Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern zur Belastungsanalyse eines Prüfkörpers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for recording images for stress analysis of a test body according to the preamble of claim 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Belastungsanalyse eines Prüfkörpers gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9.The invention also relates to a method for stress analysis of a test body according to the features of claim 9.
Aus DD 286 227 A5 sind eine Vorrichtung zum Aufnehmen von Bildern zur Belastungsanalyse eines Prüfkörpers und ein Verfahren zur Belastungsanalyse eines Prüfkörpers bekannt. Hierfür ist eine optische Strahlungsquelle vorgesehen, mit der kohärente optische Strahlung in Richtung einer optischen Achse zum Beaufschlagen eines Prüfkörpers in einem Messbereich aussendbar ist. Mit einer optischen Bildaufnahmeeinheit in Gestalt einer zeitlich relativ trägen Fernsehkamera ist von dem Prüfkörper aus einem Messbereich kollinear auf der optischen Achse rückgeworfene optische Strahlung als Speckle-Bilder erfassbar. Eine mit der optischen Bildaufnahmeeinheit in Verbindung stehende Auswerteeinheit dient zum Analysieren der Speckle-Bilder bezüglich auf den Prüfkörper einwirkenden Belastungen. Dabei wird mit der Fernsehkamera ein mechanisches Verschiebungsfeld aufgezeichnet und gleichzeitig über ein Thermographie-System die aktuelle Temperatur erfasst, um Datensätze für gekoppelte thermisch-mechanische Feldprobleme der Festkörpermechanik zu erhalten.Out DD 286 227 A5 a device for recording images for stress analysis of a test body and a method for stress analysis of a test body are known. For this purpose, an optical radiation source is provided with which coherent optical radiation can be emitted in the direction of an optical axis for impacting a test body in a measurement area. With an optical image recording unit in the form of a television camera that is relatively slow in time, optical radiation reflected collinearly on the optical axis by the test body from a measurement area can be recorded as speckle images. An evaluation unit connected to the optical image recording unit serves to analyze the speckle images with regard to loads acting on the test body. A mechanical displacement field is recorded with the television camera and at the same time the current temperature is recorded via a thermography system in order to obtain data sets for coupled thermal-mechanical field problems in solid mechanics.
Aus dem Fachartikel D. Francis u.a.: Surface strain measurement of rotating objects using pulsed laser shearography with coherent fibreoptic imaging bundles, Meas. Sci. Technol, 19 (2008), 105301 , doi: 10.1088/0957-0233/19/10/105301 ist zum Durchführen einer 3D-Shearographie zum Aufnehmen von Pixelbildern von einem sich mit einer gleichbleibenden Drehgeschwindigkeit drehenden Prüfkörper eine Anordnung mit vier Kameras bekannt, die den Prüfkörper aus vier verschiedenen Richtungen mit einer gleichbleibenden Zeitverzögerung aufnehmen. From the specialist article D. Francis et al .: Surface strain measurement of rotating objects using pulsed laser shearography with coherent fiberoptic imaging bundles, Meas. Sci. Technol, 19 (2008), 105301 , doi: 10.1088 / 0957-0233 / 19/10/105301, an arrangement with four cameras is known for performing a 3D shearography for recording pixel images of a test body rotating at a constant rotational speed, which monitors the test body from four different directions with a record constant time delay.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Arten anzugeben, mit denen eine mechanische Belastungsanalyse an sich verhältnismäßig schnell drehenden Prüfkörpern auch über mehrere Umdrehungen des Prüfkörpers hinweg durchführbar ist.The invention is based on the object of specifying a device and a method of the types mentioned at the beginning with which a mechanical load analysis can be carried out on test specimens rotating relatively quickly, even over several revolutions of the test specimen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention with a device of the type mentioned at the beginning with the characterizing features of claim 1.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved according to the invention with a method of the type mentioned at the beginning with the features of claim 9.
Gemäß der Erfindung lassen sich nunmehr belastungsinduzierte Veränderungen an sich auch sehr schnell, beispielsweise mit Oberflächengeschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit, drehenden Prüfkörpern durch Aufnahme von miteinander noch korrelierenden Speckle-Bildern über verschiedene Pulse von optischer Strahlung und über mehrere Umdrehungen des Prüfkörpers hinweg analysieren, so dass beispielsweise ein in einem abgekapselten Prüfkörperaufnahmeraum angeordneter Prüfkörper über eine verhältnismäßig lang andauernde Anlaufphase bis zum Erreichen eines bezüglich Drehgeschwindigkeiten sowie Temperatur stationären Zustands untersuchen lässt.According to the invention, load-induced changes can now also be analyzed very quickly, for example with surface speeds close to the speed of sound, rotating test bodies by recording speckle images that are still correlated with one another over different pulses of optical radiation and over several revolutions of the test body, so that, for example a test body arranged in an encapsulated test body receiving space can be examined over a relatively long start-up phase until a state that is stationary in terms of rotational speeds and temperature is reached.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Further expedient refinements of the invention emerge from the dependent claims.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung mit Bezug auf die Figuren der Zeichnung.Further useful embodiments and advantages of the invention are the subject matter of the following description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures of the drawing.
Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung mit einer eine gepulste optische Strahlungsquelle und Bildaufnahmeeinheiten ansteuernden Triggereinheit im Einsatz mit einem sich drehenden Prüfkörper,
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1,
- 3 in einem Blockschaltbild eine Ausführung einer Triggereinheit,
- 4 in einer schematischen Darstellung ein Raumfiltermodul,
- 5 in einer schematischen Darstellung die Abbildungsverhältnisse für ein Speckle-Bild mit einem Prüfkörper in einer ersten Position,
- 6 in einer schematischen Darstellung die Abbildungsverhältnisse für ein Speckle-Bild mit einem Prüfkörper in einer gegenüber der Position gemäß 5 verschobenen zweiten Position,
- 7 in einem Schaubild einen beispielhaften Pulsverlauf eines als optische Strahlungsquelle vorgesehenen Kurzpulslasers zum Veranschaulichen einer zeitlichen Filterung,
- 8 in einem Schaubild typische Verläufe von Korrelationskoeffizienten von Speckle-Bildern bei einer lateralen Verschiebung eines Prüfkörpers unter Beleuchtung mit Dauerstrichlasern und Kurzpulslasern ohne sowie mit zeitlicher Filterung,
- 9 in einer anschaulichen Darstellung die Lokalisierung eines normierten Korrelationskoeffizienten bei einer subpixelgenauen Messung der Position eines Kernes eines Referenzbildes in einem Suchbereich eines Messbildes,
- 10 in einem Schaubild zum Auslegen eines dichroitischen Strahlteilers für ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung relevante typische Spektralbereiche,
- 11 in einem Schaubild relative Intensitätsänderungen von Wärmestrahlung in unterschiedlichen Spektralbereichen bei jeweils einer gleichen Referenztemperatur und
- 12 in einem Schaubild den temperaturabhängigen Verlauf eines aus den Spektralbereichen gemäß 12 gebildeten Intensitätsquotienten.
