1,720,992 research outputs found
Processing of vibrometer signals for determination of cardiovascular parameters
No full textLaser Doppler vibrometers (LDV) measure tiny vibration amplitudes and have already shown to be suitable for many applications in technical and biomedical fields as, for example, vibration detection on the skin. The monitoring of the heart rhythm is actually based on the electrocardiogram (ECG), which requires the application of electrodes. A non-contact measurement has many benefits and would simplify patient monitoring (e.g., burned skin, chest-trauma, premature infants, and athletes during exercise). As already known, optical Vibrocardiography (VCG) with LDV allows the detection of heart rate and heart rate variability because the heart beat is an mechanical source. This paper demonstrates the possibility of a reliable detection and classification of atrioventricular (AV) blocks. To solve this task we have identified an area on the thorax which shows vibration responses of the contraction of the atrium and the ventricle. We also discuss different signal processing concepts for an automated signal pattern recognition of characteristic signal segment
Laser Doppler vibrometry as a noncontact method to detect various degrees of atrioventricular block: a feasibility study
No full textBackground: The vibrocardiography (VBCG) is a laser-based technique to monitor the heart rhythm without any contact to the body. The aim of this study was to evaluate whether the VBCG is able to detect the vibration patterns of the atria. Methods: Simultaneous recordings of the ECG and VBCG in two cohorts were evaluated. Results: The VBCG delivered a robust vibration pattern of the atrial contraction. A reliable determination of the interval and the different stages of an atrioventricular block was possible. Conclusion: This is the first study that demonstrates the feasibility of a noncontact registration of the atrial vibration pattern. It enables a reliable determination of the atrioventricular interval. The VBCG can, therefore, serve as full noncontact monitoring
Laser-Doppler-Dehnungssensor
Full text linkDie Messung der dynamischen Dehnung bei der Betriebsfestigkeitsprüfung spielt in vielen Industriebereichen wie etwa dem Automobilbau eine entscheidende Rolle. Die Dehnungsmessung erfolgt konventionell und auch heute noch überwiegend mit taktilen Sensoren, den sogenannten Dehnungsmessstreifen (DMS). DMS sind kostengünstig und technisch ausgereift. Allerdings bestehen bei dieser Messmethode vielen Einschränkungen. Zum Beispiel folgt der Verformung des DMS die Verformung des Messobjekts aufgrund des Klebestoffs zwischen DMS und dem Messobjekt nicht perfekt. Die Messkonfiguration erfordert bei mehreren Messstellen eine aufwendige Vorbereitung. Neben den konventionellen taktilen Messverfahren werden auch zahlreiche berührungslose optische Messverfahren entwickelt. Die Korrelationsverfahren wie digitale Bildkorrelation, Speckle-Korrelation werden häufig in der Industrie verwendet. Allerdings ist die Dehnungsauflösung von diesen Methoden durch die Pixelgröße der Kamera begrenzt. Bei einer hohen Abtastrate liefert die Bildverarbeitung aufgrund der Bildfrequenz der Kamera und der zeitaufwändigen Berechnung der Bildverarbeitung in der Regel kein Echtzeitsignal. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Dissertation ein neuartiger optischer Dehnungssensor nach dem Messprinzip der differentiellen In-Plane-Laser-Doppler-Vibrometrie für die Berührungslose Überwachung der dynamischen Dehnung erforscht. Dazu wird ein mathematisches Modell für Bestimmung des optimalen Designparameters der Sensorstruktur gebildet Sowohl die optischen Komponenten als auch die elektrischen Komponenten des Sensors wurden anhand des Modells entworfen, um eine kleinste minimal detektierbare Dehnung zu gewährleisten. Während der Dehnungsmessung bei der Betriebsfestigkeitsprüfung wurde der Einfluss des Speckle-Effekts beobachtet. Die Signalleistung variiert mit den unterschiedlichen Specklepositionen und erzeugt Specklerauschen wird. Insbesondere wird die Signalqualität stark beeinträchtigt, wenn die Signalleistung unter der gesamten Rauschleistung fällt. Dieses Phänomen definiert den Signalaussetzer. Daher wurde die Polarisationsdiversität für Reduzierung des Auftretens des Signalaussetzers und des Specklerauschens untersucht. Um den Lösungsansatz herauszufinden, wurde das statistische Verhalten des Träger-Rausch-Verhältnis (C/N) mathematisch untergesucht. Die theoretische Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Signalaussetzern wurde berechnet. Diese Theorie wurde auch mit dem experimentellen Aufbau nachgewiesen. Außerdem wurde in dieser Arbeit der Stand der Technik von Signalkombinationsmethode verbessert und ein Kombinationsalgorithmus wurde optimiert implementiert. Insgesamt wurde der neuartige Dehnungssensor in einem kompakten Gehäuse eingebaut und in eine Resonanzprüfmaschine integriert. Dieses kompakte Laser-Doppler-Dehnungssensor liefert vergleichbare Messergebnisse wie konventionelle DMS. Die maximale Dehnungsabweichung zwischen dem optischen Dehnungssensor und DMS wurde kleiner als 4×10−5 nachgewiesen
