Entwicklung eines Systems zur exakten Ausrichtung eines Terahertz-Zeitbereichs-Spektroskops zur Verbesserung der Messeigenschaften im Reflexionsbetrieb
Creators: name: Pusse, Katrin
name: :Unav
Publisher: name: Fraunhofer-Gesellschaft
Year: 2022
Subjects: Triangulationssensor
Reflexionsbetrieb

description: Die Arbeit begann mit der Aufgabe ein System zur exakten Ausrichtung eines Terahertz-Zeitbereichs-Spektroskop zum Messobjekt zu schaffen, wodurch die Messeigenschaften des Reflexionsbetriebs verbessert werden sollen. Um dieses Ziel zu erreichen wurde sich für eine lasergestützte Ausrichteinheit entschieden. Die Konstruktion der dazu nötigen Mechanik war der erste Schritt der in dieser Arbeit. Neben der Herstellung des Halters für die Sensoren, die um den Messkopf angeordnet werden, wurden auch Positionierelemente an die THz-Vorrichtung adaptiert und mit der Grundplatte fest verschraubt. Der zweite Schritt befasste sich mit der Auswahl der Triangulationssensoren und deren Einbau. Damit diese für das Projekt genutzt werden konnten, mussten sie über einen Konverter mit dem PC verbunden werden. Dafür wurden Kabel an einen Sub-D Stecker gelötet und zur Kurzschlusssicherheit wurden die Enden durch einen Schrumpfschlauch versiegelt. Um die Sensoren steuern und die ausgegebenen Daten verwerten zu können, wurden diese im nächsten Schritt mit der Programmiersprache LabVIEW an den PC angebunden. In dem entstandenen Programm werden die Abstandswerte der Sensoren empfangen und in einer State-Machine, auch der Zustandsautomat genannt, mittels Trigonometrie verarbeitet. Die entstandenen Ergebnisse beschreiben den Kipp- und Drehwinkel des Messobjekts und dessen Entfernung zum Messkopf. Durch diese Angaben konnte festgelegt werden, in welchem Maße die Messebene von der idealen, parallelen zum Prüfkopf ausgelegten Fläche abweicht. Abschließend wurde das System unter verschiedenen Vorraussetzungen getestet und validiert. Weiterhin wurde im experimentellen Teil die Größe des Messbereichs des THz-Prüfkops und der bestmögliche Abstand von Messkopf zu Messobjekt ermittelt. Zusätzlich sollte auch der Einfluss der Kippund Drehwinkel auf das Messergebnis untersucht werden. Bei der Ausrichtung der Sensoren musste festgestellt werden, dass die Sensoren S2 und S3 nicht auf einer Linie liegen und diese dadurch nur in einem Winkel von 0° betrachtet werden können. Die Ausrichtung des Prüflings erfolgte weiterhin problemlos und die Größe der Ellipse mit den Abmaßen 3 mm x 10 mm (Höhe x Breite) festgestellt werden. Die Ermittlung des Abstandes für das beste Messergebnis ergaben einen Wert von ca. 85,3 mm. An dieser Stelle besitzen die Messwerte die höchste Amplitude (Peak-to- Peak-Wert). Der Einfluss des Kippwinkels auf das Messsystem konnte mit einer ungefähren Abweichung von 0,0075 auf 1° Verschiebung festgelegt werden, während der Drehwinkel einen höheren Einfluss von ca. 0,02 auf 1° Verschiebung aufwies. Eine Abstandsänderung um 0,01 mm hat einen Einfluss auf die Amplitude um einen Wert von 0,004. Damit kann ein Eindruck über die Dimension des Fehlers bei der Abweichung des rechtwinkligen Einfalls der THz-Wellen auf das Prüfobjekt gewonnen werden. Schlussendlich wurde sich auch mit möglichen Fehlerquellen für die Veränderung der Programm-Messergebnisse beschäftigt. Hierbei wurden sowohl mathematische und mechanische als auch sensortechnische Fehlereinflüsse genauer beleuchtet. Mathematische und sensorseitige Fehler konnten vorerst ausgeschlossen werden. Dadurch kam es zur Erkenntnis, dass es sich wahrscheinlich um einen Fehler in der Mechanik des Systems handeln muss. Die mögliche Behandlung dieser Fehler kann im entsprechenden Unterkapitel 6.5.2 nachgelesen werden. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass ein System entwickelt wurde, welches Verkippungen, Verdrehungen und Änderungen des Abstandes von Ist- zu Sollwert ermittelt und an den Benutzer weiter gibt. Zwar scheitert es vorerst an der Winkeländerung der Sensoren, jedoch ist an dieser Stelle Platz für eine Verbesserung des Systems. Es hat sich gezeigt, dass es durch diesen Aufbau zur Verbesserung der Messeigenschaften kommt, da nun mit Hilfe von beweglichen Bauteilen eine starre Konstruktion ersetzt und auf Verschiebungen des Prüfobjekts zum Prüfkopf reagiert werden kann. Entsprechend dieser Aussage konnten die Anforderungen die an das Projekt gestellt wurden erfolgreich erfüllt werden. Im Laufe weiterführender Arbeiten am Fraunhofer IZFP werden Fehlereinflussquellen des Systems genauer betrachtet und andere Lösungsmöglichkeiten, vor allem im Bereich der Mechanik, ermittelt werden. Hierzu werden andere Fertigungsverfahren verwendet und die Konstruktion des Bauteils überarbeitet.