DE102010038062B4 - Ortsbestimmung und Bestimmung der Verschiebung von Orten durch berührungslose Abstandsmessung bei einer Materialprüfung - Google Patents

Abstract

Messung einer Verschiebung mindestens eines Ortes (41, 42, 43, 141) durch berührungslose Erfassung des Ortes (41, 42, 43, 141), die einen Prüfbereich (30, 31, 32, 33, 34), insbesondere einer Materialprobe (20), mit einer strukturierten Oberfläche optisch erfasst, bei der sich der Prüfbereich (30, 31, 32, 33, 34) zwischen einem ersten Haltebereich (22) und einem zweiten Haltebereich (24) erstreckt und mittels einer photographischen ersten Aufnahme einer durch eine Interferenz von kohärentem Licht nach einer Reflexion an der Oberfläche in dem Prüfbereich erzeugten räumlichen Anordnung von Speckles auf einem räumlich segmentierten Lichtdetektor (71, 72) erfolgt, die mit einem ersten elektronisch digitalisierenden Kamerasystem (51, 52, 53, 54) einen Bezug zwischen dem zumindest einen Ort (41, 42, 43, 141) in einem ersten Abschnitt (31, 32, 33, 34) des Prüfbereichs (30) und der Anordnung von Speckles vornimmt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites elektronisch digitalisierendes Kamerasystem (51, 52, 53, 54) eine nachfolgende Aufnahme eines zweiten Abschnitts (32, 33, 34, 31) des Prüfbereichs erstellt, wobei die Aufnahmen der Kamerasysteme den gesamten Prüfbereich (30) zusammenhängend, aber segmentiert über seine Erstreckung abbilden und der zumindest eine Ort (41, 42, 43, 141) durch Korrelation zwischen einer ortsbestimmenden Anordnung von Lichtintensitäten in der ersten Aufnahme des ersten Kamerasystems (51, 52, 53, 54) und Anordnungen von Lichtintensitäten in der nachfolgenden Aufnahme des zweiten Kamerasystems (51, 52, 53, 54) in einer Auswerteeinheit (19) dem Speckleabbild gegenübergestellt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur berührungslosen Ortsbestimmung auf Materialproben von variabler Form und Größe und mit einer Oberflächenrauhigkeit von der Größenordnung einer Lichtwellenlänge, basierend auf der Erzeugung eines Speckle-Musters der Oberfläche durch Streuung und Interferenz von kohärentem Licht, dessen photographischer Aufzeichnung und rechnergestützten Auswertung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Anwendung des oben genannten Verfahrens. Folglich betrifft die vorliegende Erfindung eine Messung einer Verschiebung mindestens eines Ortes nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Messanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15 und die Anwendung eines entsprechenden Messverfahrens nach Patentanspruch 21.
• Stand der Technik
• Eine Möglichkeit zur berührungslosen Messung von Probenkörperverformungen in Lichtextensometern beruht in der Aufbringung von Strukturen zur Ortsbestimmung auf die Oberfläche eines Prüfkörpers, wie z. B. mittels den in der DE 199 36 249 A1 (Anmelder: Grellmann, W., Prof.; Anmeldetag: 31.07.1999) vorgeschlagenen Reflexionsstreifen. Dabei ist die Genauigkeit einer Verformungsmessung insbesondere durch die Genauigkeit und die Anbringung der Reflexionsstreifen auf dem Prüfkörper begrenzt.
• Optische Dehnungssensoren, bei denen die Zahl der Dehnungsmessungen an einer Probe durch die Zahl und durch die Anordnung der Kamerasysteme vorgegeben ist, wobei eine Dehnung aus jeweils zwei Kameraaufnahmen von zwei Kamerasystemen, die z. B. von 0,4 mm × 0,3 mm Größe sind, bestimmt wird, sind in der US 5 757 473 A (Patentinhaberin: Noranda Inc.; Anmeldetag: 13.11.1996) beschrieben. Eine optische Zusammenführung von zwei Beobachtungsbereichen in einem Kamerasystem durch Anordnungen optischer Elemente wird in dieser Patentschrift diskutiert. Eine Identifizierung von fotografierten Oberflächenstrukturen erfolgt durch Auswertealgorithmen. Ein äußerst kleiner Analysebereich lässt sich nach dem dort vorgestellten Verfahren erheben.
• Weiterhin ist aus DE 103 35 533 A1 (Anmelderin: Stiftung CAESAR; Anmeldetag: 31.07.2003) bekannt, aus der Lichtstreuung an Probenkörpern unter Nutzung der Nanopartikelreaktionen auf einer Oberfläche Dehnungsmessungen im Sub-Mikrometerbereich abzuleiten. Die DE 103 35 533 A1 beschreibt, dass mit solchen Messungen nur Materialen untersucht werden können, die die benötigten Nanopartikelreaktionen aufweisen.
• Ein Verfahren zur Identifikation von Deformationszuständen in mikroskopisch dimensionierten Prüflingsbereichen ist aus DE 196 14 896 B4 (Patentinhaberin: Chemnitzer Werkstoffmechanik GmbH, Anmeldetag: 16.04.1996) bekannt. Das dort beschriebene Messverfahren ist ein mehrschrittiges Messverfahren, das ein Schliffbild erfordert, welches anschließend auf höhere Temperaturen zu erwärmen ist.
• Grundzüge zu Speckle-Messverfahren für die Materialprüfung sind in „Laser-Speckle-Dehnungsmessung und deren Anwendung in der Materialwissenschaft” von T. Thurner et al. in der Fachzeitschrift „Technisches Messen 70 (2003) 2, S. 71–78” erläutert. Der Artikel vermittelt einen ersten Eindruck, welche Vorzüge ein Messverfahren auf Basis von Speckle-Mustern bietet.
• In der EP 0 629 835 B1 (Inhaberin: SHIMDAZU CORP.; Anmeldetag: 14.06.1994) wird ein Instrument beschrieben, mit dem Verformungen einer Materialprobe aus den Abständen von Speckle-Mustern in zwei Laserstrahlflecken auf einer Oberfläche bestimmt werden, wobei die Punkte jeweils mit einer unterschiedlichen Laserwellenlänge bestrahlt sein können. Die Flecken werden jeweils mit einem Bildsensor aufgezeichnet und die Laserstrahlen werden bezüglich identifizierter Speckle-Muster nachgeführt, sodass eine Positionsänderung des Laserstrahls mit Bezug auf ein Sensorbild erfolgt, und insbesondere die Positionsbestimmung des Laserstrahls dazu neigt fehlerbehaftet zu sein. In einer abgewandelten Anordnung nach JP 9 297 008 A (Anmelderin: Shimazu Corp.; Anmeldetag: 07.05.1996), insbesondere zur Erzielung hoher Ortsauflösung, werden zwei Zweige eines Laserstrahls aus unterschiedlichen Einfallswinkeln auf einen Fleck auf einer Probenoberfläche gerichtet, um zusätzlich zur Bildung von Speckles weitere Interferenzeffekte zu erzielen. Verschiedene weitere Anordnungen eines berührungsfreien Laserextensometers und entsprechende Verfahren zur Messung mit nachgeführten Beobachtungspunkten nach dem Speckle-Verfahren wurden zudem in der US 5 568 259 A (Patentinhaberin: Shimadzu Corp.; Anmeldetag: 23.06.1995) offenbart. Es darf vermutet werden, dass alle drei Schutzrechte aus dem gleichen Haus stammen; sie zeigen, in welchem breiten Band von technischen Lösungen Laserextensometer realisiert werden können.
• Ein Specklesensor, der bei Belastung der Probe in einer Dehnungsmessung mitbewegt wird, indem er von der Dehnungseinrichtung nachgeführt wird, ist in der DE 195 20 371 A1 (Anmelderin: Dr. Ettemeyer GmbH & Co.; Anmeldetag: 02.06.1995) beschrieben. Die Genauigkeit der Messung hängt stark von der Genauigkeit der Nachführung ab.
• Die Beschreibung von der DE 199 40 217 C5 (Patentinhaberin: Zwick GmbH & Co.; Anmeldetag: 25.08.1999) diskutiert Verfahren und eine Vorrichtung insbesondere zur räumlichen Erfassung von Längenänderungen an einer Messprobe, an der eine äußere Kraft anliegt. Hierbei wird eine Referenz in Bezug zu den Grenzen eines Sensors gesetzt und der Sensor bei Erreichen der Grenzen gegenüber der Messprobe nachgeführt. Das dort beschriebene Verfahren reduziert also den Aufwand der Bewegung, wobei eine Bewegung der Messapparatur anscheinend nicht gänzlich auszuschalten ist.