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Laser doppler vibrometer with a variable carrier generated by optical phase locked loops
Full text linkGeschwindigkeits- und Schwingungsmessungen sind in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobiltechnik, der Elektronik und der Biomedizin weit verbreitet. Die derzeit verfügbaren Sensorsysteme, wie z. B. Beschleunigungsmesser, unterliegen jedoch bestimmten Einschränkungen für die gewünschten Anwendungsszenarien. Diese Sensoren sind nur für bestimmte Schwingungsfrequenzen oder Beschleunigungen (und entsprechende Geschwindigkeiten) geeignet, was ihre Anwendbarkeit einschränkt. Außerdem erfordern einige Sensoren einen Kontakt mit dem zu messenden Objekt. Bei schwer zugänglichen Objekten sind die Anwendungsmöglichkeiten ebenfalls begrenzt. Außerdem ist die begrenzte Messgenauigkeit bei diesen Sensoren oft ein drängendes Problem. Unter den bestehenden Geschwindigkeits- und Schwingungssensoren besitzt die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDVy) unersetzliche Vorteile und findet in der Industrie breite Anwendung. LDV ist eine berührungslose Messtechnik, die den Betriebszustand eines Objekts durch Messung der vom Objekt verursachten Laserphasenänderungen erfasst. LDVy ermöglicht die berührungslose Messung der Geschwindigkeit oder Vibration von Objekten und ist daher in verschiedenen Szenarien einsetzbar. Darüber hinaus bietet LDV hochpräzise Messungen, die in der Lage sind, Vibrationen im Pikometerbereich zu erfassen. Aufgrund dieser Vorteile wird LDVy in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt. Die LDVy-Implementierung umfasst in der Regel ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) mit einer Interferometerstruktur. In handelsüblichen LDVs wird der Träger durch einen akusto-optischen Modulator, die Bragg-Zelle, erzeugt.Allerdings kann der feste Träger in praktischen Anwendungen die Leistung des LDV einschränken oder in einigen Fällen zu einer geringeren Auflösung führen, so dass die modernen kommerziellen LDVs nicht ausreichen, um die Messanforderungen zu erfüllen. Zum Beispiel, wenn unerwartetes Rauschen oder andere oder anderen Störsignalen in der Nähe der Trägerfrequenz konfrontiert werden, nimmt die Erkennungsleistung des LDV erheblich ab. Außerdem sind die vorhandenen Trägerfrequenzen für hochfrequente Schwingungen möglicherweise nicht ausreichend, wie z. B. Schwingungsmessungen für mikroelektromechanische Systeme (MEMS). Daher ist es eine neue Technik zur Erzeugung variabler Trägerfrequenzen für LDV vorzuschlagen, um diese um diese Einschränkungen zu überwinden und die Leistung und die Anwendungsbereiche von LDV weiter zu verbessern. Es wurden drei wissenschaftliche Hypothesen zur Erzeugung variabler Träger im LDV vorgeschlagen. Die erste Hypothese besteht darin, die Technologie der optischen Phasenregelschleife (OPLL) zu nutzen, um die herkömmliche Bragg-Zelle im LDV zu ersetzen und ein LDV mit einem variablen Träger zu erreichen (nämlich Laser-Doppler-Vibrometer mit optischer Phasenregelschleife, OPLL-LDV). Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden zunächst die grundlegenden Prinzipien und Eigenschaften der OPLL analysiert, um eine kompakte und kostengünstige OPLL zu realisieren. Darauf aufbauend wurden weitere Schritte wie die Auswahl der Ausrüstung und die Messung der Schlüsselparameter für die erforderliche Methode vorgeschlagen, und die Entwicklung der OPLL-LDV wurde abgeschlossen. Anschließend wurde ein komplettes OPLL-LDV-System mit allen erforderlichen Komponenten entwickelt und die durch die Änderung der LO-Signalfrequenz erzielte Trägerbewegung getestet, wodurch die erste wissenschaftliche Hypothese bestätigt wurde.Um die Rauschleistung der OPLL-LDV zu verbessern und die Prinzipien der Rauschübertragung im System zu klären, wurde die zweite wissenschaftliche Hypothese vorgeschlagen, die die Kompensation der Latenz in der OPLL durch Änderung der Auswahl des Messarms in der OPLL-LDV beinhaltet. Zu diesem Zweck wurde das mathematische Modell von OPLL-LDV auf der Grundlage der Mason'schen Verstärkungsformel abgeleitet, und es wurde mathematisch nachgewiesen, dass die Verwendung des Master-Lasers als Messarm die Latenz in OPLL kompensieren