Vergleich Dehnungsmessstreifen / Vic-3D

Bei die­ser Unter­su­chung ging es um einen Ver­gleich einer Vic-3D Deh­nungs­mes­sung mit den Ergeb­nis­sen von Deh­nungs­mess­strei­fen. Die aus­ge­wähl­te Acryl-Pro­be befes­tig­te man dafür in einer Zug­prüf­ma­schi­ne. An der Pro­ben­rück­sei­te wur­den die Deh­nungs­mess­strei­fen ange­bracht und mit dem SCAD 500 DMS-Mess­ver­stä­ker ver­bun­den. Die Vor­der­sei­te soll­te für die Bild­kor­re­la­ti­ons­mes­sung ver­wen­det und mit dem benö­tig­ten Speck­le­mus­ter prä­pa­riert wer­den. Zum Ein­satz kamen 5Mpx CMOS Kame­ras mit einem Pre­gius Sen­sor und einer Bild­ra­te von 75fps. Weil der Aus­gang des SCAD 500 mit der DAQ Box des DIC Sys­tems ver­bun­den wur­de, konn­ten die Ergeb­nis­se der Deh­nungs­mes­sung par­al­lel auf­ge­zeich­net und in einem Dia­gramm dar­ge­stellt werden.

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Strain Gauge Comparison-1  Strain Gauge Comparison-1a

Abbil­dung 1: Vic-3D Mes­sung der Acryl- Probe

 

Strain Gauge Comparison-2

Abbil­dung 2: Mess­ergeb­nis­se — Ver­gleich der Deh­nungs­mess­strei­fen (rote Kur­ve) und Vic-3D  (schwar­ze Kur­ve) [Deh­nung ε in Microstrain]

 

Die Vic-3D Daten ent­spre­chen nahe­zu per­fekt den Ergeb­nis­sen der Deh­nungs­mes­sung. Auch bei nied­ri­gen Belas­tun­gen ist die Dif­fe­renz weni­ger als 25 Microstrain.

Dehnungsmessung — 2D Ermüdungstest

 

In die­sem Bei­trag wer­den die Ergeb­nis­se eines 2D Ermü­dungs­tests an einer dicken Stahl­plat­te mit Ker­be gezeigt. Unter Ver­wen­dung einer 2,3 MP Kame­ra in Kom­bi­na­ti­on mit Vic-2D kann eine hohe Deh­nungs­auf­lö­sung von unge­fähr 5 — 10 Micros­train erreicht werden.

 

Im Video wer­den die Ergeb­nis­se des Ermü­dungs­tests dargestellt.

 

 

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Die Pro­be wur­de einer wech­seln­den Bie­ge­be­las­tung über die Zeit aus­ge­setzt, was die gra­fi­sche Dar­stel­lung veranschaulicht.

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.

 

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.

Uni Wien Mikroskop

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):

Uni Wien Mikroskop2

Bild 2 — Deh­nung in x‑Richtung

Uni Wien Mikroskop3

Bild 3 — Deh­nung in y‑Richtung

Uni Wien Mikroskop4

Bild 4 — Stan­dard­ab­wei­chung unter Belastung

Uni Wien Mikroskop5

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.

Vic-3D High-Speed Vibrations Analyse System

Vibration1               Vibration2

 

Das Vic-3D™  High-Speed Vibra­ti­ons Ana­ly­se Sys­tem von Cor­re­la­ted Solu­ti­ons ist eine neue Ergän­zung zur bestehen­den Vic-3D Pro­dukt­li­nie. Vic-3D Vibra­ti­on ermög­licht eine voll­flä­chi­ge 3D-Anzei­ge, sowie die Mes­sung und Ana­ly­se von tran­si­en­ten Events. Eine Voll­feld-Betriebs­schwin­gungs­ana­ly­se kann im Fre­quenz­spek­trum ein­fach beob­ach­tet wer­den und erreicht Genau­ig­kei­ten bis in den Nanometerbereich.