Show it: - 1 in a schematic representation a first embodiment according to the invention with a trigger unit controlling a pulsed optical radiation source and image recording units in use with a rotating test body,
- 2 in a schematic representation a modification of the embodiment according to 1 ,
- 3 in a block diagram an embodiment of a trigger unit,
- 4th a schematic representation of a spatial filter module,
- 5 in a schematic representation the imaging conditions for a speckle image with a test body in a first position,
- 6th in a schematic representation, the imaging conditions for a speckle image with a test body in a position opposite to FIG 5 shifted second position,
- 7th in a diagram an exemplary pulse course of a short pulse laser provided as an optical radiation source to illustrate a temporal filtering,
- 8th Typical curves of correlation coefficients of speckle images in a diagram with a lateral displacement of a test body under illumination with continuous wave lasers and short pulse lasers without and with temporal filtering,
- 9 In a clear representation, the localization of a normalized correlation coefficient with a subpixel-accurate measurement of the position of a core of a reference image in a search area of a measurement image,
- 10 Typical spectral ranges relevant in a diagram for designing a dichroic beam splitter for an exemplary embodiment according to the invention,
- 11 in a diagram, relative changes in the intensity of thermal radiation in different spectral ranges at the same reference temperature and
- 12th in a diagram the temperature-dependent course of one of the spectral ranges according to 12th formed intensity quotient.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung im Einsatz mit einem schematisch dargestellten zweiteiligen Prüfkörper 103, der aus einem ersten Teilkörper 106 und aus einem zweiten Teilkörper 109 aufgebaut ist. Wenigstens einer der Teilkörper 106, 109 ist an einer sich in einer axialen Richtung erstreckenden Welle 112 angebracht, die um eine Drehachse 115 insbesondere schnell rotierend drehbar ist. Die Teilkörper 106, 109 sind in der axialen Richtung durch einen gegenüber den Dimensionen der Teilkörper 106, 109 relativ schmalen Spalt 118 voneinander separiert. 1 shows in a schematic representation an embodiment of a device according to the invention in use with a schematically illustrated two-part test body 103 , which consists of a first part of the body 106 and from a second part body 109 is constructed. At least one of the sub-bodies 106 , 109 is on a shaft extending in an axial direction 112 attached around an axis of rotation 115 in particular is rotatable in a rapidly rotating manner. The partial body 106 , 109 are in the axial direction by one opposite the dimensions of the part body 106 , 109 relatively narrow gap 118 separated from each other.
Die Welle 112 ist mit einem Drehwinkelgeber 121 gekoppelt, mit dem mit einer sehr hohen Zeitauflösung der Drehwinkel der Welle 112 gegenüber einer ortsfesten Referenz bestimmbar und durch Ausgabe eines Nullsignals sowie eines Inkrementwertes ausgebbar ist. Der Drehwinkelgeber 121 ist mit einer Triggereinheit 124 des Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung verbunden, der das Nullsignal und der Inkrementwert einspeisbar ist. Die Triggereinheit 124 ist ausgangsseitig mit einem Kurzpulslaser 127 als in einem Pulsbetrieb betreibbarer optischer Strahlungsquelle, mit einem Schnellverschluss 130 einer optischen Bildaufnahmeeinheit 133, mit einem Pyrometer 136 einer thermischen Bildaufnahmeeinheit 139 und mit einer Auswerteeinheit 142 verbunden.The wave 112 is with a rotary encoder 121 coupled with that with a very high time resolution of the angle of rotation of the shaft 112 can be determined with respect to a fixed reference and can be output by outputting a zero signal and an incremental value. The rotary encoder 121 is with a trigger unit 124 of the exemplary embodiment of a device according to the invention, to which the zero signal and the increment value can be fed. The trigger unit 124 is on the output side with a short pulse laser 127 as an optical radiation source that can be operated in pulse mode, with a quick-release fastener 130 an optical image pickup unit 133 , with a pyrometer 136 a thermal imaging unit 139 and with an evaluation unit 142 connected.
Die optische Bildaufnahmeeinheit 133 verfügt weiterhin über eine Kameraoptik 145 zum Beaufschlagen eines üblicherweise als Kamera ausgebildeten Bildsignalverarbeitungsmoduls 148 der optischen Bildaufnahmeeinheit 133 mit auf die Kameraoptik 145 einfallender optischer Strahlung 151.The optical imaging unit 133 furthermore has a camera lens 145 to act on an image signal processing module usually designed as a camera 148 the optical image pickup unit 133 with on the camera optics 145 incident optical radiation 151 .
Mit dem vorteilhafterweise aktiv gütegeschalteten Kurzpulslaser 127 ist kohärente optische Strahlung 151 im sichtbaren oder im nahen infraroten Spektralbereich bis typischerweise maximal etwa 1 Mikrometer Wellenlänge als Laserpulse mit einer linearen Polarisation aussendbar, wobei typische Pulsdauern im Bereich von wenigen Nanosekunden bis wenigen 10 Nanosekunden und die zeitlichen Fluktuationen in der Pulsfolge bei weniger als etwa wenigen 100 Nanosekunden liegen. Dem Kurzpulslaser 127 ist ein schematisch mit einer Einkoppellinse 154, einer Lochblende 157 und einer Auskoppellinse 160 dargestelltes Raumfiltermodul 163 nachgeordnet, mit dem die von dem Kurzpulslaser 127 ausgesendete gepulste optische Strahlung 151 zum Erhalt einer weitgehend planen Wellenfront, wie weiter unten näher erläutert, räumlich filterbar ist.With the advantageously actively Q-switched short pulse laser 127 is coherent optical radiation 151 Can be emitted as laser pulses with a linear polarization in the visible or near infrared spectral range up to typically a maximum of about 1 micrometer wavelength, with typical pulse durations in the range from a few nanoseconds to a few 10 nanoseconds and the temporal fluctuations in the pulse train being less than about a few 100 nanoseconds. The short pulse laser 127 is a schematic with a coupling lens 154 , a pinhole 157 and a decoupling lens 160 shown spatial filter module 163 downstream, with which the short pulse laser 127 emitted pulsed optical radiation 151 to obtain a largely planar wavefront, as explained in more detail below, can be spatially filtered.