kann. Auch die zweite wissenschaftliche Hypothese wurde experimentell validiert und damit bestätigt. Die dritte wissenschaftliche Hypothese betrifft das Erreichen einer niedrigen Trägerfrequenz und einer hohen OPLL-Bandbreite in der OPLL-LDV durch harmonische Verriegelungstechnologie.Bei OPLL-LDV gibt es eine gewisse Einschränkung für die variable Trägerfrequenz, die größer sein muss als die OPLL-Bandbreite. Andernfalls verschlechtert sich die Erkennungsleistung der OPLL-LDV, da das Steuersignal die OPLL nicht vollständig durchlaufen kann. Während des Parameterabstimmungsprozesses der OPLL haben wir festgestellt, dass die überlagerte OPLL-Verriegelung nicht nur auf das Grundtonsignal des LO-Signals, sondern auch auf das Obertonsignal verriegelt werden kann. Aufgrund von Reflexionen und der Nichtlinearität der Geräte kann das verriegelte Schwebungssignal immer noch bei der Frequenz des Grundsignals beobachtet werden. Durch die Anwendung dieser Verriegelungsmethode auf die OPLL-LDV wurde die Einschränkung, dass die Trägerfrequenz größer sein muss als die OPLL-Bandbreite, erfolgreich überwunden. Die dritte wissenschaftliche Hypothese wurde somit bestätigt, und mit Hilfe der harmonischen Verriegelungstechnologie wurden zum ersten Mal Schwingungsinformationen unter der Bedingung gemessen, dass die OPLL-Bandbreite größer als die Trägerfrequenz ist, was zu einer Verzerrung des Trägersignals führt, die mit der herkömmlichen OPLL-LDV nicht erkannt werden kann.Velocity and vibration measurements are widely used in industries such as aerospace, automotive engineering, electronics, and biomedicine. However, currently, available sensor systems, such as accelerometers, are subject to certain limitations for the desired application scenarios. These sensors are only suitable for specific vibration frequencies or accelerations (and corresponding velocities), which restricts their applicability. Additionally, some sensors require contact with the object being measured. For objects that are difficult to access, the application scenarios are also limited. Furthermore, limited measurement accuracy is often a pressing issue with these sensors. Among the existing velocity and vibration sensors, Laser Doppler Vibrometry (LDVy) possesses irreplaceable advantages and has been widely applied in industries. LDV is a non contact measurement technique that detects the operational state of an object by measuring the laser phase changes caused by the object. LDVy enables the measurement of object velocity or vibration without direct contact, making it applicable in various scenarios. Moreover, LDV offers high-precision measurements, capable of detecting vibrations at the picometer level. Due to these advantages, LDVy finds extensive use across diverse industries. LDVy implementation typically involves a laser Doppler vibrometer (LDV) with an interferometer structure. In common commercial LDVs, the carrier is generated by an acousto-optic modulator called the Bragg cell. However, the fixed carrier in practical applications may limit LDV performance or lead to decreased resolution in some cases, rendering the state-of-the-art commercial LDVs inadequate to meet measurement demands. For instance, when facing unexpected noise or other interfering signals near the carrier frequency, LDV detection capability significantly decreases. Additionally, existing carrier frequencies may not be sufficient for high-frequency vibrations, such as vibration measurements for microelectromechanical systems (MEMS). Therefore, it is necessary to propose a novel variable carrier generation technique for LDV to overcome these limitations and further enhance LDV performance and application domains. Three scientific hypotheses were proposed regarding the variable carrier generation in LDV. The first hypothesis is to utilize the optical phase locked loop (OPLL) technology to replace the traditional Bragg cell in LDV and achieve LDV with a variable carrier (namely optical phase locked loop based laser Doppler vibrometer, OPLL-LDV). To verify this hypothesis, the basic principles and properties of OPLL were analyzed first, aiming to realize a compact and cost effective OPLL. Based on this, further steps such as equipment selection and key-parameter measurement for the required method were proposed, and the establishment of OPLL-LDV was completed. Subsequently, by developing a complete OPLL-LDV system with all necessary components, testing was conducted on the carrier movement achieved by changing the LO signal frequency, thereby confirming the first scientific hypothesis. In order to improve the noise performance of OPLL-LDV and clarify the noise-transmission principles in the system, the second