• Eine Beschreibung des Systems Vision Extensometer System (ME 46-450) zeigt in vereinfachender Darstellung zahlreiche unterschiedliche Messanordnungen. So wird in der 6a vorgeschlagen, ein Laser-Speckle-System mit einer den Messbereich durchschneidenden dritten Videokamera zu ergänzen. Die punktuell ermessbaren Stellen mittels Laser-Speckle-Messung werden durch das Messfenster der klassischen Videokamera erweitert. Trotzdem bleibt es bei einer punktuellen Messung der Speckle-Muster.
• Die amtsseits nach dem Anmeldetag ermittelte Firmenschrift der Anmelderin mit der Bezeichnung „Messphysik: Laser Speckle Extensometer ME53” stellt für Werbezwecke das Messprinzip einer Laser-Speckle-Messung grob dar. Sie fördert das Verständnis für vorliegende Erfindung.
• Eine wesentliche Anforderung an eine Materialprüfung ist die Vergleichbarkeit der Messergebnisse. Die Vergleichbarkeit der Messergebnisse wird durch Einhaltung der einschlägigen Normen gewährleistet. Beispielhaft seien hier die deutsche Norm DIN EN ISO 9513, die Norm ISO 6892-1, die ASTM E 83-06 sowie ASTM E 8/E 8M-08 angeführt, die Anforderungen an eine berührungslose Messung darlegen.
• Technische Schwierigkeiten
• Materialproben, die in einer Materialprüfung einer elastischen oder plastischen Verformung unterworfen werden, weisen räumliche Verschiebungen von Oberflächenorten auf, die im gesamten, der Prüfung unterworfenen Probenbereich erfolgen können. Die präzise Bestimmung von Abstandsänderungen auf einer Materialprobe z. B. senkrecht oder parallel zu einer auf die Probe wirkenden äußeren Kraft, erfordert eine präzise Bestimmung von Orten auf der Probe.
• Dabei ist der räumliche Messbereich und die Bestimmgenauigkeit eines Ortes auf einer Materialprobe, wie einem Probenstab, durch das Gesichtsfeld eines Kamerasystems begrenzt. Problematisch ist diese Begrenzung insbesondere, wenn die Abmessungen der Materialprobe vor oder während der Materialprüfung den durch das Kamerasystem einsehbaren Prüfbereich überschreiten. Trotz alledem sollte eine möglichst genaue Messung ausführbar sein.
• Erfindungsbeschreibung
• Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Durchführung einer Messung, also einem Messverfahren, nach Anspruch 1 und durch eine Anordnung zur Durchführung einer Messung, also durch eine Messanordnung, nach Anspruch 15 gelöst. Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist in Anspruch 21 beschrieben. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
• Viele der zuvor diskutierten technischen Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren, das die jeweiligen Messbereiche einer modular ausgestalteten Messanordnung in einen Bezug zueinander stellt, gelöst.
• Die Messung kann als berührungslose Messung bezeichnet werden, weil sie auf optischem Weg Messwerte erhebt. Die Messung hat das Ziel, Daten für eine Erhebung von Orten zu liefern. Zusätzlich können die Messdaten dazu verwendet werden, ein örtliches Wandern eines Ortes, also eine Ortsverschiebung in der Materialprobe zu ermitteln. Es erfolgt somit eine Verarbeitung der Messdaten sowohl in örtlicher als auch in zeitlicher Hinsicht. Diese Messungen erfolgen kontinuierlich während des Versuchs an der Materialprobe. Die Materialprobe ist mit ihren Haltebereichen in Probenhaltern eingespannt. Die Probenhalter können eine Versuchskraft auf die Probe ausüben. Je nachdem, welche Probenkraft auf die Probe ausgeübt wird, bestimmt sich der Versuchstyp zur Bestimmung der Materialeigenschaften. Die Messung verändert nicht das Probenverhalten, weil keine weitergehende mechanische Einflussnahme, sondern eine reine optische Erfassung des Materialverhaltens der Probe stattfindet.
• Das Messverfahren nutzt für sich die optischen Oberflächenerscheinungen. Die Einflussnahme der Oberfläche der Materialprobe auf Lichtbeugungen wird genutzt. Die Materialprobenoberfläche weist eine Struktur auf, an der kohärentes Licht, z. B. aus einem Laser, so reflektiert werden kann, dass Interferenzbilder vor der Materialprobenoberfläche entstehen. Die Interferenzbilder sind in dem Raum vor der strukturierten Oberfläche vorhanden.
• Als Interferenzbilder werden Speckles genutzt. Der Lichtdetektor zur Erfassung der Speckles ist ein verteilter Lichtdetektor, der segmentweise die Speckles aufnehmen kann. Hierzu hat der Lichtdetektor wenigstens zwei Kamerasysteme, vorzugsweise mehr als zwei Kamerasysteme. Es ist günstig, wenn die Kamerasysteme digitalisierend Bilder zur Verfügung stellen. Digital aufbereitete Bilddaten lassen sich besonders leicht softwaremäßig verarbeiten, was in einer Auswerteeinheit stattfinden kann. Mit einem Kamerasystem wird ein Abschnitt des Prüfbereichs optisch erfasst. Die optisch erfassten Messdaten von Interferenzbildern werden in der Auswerteeinheit verarbeitet. Dabei wird nicht nur ein einziges Bild aufgenommen, sondern es werden nach und nach, also andauernd, mit anderen Worten kontinuierlich, Interferenzbilder durch die Auswerteeinheit analysiert. Der Lichtdetektor misst immer wieder erneut Interferenzbilder. Die Anordnungen der Speckles werden von den Kamerasystemen erfasst und in der Auswerteeinheit verarbeitet. Das durchgeführte Messverfahren baut auf der Erkenntnis auf, dass Speckles als aussagekräftige Materialdaten genutzt werden können.
• Das Messverfahren nutzt wenigstens ein zweites Kamerasystem. Das erste und das zweite Kamerasystem erfassen einen zusammenhängenden, also unterbrechungsfrei abbildbaren Prüfbereich. Mit anderen Worten, der Prüfbereich lässt sich mit Hilfe der Kamerasysteme, die Speckle-Muster aufnehmen können, vollständig, also über seine gesamte Erstreckung, überwachen. Die Kamerasysteme sind so gestaltet, dass diese in dem von ihnen zu erhebenden Bereich keinen toten Blickwinkel in Bezug auf die vor ihnen angeordnete Materialprobe haben. Werden zwei Kamerasysteme verwendet, so wird ein Bereich der Materialprobe ausgewählt, der als geschlossen vorhandener Materialbereich einstückig überwachbar ist. Die Materialprobe wird zwischen den Probenhaltern ausgemessen. Es wird nicht nur punktuell, sondern vollständig und zusammenhängend der Messbereich der Materialprobe aufgenommen. Der Messbereich bestimmt sich aus einem unterbrechungsfrei zusammenhängenden Stück.
• Das zweite Kamerasystem erfasst eine weitere Aufnahme, die vereinfacht als zweite Aufnahme adressierbar ist. Die Messanordnung operiert mindestens mit einer Aufnahme A und einer Aufnahme B, die zueinander in Relation gesetzt werden können. Mit der Aufnahme wird ein Abschnitt des Prüfbereichs optisch erfasst. Der Prüfbereich lässt sich segmentieren. Die Segmentierung des Prüfbereichs lehnt sich an der Segmentierung des Lichtdetektors an. Die Segmentierungen des Prüfbereichs und des Lichtdetektors ähneln sich. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung korrespondieren die Segmentierungsreihenfolgen. D. h., folgt in der Ordnung ein zweiter Prüfbereich einem ersten Prüfbereich bzw. lassen sich die einzelnen Abschnitte des Prüfbereichs nacheinander abteilen, so entsprechen die Kamerasysteme dieser Reihenfolge oder Ordnung. Es versteht sich von selbst, dass mit dem Begriff eines „zweiten elektronisch digitalisierenden Kamerasystems” nicht das an zweiter Stelle vorhandene Kamerasystem gemeint ist, sondern eines, das nach einem anderen, dem als erstes bezeichneten Kamerasystem folgt.