Bei dem Bild oben links han­delt es ich um Modell-Flug­zeug, das einem tran­si­en­ten Vibra­ti­ons­er­eig­nis aus­ge­setzt wur­de. Die gemes­se­nen 3D-Schwin­gungs­da­ten wer­den im rech­ten Bild als 2D ‑Kon­tur-Über­la­ge­rung dar­ge­stellt. Die Daten-Über­la­ge­rung ermög­licht dem Anwen­der genau zu über­prü­fen, wie groß die Ver­for­mun­gen bezo­gen auf den Ort sind. Die­se Infor­ma­tio­nen ste­hen für jede Fre­quenz, bei der Schwin­gungs­for­men auf­tre­ten, zur Verfügung.

Die Ani­ma­ti­on unten zeigt eine Betriebs­schwin­gungs­form, die mit dem Vic-3D Vibra­ti­ons Ana­ly­se-Sys­tem auf­ge­nom­men wur­de. Drei­di­men­sio­na­le Ver­for­mun­gen, Deh­nun­gen, Geschwin­dig­kei­ten und Beschleu­ni­gun­gen kön­nen mit der Ana­ly­se­soft­ware berech­net wer­den. Die Ergeb­nis­se kön­nen aber nicht nur gra­phisch dar­ge­stellt wer­den, das Sys­tem ermög­licht den Anwen­der quan­ti­ta­ti­ve Daten (ASCII, Mat­Lab, CSV, etc.) über das Pro­ben­ver­hal­ten für eine FEM-Ana­ly­se oder Über­prü­fung zu expor­tie­ren. Die 3D Ani­ma­ti­on des Model-Flug­zeu­ges mit einer Betriebs­schwin­gungs­form bei 441 Hz weist ledig­lich eine Ver­schie­bungs­am­pli­tu­de von 12µm auf.

 

 

Film Vibration3D_W_431Hz

Was ist eine transiente Schwingungsanalyse? 

Eine tran­si­en­te Schwin­gungs­ana­ly­se ist der Pro­zess der Über­wa­chung, Mes­sung und Zustands­ana­ly­se einer Pro­ben wäh­rend eines tran­si­en­ten Ereig­nis­ses. Die Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten kön­nen zusätz­lich durch die Ana­ly­se der Betriebs­schwin­gungs­for­men sowie der Eigen­for­men unter­sucht wer­den. Die­se voll­flä­chi­gen 3D-For­men kön­nen wert­vol­le Infor­ma­tio­nen lie­fern, um das Gleich­ge­wicht einer Pro­be, die Ver­schie­bun­gen, die Ver­bie­gung,  die Stei­fig­keit und die Gesamt­pro­dukt­per­for­mance zu opti­mie­ren. Die Mes­sung von Betriebs­schwin­gun­gen kann dabei hel­fen, die Fra­ge zu beant­wor­ten, wie viel sich eine Struk­tur tat­säch­lich bei einer spe­zi­el­len Fre­quenz bewegt.

 

Warum ist das für Sie wichtig?

Betriebs­schwin­gungs­ana­ly­sen von tran­si­en­ten Ereig­nis­sen kön­nen auf­klä­ren, ob die Pro­be ungleich­mä­ßi­ge Dicken, Ober­flä­chen­un­re­gel­mä­ßig­kei­ten, Schwach­stel­len, Ris­se oder ande­re Feh­ler auf­weist. Die­se Infor­ma­tio­nen hel­fen an jedem Punkt Ihres Pro­zes­ses, z.B. beim Schrei­ben von Pro­jekt­vor­schlä­gen oder Veröffentlichungen.

Das Vic-3D High-Speed Vibra­ti­ons Ana­ly­se System

  • besitzt ver­tret­ba­re Anschaffungskosten.
  • kann ver­wen­det werden: 
    • für die Erzeu­gung und Über­prü­fung von  FE Model­len, wenn neue Bau­tei­le oder Gerä­te kon­tru­iert werden.
    • wäh­rend des Ent­wick­lung- und Kontruktionsprozesses.
    • in der Produkttestphase.
    • für eine Qua­li­täts­kon­trol­le in der Fertigung.
    • für die Bestä­ti­gung und Gewähr­lei­tung, dass die Aus­rüs­tung wie erwar­tet funktioniert.
    • um Bau­tei­le nach der Instal­la­ti­on zu mes­sen und analysieren.
    • um die Pro­dukt­qua­li­tät über län­ge­re Zeit im Feld zu gewährleisten.
    • wenn eine Pro­dukt­funk­tio­na­li­tät neu bewer­tet wer­den soll.