scientific hypothesis was proposed, which involves compensating for latency in OPLL by changing the selection of the measurement arm in OPLL-LDV. To this end, the mathematical model of OPLL-LDV was derived based on Mason’s gain formula, and it was mathematically proven that using the master laser as the measurement arm can compensate for the latency in OPLL. Experimental validation was also provided, thus proving the second scientific hypothesis. The third scientific hypothesis involves achieving both low carrier frequency and high OPLL bandwidth in OPLL-LDV through harmonic locking technology. In OPLL-LDV, there is a certain limitation on the variable carrier frequency that the carrier frequency needs to be larger than the OPLL bandwidth. Otherwise, the detection performance of OPLL-LDV will deteriorate as the control signal cannot fully pass through OPLL. During the parameter tuning process of OPLL, we found that the heterodyne OPLL locking not only can be locked onto the fundamental signal of the LO signal but can also be locked onto the harmonic signal. Meanwhile, due to reflections and the nonlinearity of devices, the locked beat signal can still be observed at the fundamental signal frequency. By applying this locking method to OPLL-LDV, the limitation that the carrier frequency must be greater than the OPLL bandwidth was successfully overcome. Therefore, the third scientific hypothesis was validated, and using harmonic locking technology, vibration information was measured for the first time under the condition that the OPLL bandwidth is greater than the carrier frequency, causing distortion in the carrier signal, which cannot be detected by traditional OPLL-LDV
Laser doppler vibrometry for cardiovascular monitoring and photoacoustic imaging
Full text linkNowadays, techniques for health monitoring mainly require physical contact with patients, which is not
always ideal. Non-contact health monitoring has become an important research topic in the last decades.
The non-contact detection of a patient's health condition represents a beneficial tool in different
biomedical fields. Examples can be found in intensive care, home health care, the nursing of the elderly,
the monitoring of physical efforts, and in human-machine interactions. Cardiovascular diseases (CV)
are one of the most spread causes of death in developed countries. Their monitoring techniques involve
physical contact with patients. A non-contact technique for cardiovascular monitoring could overcome
problems related to the contact with the patient such as skin lesions. It could also expand the availability
of monitoring to those cases where contact is not possible or should be avoided to reduce the exposure
of medical personnel to biochemical hazard conditions.Several research groups have investigated
different techniques for non-contact monitoring of health; among them, the laser Doppler Vibrometry
(LDVy) has one of the highest accuracies and signal to noise ratios for cardiorespiratory signals
detection. Moreover, the simplicity of data processing, the long-distance measurement range, and the
high bandwidth make the laser Doppler vibrometer (LDV) suitable for daily measurements.
LDVy is an interferometric technique employed for the measurements of displacement or velocity
signals in various fields. In particular, it is deployed in the biomedical field for the extraction of several
cardiovascular parameters, such as the PR-time. Generally, the extraction of these parameters requires
ideal measuring conditions (measuring spot and laser direction), which are not realistic for daily
monitoring in non-laboratory conditions, and especially in tracking applications.
The first scientific hypothesis of this work is that the PR-time detected with LDV has an acceptable
uncertainty for a realistic variety of measurement spot positions and angles of the incident laser beam.
Therefore, I investigated the uncertainty contribution to the detection of the PR-time from LDV signals
resulting from the laser beam direction and from the measurement point position; these investigations
were carried out with a multipoint laser Doppler vibrometer. The uncertainties were evaluated according
to the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. Successively, the ranges of PR-time
values where it is possible to state with 95% certainty that a diagnosis is correct are identified. Normal
values of PR-time are included in the range 120 ms -200 ms. For single value measurements with precise
alignment the reliable range for the detection of the healthy condition is 146.4 ms -173.6 ms. The
detection of CV diseases is reliable for measured values lower than 93.6 ms and greater than 226.4 ms.
