Olsen fikk i 1869 statsstipend for å studere i utlandet, og han fikk innpass ved et tegnekontor i Philadelphia. I en luthersk menighet ble han kjent med brødrene Riehlé, og fikk innpass på deres verksted som spesialiserte seg i vekter og måleutstyr. Olsen var sentral i utvikling av en materialprøvemaskin som testet styrke, seighet og belastningsmotstand i materialer og legeringer. Maskinen ble en suksess og Olsen overtok som verksmester ved brødrenes verksted i 1872. I 1879 bad Olsen om medeierskap i bedriften siden det var han som hadde utarbeidet patentene, men ønsket ble ikke godt mottatt, og Tinius Olsen ble i stedet avsatt.