 

Hier eini­ge Bespie­le für tran­si­en­te Ereig­nis­se, die mit dem Sys­tem gemes­sen wer­den können:

▪ Zuschla­gen einer Tür ▪ Anre­gung durch Hammerschlag
▪ Motor­start ▪ Fall­tests
▪ Explo­sio­nen ▪ Bal­lis­ti­sche Untersuchungen

 

Systemeigenschaften 

  • Anzei­gen,  ver­glei­chen,  anre­gen, gra­fisch dar­stel­len, extra­hie­ren und expor­tie­ren der Daten für einen ein­fa­chen FEM-Vergleich
  • 3D-Voll­feld-Mes­sung, Hoch­fre­quenz­be­trieb mit Auf­lö­sun­gen im Nanometerbereich
  • Mes­sung von extrem klei­nen Ampli­tu­den mit extrem hohen Beschleunigungen
  • Voll­feld Deh­nun­gen, Ver­for­mun­gen und Form­än­de­run­gen wer­den angezeigt
  • Ein­fa­ches Ver­fah­ren mit genau­en Ergebnissen
  • Benut­zer­freund­li­che Öberfläche
  • Kos­tet nur ein Bruch­teil des Prei­ses eines Laser­vi­bro­me­ter Systems

 

Vorteile gegenüber anderen Messverfahren

Obwohl es prak­tisch ist, her­kömm­li­che Vibra­ti­ons­mess­sys­te­me zu benut­zen, haben die­se auch Nach­tei­le. Zum Bei­spiel kann es pas­sie­ren, dass sich Beschleu­ni­gungs­neh­mer wäh­rend der Mes­sung lösen oder eine Pro­be auf­la­den. Sie lie­fern ledig­lich eine Punkt-zu-Punkt-Mes­sung, oft­mals nur in einer Ebe­ne. Die Tests gro­ßer Struk­tu­ren kön­nen somit Tage oder Wochen dauern.

Mit dem Vic-3D Vibra­ti­ons Ana­ly­se Sys­tem sind kei­ne Kleb­stof­fe, Dräh­te, Signal­ana­ly­sa­to­ren, Leis­tungs­ver­stär­ker oder Kraft­auf­neh­mer für detail­lier­te Vibra­ti­ons­er­geb­nis­se not­wen­dig. Es ist für alle Anwen­der sehr ein­fach und schnell tau­sen­de Daten­punk­te sowohl für eine klei­ne, kom­ple­xe Struk­tur als auch für eine gro­ße Flä­che zu erhal­ten. Laser­vi­bro­me­ter kön­nen zwar ähn­lich wie die digi­ta­le Bild­kor­re­la­ti­on berüh­rungs­los mes­sen, sind aber genau­so wie Beschleu­ni­gungs­mes­ser nur in der Lage Punkt-zu-Punkt Mes­sun­gen durch­zu­füh­ren. Eine 3D Mes­sung erreicht man mit meh­re­ren Laser­vi­bro­me­tern, die im Nor­mal­fall an gro­ßen Robo­ter­ar­men mon­tiert wer­den. Der Auf­bau ist unfle­xi­bel, Kos­ten inten­siv und benö­tigt viel Platz.

Das Vic-3D Vibra­ti­ons Ana­ly­se Sys­tem arbei­tet mit jedem kom­pa­ti­blem Lap­top an Ihrem Mess­ort, in Ver­bin­dung mit der Vic-3D Work­sta­tion erhal­ten Sie einen mobi­len Sys­tem­auf­bau für Ihren Betrieb. Das Vic-3D Vibra­ti­ons Ana­ly­se Sys­tem kos­tet nur einen Bruch­teil von einem 3D Scan­ning-Vibro­me­ter-Sys­tem, wei­ter­hin kann das Vibra­ti­ons-Modul an jedes bestehen­de Vic3D Sys­tem inte­griert wer­den, wodurch es noch güns­ti­ger wird.