For mean value measurements with precise alignment the reliable range for the detection of the healthy
condition is 126.6 ms -193.4 ms. The detection of CV diseases is reliable for measured values lower
than 113.4 ms and greater than 206.6 ms. Therefore, for measured values included in the mentioned
ranges, the detection of the PR-time and relative diagnosis with the LDVy in non-laboratory conditions
is reliable. The method for the estimation of the uncertainty contribution proposed in this work can be
applied to other cardiovascular parameters extracted with the LDVy.
Recently, the LDVy was employed for the detection of tumors in tissue-mimic phantoms as a noncontact alternative to the ultrasound sensors employed in photoacoustic imaging (PAI). A non-contact
method has considerable advantages for photoacustic imaging, too.
Several works present the possibility to perform PAI measurements with LDVy. However, a successful
detection of the signals generated by a tumor depends on the metrological characteristics of the LDV,
on the properties of the tumor and of the tissue. The conditions under which a tumor is detectable with
the laser Doppler vibrometer has not been investigated yet.
The second scientific hypothesis of this work is that, under certain conditions, photoacoustic imaging
measurements with LDVy are feasible. Therefore, I identified those conditions to determine the
detection limits of LDVy for PAI measurements. These limits were deduced by considering the
metrological characteristics of a commercial LDV, the dimensions and the position of the tumor in the
tissue. I derived a model for the generation and propagation of PA signals and its detection with an LDV.
The model was validated by performing experiments on silicone tissue-micking phantoms. The
validated model with breast-tissue parameters reveals the limits of tumor detection with LDVy-based
PAI. The results show that commercial LDVs can detect tumors with a minimal radius of ≈350 μm
reliably if they are located at a maximal depth in tissue of ≈2 cm.
Depending on the position of the detection point, the maximal depth can diminish and depending on the
absorption characteristics of the tumor, the detection range increases.Heutzutage erfordern Techniken zur Gesundheitsüberwachung hauptsächlich den physischen Kontakt
mit dem Patienten, was nicht immer ideal ist. Die berührungslose Gesundheitsüberwachung hat sich in
den letzten Jahrzehnten zu einem wichtigen Forschungsthema entwickelt. Die berührungslose
Erkennung des Gesundheitszustands eines Patienten stellt ein nützliches Instrument in verschiedenen
biomedizinischen Bereichen dar. Beispiele finden sich in der Intensivpflege, der häuslichen
Krankenpflege, der Altenpflege, der Überwachung körperlicher Anstrengungen und in der MenschMaschine-Interaktion. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind eine der am weitesten verbreiteten
Todesursachen in den Industrieländern. Ihre Überwachungstechniken erfordern einen physischen
Kontakt mit den Patienten. Eine berührungslose Technik für die Überwachung von Herz-KreislaufErkrankungen könnte Probleme im Zusammenhang mit dem Kontakt mit dem Patienten, wie z. B.
Hautverletzungen, überwinden. Verschiedene Messgeräte wurden für die berührungslose Überwachung
der Gesundheit untersucht; unter ihnen hat das Laser-Doppler-Vibrometrer (LDV) eine der höchsten
Genauigkeiten und Signal-Rausch-Verhältnisse für die Erkennung kardiorespiratorischer Signale.
Darüber hinaus ist das Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) aufgrund der einfachen Datenverarbeitung,
des großen Messbereichs und der hohen Bandbreite für tägliche Messungen geeignet. LDV ist ein
interferometrisches Verfahren, das zur Messung von Weg- oder Geschwindigkeitssignalen in
verschiedenen Bereichen eingesetzt wird. Insbesondere wird es im biomedizinischen Bereich für die
Extraktion verschiedener kardiovaskulärer Parameter, wie z. B. der PR-Zeit, eingesetzt. Im Allgemeinen
erfordert die Extraktion dieser Parameter ideale Messbedingungen (Messfleck und Laserrichtung), die
für die tägliche Überwachung unter Nicht-Laborbedingungen und insbesondere für TrackingAnwendungen nicht realistisch sind.
