Betriebsschwingungsanalyse eines Mobiltelefons während des Vibrationsalarms

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Refe­renz­ko­or­di­na­ten und Kon­tur des Mobiltelefons. 

Die­se Bei­spiel zeigt die Mes­sung und Ana­ly­se der Betriebs­schwin­gungs­for­men und Starr­kör­per­vi­bra­ti­ons­be­we­gung eines Mobil­te­le­fons, das mit sei­nem eige­nen Vibra­ti­ons­alarm ange­regt wird, beschrie­ben. Mit dem berüh­rungs­lo­sen 3D Voll­feld High-Speed-Bild­kor­re­la­ti­ons­s­sy­tem in Kom­bi­na­ti­on mit dem Vic-3D FFT Modul ana­ly­siert man die auf­ge­nom­me­nen Ver­for­mungs­da­ten im Fre­quenz­be­reich mit Hil­fe der Phasentrennungsmethode.

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Die gemes­se­nen Ver­for­mun­gen und Ver­schie­bun­gen wäh­rend des Vibra­ti­ons­alarms wer­den im Ver­gleich zum Refe­renz­zu­stand für jedes Ste­reo­bild­paar aus­ge­wer­tet. In die­sem Bespiel beträgt die Auf­nah­me­zeit etwa 5,5 s mit  1000 FPS, dem­entspre­chend erhält man unge­fähr 5500 Einzelmessungen.

Die fol­gen­de Abbil­dung zeigt die durch­schnitt­li­che Schwin­gungs­am­pli­tu­de U.

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Dehnungsmessung an einer Isolierung für Elektrokabel

Im Video wird das Seg­ment der Schutz­hül­le eines Elek­tro­ka­bels (Iso­lie­rung) mit einem Durch­mes­ser von 3mm in einer Zug­prüf­ma­schi­nen bis zum Ver­sa­gen gedehnt. Wäh­rend des Expe­ri­men­tes wird mit digi­ta­ler Bild­kor­re­la­ti­on eine voll­flä­chi­ge Deh­nungs­mes­sung vorgenommen.

 

Kontraktion eines Muskels

Bio­me­cha­ni­sche Wis­sen­schaft­ler unter­such­ten die Kon­trak­ti­on des vor­de­ren Schien­bein­mus­kels einer Rat­te. Wün­schens­wert war es, schnell und genau die Gesamt­be­we­gung des Mus­kels sowie loka­le Varia­tio­nen zu quantifizieren.

Herausforderungen

Weil die Expe­ri­men­te an leben­den Gewe­be durch­ge­führt wer­den soll­ten, war es schwie­rig her­kömm­li­che Deh­nungs­mes­strei­fen anzu­brin­gen. Außer­dem neig­ten die Deh­nungs­mess­strei­fen dazu, die Bewe­gungs­mes­sung zu stö­ren. Es war wich­tig, mög­lichst vie­le Daten­punk­te so schnell wie mög­lich zu erfas­sen. Mar­ker-Ver­fol­gun­gen wur­de durch­ge­führt, erga­ben aber nur gro­be Durch­schnitts­wer­te bei gro­ßem Zeitaufwand.

Lösung

Mit dem Vic-3D Sys­tem ist es mög­lich, die Kon­trak­ti­ons­da­ten über die kom­plet­te Mus­kel­ober­flä­che zu erfas­sen. Die hohe Geschwin­dig­keit und ein­fa­che Bedie­nung des Sys­tems lie­ßen es zu, zahl­rei­che Mes­sun­gen mit defi­nier­ten Zeit­in­ter­val­len durch­zu­füh­ren. Es kam zu kei­ner Inter­ak­ti­on mit dem Prüf­ling und durch die groß­flä­chi­ge Mes­sung war es nicht not­wen­dig sich auf einen inter­es­san­ten Bereich zu beschränken.

Die Mess­ergeb­nis­se boten eine hohe räum­li­che Auf­lö­sung und es konn­ten zahl­rei­che Gebie­te ermit­telt wer­den, in denen Bün­del des Mus­kel­ge­we­bes signi­fi­kan­te Abwei­chun­gen in der Mus­kel­kon­trak­ti­on auf­wie­sen. Die­se Gebie­te konn­ten bis­her mit kon­ven­tio­nel­len Metho­den nicht iden­ti­fi­ziert wer­den. Bei den Mes­sun­gen wur­den alle Kal­ku­la­tio­nen auto­ma­tisch durch­ge­führt, was deut­lich Zeit ein­spart und die Mög­lich­keit mensch­li­cher Feh­ler verhindert.