• Die Aufnahmen zeigen unterschiedliche Lichtintensitäten. Die Verteilungsmuster der Lichtintensitäten werden in Relation gesetzt. Jeweils ein Verteilungsmuster entspricht der Oberflächenstruktur eines Abschnitts der Materialprobe. Die Aufnahme eines anderen Abschnitts kann bezüglich des durch die Aufnahme erfassten Verteilungsmusters eine Relation bzw. eine Korrelation zu dem Verteilungsmuster einer anderen, insbesondere benachbarten Aufnahme herstellen. Ein Ort auf bzw. in der Materialprobe wird über sein Speckle-Muster erhoben. Wandert der Ort in der Materialprobe, z. B. aufgrund von Zugkräften, so passt sich das Speckle-Muster entsprechend an. Die Lichtintensitäten der ersten Aufnahme und der zweiten Aufnahme verändern sich in Bezug auf diesen Ort gleichartig. Die Korrelation bestimmt erneut den gleichen Ort, der relativverschoben zu seiner Ausgangsposition durch eine Streckung der Materialprobe vorhanden sein kann. Von einer Ausgangsaufnahme startend werden nachfolgende Aufnahmen nachgereiht.
• Die Messanordnung, in der ein entsprechendes Messverfahren durchführbar ist, umfasst eine gewisse Anzahl Kamerasysteme, die Speckle-Muster, jedes für sich, erheben können. Die Speckle-Muster werden in sehr kurzem Abstand, also sehr häufig, aufgenommen. Die Lichtintensitätsmuster werden dazu verwendet, die örtliche Lage eines Materialprobenortes zu bestimmen. Die einzelnen Kamerasysteme sind elektronisch digitalisierende Kamerasysteme. Die Kamerasysteme sind mehrfach vorhanden. Zu einem Kamerasystem wird auch das Objektiv gezählt. Die Messanordnung operiert mit wenigstens einer kohärenten Lichtquelle wie z. B. einem Laser. Ein Kamerasystem mit einer Laserdiode ist zu einem Kameramodul zusammengefügt. Die Kameramodule umfassen jeweils ein Kamerasystem und eine Laserdiode. Vorzugsweise werden mehrere, idealerweise so viele kohärente Lichtquellen montiert, wie Kamerasysteme vorhanden sind. Der oder die Laser, die z. B. von Laserdioden erzeugt werden können, haben ein Strahlprofil. Das Strahlprofil wird auf den zu prüfenden Bereich geschickt. An dem zu prüfenden Bereich, genauer an dessen Oberfläche, wird das kohärente Licht reflektiert. Die dabei entstehenden Speckle-Muster werden durch die Kamerasysteme ausgewertet.
• Das Strahlprofil ist so angelegt, dass der gesamte, interessierende Prüfbereich mit dem Strahlprofil ausgeleuchtet wird. Es gibt keine Bereiche, die nicht durch wenigstens ein Strahlprofil erfasst sind. Die gesamte Materialprobe bzw. die Messprobe, tatsächlich zumindest ein Abschnitt der Oberfläche, wird von dem kohärenten Licht beschienen.
• Für eine besonders zuverlässige datentechnische Erfassung der Materialprobe werden wenigstens drei der Kamerasysteme parallel zueinander bzw. gleich zueinander ausgerichtet. Die Kamerasysteme blicken in die gleiche Richtung. Die Kamerasysteme sind aufgereiht. Die Kamerasysteme können als in einer Flucht stehend bezeichnet werden. Mit dieser Anordnung kann bezüglich der zu den Kamerasystemen parallelverlaufenden Materialprobe von einer gleichen Brennweite ausgegangen werden. Diese Anordnung der Kamerasysteme fördert die Modulartigkeit der einzelnen Kamerasysteme. Jedem Kamerasystem wird ein Objektiv zugeordnet. Ein Kameramodul umfasst das jeweilige Kamerasystem und das Objektiv. Das hierdurch aufgenommene Speckleabbild ist Teil des Prüfbereichs, der von einem Lichtsensor in dem Kameramodul aufgenommen werden kann. Der Lichtdetektor kann als parallel zur Materialprobe verlaufendes, langgestrecktes System aus einzelnen Kameramodulen in segmentierender Anordnung betrachtet werden. Mit den Lichtdetektoren werden Lichtintensitätsverteilungen gemessen. Durch die Skalierbarkeit und Gleichartigkeit erlaubt ein erfindungsgemäßes Messsystem eine mehrdimensionale Messung. Soll im zweidimensionalen Raum gemessen werden, so kann z. B. sowohl in Reihe als auch querab dazu jeweils ein Kameramodul flächig verteilt werden. Es entsteht ein ebenes Array von Kameramodulen, die jeweils für die Aufnahme von Specklemustern geeignet sind. Die Kameramodule bzw. die Kamerasysteme sind mit einer Recheneinheit verbunden. Die Recheneinheit wertet die einzelnen Speckleabbildungen der Materialprobe aus. Aus Teilabbildungen der Materialprobe wird spätestens in der Recheneinheit eine Gesamtabbildung zusammengesetzt.
• Die Erfassung der einzelnen Lichtintensitätsverteilungsmuster in der Form von Speckleabbildungen führt zu einem Gesamtabbild des Reflexionsverhaltens an der Oberfläche der Materialprobe. Das graphische Abbild eines Stücks der Oberfläche wird als Speckleabbild in der Recheneinheit gespeichert. Die Recheneinheit setzt aus den graphischen Abbildern ein vollständiges Speckleabbild zusammen. So kann jedem Ort des Prüfbereichs der Materialprobe ein Abbildungsort des Speckleabbilds zugeordnet werden und gegenübergestellt werden. Die Erfassung der einzelnen Speckleteilabbildern wird mehrfach hintereinander wiederholt, quasi kontinuierlich. Die Materialprobe ist belastet. Solche Belastungen sind Kräfte in eine Richtung. Das Materialverhalten der Materialprobe hat Auswirkungen auf deren Oberfläche. Die Reflexionen des kohärenten Lichts passen sich den Veränderungen der Materialprobe an. Die Oberfläche folgt dem Dehnungs- und Stauchungsverhalten der Materialprobe. Die zeitliche Veränderung wird nachverfolgt. Mit der Recheneinheit können einzelne Orte auf der Oberfläche der Materialprobe ausgewählt werden. Ein Verschieben, ein Wandern oder eine sonstige örtliche Verlagerung eines Ortes in der Materialprobe, insbesondere eine Oberfläche der Materialprobe, lässt sich über die Zeit, also im zeitlichen Verlauf, nachvollziehen. Unter zeitlicher Berücksichtigung bzw. unter Berücksichtigung des zeitlichen Verhaltens wird eine Verschiebung mindestens eines Ortes des Prüfbereichs, insbesondere mittels eines Korrelationsverfahrens von Lichtintensitäten, von der Messanordnung festgehalten. Die Messanordnung ermöglicht es, nicht nur die Materialprobe statisch zu einem bestimmten Zeitpunkt zu vermessen, sondern die Messanordnung ermöglicht es zudem, das Materialverhalten in Abhängigkeit der Belastung anhand des zeitlichen Verlaufs der Belastung zu erheben.
• Wird das vorgestellte Verfahren in einer zuvor beschriebenen Messanordnung als Speckle-Extensometrie eingesetzt, so lassen sich Kräfte wie eine Zugkraft, eine Druckkraft, eine Biegekraft oder eine Torsionskraft erheben. Das Verfahren kann zur Materialmessung und zur Messung des Materialverhaltens eingesetzt werden. Je nach einwirkenden Kräften und Aufteilung der Kamerasysteme im Raum, z. B. als Array, können uniaxiale oder auch multiaxiale Messungen durch eine Speckle-Extensometriemessung erhoben werden. Somit lassen sich Zugkräfte, Druckkräfte, Biegekräfte oder auch Torsionskräfte messtechnisch beobachten, genauer das Materialprobenverhalten.
• Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den nachfolgenden Ausführungen entnehmen.
