Armin Schöne

Surface roughness measurement by means of polychromatic speckle elongation

A new approach for determining the roughness of engineering surfaces that is applicable to industrial in-process measurements is introduced. Laser speckle patterns, arising from light scattered from rough surfaces that are illuminated by polychromatic laser light, are detected in the far-field region. The incoherent superposition of these light intensities and the angular dispersion cause the effect of speckle elongation. This is characterized by increasing speckle widths and leads to a radial structure of the speckle patterns. With increasing surface roughness, the elongation is replaced more and more by the decorrelation of the monochromatic speckle patterns for the different wavelengths. Such effects were detected with the CCD technique and analyzed by local autocorrelation functions of intensity fluctuations that were calculated for different areas of the speckle patterns. The results of surface-roughness determination by means of the speckle elongation effect are presented.

Application of Fourier analysis to phase-Doppler-signals generated by rough metal particles

With the phase-Doppler-difference method the diameter and the velocity of spherical particles can be determined by measuring the frequency and the phase difference of burst signals detected by two or more photodetectors. A Fourier analysis method is described that extracts frequency and phase information from the Doppler signals. The system is designed around a TMS320C25 signal-processor board fitted into an AT computer. The performance of the frequency and phase estimator is examined. The method is particularly useful with noisy burst signals, such as those that occur in investigating a metal spraying process. >

Estimation of electromagnetic scattering patterns from sinusoidal surfaces using FFT

The scattering of electromagnetic waves from perfectly conducting sinusoidal surfaces as prototypes of periodic rough surfaces is studied. Physical optics and Fourier methods are used to calculate the scattered far field at a function of the observation angle. The patterns for several surface parameters are evaluated and plotted. The size of the illuminated surface area is varied. Homogeneous and Gaussian field amplitude perturbation of a laser beam in TEM/sub 00/-mode is considered. The results are compared with other methods and show a rather good agreement. Therefore, the method may be used for far-field computation if several criteria for the validity of the Kirchhoff approximation are not violated. >

Specklekorrelation mit einem dichromatischen Fouriertransformationssystem

Vor zwei Jahrzehnten hat Parry [11] vorgeschlagen, die Specklekorrelation zur Bestimmung von Oberflachenrauheiten zu verwenden. Seither ist dieses Verfahren von verschiedenen Autoren untersucht worden. Trotzdem hat sich bisher keine der hierunter fallenden Realisierungen dieses Verfahrens im Bereich der Rauheitsmessung an technischen Oberflachen durchsetzen konnen. Beim Verfahren der spektralen Specklekorrelation, bei dem die Intensitatswerte des Streulichtes zweier Wellenlangen verschiedener beleuchteter Oberflachenabschnitte korreliert werden, durfte der tiefere Grund darin liegen, das erhebliche Justierprobleme aufgrund der Winkeldispersion auftreten. Die Winkeldispersion fuhrt bei der spektralen Specklekorrelation mit zunehmendem Abstand von der optischen Achse zu Dekorrelationseffekten, die nicht von der Oberflache verursacht werden, sondern von der Wellenlangenabhangigkeit der Skalierung der raumlichen Streulichtverteilungen. In den Streufeldern fur zwei verschiedene Lichtwellenlangen liegen bei einem von Bitz [3] vorgeschlagenen Aufbau die gleichen Ortsfrequenzen der beiden Wellenlangen an unterschiedlichen Orten. Lediglich auf der optischen Achse stimmen die Ortsfrequenzen fur beide Wellenlangen uberein. Dies macht eine Justierung im Bereich weniger Bogenminuten um die optische Achse notwendig, wenn man zuverlassig messen will. Doch selbst dann, wenn es gelingt, das Messystem bei Beginn einer Messung so genau zu justieren, ist es nahezu unmoglich, diese Justierung wahrend der gesamten Mesdauer, bei der die Oberflache bewegt wird, beizubehalten. Die unerwunschte Folge davon ist, das Intensitaten unterschiedlicher Ortsfrequenzen miteinander korreliert werden [9], was unabhangig von der Oberflache zu einer Dekorrelation fuhrt. Im vorliegenden Beitrag wird dargelegt, das mit einem dichromatischen Fouriertransformationssystem eine einheitliche Skalierung der Ortsfrequenzebenen der unterschiedlichen Wellenlangen erreicht werden kann. Ein Bildverarbeitungssystem ermoglicht dann die Kreuzkorrelation der beiden Streubilder, so das das Maximum unter der ublichen Voraussetzung, das die Ensemble-Mittelwertbildung nun der Mittelung in der Ortsfrequenzebene entspricht, der gesuchte Korrelationskoeffizient ist.