Die optische Strahlung 151 ist nach Durchtritt durch das Raumfiltermodul 163 über eine totalreflektive Umlenkspiegelanordnung 166 und über einen für die aus dem Kurzpulslaser 127 austretende optische Strahlung 151 in deren Polarisationsrichtung hochreflektiven Polarisationsstrahlteiler 169 in Richtung einer optischen Achse 172 kollimiert auf den Prüfkörper 103 fallend umlenkbar.The optical radiation 151 is after passing through the room filter module 163 via a totally reflective deflecting mirror arrangement 166 and one for the one from the short pulse laser 127 emerging optical radiation 151 highly reflective polarization beam splitter in their polarization direction 169 in the direction of an optical axis 172 collimates on the test body 103 falling deflectable.
Auf der optischen Achse 172 ist zwischen dem Polarisationsstrahlteiler 169 und dem Prüfkörper 103 eine λ/4-Platte 175 angeordnet, mit der die lineare Polarisation der von dem Kurzpulslaser 127 ausgesendeten optischen Strahlung 151 in eine zirkulare Polarisation umwandelbar ist.On the optical axis 172 is between the polarization beam splitter 169 and the test body 103 a λ / 4 plate 175 is arranged, with which the linear polarization of the short pulse laser 127 emitted optical radiation 151 can be converted into a circular polarization.
Zwischen der λ/4-Platte 175 und dem Prüfkörper 103 ist ein dichroitischer Strahlteiler 178 so angeordnet, dass die optische Strahlung 151 ablenkungsfrei durch den dichroitischen Strahlteiler 178 durchtritt. Die zirkular polarisierte optische Strahlung 151 beaufschlagt schließlich ein in einem den Prüfkörper 103 umgebenden und in der Darstellung gemäß 1 teilaufgerissen dargestellten Gehäuse 181 eingebrachtes, über einen sehr weiten Spektralbereich transparentes Fenster 184, so dass die optische Strahlung 151 den Prüfkörper 103 schließlich wenigstens einen Messbereich 187 flächig beleuchtend beaufschlagt.Between the λ / 4 plate 175 and the test body 103 is a dichroic beam splitter 178 arranged so that the optical radiation 151 deflection-free thanks to the dichroic beam splitter 178 passes through. The circularly polarized optical radiation 151 finally acts on one in one of the test body 103 surrounding and in the representation according to 1 Housing shown partially torn 181 introduced, transparent window over a very wide spectral range 184 so that the optical radiation 151 the test body 103 finally at least one measuring range 187 applied to illuminate over a large area.
Aus bei einer entsprechenden Drehstellung des Prüfkörpers 103 hinter dem Fenster 184 liegenden vorbestimmten, bezüglich des Prüfkörpers 103 ortsfesten Messbereichen 187 kollinear auf der optischen Achse 172 rückgeworfene optische Strahlung 151 und Wärmestrahlung 190 in einem gegenüber der optischen Strahlung 151 langwelligeren Spektralbereich mit Wellenlängen typischerweise größer als etwa 2,5 Mikrometer durchtreten das Fenster 184 und beaufschlagen den dichroitischen Strahlteiler 178.Off when the test body is in a corresponding rotary position 103 behind the window 184 lying predetermined, with respect to the test body 103 fixed measuring ranges 187 collinear on the optical axis 172 reflected optical radiation 151 and thermal radiation 190 in one opposite the optical radiation 151 longer-wave spectral range with wavelengths typically greater than about 2.5 microns pass through the window 184 and act on the dichroic beam splitter 178 .
Mit dem dichroitischen Strahlteiler 178 ist die optische Strahlung 151 von der Wärmestrahlung 190 räumlich separierbar. Die Wärmestrahlung 190 ist auf ein Spektraltrennmodul 193 der thermischen Bildaufnahmeeinheit 139 lenkbar, während die weiterhin zirkular polarisierte, von dem Prüfkörper 103 rückgeworfene optische Strahlung 151 den dichroitischen Strahlteiler 178 und danach die λ/4-Platte 175 durchtritt, so dass die nunmehr gegenüber der ursprünglichen linearen Polarisationsrichtung der einfallenden optischen Strahlung 151 in ihrer Polarisationsrichtung um 90 Grad gedrehte linear polarisierte rückgeworfene optische Strahlung 151 den Polarisationsstrahlteiler 169 durchtritt und die Kameraoptik 145 beaufschlagt.With the dichroic beam splitter 178 is the optical radiation 151 from thermal radiation 190 spatially separable. The thermal radiation 190 is on a spectral separation module 193 the thermal imaging unit 139 steerable, while the still circularly polarized, of the test body 103 reflected optical radiation 151 the dichroic beam splitter 178 and then the λ / 4 plate 175 passes, so that the now opposite to the original linear polarization direction of the incident optical radiation 151 linearly polarized reflected optical radiation rotated by 90 degrees in its polarization direction 151 the polarization beam splitter 169 passage and the camera optics 145 applied.
Mit dem Spektraltrennmodul 193 der thermischen Bildaufnahmeeinheit 139 ist die von dem Prüfkörper 103 stammende Wärmestrahlung in zwei Spektralbereiche beispielsweise zeitlich von den Pyrometer 136 angesteuert über ein Filterrad oder räumlich passiv durch ein dispersives Element auftrennbar. Die Intensitätswerte der Spektralbereiche der Wärmestrahlung 190 sind der Auswerteeinheit 142, an die auch das Bildsignalverarbeitungsmodul 148 der optischen Bildaufnahmeeinheit 133 angeschlossen ist, beispielsweise als Wärmedaten einspeisbar.With the spectral separation module 193 the thermal imaging unit 139 is that of the specimen 103 originating heat radiation in two spectral ranges, for example, temporally from the pyrometer 136 controlled via a filter wheel or spatially passively separable by a dispersive element. The intensity values of the spectral ranges of the thermal radiation 190 are the evaluation unit 142 , to which the image signal processing module 148 the optical image pickup unit 133 is connected, for example, can be fed in as heat data.