• Mit einer Aufnahme wird in der Regel ein statischer Zustand erfasst. Wiederholen sich die Aufnahmen, so können mehrere Bilder, also Speckleabbildungen, hintereinander geschaltet werden. Die Messung führt kontinuierlich Aufnahmen durch. Die nachfolgenden Aufnahmen werden in Bezug zu zuvor durchgeführte Aufnahmen gesetzt. Es kann von einer ununterbrochenen Versuchsdurchführung ausgegangen werden. Die Erfindung zeigt auf, dass Speckle-Extensometrie nicht mehr nur statisch und punktuell erfolgen muss, sondern durch eine geschickte Aneinanderreihung von Kamerasystemen und örtlich geschickter Platzierung gleichmäßig beabstandet zur Materialprobe das Materialverhalten unter Belastung erhebbar ist.
• Die Messanordnung arbeitet dabei mit deckenden bzw. sich teilweise überschneidenden Messbereichen. Das bedeutet, die Oberfläche der Materialprobe wird segmentiert durch die Kamerasysteme aufgenommen. Zwei Abschnitte der Oberfläche haben einen Überschneidungsbereich. Der Überschneidungsbereich ist besonders vorteilhaft dimensioniert, wenn die Überschneidung der Bereiche weniger als 50% beträgt. Jedes Kamerasystem erfasst einen Abschnitt, von dem ein Teil als Überschneidungsbereich von einem weiteren Kamerasystem erfasst werden kann. Der Überschneidungsbereich beträgt hierbei weniger als 50%. Eine solche Aufteilung bedeutet, dass mehr als 50% durch ein einziges Kamerasystem erfasst werden kann. Eine solche Verteilung stellt eine sinnvolle Verteilung zwischen der Fähigkeit dar, mit der Messanordnung wandernde Orte aus einem Bereich in den nächsten Bereich erheben zu können und zugleich die Anzahl der Kamerasysteme, ob ihres Blickfeldes, in einem erträglichen Maß zu belassen.
• Es ist vorteilhaft, wenn die gesamte Oberfläche der Materialprobe und damit die gesamte Materialprobe mit einem segmentierten Speckle-Extensometer messtechnisch erfasst werden kann. In einem solchen Fall wird der Prüfbereich in seiner Ausdehnung mit der Erstreckung der zu untersuchenden Oberfläche der Materialprobe gleichgesetzt. Der Prüfbereich umfasst die Oberfläche der Materialprobe. Bei einer solchen Gleichsetzung der messtechnischen Dimensionen lässt die Materialprobe sich über ihre gesamte Länge vollständig untersuchen.
• Die Auswerteeinheit arbeitet mit mehreren Aufnahmen. Die Auswerteeinheit ist dafür geeignet, einzelne Aufnahmen zu speichern und auszuwerten. Die Auswerteeinheit erhebt einen Ort und stellt eine Positionsveränderung eines solchen Orts fest. Die Auswerteeinheit ermittelt eine Positionsveränderung durch Korrelation des erhobenen Orts. Durch die Verlagerung der optischen Analyse in die Auswerteeinheit ist ein weiterer Schritt zur örtlichen Fixierung jedes Kameramoduls gegeben.
• Mit Hilfe der Auswerteeinheit können Wanderungsbewegungen einzelner Abschnitte im Material erhoben werden. Die örtlich fest angeordneten Kameramodule erheben den vor ihnen angeordneten Bereich der Materialprobe. Stellt die Auswerteeinheit eine wesentliche Veränderung in einem Speckleabbild fest, so sucht die Auswerteeinheit in einer Aufnahme zu einem benachbarten Abschnitt, also in einem sich zu einer Seite der ersten Kamera anschließenden zweiten Abschnitt nach einer korrespondierenden Aufnahme, um den Ort zu identifizieren. Der aus dem Blickfeld der einen Speckle-Kamera herausgewanderte Ort wird im Blickfeld des nächsten Kameramoduls gesucht. Findet er sich dort nicht, so wird das wiederum anschließende Kameramodul als nächster Suchbereich genommen. Hierdurch können sehr zügig Materialveränderungen erhoben werden.
• Je länger die Materialprobe ist, desto mehr Kamerasysteme sind notwendig. Ist eine Messanordnung für lange Materialproben vorgesehen, so hat eine solche Messanordnung mehr Kamerasysteme als eine Messanordnung für kürzere Materialproben. Die Länge der Erstreckung des Prüfbereichs korreliert mit der Anzahl der Kamerasysteme. Hierbei sind die Kamerasysteme so angeordnet, dass jeweils von zwei benachbarten Kamerasystemen ein überlappender Abbildungsbereich des Prüfbereichs erhoben wird. Eine zuverlässig erhobene Abbildung des gesamten Prüfbereichs wird unter anderem dadurch sichergestellt, dass es immer wieder Überlappungsbereiche gibt, an denen zwei Kamerasysteme die Materialprobe, genauer die Oberfläche der Materialprobe, erfassen.
• Der Prüfbereich der Materialprobe lässt sich genauso segmentieren wie der Lichtdetektor segmentweise aufgebaut ist. Der Lichtdetektor ist aufgrund seiner Kamerasysteme segmentiert. Dem entspricht jeweils ein Abschnitt des Prüfbereichs. Jeder Abschnitt des Prüfbereichs lässt sich durch wenigstens ein Kamerasystem erfassen. Somit wird der gesamte Prüfbereich erfasst. Hierbei sind Überschneidungsbereiche vorgesehen. Einzelne Teilabschnitte des Prüfbereichs werden zudem mehrfach erfasst, von wenigstens zwei Kamerasystemen. Eine solche wechselweise Anordnung vereinfacht die Korrelationsanalyse in der Auswerteeinheit.
• Die Kamerasysteme wandern nicht. Diese werden ortsfest in einer bestimmten Brennweite zu der Materialprobe eingerichtet. Die Kamerasysteme erfassen ortsfest die Lichtintensitäten. Die Kamerasysteme sind ortsfest angeordnet. Der örtliche Abstand zwischen den Kamerasystemen verändert sich nicht. Durch diese Maßnahme ist eine Fehlerquelle ausgeschaltet.
• Die Kamerasysteme wirken, als ob sie aufgefädelt wären. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine gemeinsame Halterung für alle Kamerasysteme vorhanden ist. Die gemeinsame Halterung sorgt für eine gleichmäßige Anordnung der Kamerasysteme. Mit anderen Worten, die Kamerasysteme sind mit einem Abstand zwischen ihnen nebeneinander aufgereiht. Die Kamerasysteme liegen parallel in oder auf der Halterung. Die Kamerasysteme sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Anordnung der Kamerasysteme ist parallel verlaufend zu der Erstreckungsrichtung des Prüfbereichs. Die Objektive sind auf die Oberfläche des Prüfbereichs ausgerichtet. Die erfindungsgemäße Messanordnung lässt sich besonders gut bei länglichen Materialproben einsetzen. Die längliche Materialprobe hat eine längliche Fläche. Diese Erstreckung des Prüfbereichs ist als Bezugsebene für die hierzu parallel ausgerichteten Kamerasysteme vorhanden. Die Kamerasysteme sind in der gleichen Richtung nebeneinander aufgereicht wie die Materialprobe erfasst werden soll.
• Als Lichtquelle wird eine kohärente Lichtquelle verwendet. Das Messverfahren arbeitet mit Licht aus wenigstens einer kohärenten Messquelle. Die Messqualität lässt sich dadurch steigern, dass mehrere kohärente Lichtquellen vorhanden sind. Solche kohärenten Lichtquellen können klassische Laser, aber auch Laserdioden sein. Eine räumlich vorteilhafte Anordnung ergibt sich dadurch, dass ein Pärchen aus Kamerasystem und Laserdiode zu einem Päckchen zusammengefügt ist, z. B. durch Anlagerung an einer Seite, die die Rückseite des Kamerasystems und der Laserdiode sein kann.
• Die Messanordnung lässt sich besonders gut in Messgeräten verbauen, die für Kraftmessungen von Materialproben ausgelegt sind. Übliche Messungen sind Messungen von wenigstens einer Kraft in wenigstens eine Richtung. Speckle-Muster können bei Zugkraftuntersuchungen besonders gut erhoben werden. Über die Haltebereiche der Materialprobe wird eine Kraft aufgebracht. Wenigstens einer der Haltebereiche sollte die Kraft ausüben. Einer der beiden Haltebereiche übt eine Kraft aus. Leicht ausüben lassen sich Kräfte wie eine Zugkraft, eine Druckkraft, eine Biegekraft oder auch Torsionskräfte auf die Materialprobe. Die Kräfte haben das Ziel, eine Streckung des Prüfbereichs hervorzurufen.