Die erste wissenschaftliche Hypothese dieser Arbeit ist, dass die mit dem LDV ermittelte PR-Zeit eine
akzeptable Unsicherheit für eine realistische Vielzahl von Messpunktpositionen und Winkeln des
einfallenden Laserstrahls aufweist. Daher wurde der Unsicherheitsbeitrag zur Ermittlung der PR-Zeit
aus LDV-Signalen untersucht, der sich aus der Laserstrahlrichtung und der Messpunktposition ergibt;
diese Untersuchungen wurden mit einem Mehrpunkt-Laser-Doppler-Vibrometer durchgeführt. Die
Unsicherheiten wurden gemäß der Technische Regel ISO/IEC Guide 98-3:2008-09 Messunsicherheit –
Teil 3: Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen bewertet. Nacheinander werden die
Bereiche der PR-Zeit-Werte ermittelt, in denen mit 95%iger Sicherheit eine korrekte Diagnose gestellt
werden kann. Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Methode zur Schätzung des Unsicherheitsbeitrags
kann auch auf andere kardiovaskuläre Parameter angewendet werden, die mit dem LDV extrahiert
werden.
Kürzlich wurde das LDV zur Erkennung von Tumoren in gewebeähnlichen Phantomen als
berührungslose Alternative zu den Ultraschallsensoren eingesetzt, die bei der photoakustischen
Bildgebung (PAI) verwendet werden. Eine berührungslose Methode hat auch für die photoakustische
Bildgebung erhebliche Vorteile. In mehreren Arbeiten wird die Möglichkeit vorgestellt, PAIMessungen mit LDV durchzuführen. Die erfolgreiche Erkennung der von einem Tumor erzeugten
Signale hängt jedoch von den messtechnischen Eigenschaften des LDV sowie von den Eigenschaften
des Tumors und des Gewebes ab. Die Bedingungen, unter denen ein Tumor mit dem LDV detektierbar
ist, wurden bisher nicht untersucht.
Die zweite wissenschaftliche Hypothese dieser Arbeit ist, dass unter bestimmten Bedingungen
photoakustische Bildgebungsmessungen mit dem LDV möglich sind. Daher wurden diese Bedingungen
ermittelt, um die Nachweisgrenzen von LDV für PAI-Messungen zu bestimmen. Diese Grenzen wurden
unter Berücksichtigung der messtechnischen Eigenschaften eines handelsüblichen LDV, der
Abmessungen und der Position des Tumors im Gewebe abgeleitet. In dieser Arbeit wurde ein Modell
für die Erzeugung und Ausbreitung von PA-Signalen und deren Nachweis mit einem LDV abgeleitet.
Das Modell wurde durch Experimente an Silikongewebe-Phantomen validiert. Das validierte Modell
mit Parametern des Brustgewebes zeigt die Grenzen der Tumorerkennung mit LDV-basierter PAI auf.
Die Ergebnisse zeigen, dass kommerzielle LDV Tumore mit einem minimalen Radius von ≈350 μm
zuverlässig erkennen können
Optische Prozess- und Fertigungsmesstechnik für additives Lichtbogenschweißen
Full text linkBei der additiven Fertigung wird im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung Material aufgetragen und nicht von einem Rohling abgetragen. Die additive Fertigung wird derzeit für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien eingesetzt. Eine auch im privaten Hobbybereich verbreitete additive Fertigungstechnik ist der dreidimensionale (3D) Druck mit Kunststoffen. Dabei wird ein Filament aus verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen verwendet. Für die industrielle Fertigung steht hingegen der 3D-Druck von Metallen im Mittelpunkt des Interesses. In dieser Arbeit wird das additive Lichtbogenschweißen für Stahl messtechnisch untersucht. Das additive Lichtbogenschweißen wird international als Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) bezeichnet. Mit WAAM können beispielsweise Schiffspropeller oder Schaufelräder hergestellt werden. Darüber hinaus können mit WAAM im Vergleich zur subtraktiven Fertigung komplexere Bauteile hergestellt werden. In dieser Arbeit wird WAAM im laufenden Prozess mit optischen Messmethoden untersucht. Dazu wird ein Quotientenpyrometer entwickelt. Dieses Messsystem misst die Temperatur des Schmelzbades orts- und zeitaufgelöst. Durch die Berücksichtigung der Schmelzbadtemperatur ist es zudem möglich, die geometrische Größe des Schmelzbades während des laufenden Prozesses berührungslos mit der Bildrate einer Kamera zu erfassen. Das Quotientenpyrometer unterdrückt das Spektrum des Plasmas mit Hilfe von schmalbandigen optischen Bandpassfiltern. Dieses Spektrum ist kammartig und hängt von den verwendeten Schweißzusätzen ab. Da zwei Kameras das Bild bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufnehmen, kann aus zwei Aufnahmen die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Schmelzbades bestimmt werden. Das Signal der Schmelzbadgeometrie wird in weicher Echtzeit, mit definierter maximaler