Diese Anordnung ermöglicht es, auch auf Prüfkörpern 103, die an ihrer Außenseite mit nahezu Schallgeschwindigkeit rotieren, wie weiter unten näher erläutert, hoch aufgelöste Speckle-Bilder aufzunehmen, die aufgrund der kurzen Pulsdauer praktisch keine Bewegungsunschärfe aufweisen. Die Speckle-Bilder können dabei über viele Umdrehungen hinweg verglichen werden, da der Kurzpulslaser 127 durch die Koppelung mit der Triggereinheit 124 innerhalb seiner räumlichen Kohärenzlänge immer dieselbe Stelle der Oberfläche des Prüfkörpers 103 in wenigstens einem Messbereich 187 mit gepulster optischer Strahlung 151 beaufschlagt und dadurch mit der Bildaufnahmeeinheit 133 über viele Umdrehungen hinweg korrelierbare Speckle-Bilder aufnehmbar sind.This arrangement also makes it possible to use test specimens 103 that rotate on their outside at almost the speed of sound, as explained in more detail below, to record high-resolution speckle images that, due to the short pulse duration, have practically no motion blur. The speckle images can be compared over many revolutions because the short pulse laser 127 by coupling with the trigger unit 124 always the same point on the surface of the test body within its spatial coherence length 103 in at least one measuring range 187 with pulsed optical radiation 151 acted upon and thereby with the image recording unit 133 Correlatable speckle images can be recorded over many revolutions.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Abwandlung des anhand 1 erläuterten Ausführungsbeispiels, wobei sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und der Abwandlung gemäß 2 einander entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nachfolgend im Detail nicht nochmals näher erläutert sind. Die Abwandlung gemäß 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Wesentlichen darin, dass bei der Abwandlung gemäß 2 der Schnellverschluss 130 der optischen Bildaufnahmeeinheit 133 mit dem Kurzpulslaser 127 verbunden und von diesem, anstatt wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 von der Triggereinheit 124, angesteuert ist. Dadurch ist die Gesamtsynchronisierung gegenüber zeitlichen Fluktuationen des Kurzpulslasers 127 bei dem Erzeugen der Laserpulse robuster. 2 shows in a schematic representation a modification of the based 1 illustrated embodiment, wherein in the embodiment according to 1 and the modification according to 2 Corresponding elements are provided with the same reference numerals and are not explained again in detail below. The modification according to 2 differs from the embodiment according to 1 essentially in the fact that the modification according to 2 the quick release 130 the optical image pickup unit 133 with the short pulse laser 127 connected and from this, instead of as in the embodiment according to 1 from the trigger unit 124 , is controlled. This is the overall synchronization with respect to temporal fluctuations of the short pulse laser 127 more robust when generating the laser pulses.
3 zeigt in einem Blockschaltbild eine Ausführung einer Triggereinheit 124, wie sie grundsätzlich in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 oder modifiziert in der Abwandlung gemäß 2 zum Einsatz kommt. Die Triggereinheit 124 verfügt über ein Steuermodul 303, in dem verschiedenen, bezüglich des Prüfkörpers 103 ortsfesten Messbereichen 187 zugeordnete Winkelwerte des Drehwinkelgebers 121 und relative Verzögerungswerte für die Ansteuerung des Kurzpulslasers 127, der thermischen Bildaufnahmeeinheit 139 und für den Fall des Ausführungsbeispiels gemäß 1 des Schnellverschlusses 130 der optischen Bildaufnahmeeinheit 133 abgelegt sind. Das Steuermodul 303 steht mit einem Drehwinkelbestimmungsmodul 306 in Verbindung und erhält von diesem die aktuelle Winkelgeschwindigkeit des Prüfkörpers 103, die über eine Nullsignalleitung 309 und über eine Inkrementsignalleitung 312 von dem Drehwinkelgeber 121 übergeben wird. 3 shows an embodiment of a trigger unit in a block diagram 124 , as in principle in the embodiment according to 1 or modified in the modification according to 2 is used. The trigger unit 124 has a control module 303 , in the different, with respect to the test specimen 103 fixed measuring ranges 187 assigned angle values of the rotary encoder 121 and relative delay values for the control of the short pulse laser 127 , the thermal imaging unit 139 and for the case of the exemplary embodiment according to 1 the quick release 130 the optical image pickup unit 133 are filed. The control module 303 stands with a rotation angle determination module 306 in connection and receives from this the current angular velocity of the test body 103 that have a zero signal line 309 and via an incremental signal line 312 from the rotary encoder 121 is passed.
Weiterhin verfügt die Triggereinheit 124 gemäß 3 über einen Lasertriggergeber 315, einen Pyrometertriggergeber 318 und bei Einsatz mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 über einen Verschlusstriggergeber 321. Der Lasertriggergeber 315, der Pyrometertriggergeber 318 und der Verschlusstriggergeber 321 erhalten zum einen von der Nullsignalleitung 309 direkt ein Nullsignal und von dem Steuermodul 303 ein spezifisches, von der aktuellen Winkelgeschwindigkeit des Prüfkörpers 103 und dem jeweils anzusprechenden Messbereich 187 abhängiges Verzögerungssignal.The trigger unit also has 124 according to 3 via a laser trigger transmitter 315 , a pyrometer trigger transmitter 318 and when used with the exemplary embodiment according to 1 via a lock trigger transmitter 321 . The laser trigger transmitter 315 , the pyrometer trigger transmitter 318 and the shutter trigger transmitter 321 received on the one hand from the zero signal line 309 a zero signal directly and from the control module 303 a specific one from the current angular velocity of the test object 103 and the respective measuring range to be addressed 187 dependent delay signal.
Die dem Lasertriggergeber 315, dem Pyrometertriggergeber 318 und gegebenenfalls dem Verschlusstriggergeber 321 eingespeisten Verzögerungssignale sind so aufeinander abgestimmt, dass unter Berücksichtigung der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit des Prüfkörpers 103 und der internen Latenzen der an die Triggergeber 315, 318, 321 angeschlossenen Komponenten 127, 130, 136 jeweils ein Messbereich 187 ortstreu mit optischer Strahlung 151 beaufschlagt wird und durch aus diesem Messbereich 187 rückgeworfene optische Strahlung 151 als scharfe Speckle-Bilder und Wärmebilder über verschiedene Pulse optischer Strahlung 151 sowie über mehrere Umdrehungen des Prüfkörpers 103 hinweg aufgezeichnet und durch die Auswerteeinheit 142, wie nachfolgend näher erläutert, auch subpixelgenau durch Korrelationstechniken insbesondere zur Analyse temperaturabhängiger mechanischer Belastungen wie Drehung oder Scherung an auch mehrere Teilkörper 106, 109 aufweisende Prüfkörpern 103 mit Vermessung von beispielsweise Änderungen an Dimensionen eines Spalts 118 ausgewertet werden.The laser trigger transmitter 315 , the pyrometer trigger transmitter 318 and, if necessary, the lock trigger transmitter 321 The delay signals fed in are matched to one another in such a way that, taking into account the respective angular velocity of the test object 103 and the internal latencies of the trigger transmitters 315 , 318 , 321 connected components 127 , 130 , 136 one measuring range each 187 localized with optical radiation 151 is applied and through from this measuring range 187 reflected optical radiation 151 as sharp speckle images and thermal images via various pulses of optical radiation 151 as well as over several revolutions of the test body 103 recorded away and by the evaluation unit 142 As explained in more detail below, also with subpixel accuracy by means of correlation techniques, in particular for the analysis of temperature-dependent mechanical loads such as rotation or shear on even several sub-bodies 106 , 109 having test specimens 103 with Measurement of, for example, changes to the dimensions of a gap 118 be evaluated.