• Die Messungen werden mit mehreren Aufnahmen durchgeführt. In der Auswerteeinheit werden mehrere Aufnahmen zusammengefasst und anschließend analysiert. Die einzelnen Aufnahmen können von verschiedenen Kamerasystemen stammen. Entweder wird ein zweiter Ort der Materialprobe in der ersten Aufnahme des ersten Kamerasystems bestimmt oder eine zweite Aufnahme wird zu dem ersten Ort durch eines der Kamerasysteme erhoben. So lässt sich ein Ort anhand einer zweiten Aufnahme in dem ersten oder in dem zweiten Kamerasystem erheben. Die Messung arbeitet mit Messdaten, die einer räumlichen Veränderung entsprechen. Die räumliche Veränderung wird durch das Kamerasystem, also erstes Kamerasystem und zweites Kamerasystem, oder durch eine Verlagerung des zu messenden Ortes hervorgerufen. Für die Messung wird ein zweiter Ort in der ersten Aufnahme des ersten Kamerasystems oder in der zweiten Aufnahme des zweiten Kamerasystems bestimmt. Die Auswahl des Ortes erfolgt dadurch, dass der Ort eine gewisse Beabstandung zu dem ersten Ort der ersten Aufnahme des ersten Kamerasystems hat. Mit Hilfe der Bestimmung der Änderung des ersten und des zweiten Ortes lässt sich eine Änderung des Abstands des ersten und des zweiten Ortes im Prüfbereich angeben. Weitere Kamerasysteme können herangezogen werden. Eine Bestimmung der Änderung des ersten oder zweiten Ortes in einer dritten Aufnahme und in einer vierten Aufnahme, die entweder aus dem ersten oder dem zweiten Kamerasystem stammen, können ebenfalls Messdaten für die Bestimmung eines Ortes beisteuern.
• Weil mit Speckle-Mustern gearbeitet wird, ist eine sehr hohe Auflösung der Ortsbestimmung aus dem Signal einer Lichtintensitätsmesseinheit möglich. Eine Lichtintensitätsmesseinheit ordnet einer auftreffenden Lichtintensität ein elektronisches Signal zu. Die Auswertung des elektronischen Signals erfolgt mit Hilfe mathematischer Algorithmen. Die Auflösung kann im μm-Bereich liegen. Es lassen sich Auflösungen realisieren, die eine Genauigkeit mit einer Unschärfe von weniger als 2 μm haben. Somit lassen sich kleinste Veränderungen eines Ortes sofort und sehr schnell erheben.
• Das Kamerasystem als Teil der Messanordnung arbeitet jeweils mit einer kohärenten Lichtquelle zusammen. Jedem Kamerasystem ist eine, vorzugsweise eigene, Lichtquelle zugeordnet. Somit gibt es in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung genauso viele Lichtquellen wie Kamerasysteme, die kohärentes Licht mit einem Strahlprofil ausstrahlen. Das Strahlprofil ist auf eine in einem bestimmten Abstand zur Lichtquelle anzuordnenden Materialprobe ausgelegt. Das Strahlprofil bescheint einen Teil des Prüfbereichs. Dieser Teil des Prüfbereichs ist durch das Kamerasystem abbildbar. Mit den einzelnen Strahlprofilen aus den kohärenten Lichtquellen lässt sich der Prüfbereich vollständig abdecken. Das Strahlprofil überdeckt den Prüfbereich vollständig.
• Die Messanordnung wird bezüglich ihrer Genauigkeit oder in Bezug auf ihre Messsicherheit noch gesteigert, wenn mehrere Kamerasysteme vorhanden sind. Alle Kamerasysteme sind durch eine gemeinsame Halterung fixiert. Trotzdem ist eine Justiermöglichkeit gegeben, nämlich in Bezug auf die Materialprobe. Die Halterung ist in Bezug zum Prüfbereich justierbar. Die Orientierung der Kamerasysteme in Bezug auf den Prüfbereich lässt sich einstellen. Als besonders vorteilhaft lässt sich festhalten, dass Beabstandungen zwischen den mindestens drei Kamerasystemen fixiert sein sollten. Eine Beabstandung zwischen dem Prüfbereich und der Halterung ist festgelegt. Sowohl während der ersten Messung als auch während der zweiten Messung ist die Beabstandung konstant gehalten.
• So wie die Kamerasysteme festgelegt sind, so sind die kohärenten Lichtquellen ebenfalls festgelegt, wenn die Messanordnung besonders zuverlässig arbeiten soll. Die kohärenten Lichtquellen und die Kamerasysteme sind bezüglich ihrer relativen Abstände und bezüglich ihrer relativen Lagen fixiert. Nur eine einzige relative Lage können diese zueinander einnehmen. Ein Verstellen und Fehljustieren wird dadurch ausgeschlossen. Die Bedienung der Messanordnung wird vereinfacht.
• Eine Beabstandung zwischen den mindestens drei Kamerasystemen verändert sich auch nicht während der einzelnen Messungen, noch während eines gesamten Messvorgangs. Die Beabstandung zwischen den mindestens drei Kamerasystemen und den zugeordneten kohärenten Lichtquellen ist bei einer ersten Ortsmessung und einer zweiten Ortsmessung festgelegt. Die kohärenten Lichtquellen sollten in Bezug zum Prüfbereich justierbar gestaltet sein, was z. B. durch eine Justierbarkeit der gesamten Halterung erreichbar ist.
• Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass weder eine Lichtquelle noch ein einfallender Lichtstrahl, noch eine Kamera bewegt wird, weil deren Bewegung jeweils als Fehlerquelle bei der Bestimmung eines Ortes auf einer Materialprobe eingeht. Vorteilhaft ist weiterhin, dass der gesamte Prüfbereich einer Materialprobe erfasst wird. Zusätzlich stellt die quasi unbegrenzte modulare Erweiterbarkeit des Messsystems einen Vorzug dar, der eine Anpassung des Messsystems auf beliebige Materialgrößen bei konstant guter Ortsauflösung bzw. Genauigkeit der Ortsbestimmung erlaubt.
• Aufgrund der hohen Anzahl an Kamerasystemen, wenn eine längere Strecke eines Prüfbereichs gemessen werden soll, ist eine sehr schnelle Analyse der Speckle-Abbilder möglich. Die Bedienbarkeit ist durch die Reduktion der Justageschritte vereinfacht. Mutmaßungen zum Materialverhalten sind nicht mehr anzustellen, weil die Prüfprobe über ihren gesamten Prüfbereich messtechnisch erhoben werden kann.
• Figurenkurzbeschreibung
• Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiden Figuren genommen wird, wobei
• 1 eine Anordnung von Laserdiodenmodulen gegenüber der durch die Laserdiodenmodule kohärent beleuchteten Materialprobe und
• 2 eine Anordnung von Kameramodulen gegenüber einer kohärent beleuchteten Materialprobe zeigt.
• Figurenbeschreibung
• 1 zeigt ein perspektivisches Schema von Messanordnung 10, die zur berührungslosen Ortserfassung eines Ortes auf einer Materialprobe 20 verwendet wird. Die Materialprobe 20 erstreckt sich durch einen ersten Haltebereich 22 und einen zweiten Haltebereich 24 zwischen denen sich der Prüfbereich 30 befindet. Optikmodulhalter 15 ist gegenüber der Materialprobe 20 angeordnet. An dem Optikmodulhalter 15 sind in einer Folge nebeneinander kohärente Lichtquellenmodule, wie erste Laserdiode 81, zweite Laserdiode 82, dritte Laserdiode 83 und vierte Laserdiode 84 aufgereiht. Die Laserdioden 81, 82, 83, 84 stehen in einem festen Abstand 89 zu dem Prüfbereich 30. Hierbei leuchten die erste Laserdiode 81 mit einem ersten Strahlprofil 85, die zweite Laserdiode 82 mit einem zweiten Strahlprofil 86, die dritte Laserdiode 83 mit einem dritten Strahlprofil 87 und die vierte Laserdiode 84 mit einem vierten Strahlprofil 88 den gesamten Prüfbereich 30 aus. So bildet sich über die gesamte Länge 39 des Prüfbereichs 30 auf der gesamten Oberfläche der Materialprobe 20 im Prüfbereich 30 ein Muster von Speckle-Intensitäten aus. Am Optikmodulhalter 15 ist jedem kohärenten Lichtquellenmodul, wie der ersten, zweiten, dritten und vierten Laserdiode 81, 82, 83, 84, jeweils ein erstes Kamerasystem 51, ein zweites Kamerasystem 52, ein drittes Kamerasystem 53 und ein viertes Kamerasystem 54 zugeordnet. Alle Kamerasysteme 51, 52, 53, 54 sind in einer Folge entsprechend den Laserdioden 81, 82, 83, 84 an dem Optikmodulhalter 15 befestigt, sodass die Gesamtheit der Kamerasysteme 51, 52, 53, 54 mit ihrem Gesichtsbereich (nicht dargestellt) und die Gesamtheit der Laserdioden 81, 82, 83, 84 mit einem jeweiligen Strahlprofil 85, 86, 87, 88 den gesamten Prüfbereich 30 zusammenhängend erfassen. In einer Materialprüfung werden an einer Materialprobe 20 Prüfkräfte wie Prüfkraft F1 und/oder Prüfkraft F2 angelegt, die sich insbesondere in einer Änderung der Prüfbereichslänge 39 auswirken.