Schwingungsmessung an einer Bremsscheibe

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Auto­mo­bi­le unter­lie­gen im Betrieb vie­len ver­schie­de­nen Kräf­ten. Vibra­tio­nen vom Motor oder der Stra­ßen­ober­flä­che wer­den über den Fahr­zeug­rah­men über­tra­gen. Das Brems­sys­tem, eines der wich­tigs­ten mecha­ni­schen Kom­po­nen­ten des Fahr­zeu­ges, ist die­sen Belas­tun­gen ausgesetzt.

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In die­sem Bei­spiel wur­de die Brems­schei­be eines Schwer­last-LKWs  mit Hil­fe eines klei­nen Ham­mers ange­regt, um deren Schwin­gungs­for­men zu mes­sen. Die drei­di­men­sio­na­len Betriebs­schwin­gungs­for­men kön­nen mit dem Vic-3D HS Vibra­ti­ons­ana­ly­se­sys­tem leicht iden­ti­fi­ziert und ver­mes­sen wer­den. Ampli­tu­den im Bereich von 40 Nano­me­ter kön­nen bei einer Fre­quenz von unge­fähr 2.000Hz ana­ly­siert werden.

Dehnungsmessung eines Zahnrades

Herausforderung

Die ver­bau­ten Kom­po­nen­ten (im obe­ren Kurz­film dar­ge­stellt) haben typi­scher Wei­se kom­ple­xe Wech­sel­wir­kun­gen unter­ein­an­der. Auf­grund der Bewe­gung der Tei­le kön­nen die Kon­takt­stel­len wäh­rend eines Betriebs­zy­klus­ses vari­ie­ren. Dies bedeu­tet, dass es schwie­rig ist, die Posi­ti­on der oft­mals nicht sta­tio­nä­ren Deh­nungs­peaks vor­her­zu­sa­gen. Die Bewe­gung der Bau­tei­le führt teil­wei­se zu einer Beschä­di­gung der elek­tri­schen Ver­bin­dung der Deh­nungs­mess­strei­fen. Selbst wenn die Posi­tio­nen sta­tio­när und leicht zu loka­li­sie­ren sind, kön­nen sich die höchs­ten Deh­nun­gen auf sehr klei­ne Berei­che kon­zen­trie­ren oder hohe Gra­di­en­ten besit­zen. Spit­zen­wer­te gehen auf­grund des Mit­te­lungs­ef­fek­tes der Deh­nungs­mess­strei­fen gege­be­nen­falls verloren.

Ergebnis

Vic-3D ermög­licht eine Deh­nungs­mes­sung über das gesam­te Pro­fil des Getrie­be­zah­nes. Weil das Pro­gramm eine Voll­feld­mes­sung anbie­tet, war es nicht not­wen­dig sich auf einen bestimm­ten Punkt zu beschrän­ken. Des­halb konn­ten die Deh­nungs­peaks ein­deu­tig visua­li­siert wer­den und exakt in ver­schie­de­nen Pha­sen des Betriebs­zy­klus gemes­sen wer­den. Wei­ter­hin misst Vic-3D Ver­schie­bun­gen in drei Dimen­sio­nen. Die­se Funk­ti­on erlaubt unse­ren Kun­den Ver­dre­hun­gen der Getrie­be­zäh­ne unter Belas­tung zu erken­nen und zu quantifizieren.

 

Dehnungsmessung mit Stereomikrokop

Kom­bi­na­ti­on eines spe­zi­el­len Ste­reo­mi­kro­skops mit der digi­ta­len Vic-3D Bild­kor­re­la­ti­on zur Unter­su­chung von elek­tro­ni­schen Komponenten.

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Bild 1 – Messaufbau

Das Ste­reo­mi­kro­skop wur­de auf einem x‑y-z Mikro­tisch mon­tiert (sie­he hin­te­rer Teil im Bild 1). Die Pro­be befin­det sich in einer Zug­ma­schi­ne (rechts im Bild 1 zu sehen).