4 zeigt in einer schematischen Darstellung die prinzipielle Funktionsweise des Raumfiltermoduls 163 gemäß 1 oder 2 mit der Einkoppellinse 154, der Lochblende 157 und der Auskoppellinse 160. Auf der der Lochblende 157 gegenüber liegenden Seite der Einkoppellinse 154 ist anschaulich eine ebene einlaufende Wellenfront 401 sowie eine zu einem gewissen Grad verzerrte einlaufende Wellenfront 403 dargestellt, wobei insbesondere die ebene einlaufende Wellenfront 401 mittels der Einkoppellinse 154 auf eine Filterausnehmung 406 der Lochblende 157 fokussierend abbildbar ist. Die verzerrte einlaufende Wellenfront 403 hingegen wird, wie mit gestrichelten Linien angedeutet, in der Ebene der Lochblende 157 in dem Sinne nur unzureichend fokussiert, dass die Filterausnehmung 406 wesentlich kleiner als der Fokusbereich der verzerrten einlaufenden Wellenfront 406 ist. Dadurch wird die verzerrte einlaufende Wellenfront 403 durch das Raumfiltermodul 163 im Wesentlichen ausgeblendet und trägt somit nicht mehr zu einer ebenen auslaufenden Wellenfront 409 sowie demzufolge zu einem Speckle-Bild bei. Über das Verhältnis der Einkoppelbrennweite 412 der Einkoppellinse 154 und der Auskoppelbrennweite 415 der Auskoppellinse 160 lässt sich die Vergrößerung für die von dem Kurzpulslaser 127 emittierte Wellenfront einstellen. Vorzugsweise entspricht der Durchmesser der kollimierten auslaufenden Wellenfront 409 dem Bildfeld der optischen Bildaufnahmeeinheit 133. 4th shows in a schematic representation the basic functionality of the spatial filter module 163 according to 1 or 2 with the coupling lens 154 , the pinhole 157 and the coupling lens 160 . On the pinhole 157 opposite side of the coupling lens 154 is clearly a flat incoming wave front 401 as well as a somewhat distorted incoming wavefront 403 shown, in particular the plane incoming wave front 401 by means of the coupling lens 154 on a filter recess 406 the pinhole 157 can be represented in a focused manner. The distorted incoming wave front 403 on the other hand, as indicated by dashed lines, in the plane of the pinhole 157 in the sense that the filter recess is insufficiently focused 406 much smaller than the focus area of the distorted incoming wavefront 406 is. This will distort the incoming wavefront 403 through the room filter module 163 essentially faded out and thus no longer contributes to a flat outgoing wave front 409 as well as contributing to a speckle picture. About the ratio of the coupling focal length 412 the coupling lens 154 and the decoupling focal length 415 the coupling lens 160 the magnification for the short pulse laser 127 Adjust emitted wavefront. The diameter preferably corresponds to the collimated outgoing wave front 409 the image field of the optical image recording unit 133 .
5 zeigt in einer schematischen Ansicht die Abbildungsverhältnisse für ein Speckle-Bild 503, das durch die Beleuchtung einer im Verhältnis zu der Wellenlänge des die einlaufende Wellenfront 506 bildenden Laserlichts als optischer Strahlung 151 rauen Oberfläche 509 eines Prüfkörpers 103 über eine hier stark vereinfacht dargestellte Abbildungsoptik 512 auf einem ortsauflösenden Flächendetektor 515 erzeugt wird. Das durch die Abbildungsoptik 512 auf dem Flächendetektor 515 erzeugte Speckle-Bild 503 eines Oberflächenbereichs 518 stellt eine kohärente Überlagerung der Wellenfront 506 des einlaufenden Laserlichtes mit dem Profil der Oberfläche 509 dar. Der Intensitätswert eines Bildpunktes auf dem Flächendetektor 515 wird durch den Verlauf des Profils der Oberfläche 509 und durch die Nichtplanarität 521 der Wellenfront 506 innerhalb einer Ortsunschärfe 524 der Abbildungsoptik 512 auf der Oberfläche 509 bestimmt. 5 shows in a schematic view the imaging conditions for a speckle image 503 that by illuminating a in proportion to the wavelength of the incoming wavefront 506 forming laser light as optical radiation 151 rough surface 509 of a test body 103 via imaging optics shown here in a greatly simplified manner 512 on a spatially resolving area detector 515 is produced. That through the imaging optics 512 on the area detector 515 generated speckle image 503 of a surface area 518 represents a coherent superposition of the wavefront 506 of the incoming laser light with the profile of the surface 509 The intensity value of an image point on the area detector 515 is determined by the course of the profile of the surface 509 and by the non-planarity 521 the wavefront 506 within a location blur 524 the imaging optics 512 on the surface 509 definitely.
Die hier dargestellte Abbildungsoptik 512 ist eine einfache Ausführung der Kameraoptik 145 gemäß 1. Vorteilhafterweise ist hier eine telezentrische Optik vorgesehen, da bei dieser das Verhältnis zwischen einem Versatz des Speckle-Bildes 503 und eines Versatzes der Oberfläche 509 unabhängig vom Abstand zwischen der Abbildungsoptik 512 und der Oberfläche 509 ist. Durch den Polarisationsstrahlteiler 169 gemäß 1 verlaufen die optischen Achsen der Wellenfront 506 sowie der Abbildungsoptik 512 parallel. Dies ändert jedoch nichts an dem hier dargestellten Zusammenhang zwischen der Nichtplanarität 521 der Wellenfront 506, der Ortsunschärfe 524 und der Vergleichbarkeit der Speckle-Bilder 503 bei einem Versatz der Oberfläche 509.The imaging optics shown here 512 is a simple version of the camera optics 145 according to 1 . Telecentric optics are advantageously provided here, since in this case the ratio between an offset of the speckle image 503 and an offset of the surface 509 regardless of the distance between the imaging optics 512 and the surface 509 is. Through the polarization beam splitter 169 according to 1 run the optical axes of the wavefront 506 as well as the imaging optics 512 parallel. However, this does not change the relationship between the non-planarity shown here 521 the wavefront 506 , the location blur 524 and the comparability of the speckle images 503 if the surface is offset 509 .