• Messanordnung 10 aus 1 wird in 2 als Schema aus einem anderen räumlichen Blickwinkel im Vergleich zu 1 gezeigt. In diesem Blickwinkel stehen die an Optikmodulhalter 15 parallel befestigten Kamerasysteme, wie erstes Kamerasystem 51, zweites Kamerasystem 52, drittes Kamerasystem 53, viertes Kamerasystem 54 im Vordergrund. Hierbei sind die Kamerasysteme 51, 52 mit einem Abstand 77, die Kamerasysteme 52, 53 mit einem Abstand 78 und die Kamerasysteme 53, 54 mit einem Abstand 79 am Optikmodulhalter 15 befestigt. Jedes Kamerasystem 51, 52, 53, 54 umfasst jeweils ein Objektiv 61, 62, 63, 64. In einem festen Abstand 80 zu den Objektiven 61, 62, 63, 64 ist der Prüfbereich 30 der Materialprobe 20 angeordnet. In dieser Konfiguration von Messanordnung 10 wird Materialprobe 20 im ersten Haltebereich 22 von dem Materialprüfmaschinenprobenhalter 12 und im zweiten Haltebereich 24 von dem Materialprüfmaschinenprobenhalter 14 eingespannt. Ein erster Abschnitt 31 des Prüfbereichs 30 wird durch ein erstes Objektiv 61 in erstes Kamerasystem 51 auf ersten Lichtdetektor 71 abgebildet. Ein zweiter Abschnitt 32 des Prüfbereichs 30 wird durch zweites Objektiv 62 in zweites Kamerasystem 52 auf zweiten Lichtdetektor 72 abgebildet. Erster Abschnitt 31 von Prüfbereich 30 und zweiter Abschnitt 32 überdecken sich im Überschneidungsbereich 36. Ein dritter Abschnitt 33 von Prüfbereich 30 wird durch drittes Objektiv 63 im dritten Kamerasystem 53 aufgenommen, wobei sich der zweite Abschnitt 32 und der dritte Abschnitt 33 im Bereich 37 überschneiden. Ein vierter Abschnitt 34 von Prüfbereich 30 wird durch viertes Objektiv 64 mit viertem Kamerasystem 54 aufgenommen, wobei dritter Abschnitt 33 und vierter Abschnitt 34 sich in Bereich 38 überschneiden. Die Abschnitte 31, 32, 33, 34 überdecken in Verbindung den gesamten Prüfbereich 30. Der Prüfbereich 30 ist durch Prüfbereichslänge 39 zwischen den Materialprüfmaschinenprobenhaltern 12, 14 bemessen. Der Objektiv-Prüfbereich-Abstand 80 wird so gewählt, dass die Überschneidungsbereiche 36, 37, 38 mindestens die Größe eines Ortsmusters (nicht dargestellt) von Speckle-Lichtintensitäten (nicht dargestellt) umfasst, aber die jeweiligen Überschneidungsbereiche 36, 37, 38 kleiner sind als 50% der jeweils überschneidenden Abschnitte 31, 32, 33, 34 des Prüfbereichs 30.
• Erster Lichtdetektor 71 und zweiter Lichtdetektor 72 weisen jeweils ein zweidimensionales Feld einer Mehrzahl von Lichtintensitätsmesseinheiten, wie der ersten Lichtintensitätsmesseinheit 75 und der zweiten Lichtintensitätsmesseinheit 76 auf. Eine Lichtintensitätsmesseinheit, wie die Einheiten 75, 76, ordnet einer auftreffenden Lichtintensität ein elektronisches Signal zu, wobei die Gesamtheit der Signale des ersten Lichtdetektors 71 den ersten Abschnitt 31 registriert. Über die erste Datenleitung 91 wird die Gesamtzahl der Lichtsignale des ersten Lichtdetektors 71 auf den Aufnahmedatenauswerterechner 19 übertragen. Die Signale des Lichtdetektors 72 von Kamerasystem 52 werden über die zweite Datenleitung 92 auf den Aufnahmedatenauswerterechner 19 übertragen. Der Aufnahmedatenauswerterechner 19 bestimmt ein Muster (nicht gezeigt) aus einer Anordnung von Signalen von Lichtintensitätsmesseinheiten wie den Einheiten 75, 76. Diese Signale entsprechen einem Speckle-Muster eines ersten Orts 41 im Prüfbereich 30, der insbesondere im ersten Abschnitt 31 von Prüfbereich 30 liegt. Befindet sich ein erster Ort 141 in einem Überschneidungsabschnitt wie dem ersten Überschneidungsabschnitt 36, wird das Speckle-Muster der Ortsbestimmung im ersten Abschnitt 31, gemessen mit erstem Kamerasystem 51 auf erstem Lichtdetektor 71 identifiziert und ein entsprechendes Speckle-Muster in einer Aufnahme des zweiten Abschnitts 32, erstellt mit zweitem Kamerasystem 52 und zweitem Lichtdetektor 72, aufgesucht. Damit sind die Aufnahmen von erstem Kamerasystem 51 und zweitem Kamerasystem 52 eindeutig zueinander in eine Abstandsbeziehung gesetzt. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe mathematischer Algorithmen in dem Aufnahmedatenauswerterechner 19. In entsprechender Weise wird ein gegebenes Muster eines ersten Ortes 41, 141 oder eines zweiten Ortes 42, 43 im gesamten Prüfbereich 30 über die Überschneidungen 36, 37, 38 von erstem Abschnitt 31, zweitem Abschnitt 32, dritten Abschnitt 33, vierten Abschnitt 34, gegebenenfalls über den gesamten Prüfbereich 30 hinweg, gesucht und identifiziert. Derartige Orte, wie die Orte 41, 42, 43, 141, werden über den Zeitverlauf einer Materialprüfung entsprechend einer Sequenz von Aufnahmen der Kamerasysteme 51, 52, 53, 54 hinweg verfolgt. Durch die Identifikation eines Ortes wie dem Ort 141 im Überschneidungsbereich 36, 37, 37 von den Aufnahmen von jeweils zwei Kamerasystemen 51, 52 bzw. 52, 53 bzw. 53, 54 wird ein Ort, wie der Ort 41, 43, 42, 141, über den gesamten Prüfbereich 30 bei einer Materialprüfung identifizierbar. Diese Identifizierung ist insbesondere notwendig, wenn ein Ort, wie der erste Ort 41, im Prüfungsverlauf (nicht dargestellt) einen Abschnitt des Prüfbereichs 30, wie den ersten Abschnitt 31, verlässt und in einen anderen Abschnitt des Prüfbereichs 30, wie den zweiten Abschnitt 32, eintritt. Ein erster Ort, wie der Ort 41, besitzt gegenüber einem zweiten Ort 42 bzw. 43 einen Abstand 45 bzw. 44. Dieser Abstand wird im Aufnahmedatenauswerterechner 19 berechnet. Eine Materialprüfung, bei der Prüfkräfte F1, F2 auf eine Materialprobe 20 wirken, verändert die Länge des Prüfbereichs 39 und verschiebt damit die Orte 41, 42, 43, 141 der Materialprobe 20 zueinander. Demgemäß werden die Kamerasysteme 51, 51, 53, 54 so zum Prüfbereich 30 angeordnet, dass der Prüfbereich 30 zum Ende einer Materialprüfung noch vollständig erfasst wird. Entsprechend verschieben sich bei der Materialprüfung die mit der Materialprobe 20 korrelierten Speckle-Muster (nicht gezeigt) auf den Aufnahmen (nicht gezeigt) der Kamerasysteme 51, 52, 53, 54. Aus einer zeitlichen Abfolge von Aufnahmen bestimmt der Aufnahmedatenauswerterechner 19 Änderungen von Abständen, wie den Abständen 44, 45 zwischen einem ersten Ort, wie dem Ort 41, und einem zweiten Ort, wie dem Orten 42, 43, und speichert die Abstandsänderungen und vorteilhafterweise die gesamte Aufnahmefolge (nicht gezeigt) des Prüfbereichs 30 in einem Prüfprotokoll zu weiteren Auswertung.
• Bezugszeichenliste

