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Shearografie / ESPI Systeme (auch Scherografie)

 

Foto SE2 Sensor Shearografie Scherografie by isis-sys

 

Die She­aro­gra­fie bzw. die elek­tro­ni­sche Speck­le Pat­tern Inter­fe­ro­me­trie (ESPI) sind laser­op­ti­sche Mess­ver­fah­ren und arbei­ten berüh­rungs­los und vollflächig.

Die She­aro­gra­fie-Sys­te­me von isi-sys wer­den für die zer­stö­rungs­freie Prü­fung und auch zur Verformungs‑, Deh­nungs- und Schwin­gungs­mes­sung ein­ge­setzt. Die Auf­lö­sung der Dif­fe­renz-Ver­for­mun­gen beträgt nur ein Bruch­teil der ver­wen­de­ten Licht­wel­len­län­ge und liegt damit im Nano­me­ter­be­reich und darunter.

Die Licht­wel­len­län­ge dient eben­so als Refe­renz­maß, wodurch die Auf­lö­sung von der Grö­ße eines Sicht­fel­des unab­hän­gig wird. Das Sicht­feld kann von unter einem mm² bis hin zu meh­re­ren m² rei­chen. Eine Objekt­prä­pa­ra­ti­on ist nur bei optisch nicht koope­ra­ti­ven Ober­flä­chen erforderlich.

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Das Bild zeigt ein typi­sches she­aro­gra­phi­sches Mess­ergeb­nis aus der zer­stö­rungs­frei­en Prü­fung. Das Mess­ob­jekt ist eine Waben­plat­te mit ver­schie­de­nen künst­lich ein­ge­brach­ten Defek­ten, die bereits unter gerin­ger ther­mi­scher Last mit­tels Wär­me­strah­lung sicht­bar werden.

Anwendung: Zerstörungsfreie Prüfung 

Ein wesent­li­ches Anwen­dungs­ge­biet der She­aro­gra­fie Sys­te­me von isi-sys ist die zer­stö­rungs­freie Prüfung.

Die voll­flä­chi­ge Ver­for­mungs­mes­sung der She­aro­gra­fie ermög­licht es dabei, ins­be­son­de­re fes­tig­keits­re­le­van­te Fehl­stel­len wie Ablö­sun­gen oder Dela­mi­na­tio­nen, Ris­se oder Luft­ein­schlüs­se auf­grund von ört­lich inho­mo­ge­nen Ver­for­mun­gen und Deh­nun­gen zu lokalisieren.

Hier­zu wird das Test­ob­jekt in der Regel aktiv durch eine äuße­re Last beauf­schlagt. In der Pra­xis wer­den hier­zu Heiz­strah­ler oder Warm­luft zur ther­mi­schen Belas­tung, Pie­zos­ha­ker zur dyna­mi­sche Erre­gung, mecha­ni­sche Bean­spru­chun­gen wie z. B. Innen­druck­än­de­run­gen bei Tanks oder Roh­ren sowie Umge­bungs­druck­än­de­rung durch Vaku­um­kam­mern eingesetzt.

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Digitale Bildkorrelation / DIC (Digital Image Correlation)

 

 

Das Anwen­dungs­ge­biet der Digi­ta­len Bild­kor­re­la­ti­on liegt in der Fest­kör­per­me­cha­nik, Mate­ri­al­for­schung und ‑ent­wick­lung – ins­be­son­de­re von mecha­nisch bean­spruch­ten Bau­tei­len oder Materialien.

Hier­bei trägt die DIC mit ihrem Ste­reo-Kame­ra­sys­tem durch berüh­rungs­lo­se, ganz­flä­chi­ge Mes­sun­gen von Ver­for­mung, Ver­schie­bun­gen bzw. Defor­ma­tio­nen und dar­aus abge­lei­te­te Grö­ßen wie Deh­nun­gen, Schwin­gun­gen, Bewe­gun­gen und Geschwin­dig­kei­ten zur Ana­ly­se der mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten bei. Die Ergeb­nis­se wer­den auch zur Vali­die­rung von Simu­la­tio­nen herangezogen.

Die Mes­sung erfolgt an den Ober­flä­chen von Fest­kör­pern (Soft­ware VIC 2D/3D), aber auch im Volu­men unter Ein­satz von tomo­gra­phisch arbei­ten­den Sys­te­men (Soft­ware VIC Volu­me). isi sys inte­griert die VIC Soft­ware von Cor­re­la­ted Solu­ti­ons (USA) und ist deren euro­päi­sche Ver­triebs- und Entwicklungspartner.

Die Mess­emp­find­lich­keit sowie die zeit­li­che und räum­li­che Auf­lö­sung sind von der ver­wen­de­ten Sys­tem­hard­ware abhän­gig. DIC-Sys­te­me von isi-sys errei­chen Ver­for­mungs­auf­lö­sun­gen im Nano­me­ter­be­reich und zeit­li­che Auf­lö­sung im Nano­se­kun­den­be­reich. Mit den DIC-Sys­te­men wur­den Mes­sun­gen mit Sicht­fel­dern von unter einem mm² bis über 100m² aus­ge­führt, wie bei­spiels­wei­se an rotie­ren­den Wind­ro­tor­blät­ter bei einem Durch­mes­ser von über 114m.