6 zeigt in einer schematischen Darstellung die Abbildungsverhältnisse für ein Speckle-Bild mit einem Prüfkörper 103 in einer gegenüber der Position gemäß 5 um einen Versatz 603 der Oberfläche 509 des Prüfkörpers verschobenen Position bei ansonsten unveränderten Abbildungsverhältnissen. Aus der Darstellung gemäß 6 lässt sich erkennen, dass sich das dem Oberflächenbereich 518 zugeordnete Speckle-Bild 503 auf dem Flächendetektor 515 bis auf Änderungen, die durch die mit der Ortsunschärfe 524 korrespondierende Nichtplanarität 521 verursacht werden, bei einem Intensitätsmuster um eine dem jeweiligen Versatz 603 des Oberflächenbereichs 518 des Prüfkörpers 103 zugeordnete Bildverschiebung 606 verschiebt. Daraus ergibt sich, dass die Korrelation zwischen den Speckle-Bildern 503 in den verschiedenen Anordnungen des Prüfkörpers 103 gemäß 5 und gemäß 6 umso höher ist, je geringer die Nichtplanarität 521 der Wellenfront 506 ist. 6th shows in a schematic representation the imaging conditions for a speckle image with a test body 103 in an opposite position according to 5 about an offset 603 the surface 509 of the specimen shifted position with otherwise unchanged imaging conditions. From the representation according to 6th it can be seen that this is related to the surface area 518 associated speckle image 503 on the area detector 515 except for changes caused by the location blur 524 corresponding non-planarity 521 are caused, with an intensity pattern by one of the respective offset 603 of the surface area 518 of the test body 103 associated image shift 606 shifts. It follows that the correlation between the speckle images 503 in the various arrangements of the test body 103 according to 5 and according to 6th the lower the non-planarity, the higher it is 521 the wavefront 506 is.
7 zeigt in einem Schaubild einen beispielhaften Intensitätsverlauf 703 des Kurzpulslasers 127, bei dem auf einer Intensitätsachse 706 die Intensität I gegen die auf einer Zeitachse 709 abgetragene Zeit t in relativen Einheiten dargestellt ist. Zum Verringern der Nichtplanarität 521 ist bei einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß 1 oder der Abwandlung gemäß 2 vorgesehen, dass der in 7 in seinem Intensitätsverlauf 703 beispielhaft dargestellte Laserpuls durch eine zeitliche Filterung 712 mit Verwerfen von gegenüber dem Maximum der Intensität I der optischen Strahlung 151 beispielsweise um in etwa um die Hälfte verringerter Flankenintensitäten reduziert wird. Die angepasste Wahl einer zeitlichen Filterung 712 gestattet, die durch das inkohärente Anschwing- und Abklingverhalten des Kurzpulslasers 127 verursachten Verzerrungen auszublenden und dadurch die Nichtplanarität 521 der Wellenfront 506 innerhalb der Ortsunschärfe 524 zu verringern. 7th shows an exemplary intensity profile in a diagram 703 of the short pulse laser 127 , where on an intensity axis 706 the intensity I versus that on a time axis 709 plotted time t is shown in relative units. To reduce the non-planarity 521 is in a further development of the embodiment according to 1 or the modification according to 2 provided that the in 7th in its intensity curve 703 the laser pulse shown as an example by means of temporal filtering 712 with rejection of the maximum intensity I of the optical radiation 151 is reduced, for example, by flank intensities that are reduced by approximately half. The adapted choice of temporal filtering 712 allowed by the incoherent build-up and decay behavior of the short pulse laser 127 fade out the distortions caused and thereby the non-planarity 521 the wavefront 506 within the location blur 524 to reduce.
8 zeigt in einem Schaubild typische Verläufe von Korrelationskoeffizienten von Speckle-Bildern 503 bei einer lateralen Verschiebung in Gestalt eines Versatzes 603 eines Prüfkörpers 103 und Beleuchtung mit Dauerstrichlasern, Kurzpulslasern 127 ohne zeitliche Filterung und Kurzpulslasern 127 mit zeitlicher Filterung. In dem Schaubild gemäß 8 ist auf einer Korrelationsachse 803 der Wert eines Korrelationskoeffizienten C bei auf einer Ortsachse 806 abgetragenen Versatz x im Vergleich mit dem idealen, ortsunabhängigen Verlauf des Korrelationskoeffizienten 809 für einen Dauerstrichlaser dargestellt. Der Korrelationskoeffizient 812 für einen zeitlich ungefilterten Kurzpulslaser 127 weist aufgrund der bei Kurzpulslasern 127 typischerweise sehr kurzen räumlichen Kohärenzlängen einen Korrelationsbereich von typischerweise +/- 0,1 Millimeter auf, während aus dem Verlauf des Korrelationskoeffizienten 818 für einen Kurzpulslaser 127 mit zeitlicher Filterung ein verbesserter Korrelationsbereich 821 von typischerweise mindestens +/- 0,2 Millimeter zu verzeichnen ist, da das inkohärente Anschwing- und Abklingverhalten durch die zeitliche Filterung 712 nicht mehr zum Speckle-Bild 503 beiträgt. 8th shows in a diagram typical courses of correlation coefficients of speckle images 503 in the case of a lateral shift in the form of an offset 603 of a test body 103 and lighting with continuous wave lasers, short pulse lasers 127 without time filtering and short pulse lasers 127 with time filtering. In the diagram according to 8th is on a correlation axis 803 the value of one Correlation coefficient C at on a spatial axis 806 offset x compared with the ideal, location-independent course of the correlation coefficient 809 shown for a continuous wave laser. The correlation coefficient 812 for a temporally unfiltered short pulse laser 127 points due to the short pulse lasers 127 typically very short spatial coherence lengths have a correlation range of typically +/- 0.1 millimeters, while the course of the correlation coefficient 818 for a short pulse laser 127 with temporal filtering an improved correlation range 821 of typically at least +/- 0.2 millimeters can be recorded, since the incoherent build-up and decay behavior is due to the time filtering 712 no longer to the speckle picture 503 contributes.
9 zeigt in einer anschaulichen Darstellung in einem Korrelationsdiagramm die Lokalisierung eines normierten Korrelationskoeffizienten 903 mit Korrelationswerten C(x,y) bei Versatz um x-Pixelwerte und y-Pixelwerte, abgetragen auf einer Korrelationskoeffizientenachse 906 in Abhängigkeit von auf einer x-Pixelachse 909 abgetragenen x-Pixelwerten und auf einer y-Pixelachse 912 abgetragenen y-Pixelwerten. Die Werte des Korrelationskoeffizienten C(x,y) gemäß 9 ergeben sich aus einer Korrelation eines Messbildes 915 mit einem Suchbereich 918 gegenüber einem Referenzbild 921 mit einem Kernbereich 924, die durch die hochpräzise Triggerung, vorteilhafterweise in Kombination mit räumlicher und zeitlicher Pulsfilterung, erfindungsgemäß geschaffen ist. 9 shows the localization of a normalized correlation coefficient in a clear representation in a correlation diagram 903 with correlation values C (x, y) with an offset by x-pixel values and y-pixel values, plotted on a correlation coefficient axis 906 as a function of x-pixel values plotted on an x-pixel axis 909 and y-pixel values plotted on a y-pixel axis 912. The values of the correlation coefficient C (x, y) according to 9 result from a correlation of a measurement image 915 with a search area 918 compared to a reference image 921 with a core area 924 which is created according to the invention by the high-precision triggering, advantageously in combination with spatial and temporal pulse filtering.