 

Durch­ge­trenn­ter Kera­mik-Kon­den­sat­or­chip unter Bie­ge­be­las­tung (Bild­brei­te ca. 4mm):

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Bild 2 – Deh­nung in x‑Richtung

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Bild 3 – Deh­nung in y‑Richtung

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Bild 4 – Stan­dard­ab­wei­chung unter Belastung

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Bild 5 – 3D Kontur

Die Stan­dard­ab­wei­chung unter Belas­tung (Bild 4) weist im mitt­le­ren Bereich einen erhöh­ten Wert im Ver­gleich zum Refe­renz­zu­stand auf, ver­ur­sacht durch eine klei­ne, loka­le Aus­buch­tung zwi­schen dem Chip und dem Board (sie­he 3D Kon­tur unten). Der Grund hier­für kann Mate­ri­al sein, das zwi­schen den bei­den Tei­len zusam­men­ge­presst wird (ein­ge­schlos­sen der Farb­schicht). Der erhöh­te Wert im obe­ren Bereich der Stan­dard­ab­wei­chung wird durch eine gerin­ge Speck­le­dich­te hervorgerufen.

Verformungsmessung

Aerospace Anwendungsbeispiel

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Air­bus bau­te sich für sei­ne inno­va­ti­ven Flug­zeu­ge, die auf der gan­zen Welt für ihre Sicher­heit und Effi­zi­enz aner­kannt sind, in den letz­ten Jah­ren einen guten Ruf auf. Die­se Qua­li­täts­merk­ma­le wer­den durch ein erst­klas­si­ges Test­pro­gramm aus­ge­zeich­net, des­sen Inno­va­ti­vi­tät auch die Nut­zung eines Vic-3D Mess­sys­tems beweist.

Eines der Zie­le des Air­bus Test­pro­gram­mes ist die Cha­rak­te­ri­sie­rung der struk­tu­rel­len Beschä­di­gun­gen, ver­ur­sacht durch die Kol­li­si­on des Flug­zeu­ges mit klei­nen Pro­jek­ti­len, wie z.B. Vögeln oder ande­ren Ver­un­rei­ni­gun­gen. Wich­tig dabei ist es sicher­zu­stel­len, dass die struk­tu­rel­le Inte­gri­tät des Flug­zeu­ges erhal­ten bleibt. Die­se Art von Ereig­nis­sen kön­nen repro­du­ziert wer­den, indem eine Aus­wahl von ver­schie­de­nen Pro­jek­ti­len auf ein Teil­stück des Flug­zeu­ges mit hoher Geschwin­dig­keit geschos­sen wer­den. Mit den erhal­te­nen Mess­ergeb­nis­sen wer­den die Com­pu­ter­mo­del­le mit der Struk­tur ver­gli­chen und gege­be­nen­falls opti­miert, was hoch­op­ti­mier­te, siche­re Designs zur Fol­ge hat.

aerospace_2_notitle-300x224Dr. Richard Bur­gue­te, expe­ri­men­tel­ler Mecha­nik­spe­zia­list von Air­bus UK seit 1997, erklärt die Vor­tei­le die­ser Vor­ge­hens­wei­se wie folgt: “Das Vic-3D Sys­tem gibt uns die Sicher­heit zu wis­sen, dass wir alle rele­van­ten Daten erfasst haben. Eini­ge von ihnen wären ander­wei­tig uner­reich­bar gewesen.”

ZfP an Wind-Rotorblättern

Ers­te Unter­su­chun­gen in der Zer­stö­rungs­frei­en Prü­fung mit­tels She­aro­gra­fie an einer Wind­tur­bi­nen­schau­fel im Jah­re 1996 von P. Mäckel, L. Yang, G. Kup­fer und A. Tie­mich an der Uni­ver­si­tät Kas­sel. Als Mess­ob­jekt dien­te ein spe­zi­el­les Wind­ro­tor­blatt einer Ein-Flügel-Windkraftanlage.

RotorBlade

links: Ablö­sung von der Ober­flä­che; rechts: axia­ler Riss;  Mit­te: Ver­än­de­run­gen in der Struk­tur (unter­schied­li­che Anzahl von Fieberglasschichten).