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 Anwendung: Dehnungs- und Verformungsmessung 

Die Digi­ta­le Bild­kor­re­la­ti­on wird für drei­di­men­sio­na­le sta­ti­sche und dyna­mi­sche Deh­nungs­mes­sung im Bereich von 0,001% bis zu 1000% Deh­nung sowie für Ermü­dungs­tests eingesetzt.

Hier­bei kann durch hoch­auf­lö­sen­de Kame­ras mit guter Linea­ri­tät und Signal-Rausch­ver­hält­nis eine hohe räum­li­che Auf­lö­sung erreicht wer­den. Durch den Ein­satz von Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ras wer­den zeit­li­che Auf­lö­sung bis der­zeit 5 Mil­lio­nen Bil­der pro Sekun­de erreicht.

Die Digi­ta­le Bild­kor­re­la­ti­on ermög­licht teil­wei­se auf­grund der berüh­rungs­lo­sen und ganz­flä­chi­gen Arbeits­wei­se auch Mes­sun­gen bei denen kon­ven­tio­nel­le Metho­den nicht und nur mit Ein­schrän­kun­gen ein­ge­setzt wer­den kön­nen, wie bei­spiels­wei­se bei höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren  über 1000°C, hohen Deh­nun­gen und Dehn­ra­ten oder klei­nen Sicht­fel­dern mit hoher räum­li­chen Auf­lö­sun­gen. Teil­wei­se ersetzt die DIC bereits kon­ven­tio­nel­le Ver­fah­ren zur Deh­nungs­mes­sung wie Deh­nungs­mess­strei­fen und Extensometer.

Auf­grund der vor­teil­haf­ten Eigen­schaf­ten und der immer leis­tungs­fä­hi­ge­ren Digi­tal­tech­nik (bezüg­lich Kame­ras, Com­pu­ter und Spei­cher­me­di­en) hat die DIC ande­re in der Ver­gan­gen­heit bereits ver­brei­te­ten opti­sche Ver­fah­ren wie die Span­nungs­op­tik, ESPI (Holo­gra­fie) weit­ge­hend aus der Deh­nungs- und Ver­for­mungs­mes­sung verdrängt.

Die wesent­li­chen Anwen­dungs­be­rei­che fin­den sich in der Mate­ri­al­ana­ly­se, dem Maschi­nen­bau, der Luft- und Raum­fahrt, im Bau­in­ge­nieur­we­sens, aber auch in For­schungs­fel­dern wie der Bio­me­cha­nik, Medi­zin­tech­nik und den Geowissenschaften.

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Videostroboskopie / Vibrokorrelation

 

Foto High Speed Videostroboskop by isi-sys

Im Gegen­satz zu High-Speed-Kame­ras kön­nen Video­stro­bo­skop-Sys­te­me von isi-sys wie­der­keh­ren­de, peri­odi­sche Vor­gän­ge wie Schwin­gun­gen und Rota­tio­nen in Zeit­lu­pe dar­stel­len und aufzeichnen.

Das Video­stro­bo­skop-Sys­tem besteht in der Regel aus der Kame­ra und einer Syn­chro­ni­sa­ti­ons­ein­heit, die die Bild­auf­nah­me ent­spre­chend der Objekt­schwin­gung oder Rota­ti­on steu­ert, so dass die Objekt­be­we­gung in einer bestimm­ten Schwin­gungs- oder Rota­ti­ons­pha­sen­la­ge ein­ge­fro­ren oder ver­lang­samt auf­ge­nom­men wer­den kann. Somit ist die Beob­ach­tung über einen län­ge­ren Zeit­raum als bei High-Speed-Kame­ra-Sys­te­men möglich.

Auf­grund der immer schnel­le­ren Bild­ra­ten der Kame­ras und Spei­cher­mög­lich­kei­ten direkt im RAM des Com­pu­ters oder auf Daten­trä­gern kön­nen auch bereits tran­si­en­te Vor­gän­ge auf­ge­zeich­net wer­den. Der Bild­ra­ten sind dabei von der Kame­ra­auf­lö­sung und dem Inter­face abhän­gig. Bei­spiels­wei­se wer­den der­zeit mit USB 3.0 160Hz bei 2,3 Mega­pi­xel erreicht.

Um eine quan­ti­ta­ti­ve Aus­wer­tung der Bewe­gun­gen bzw. Ver­for­mun­gen und Ver­schie­bun­gen sowohl im Sub­pi­xel­be­reich als auch drei­di­men­sio­nal zu erhal­ten, kann das Prin­zip des Video­stro­bo­skops auch mit der Digi­ta­len Bild­kor­re­la­ti­on erwei­tert wer­den. Ein quan­ti­ta­ti­ve Schwin­gungs­ana­ly­se ist hier­bei nach dem Pha­sen­re­so­nanz­ver­fah­ren möglich.