Latenz, gewonnen und kann somit für einen Regler verwendet werden. Dies ermöglicht eine Inline-Regelung des Prozesses. Als Eingangsgröße des Reglers wird die gemessene Schmelzbadgröße verwendet. Mit dem geschlossenen Regelkreis wird ein Zylinder mit einer Verbesserung der Rechtwinkligkeit und Parallelität des Mantels nach DIN EN ISO 1101 gegenüber dem offenen Regelkreis hergestellt. Für die Prozessmesstechnik wird die Anwendbarkeit der kohärenten Rasterinterferome- trie (engl. Coherence Scanning Interferometry CSI) zur Erfassung der Schwindung während des Abkühlprozesses untersucht. Um die Eignung der CSI für diese Aufgabenstellung zu evaluieren, wird die Oberflächengeometrie eines additiv gefertigten Zylinders während des Abkühlprozesses von 300 °C vermessen. Dazu werden aus den CSI-Daten tiefenscharfe Oberflächenbilder bei verschiedenen Temperaturen für eine Geometriemessung bestimmt. Diese Bilder werden verwendet, um Punkte auf der Oberfläche während der Abkühlung horizontal zu verfolgen. Mit Hilfe der gewonnenen Topologiedaten ist auch eine Tiefenverfolgung möglich. Aus den Abstandsänderungen der Punkte untereinander werden die Längenänderung und die Dehnung ortsaufgelöst bestimmt. Problematisch ist der geringe Kontrast der tiefenscharfen Oberflächenbilder. Dies erschwert die Verfolgung von Materialpunkten und reduziert die Aussagekraft der Messung. Außerdem stören bei hohen Temperaturen Luftschlieren die Messung.In additive manufacturing, unlike subtractive manufacturing, material is applied rather than removed from a blank. Additive manufacturing is currently used for the production of prototypes and small series. Three-dimensional (3D) printing with plastics is an additive manufacturing technique that is also widely used in the private hobby sector. This uses a filament made from various thermoplastics. For industrial production, on the other hand, 3D printing of metals is the focus of interest. In this thesis, additive arc welding for steel is investigated metrologically. Additive arc welding is internationally known as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). WAAM can be used to manufacture ship propellers or paddle wheels, for example. In addition, WAAM can be used to produce more complex components compared to subtractive manufacturing. In this thesis, WAAM is investigated in the ongoing process using optical measurement methods. A quotient pyrometer is developed for this purpose. This measuring system measures the temperature of the melt pool with spatial and time resolution. By taking the melt pool temperature into account, it is also possible to record the geometric size of the melt pool during the ongoing process without contact using the frame rate of a camera. The ratio pyrometer suppresses the spectrum of the plasma with the aid of narrowband optical bandpass filters. This spectrum is comb-like and depends on the welding consumables used. As two cameras record the image at two different wavelengths, the temperature distribution on the surface of the weld pool can be determined from two images. The signal of the weld pool geometry is obtained in soft real time, with a defined maximum latency, and can therefore be used for a controller. This enables inline control of the process. The measured melt pool size is used as the input variable for the controller. The closed control loop produces a cylinder with improved perpendicularity and parallelism of the shell in accordance with DIN EN ISO 1101 compared to the open control loop. For process measurement technology, the applicability of coherence scanning interferometry (CSI) for recording shrinkage during the cooling process is being investigated. In order to evaluate the suitability of CSI for this task, the surface geometry of an additively manufactured cylinder is measured during the cooling process at 300 °C. For this purpose, depth-focused surface images are determined from the CSI data at different temperatures for a geometry measurement. These images are used to track points on the surface horizontally during the cooling process. Depth tracking is also possible with the help of the topology data obtained. The changes in distance between the points are used to determine the change in length and elongation with spatial resolution. The low contrast of the depth-focused surface images is problematic. This makes it difficult to track material points and reduces the informative value of the measurement. In addition, air streaks interfere with the measurement at high temperatures
- …