Simulation der Lichtstreuung an technischen rauhen Oberflächen als Grundlage laseroptischer Rauheitsmeßverfahren

ZusammenfassungViele optische Meßverfahren zur Bestimmung der Rauheit technischer Oberflächen beruhen auf der Analyse des Lichtes, das an der zu untersuchenden Oberfläche gestreut wird. Ziel solcher Meßverfahren ist es, die Werte bestimmter statistischer Parameter der streuenden Oberflächen zu ermitteln. Da man dazu diese Parameter mit den stochastischen Eigenschaften des Sreulichtes in Beziehung setzen muß, ist neben der stochastischen Beschreibung der Oberflächenmikrostrukturen eine optische Theorie der Lichtstreuung Grundlage eines jeden Streulichtverfahrens. Zur Über-prüfung und Auswertung der analytisch mit Hilfe der statistischen Optik unter im allgemeinen idealisierenden Voraussetzungen erhaltenen Ergebnisse bietet es sich an, den Vorgang der Lichtstreuung zunächst rechnerisch zu simulieren. In der vorliegenden Arbeit wird eine entsprechendes Simulationsverfahren vorgestellt.Ausgangspunkt zur Entwicklung dieses Simulationsverfahrens ist eine bekannte mathematische Beziehung zur Beschreibung des elektrischen Fernfeldes des monochromatischen Lichtes, das an einer rauhen oberfläche gestreut wird. Diese theoretische Beziehung kann unter Anwendung der Kirchhoffschen Theorie der physikalischen Optik hergeleitet werden.Bei Vorgabe mathematischer Funktionen hj, die die Abweichungen der Oberflächenhöhen einer rauhen Oberfläche von einer mittleren Höhe angeben, ist es möglich, die Werte der entsprechenden Intensitäten Ij des Streulichts in der Fraunhofer-Region zu ermitteln. Dies wird in der vorliegenden Arbeit für fiktive Profile hj(x) eindimensional rauher Oberflächen entwickelt. Die fiktiven Oberflächenprofile werden numerisch in Form von N Abtastwerten erzeugt. Darauf baut eine Methode zur numerischen Integration auf, mit der sich die erwähnten Intensitätswerte bestimmen lassen.Dieses Vorgehen erlaubt schließlich die Realisierung einer Monte-Carlo-Simulationsmethode, die es ermöglicht, statistisch optische Meßverfahren zur Ermittlung von Oberflächen-Rauheitskenn-werten zu prüfen. Dies wird am Beispiel der dichromatischen Speckle-Korrelation erläutert.

Using Fast-Fourier-Transform (FIT) For The Phase-Doppler-Dp Erence-Analysis Of Powder Metal Sprays

Application of the phase-Doppler-difference-analysis to ,spraying and compacting molten metals to measure particle size and velocity distributions is difficult because of the high background noise level of the signals detected by the photodetectors. Common counter processors will not work properly with such noisy signals. Therefore a modified laser-Doppler-processor based on the fast Fourier transform is described and its performance evaluated by simulation and by analysing signals originating from rough and nonspherical CuAl particles.

Strömungsbeschleunigungsmessungen bei der Laser-Doppler-Anemometrie (Distortions within the Measuring Volume and Fluid Acceleration Measurements by Laser-Doppler-Anemometry)

Die Arbeit geht von der Frage aus, ob mittels der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) nicht nur örtliche Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des sehr kleinen Messvolumens, sondern auch Beschleunigungen der Strömung bestimmt werden können. Dazu wurden entsprechende experimentelle Untersuchungen durchgeführt und die dabei erhaltenen Messergebnisse mittels unterschiedlicher Verfahren der Signalverarbeitung ausgewertet. Verschiedene Ansätze zur kontinuierlichen Analyse der zeitlichen Änderung der instantanen Frequenz innerhalb des abgetasteten Bursts werden vorgestellt, die auf der Kurzzeit-Fouriertransformation (STFT) basieren. Es ist üblich anzunehmen, dass im LDA-Messvolumen streng parallele Interferenzebenen gleich bleibender Abstände erzeugt werden. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass diese Annahme nicht so genau zu erfüllen ist, dass Beschleunigungen messbar sind. Die tatsächlichen Verhältnisse wurden durch digital-optische Bestimmung der Partikelbahnen im LDA-Messvolumen und der örtlichen Lage der Interferenzebenen näher untersucht.

Messen von Zeit, Drehzahlen und Beschleunigungen

Zeitmessungen sind in technischen Systemen vor allein deshalb erforderlich, um die Dauer bestimmter Ablaufe zu ermitteln, und auch, um bestimmte Zeitintervalle vorgegebener Dauer zu markieren. Das Prinzip solcher Zeitmessungen und eine Anwendung sind in Abb. 6.1 skizziert.

Umformung, Übertragung und Verarbeitung von Meßsignalen

Heutzutage kann man sich kaum vorstellen, das sich technische Anlagen betreiben lassen, ohne das man die Werte aller wichtigen Prozesgrosen mist. Fruher war das jedoch keineswegs so. Vielmehr kann man allgemein feststellen, das der Grad der Automatisierung von technischen Anlagen standig zunimmt. Dies ist auch mit einem standig zunehmenden Einsatz von Meseinrichtungen verbunden.

Messen von Dehnungen, Kräften, Drehmomenten und Leistungen

Dehnungsmessungen dienen dazu, Aufschlus uber die Verformung und damit auch uber die mechanische Beanspruchung fester Korper zu erhalten.