Ver­wen­de­te Anre­gungs­me­tho­de: Belas­tung durch Erhö­hung des Innen­drucks (das Schau­fel­blatt wur­de vor­her abge­dich­tet). Mit Hil­fe einer manu­el­len Pum­pe wur­de ein Druck­un­ter­schied gegen­über der Umge­bung auf­ge­baut. Die Strei­fen­mus­ter zei­gen Mes­sun­gen an ver­schie­de­nen Stel­len des Objek­tes. Dabei ver­hält sich das Strei­fen­mus­ter pro­por­tio­nal zu dem (out of pla­ne) Ver­for­mungs­gra­di­en­ten der Ober­flä­che, wodurch sich die inho­mo­ge­ne Stei­fig­keit der Struk­tur iden­ti­fi­zie­ren lässt.

z.f.P mit dynamische Anregung am Hitzeschild eines Raumgleiters

Historische Messung (1998–2000)

Die­ses Bei­spiel kom­bi­niert die She­aro­gra­phy mit der dyna­mi­schen Erre­gung durch ein Pie­zo­s­ha­ker Modul für die zer­stö­rungs­freie Prü­fung an einem Hitz­schild. Das Hit­ze­schild wur­de für das ursprüng­lich für die ISS vor­ge­se­he­ne Ret­tungs­fahrs­hut­tle X38 aus C‑Si_C (Koh­len­stoff­fa­ser-Sili­zi­um Ver­bund­werk­stoff) vom Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt e. V. (DLR) in Stutt­gart ent­wi­ckelt. Die Del­a­mi­na­tio­nen und Fehl­stel­len wer­den beim Sweep auf­grund ihrer loka­len Schwin­gungs­mo­den sicht­bar (wie auch die Eigen­schwin­gungs­mo­den ent­spre­chend des Pha­sen­re­so­nanz­ver­fah­rens). Heu­te wird das Ver­fah­ren bzw. der Effekt bezüg­lich der Fehl­stel­le auch als LDR (loka­le Defekt­re­so­nanz bzw. local defect reso­nan­ce) bezeichnet.

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Das Pie­zo­s­ha­ker-Model wird zur ein­fa­chen Hand­ha­bung mit­tels eines Saug­fu­ßes an der Objekt­ober­flä­che befestigt
(a) Pie­zo­s­ha­ker Modul, (b) das Hit­ze­schild eines Space­shut­tles X38 © Space­shut­tle X38 vor dem Abwurf zu einem Testflug.

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Das Bild zeigt die Eigen­schwing­form unter Anre­gung des Hit­ze­schil­des bei 1400 Hz.

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Die mar­kier­ten Berei­che des Bil­des zei­gen loka­le Schwin­gungs­for­men von Del­a­mi­na­ti­ons­be­rei­chen (Fehls­ten) bei den Fre­quen­zen 10kHz bzw. 18 kHz.

Dynamische Anregung an einem Yacht Mast

In der Anwen­dung wur­de ein 30m lan­ger CFK Yacht Mast mit zer­stö­rungs­frei­er Prü­fung ver­mes­sen (sie­he Bild unten links). Bei der SE1-Mes­sung ver­wen­de­te man eine dyna­mi­sche Anre­gung mit unse­rem Pie­zo­s­ha­ker. Die Ergeb­nis­se der Zeit­mit­te­lung (sie­he Bild unten rechts) geben einen Hin­weis dar­auf, dass sich unter­halb der Ober­flä­che eine grö­ße­re Ablö­sung aus­ge­hend von einem klei­nen sicht­ba­ren Riss befin­det. An der Ober­flä­che endeckt man häu­fig klei­ne­re Ris­se, aber nicht alle ste­hen im Zusam­men­hang mit einer Ablö­sung des Mate­ri­als unter­halb der Ober­flä­che, bei der eine Repa­ra­tur nötigt wird.

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NDT Yacht   NDT Yacht2


SE1 mit Pie­zo­s­ha­ker für die dyna­mi­sche Anregung


Fehl­stel­le (sie­he roter Rah­men) mit Hil­fe der She­aro­gra­fie und dyna­mi­scher Anre­gung aufgespürt