10

Messanordnung

12, 14

Materialprüfmaschinenprobenhalter

15

Optikmodulhalter

19

Aufnahmedatenauswerterechner

20

Materialprobe

22

Erster Haltebereich

24

Zweiter Haltebereich

30

Prüfbereich

31

Erster Abschnitt

32

Zweiter Abschnitt

33

Dritter Abschnitt

34

Vierter Abschnitt

36, 37, 38,

Überschneidungsbereich

39

Prüfbereichlänge

41, 141

Erster Ort

42, 43

Zweiter Ort

44, 45

Abstand-Erster-Zweiter-Ort

51

Erstes Kamerasystem

52

Zweites Kamerasystem

53

Drittes Kamerasystem

54

Viertes Kamerasystem

61

Erstes Objektiv

62

Zweites Objektiv

63

Drittes Objektiv

64

Viertes Objektiv

71

Erster Lichtdetektor

72

Zweiter Lichtdetektor

75

Erste Lichtintensitätsmesseinheit

76

Zweite Lichtintensitätsmesseinheit

77

Erster Kamerasystemabstand

78

Zweiter Kamerasystemabstand

79

Dritter Kamerasystemabstand

80

Objektiv-Prüfbereich-Abstand

81

Erste Laserdiode

82

Zweite Laserdiode

83

Dritte Laserdiode

84

Vierte Laserdiode

85

Erstes Strahlprofil

86

Zweites Strahlprofil

87

Drittes Strahlprofil

88

Viertes Strahlprofil

89

Laserdiode-Prüfbereich-Abstand

91

Erste Datenleitung

92

Zweite Datenleitung

F1, F2

Prüfkraft

Claims (21)