Die Situation des Referenzbildes 921 in 9 entspricht 5, während 6 der des Messbildes 915 in 9 entspricht. Der Versatz des Speckle-Bildes 503 in 6 entspricht der Verschiebung des Maximums des Korrelationskoeffizenten 903, welche unter Berücksichtigung der Abbildungsverhältnisse der Abbildungsoptik 512 auf den Versatz 603 umgerechnet werden kann. Die rundlichen Objekte in dem Messbild 915 und in dem Referenzbild 921 symbolisieren den Maximalbereich der Intensitätsverläufe der Speckle-Bilder 503 in 6 beziehungsweise in 5.The situation of the reference image 921 in 9 is equivalent to 5 , while 6th that of the measurement image 915 in 9 is equivalent to. The offset of the speckle image 503 in 6th corresponds to the shift of the maximum of the correlation coefficient 903 which, taking into account the imaging conditions of the imaging optics 512 on the offset 603 can be converted. The rounded objects in the measurement image 915 and in the reference image 921 symbolize the maximum range of the intensity gradients of the speckle images 503 in 6th or in 5 .
Als subpixelgenaue Position des Kernbereichs 924 im Suchbereich 918 wird die Position des Maximums des Korrelationskoeffizienten 903 mit dem Maximum und den das Maximum umgebenden Flankenbereichen im Korrelationsdiagramm betrachtet, indem die Position des Maximums innerhalb des Pixels mit dem höchsten Korrelationskoeffizienten 903 durch Anpassen eines Modells an dessen Verlauf im umgebenden Flankenbereich angepasst wird. Bei einer gut angepassten optischen Bildaufnahmeeinheit 133 reicht eine Kantenlänge von etwa 30 Pixeln für den Kernbereich 924 aus, um die Verschiebung des Maximalbereichs des Korrelationskoeffizienten 903 mit Genauigkeiten im Bereich von 0,01 bis 0,1 Pixel zu messen. Diese Verschiebung entspricht unter Berücksichtigung der Abbildungsverhältnisse eines Versatzes 603 des dem Kernbereich 924 zugeordneten Oberflächenbereichs 518 auf der Oberfläche 509 des Prüfkörpers 103, die das Erfassen von relativen Längenänderungen als Belastungsgrößen auf dem Prüfkörper 103 im Bereich ab etwa 0,01 Prozent bis etwa 0,1 Prozent ermöglicht.As a subpixel precise position of the core area 924 in the search area 918 becomes the position of the maximum of the correlation coefficient 903 with the maximum and the edge regions surrounding the maximum are considered in the correlation diagram by the position of the maximum within the pixel with the highest correlation coefficient 903 by adapting a model to its course in the surrounding flank area. With a well-adapted optical image recording unit 133 an edge length of about 30 pixels is sufficient for the core area 924 off to shift the maximum range of the correlation coefficient 903 to measure with accuracies in the range of 0.01 to 0.1 pixels. This shift corresponds to an offset, taking into account the imaging conditions 603 of the core area 924 assigned surface area 518 on the surface 509 of the test body 103 which record relative changes in length as load values on the test specimen 103 in the range from about 0.01 percent to about 0.1 percent.
Bei einer Kamera mit 1000 Bildpunkten in Messrichtung können somit Verschiebungen im Bereich von 0,01 bis 0,001 Prozent des Bildfeldes der Bildaufnahmeeinheit 133 vermessen werden. Es handelt sich also um ein Messverfahren mit hoher relativer Genauigkeit, das sich dazu eignet, Versätze 603 von Oberflächenbereichen 518 zu messen, die durch thermische oder mechanische Belastungen des Prüfkörpers 103 im Betrieb hervorgerufen werden. Die optische Bildaufnahmeeinheit 133 ist demnach für die Messung der thermomechanischen Gesamtbelastung und die thermische Bildaufnahmeeinheit 139 für die Messung der Temperaturverteilung vorgesehen, um die thermischen Einflüsse etwa eines Verbrennungsvorganges von den mechanischen Einflüssen wie Fliehkraft oder strömenden Gasen messtechnisch zu trennen.In the case of a camera with 1000 pixels in the measuring direction, displacements in the range from 0.01 to 0.001 percent of the image field of the image recording unit can thus be achieved 133 be measured. It is therefore a measuring method with high relative accuracy that is suitable for determining offsets 603 of surface areas 518 to measure the thermal or mechanical loads on the test body 103 caused in operation. The optical imaging unit 133 is therefore for the measurement of the total thermomechanical load and the thermal image recording unit 139 intended for the measurement of the temperature distribution in order to separate the thermal influences of a combustion process from the mechanical influences such as centrifugal force or flowing gases.
Wählt man innerhalb eines der Messbereiche 187 den Kernbereich 924 im Referenzbild 921 als Speckle-Bild 503 des Oberflächenbereiches 518, dann entspricht dessen Verschiebung in einem Korrelationsbild unter Berücksichtigung der Abbildungsverhältnisse des Versatzes 603 des Kernbereiches 924 im Suchbereich 918 eines Messbilds 915 gegenüber dem Referenzbild 921. Bei einem rotierenden Prüfkörper 103 kann dieser Versatz 603 durch die Rotationsbewegung um die Drehachse 115 zwischen den Aufnahmezeitpunkten eines Referenzbilds 921 und eines Messbilds 915 verursacht sein. Die Triggereinheit 124 sorgt bei einem Kurzpulslaser 127 mit nichtplanarer Wellenfront 506 dafür, dass deren Nichtplanarität 521 bei der Aufnahme von Referenzbild 921 und Messbild 915 vergleichbar ist, indem sie die rotationsbedingte Versatz 603 und somit den Versatz 603 zwischen dem Oberflächenbereich 518 und der Wellenfront 506 des Laserlichts minimiert. Durch die Triggereinheit 124 können somit Referenzbilder 921 und Messbilder 915 von mindestens einem Messbereich 187 über eine Anzahl von Umdrehungen hinweg verglichen werden.If you choose within one of the measuring ranges 187 the core area 924 in the reference image 921 as a speckle picture 503 of the surface area 518 , then its shift in a correlation image, taking into account the imaging ratios, corresponds to the offset 603 of the core area 924 in the search area 918 of a measurement image 915 compared to the reference image 921 . With a rotating test body 103 can this offset 603 by the rotational movement around the axis of rotation 115 between the recording times of a reference image 921 and a measurement image 915 be caused. The trigger unit 124 takes care of a short pulse laser 127 with non-planar wavefront 506 ensuring that their non-planarity 521 when taking reference image 921 and measurement image 915 is comparable by taking the rotational offset 603 and thus the offset 603 between the surface area 518 and the wavefront 506 of the laser light is minimized. Through the trigger unit 124 can thus reference images 921 and measurement images 915 of at least one measuring range 187 can be compared over a number of revolutions.