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Anwendung: Betriebsschwingungs- und Modal-Analyse

Mit einer voll­flä­chi­gen 3D-Mes­sung der Ver­for­mun­gen unter Ein­satz von Hoch­ge­schwin­dig­keits­ka­me­ras und nach­fol­gen­der Aus­wer­tung mit­tels dem Pha­sen-Tren­nungs-Ver­fah­ren (VIC 3D FFT-Modul) wer­den Bau­teil­schwin­gun­gen wäh­rend des Betriebs ganz­flä­chig drei­di­men­sio­nal sicht­bar und quan­ti­ta­tiv analysierbar.

Ein wesent­li­cher Vor­teil gegen­über punkt und scan­nen­den Ver­fah­ren wie Beschleu­ni­gungs­auf­neh­mern und (Scanning-)Vibrometern ist, dass die gesam­ten Ver­for­mungs­da­ten inner­halb eines extrem kur­zen Zeit­raums auf­ge­zeich­net wer­den kön­nen und die Aus­wer­tung im Post­pro­ces­sing erfolgt.

Bei­spiels­wei­se kön­nen bei 1 Mpx Bild­auf­lö­sung 24 000 Bil­der pro Sekun­de mit Belich­tungs­zei­ten von 250ns auf­ge­zeich­net wer­den. Damit ist eine Fre­quenz­ana­ly­se bis ca. 10kHz mög­lich. Die Bild­ra­te und damit der Fre­quenz­be­reich kann hier­bei durch die Ver­rin­ge­rung der Auf­lö­sung wei­ter gestei­gert werden.

Bei bekann­ter Anre­gung – zum Bei­spiel mit­tels Impuls­ham­mer, Impul­spie­zo­ak­tor – wer­den Moda­l­ana­ly­sen nach dem Pha­sen­tren­nungs-Ver­fah­ren oder bei har­mo­ni­scher Anre­gung – bspw. mit Pie­zo- oder elek­tro­dy­na­mi­schen Shaker – nach dem Pha­sen­re­so­nanz­ver­fah­ren durchgeführt.

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Piezoshaker Systeme

 

Photo Piezoshaker PS X 03 by isi-sys

Die Pie­zos­ha­ker wur­den von isi-sys ursprüng­lich für die Anre­gung von Schwin­gun­gen im Fre­quenz­be­reich von 1kHz-100kHz – spe­zi­ell für die zer­stö­rungs­freie Prü­fung in Kom­bi­na­ti­on mit der She­aro­gra­fie – entwickelt.

Cha­rak­te­ris­tisch für Pie­zos­ha­ker gegen­über elek­tro­dy­na­mi­schen Shakern oder mecha­ni­schen Unwuch­terre­gern ist die Anwen­dung bei höhe­ren Fre­quen­zen auf­grund der Eigen­schaft, dass rela­tiv hohen Kräf­te bei klei­nen Ampli­tu­den erzeugt wer­den kön­nen. Der ers­te Ein­satz erfolg­te hier schon 1996 an der Uni­ver­si­tät Kas­sel durch Anbrin­gen von ein­fa­chen Pie­zo­schei­ben mit­tels Wachs.

Ein cha­rak­te­ris­ti­sches Merk­mal der Ent­wick­lung der Pie­zos­ha­ker von isi-sys seit dem Jahr 2000 war die Ein­füh­rung von Pie­zos­ha­kern mit Saug­fuß­ad­ap­ter, so dass eine ein­fa­che, schnel­le Anbrin­gung am Objekt mög­lich wurde.

Eben­so ist die Erre­ger­fre­quenz breit­ban­dig durch­stimm­bar. Die breit­ban­di­ge Durch­stimm­bar­keit ist auch für die Schwin­gungs­mes­sung nach dem Pha­sen­re­so­nanz­ver­fah­ren von Bedeu­tung. Hier­für wur­den spe­zi­el­le, auch kun­den­spe­zi­fi­sche Piez­so­ha­ker­kon­fi­gu­ra­tio­nen entwickelt.

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Anwendung: Zerstörungsfreie Prüfung

Fes­tig­keits­re­le­van­te Fehl­stel­len und Defek­te kön­nen durch dyna­mi­sche Anre­gung der loka­len Eigen­fre­quenz von Fehl­stel­len – auch als Defekt­re­so­nanz bezeich­net – in Kom­bi­na­ti­on mit der She­aro­gra­fie bzw. ESPI oder in Kom­bi­na­ti­on mit der Ther­mo­gra­fie sicht­bar gemacht, loka­li­siert und ana­ly­siert werden.

Hier­bei sind die Durch­stimm­bar­keit des Pie­zos­ha­ker­sys­tems (bei­spiels­wei­se im Fre­quenz­be­reich von 0–30kHz bzw. 0–100kHz) und die dabei zur Ver­fü­gung ste­hen­de Leis­tung (Ampli­tu­de und Kraft) wesent­li­chen Anfor­de­run­gen für die Detek­ti­ons­wahr­schein­lich­keit. In Kom­bi­na­ti­on mit unse­ren leich­ten Hoch­leis­tungs­ver­stär­kern eig­nen sich die­se Prüf­sys­te­me ins­be­son­de­re auch für den mobi­len Einsatz.

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