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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Kombination eines Stereomikroskops mit digitaler Bildkorrelation Vic-3D

Anwen­dungs­bei­spiel:  Elek­tro­ni­sche Kom­po­nen­ten sol­len mit einer Kom­bi­na­ti­on aus einem spe­zi­el­len Ste­reo­mi­kro­skop und der Vic-3D digi­ta­len Bild­kor­re­la­ti­on unter­sucht werden.

Stereomikroskop

Bild 1 –  Messaufbau

Das Ste­reom­mi­kro­scop wird auf einen x‑y-z-Mikro­me­ter­tisch mon­tiert (sie­he im Hin­ter­grund)  und die Pro­be an einer Zug­ma­sche ein­ge­spannt (rechts).

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Bild 2 – Deh­nung in x‑Richtung

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Bild 3 – Deh­nung in y‑Richtung

Deh­nungs­ver­tei­lung eines Chip-Kon­den­sa­tors (lin­ker Bereich) , der mit einer Pla­ti­ne (ver­ti­kal im rech­ter Bereich des Bil­des) ver­lö­tet ist (Löt­be­reich zwi­schen Pla­ti­ne und Kon­den­sa­tor). Die kom­plet­te Pro­be wur­de für die Mes­sung in der Mit­te geteilt, so dass die Schnitt­kan­te beob­ach­tet wer­den kann. Nun erfolgt eine Bie­ge­be­las­tung auf die Pla­ti­ne. In den Mess­ergeb­nis­sen erkennt man einen läng­li­chen roten Bereich. Hier­bei han­delt es sich um einen Riss in der Lötung. Der Bild­aus­schnitt ist ins­ge­samt <2mm.

 

Lötkugel

Bild 4 – Wei­te­res Bei­spiel: Mes­sung einer Lot­ku­gel D=300μm unter Scher­be­las­tung (hori­zon­tal). Dar­ge­stellt wird die Hauptdehnung.

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.

Bewegungsmessung an einer Hinterradschwinge

Das Video zeigt die Anwen­dung einer pha­sen­syn­chro­ni­sier­ten Ste­reo­bild­kor­re­la­ti­on für eine 3‑dimensionale Ver­for­mungs­mes­sung oder Bewe­gungs­ana­ly­se (Vic-3D).

Die ver­wen­de­ten 5 Mpi­xel Ste­reo­ka­me­ras mit einer Bild­ra­te von 6 Hz (bei vol­ler Auf­lö­sung) wer­den in Kom­bi­na­ti­on mit der isi-sys Syn­chro­ni­sa­ti­on und der Trig­ger-Vor­rich­tung für die stro­bo­sko­pi­sche Beob­ach­tung peri­odi­scher Ereig­nis­se eingesetzt.

Es wer­den vier Mess­be­rei­che (Hydrau­lik­zy­lin­der – unten, Rad­na­be – links, Schwin­ge – Mit­te und die Line­ar­ein­heit – rechts oben) mit einem Spe­ckel­mus­ter ver­se­hen und für die Aus­wer­tung über­wacht. Die Vek­tor­pfei­le stel­len den momen­ta­nen Bewe­gungs­zu­stand dar.

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.

 

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.”