J. Eberhardsteiner, M. Gingerl, L. Ondris:
"Beurteilung der Meßgenauigkeit eines 3D-ESPI-Systems bei der biaxialen Festigkeitsprüfung von Holz";
Poster: GESA-Symposium 1996, Experimentelle Beanspruchungsanalyse, neue Entwicklungen und Anwendungen, Schliersee, Deutschland; 10.10.1996 - 11.10.1996.
Das Ziel einer umfangreichen experimentellen Untersuchung über die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften von zweiachsig, schräg zur Faserrichtung beanspruchtem Fichtenholz ist die Gewinnung von geeigneten Versuchsdaten, wie sie für die Erstellung von biaxialen Werkstoffgesetzen und deren Einsatz im Rahmen numerischer Berechnungsverfahren (z.B. Finite-Elemente-Methode) benötigt werden. Die dafür entwickelte Versuchseinrichtung besteht aus einer biaxialen, servohydraulischen Festigkeitsprüfmaschine und einem starr mit dem Prüfrahmen verbundenen elektronischen 3D-Speckle-Pattern-Interferometer. Dieses berührungslos arbeitende Meßsystem dient zur flächenhaften Deformationsanalyse und in weiterer Folge zur Bestimmung der Verzerrungen im Meßbereich der verwendeten scheibenförmigen Holzproben. Im Zusammenhang mit der quantitativen Bestimmung von Deformationen ist die Kenntnis von Fehlereinflüssen und Meßgenauigkeit von großem Interesse.Die Empfindlichkeit des eingesetzten interferometrischen Verfahrens liegt in der Größsenordnung eines Bruchteils der Lichtwellenlänge. Die tatsächliche Meßgenauigkeit des 3D-ESPI-Systems ist jedoch aufgrund einer Reihe störender Einflüsse entsprechend geringer. Für den Verlust an Genauigkeit sind mehrere, grundsätzlich verschiedenartige Einflüsse verantwortlich, welche das Meßergebnis in unterschiedlichem Ausmaß verfälschen können. Einige davon sind unvermeidbar, andere können bis zu einem bestimmten Ausmaß durch spezielle Vorkehrungen und Maßnahmen verringert bzw. bei der Auswertung berücksichtigt werden.
Zu den wichtigsten Einflüssen, welche eine ungestörte Wechselwirkung des Meßsystems mit dem Meßobjekt verhindern, zählen Schwingungen am Meßobjekt selbst bzw. an Komponenten des Meßsystems, welche durch Trittschall, Vibrationen des Hydrauliksystems oder durch externe Schwingungsquellen (z.B. Straßen- und Eisenbahnverkehr) verursacht werden sowie Luftschlieren zwischen dem Meßobjekt und dem Meßsystem bedingt durch die ständige Wärmeabgabe des Hydrauliksystems der Prüfmaschine. Unvermeidliche Genauigkeitseinbußen entstehen bei der Aufzeichnung der Meßinformation und deren Digitalisierung mit Hilfe einer CCD-Kamera einerseits durch die begrenzte Auflösung und Genauigkeit der Kamera und andererseits durch Rauscheinflüsse elektromagnetischer Art sowie durch den Speckle-Effekt selbst. Die entsprechenden Kompensationsmaßnahmen für die Rauscheinflüsse sind geeignete Filteralgorithmen, welche allerdings ihrerseits eine Fehlerquelle darstellen. Das Demodulieren der Meßinformation stellt in diesem Zusammenhang einen besonders heiklen Schritt der Auswertung dar, wo Meßinformation regelrecht verloren gehen kann.
Fehler bei der Objektbemaßung und -berandung sowie Fehler bei der Bestimmung der Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie sind eine Gruppe von Fehlereinflüssen, die im Rahmen einer flächenhaften quantitativen Auswertung ganz besondere Aufmerksamkeit verdienen. Bei bekannter Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie eines eindimensionalen optischen Aufbaus kann die Meßempfindlichkeit in jedem Punkt der Meßfläche durch einen entsprechenden Sensitivitätsvektor S_k ausgedrückt werden. Im Fall einer dreidimensionalen Verschiebungsmessung erhält man drei derartige Sensitivitätsvektoren, welche zu einer Geometriematrix G_{jk} zusammengefaßt werden können. Der entsprechende allgemeine Zusammenhang
\begin{displaymath} N_j \cdot \la = G_{jk} \cdot d_k \end{displaymath}
liefert die Grundlage zur Messung der dreidimensionalen Verformung einer Fläche. Allerdings muß bei einer genauen quantitativen Auswertung im allgemeinen berücksichtigt werden, daß sich die Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie und damit auch die Geometriematrix aufgrund divergenter Beleuchtung beziehungsweise aufgrund der optischen Abbildung in Abhängigkeit vom betrachteten Punkt auf der Meßfläche ändert. Bild 1 zeigt diese Abhängigkeit für ein reales 3D-ESPI-System. Die gesamte Graphik kann als flächenhafte Darstellung der Geometriematrix in Abhängigkeit vom Ort auf einer quadratischen Meßfläche interpretiert werden, wobei jede einzelne Fläche dem Betrag einer Komponente der Geometriematrix entspricht.
Ungenauigkeiten bei der Bestimmung der Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie können die Geometriematrix in ganz unterschiedlichem Ausmaß beeinflussen. Während geringe Meßfehler im Abstand zwischen Meßobjekt und Meßsystem in der Realität oft vernachlässigt werden können, führen Ungenauigkeiten gleicher Größenordnung bei der Bestimmung eines Beleuchtungswinkels oft zu sichtbaren Fehlern im Meßergebnis. Durch die erwähnte Ortsabhängigkeit der Geometriematrix ist der tatsächliche Einfluß dieses Geometriefehlers in der Realität nur mit großem Aufwand genau quantifizierbar.
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