichungen

  • Dierke, H.; Fischer, M.; Tutsch, R.; Casarotto, L.: Optisches Extensometer zur Verfolgung propagierender Verformungsbänder. In: Zeitschrift „tm“ Technisches Messen 4/2011, S. 211-217
  • Dierke, H.; Fischer, M.; Casarotto, L.; Tutsch, R.: Optisches Extensometer zur Verfolgung propagierender Verformungsbänder. In: XXIV. Messtechnisches Symposium des Arbeitskreises der Hochschullehrer für Messtechnik e.V., Aachen : Shaker, 2010, S. 179-189
  • Fischer,M.; Casarotto,L.; Tutsch, R.:Optical Control of a Movable High-Speed Camera for Multiscale PLC-Band Propagation Tracking. In: International Journal of Optomechatronics, Vol. 4 (2010) 1, S. 51-64
  • Casarotto, L.; Dierke, H.; Tutsch, R,; Neuhäuser, H.: On nucleation and propagation of PLC bands in an Al-3Mg alloy. In: Materials Science and Engineering A, 527 (2009), S. 132-140
  • Fischer, M., Casarotto, L., Strube, S., Tutsch, R.: Tracking the propagation of type B PLC bands. In: Optomechatronic Sensors and Instrumentation III, Proc. of SPIE Vol. 6716, 671604, Lausanne, 2007

  • Fischer, M., Casarotto, L., Tutsch, R.: Two-camera-setup for the dynamic measurement of moving dislocations in aluminum alloys. 4th CIMM-PTB Seminar - Dynamic Calibration and Measurement. 15.-16. Oktober 2007, Braunschweig, 2007

  • Broggiato, G.B., Casarotto, L., Del Prete, Z., Maccarone, D.:Full-field strain rate measurement by white-light speckle image correlation. Gdoutos, E.E. (ed.), Proceedings of the 13th International Conference on Experimental Mechanics ICEM 13, S. 353-354, Alexandroupolis, Greece, 2007, ISBN 978-1-4020-6238-4

  • Casarotto, L., Tutsch, R.: Investigation of the Portevin-Le Chatelier effect by means of an optical extensometer and of a triggered camera. Sensoren und Messsysteme 2006, Vorträge der 13. ITG/GMA-Fachtagung 13. und 14. März 2006 in Freiburg/Breisgau, S. 181-184

  • Casarotto, L., Tutsch, R., Ritter, R., Dierke, H., Klose, F., Neuhäuser, H.: Investigation of PLC bands with optical techniques. In: Computational Materials Science, ISSN-Nr. 0927-0256, S. 316 - 322, Magdeburg, 2005

  • Casarotto, L., Tutsch, R., Dierke, H., Neuhäuser, H.: Real-time detection of Portevin-Le Chatelier bands by means of a two camera system. Proceedings of the 12th International Conference on Experimental Mechanics ICEM 129; Bari; Italy, 29.08.-02.09.2004 Published on CD.

  • Casarotto, L., Tutsch, R., Dierke, H., Neuhäuser, H.: Application of a fast scanning optical extensometer for tensile testing, Colloque Photomécanique 2004, Albi, 4.-6. Mai 2004

  • L. Casarotto, R. Tutsch, R. Ritter, H. Dierke, F. Klose, H. Neuhäuser: Tracking the Propagation of Deformation Bands by Means of an Optical Scanning Extensometer. In Vortrag bei XVII IMEKO World Congress Metrology in the third Millennium am 22.-27.6.2003, Dubrovnik, Kroatien, publiziert auf CD-ROM.

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