1. Messung einer Verschiebung mindestens eines Ortes (41, 42, 43, 141) durch berührungslose Erfassung des Ortes (41, 42, 43, 141), die einen Prüfbereich (30, 31, 32, 33, 34), insbesondere einer Materialprobe (20), mit einer strukturierten Oberfläche optisch erfasst, bei der sich der Prüfbereich (30, 31, 32, 33, 34) zwischen einem ersten Haltebereich (22) und einem zweiten Haltebereich (24) erstreckt und mittels einer photographischen ersten Aufnahme einer durch eine Interferenz von kohärentem Licht nach einer Reflexion an der Oberfläche in dem Prüfbereich erzeugten räumlichen Anordnung von Speckles auf einem räumlich segmentierten Lichtdetektor (71, 72) erfolgt, die mit einem ersten elektronisch digitalisierenden Kamerasystem (51, 52, 53, 54) einen Bezug zwischen dem zumindest einen Ort (41, 42, 43, 141) in einem ersten Abschnitt (31, 32, 33, 34) des Prüfbereichs (30) und der Anordnung von Speckles vornimmt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites elektronisch digitalisierendes Kamerasystem (51, 52, 53, 54) eine nachfolgende Aufnahme eines zweiten Abschnitts (32, 33, 34, 31) des Prüfbereichs erstellt, wobei die Aufnahmen der Kamerasysteme den gesamten Prüfbereich (30) zusammenhängend, aber segmentiert über seine Erstreckung abbilden und der zumindest eine Ort (41, 42, 43, 141) durch Korrelation zwischen einer ortsbestimmenden Anordnung von Lichtintensitäten in der ersten Aufnahme des ersten Kamerasystems (51, 52, 53, 54) und Anordnungen von Lichtintensitäten in der nachfolgenden Aufnahme des zweiten Kamerasystems (51, 52, 53, 54) in einer Auswerteeinheit (19) dem Speckleabbild gegenübergestellt wird.
2. Messung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung kontinuierlich Aufnahmen durchführt, welches während einer Versuchsdurchführung ununterbrochen erfolgt.
3. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (31, 32, 33, 34) und der zweite Abschnitt (32, 33, 34,31) mit einer Überschneidung (36, 37, 38) von weniger als 50% des Messbereichs der Kamerasysteme der Messanordnung von den Kamerasystemen (51, 52, 53, 54) erfasst werden.
4. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfbereich (30) der zu messenden Oberfläche der Materialprobe (20) entspricht.
5. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (19) eine Positionsveränderung des durch Korrelation erfassten Orts (41, 42, 43, 141) ermittelt.
6. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (19) einen aus einem Abschnitt (31, 32, 33, 34) einer Aufnahme entschwundenen Ort in einer Aufnahme eines benachbarten Kamerasystems (52, 53, 54, 51) sucht.
7. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (39) der Erstreckung des Prüfbereichs (30) mit einer Anzahl Kamerasystemen (51, 52, 53, 54) korreliert, sodass jeweils von zwei benachbarten Kamerasystemen (51, 52, 53, 54) ein überlappender Abbildungsbereich des Prüfbereichs (30) erfasst wird.
8. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt (31, 32, 33, 34) des Prüfbereichs (30) vollständig durch wenigstens ein Kamerasystem (51, 52, 53, 54) erfasst wird, wobei einzelne Teilabschnitte (36, 37, 38) des Prüfbereichs (30) mehrfach erfasst werden.
9. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamerasysteme (51, 52, 53, 54) ortsfest angeordnet die Lichtintensitäten erfassen.
10. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamerasysteme (51, 52, 53, 54) mit einem Abstand (77, 78, 79) zwischen ihnen nebeneinander aufgereiht parallel verlaufend zu der Erstreckung des Prüfbereichs (30) ihre Objektive (61, 62, 63, 64) auf die Oberfläche ausgerichtet haben.
11. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kamerasystem (51, 52, 53, 54), das zusammen mit einer Laserdiode Teil eines Kameramoduls ist, kohärentes Licht der ihr zugeordneten Laserdiode (81, 82, 83, 84) erfasst.
12. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der beiden Haltebereiche (22, 24) eine Kraft wie eine Zugkraft (F1, F2), eine Druckkraft, eine Biegekraft oder auch Torsionskräfte auf die Materialprobe (20) ausübt, sodass eine Streckung des Prüfbereichs (30) erfolgt.
13. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Ort (43, 42) in der ersten Aufnahme des ersten Kamerasystems (51) oder in der nachfolgenden Aufnahme des zweiten Kamerasystems (52) bestimmt wird, der zu dem ersten Ort (41, 141) beabstandet ist, wobei eine Bestimmung der Änderung des ersten (41, 141) und/oder des zweiten Ortes (43, 42) in einer dritten Aufnahme des ersten Kamerasystems (51) und/oder einer vierten Aufnahme der zweiten Kamera (52) eine Änderung eines Abstands (44, 45) des ersten (41) und des zweiten Ortes (43, 42) im Prüfbereich (30) angibt.
14. Messung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsbestimmung mit Hilfe eines Speckle-Musters aus einem Signal mindestens einer Lichtintensitätsmesseinheit (75, 76) mit mathematischen Algorithmen mit einer Genauigkeit erfolgt, deren Auflösung genauer als oder bis zu 2 μm beträgt.
15. Messanordnung (10), mit der das Wandern eines Ortes (41, 42, 43, 141) in einem Prüfbereich (30) erfassbar ist, insbesondere durch ein Verfahren der Messung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit mindestens drei elektronisch digitalisierenden Kamerasystemen (51, 52, 53, 54), jeweils ein Objektiv (61, 62, 63, 64) aufweisend, und mit mindestens einer kohärenten Lichtquelle, wie einer Laserdiode (81, 82, 83, 84), mit einem Strahlprofil (85, 86, 87, 88) in einem Prüfbereich (30), wobei das Strahlprofil (85, 86, 87, 88) den Prüfbereich (30) überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (10) mindestens drei gleich ausgerichtete Kamerasysteme (51, 52, 53, 54) hat, und jedem Kameramodul (51, 52, 53, 54, 81, 82, 83, 84) durch ein Objektiv (61, 62, 63, 64) ein Speckleabbild eines Teils (31, 32, 33, 34) des Prüfbereichs (30) auf einem im Kameramodul (51, 52, 53, 54, 81, 82, 83, 84) angeordneten Lichtsensor (71, 72) zuordenbar ist, wobei der Lichtsensor (71, 72) in jeder Dimension des Speckleabbilds mindestens zwei nebeneinander angeordnete Lichtintensitätsmesseinheiten (75, 76) beinhaltet, und die jeweiligen Lichtsensoren (71, 72) der mindestens drei Kameramodule (51, 52, 53, 54) mit einer Recheneinheit (19) verbunden sind, in der die jeweiligen Speckleabbilder der Teile (31, 32, 33, 34) des Prüfbereichs (30) als ein vollständiges Speckleabbild des Prüfbereichs (30) speicherbar sind, sodass jedem Ort (41, 42, 43, 141) des Prüfbereichs (30) ein Ort des gespeicherten Speckleabbilds entspricht und unter zeitlicher Berücksichtigung eine Verschiebung mindestens eines Ortes (41, 42, 43, 141) des Prüfbereichs (30) von der Messanordnung (10) festgehalten wird. Lichtintensitäten, von der Messanordnung (10) festgehalten wird.
16. Messanordnung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass einem Kamerasystem (51, 52, 53, 54) jeweils eine kohärente Lichtquelle (81, 82, 83, 84) zugeordnet ist, wobei das Strahlprofil (85, 86, 87, 88) der kohärenten Lichtquelle (81, 82, 83, 84) im Prüfbereich (30) den Teil (31, 32, 33, 34) des Prüfbereichs (30), der durch das jeweilige Kamerasystem (51, 52, 53, 54) abbildbar ist, vollständig überdeckt.
17. Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Kamerasysteme (51, 52, 53, 54) mit ihren jeweils zugeordneten Objektiven (61, 62, 63, 64) an einer gemeinsamen Halterung (15), die in einer Orientierung zum Prüfbereich (30) justierbar ist, austauschbar befestigt sind, wodurch eine Beabstandung (80) zwischen dem Prüfbereich (30) und der Halterung (15) bei einer ersten Messung eines Ortes (41, 42, 43, 141) und einer zweiten Messung eines Ortes (41, 42, 43, 141) festgelegt ist.
18. Messanordnung (10) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Beabstandungen (77, 78, 79) zwischen den mindestens drei Kamerasystemen (51, 52, 53, 54) die Beabstandung (80) zwischen dem Prüfbereich (30) und der Halterung (15) festlegen.
19. Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die den mindestens drei Kamerasysteme (51, 52, 53, 54) zugeordneten kohärenten Lichtquellen (81, 82, 83, 84) in fixierender Art beabstandet und austauschbar gehaltert sind, somit nur eine einzige relative Lage zueinander einnehmen können, wobei die kohärenten Lichtquellen (81, 82, 83, 84) in einer Orientierung zum Prüfbereich (30) justierbar sind.
20. Messanordnung (10) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beabstandung zwischen den mindestens drei Kamerasystemen (51, 52, 53, 54) und den zugeordneten kohärenten Lichtquellen (81, 82, 83, 84), die rückwärtig oder in spiegelbildlicher Anordnung einander zugeordnet sind, bei einer ersten Ortsmessung und einer zweiten Ortsmessung festgelegt ist.
21. Anwendung eines Verfahrens zur Messung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere mit einer Messanordnung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, bei der Durchführung einer Materialprüfung, insbesondere einer Materialprüfung durch Energieeintrag, vorzugsweise durch eine Zugkraft (F1, F2), durch eine Druckkraft, durch eine Biegekraft oder durch Torsionskräfte zur uniaxialen oder multiaxialen Materialmessung, in ein Material (20), wie der Speckle-Extensometrie.

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