Wählt man, wie in 9 gezeigt, nur einen Kernbereich 924 in einem der Messbereiche 187, dann wird die Genauigkeit in Rotationsrichtung durch die zeitliche Genauigkeit der Triggereinheit 124 bestimmt. Versätze parallel zur Drehachse 115 können dagegen mit der vollen Genauigkeit vermessen werden. Ein einzelner Kernbereich 924 je Referenzbild 921 oder Suchbereich 918 je Messbild 915 eignet sich daher dazu, axiale Bewegungen der Teilkörper 106, 109 im Betrieb zu messen.If you choose, as in 9 shown just a core area 924 in one of the measuring ranges 187 , then the accuracy in the direction of rotation is determined by the temporal accuracy of the trigger unit 124 definitely. Offsets parallel to the axis of rotation 115 can, however, be measured with full accuracy. A single core area 924 per reference image 921 or search area 918 per measurement image 915 suitable therefore to axial movements of the part of the body 106 , 109 to measure in operation.
Man kann aber auch mehrere Kernbereiche 924 je Referenzbild 921 sowie mehrere, auch überlappende, Suchbereiche 918 je Messbild 915 wählen, wobei Messbilder 915 und Referenzbilder 921 mehrere Messbereiche 187 auch auf mehreren Teilkörpern 106, 109 erfassen können. Jeder Kernbereich 924 entspricht dann einem Oberflächenbereich 518, für die je ein Versatz 603 parallel und rechtwinklig zur Drehachse 115 im Speckle-Bild 503 der Bildaufnahmeeinheit 133 messbar ist. Die Zahl der messbaren Werte von Versätzen 603 entspricht demnach der Zahl der Kernbereiche 924 je Referenzbild 921. Zur Messung der Breite des Spaltes 118 vergleicht man die axialen Werte des Versatzes 603 zweier Kernbereiche 924, von denen einer an dem dem Spalt 118 zugewandten Rand des einen Teilkörpers 106 und der andere an dem dem Spalt 118 zugewandten Rand des anderen Teilkörpers 109 liegt. In diesem Fall entspricht die Änderung der Differenz der beiden Verschiebungsvektoren parallel zur Drehachse 115 der Änderung der Breite des Spaltes 118 zwischen den beiden Teilkörpern 106, 109.But you can also have several core areas 924 per reference image 921 as well as several, also overlapping, search areas 918 per measurement image 915 choose, taking measurement images 915 and reference images 921 several measuring ranges 187 also on several partial bodies 106 , 109 can capture. Every core area 924 then corresponds to a surface area 518 , for each of which an offset 603 parallel and at right angles to the axis of rotation 115 in the speckle picture 503 the image pickup unit 133 is measurable. The number of measurable values of offsets 603 therefore corresponds to the number of core areas 924 per reference image 921 . To measure the width of the gap 118 if one compares the axial values of the offset 603 two core areas 924 , one of which at that of the gap 118 facing edge of a part of the body 106 and the other at the crack 118 facing edge of the other part of the body 109 lies. In this case, the change corresponds to the difference between the two displacement vectors parallel to the axis of rotation 115 the change in the width of the gap 118 between the two partial bodies 106 , 109 .
Vergleicht man dagegen die Verschiebung zweier Kernbereiche 924, die auf demselben Teilkörper 106, 109 und unter demselben Drehwinkel liegen, dann entspricht die Verschiebungsdifferenz in Richtung der Rotationsachse 115 einer axialen Längenänderung des entsprechenden Teilkörpers 106, 109.If, on the other hand, one compares the shift in two core areas 924 that are on the same part body 106 , 109 and are at the same angle of rotation, then the difference in displacement corresponds to the direction of the axis of rotation 115 an axial change in length of the corresponding part of the body 106 , 109 .
Da der Abstand der beiden Kernbereiche 924 aus dem Referenzbild 921 bekannt ist, kann die Längenänderung in eine Dehnung des betreffenden Teilkörpers 106, 109 umgerechnet werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine thermische Ausdehnung handeln, wobei die Messgenauigkeit von 0,001 Prozent des Bildfeldes bei metallischen Prüfkörpern 103 einer Temperaturänderung um wenige Grad Celsius oder einer Stauchung etwa aufgrund axialer mechanischer Krafteinwirkung entspricht.Because the distance between the two core areas 924 from the reference image 921 is known, the change in length can result in an expansion of the relevant part of the body 106 , 109 be converted. This can be a question of thermal expansion, for example, with the measurement accuracy of 0.001 percent of the image field in the case of metallic test bodies 103 corresponds to a temperature change of a few degrees Celsius or a compression, for example due to the action of axial mechanical force.
Torsionsartige Verformungen in Rotationsrichtung können auch durch angreifende Drehmomente verursacht werden. Versatzdifferenzen in Rotationsrichtung, im Messbild 915 rechtwinklig zur Drehachse 115, zeigen dagegen eine Torsion des entsprechenden Teilkörpers 106, 109. Da die Versätze innerhalb desselben Referenzbildes 921 und Messbildes 915 gemessen werden, ist der Fehler der Verschiebungsmessung in Rotationsrichtung durch die zeitliche Ungenauigkeit der Triggereinheit 124 für alle Messbereiche 187 mit gleichem Abstand zur Drehachse 115 gleich.Torsional deformations in the direction of rotation can also be caused by applied torques. Offset differences in the direction of rotation, in the measurement image 915 perpendicular to the axis of rotation 115 , however, show a torsion of the corresponding part of the body 106 , 109 . Since the offsets are within the same reference image 921 and measurement image 915 are measured, is the error of the displacement measurement in the direction of rotation due to the temporal inaccuracy of the trigger unit 124 for all measuring ranges 187 with the same distance to the axis of rotation 115 equal.
Der Versatz 603 sowie die daraus abgeleiteten Belastungsgrößen für die Spaltänderung, der Längenänderung, der Dehnung oder der Torsion sowie die Temperaturverteilung auf der Oberfläche sind Beispiele von Belastungsgrößen, anhand derer eine Belastungsanalyse des gesamten Prüfkörpers 103 oder der einzelnen Teilkörper 106, 109 im Betrieb vorgenommen werden kann. Diese Belastungsgrö-ßen lassen sich für besonders detaillierte Belastungsanalysen auch mit Strukturmodellen von Prüfkörpern 103 oder Teilkörpern 106, 108 vergleichen.The offset 603 as well as the load values derived therefrom for the change in gap, the change in length, the elongation or the torsion as well as the temperature distribution on the surface are examples of load values on the basis of which a load analysis of the entire test specimen can be carried out 103 or the individual part of the body 106 , 109 can be carried out in operation. These load parameters can also be used for particularly detailed load analyzes with structural models of test specimens 103 or partial bodies 106 , 108 to compare.
10 zeigt in einem Schaubild zum Auslegen des dichroitischen Strahlteilers 178 auf einer Intensitätsachse 1003 beispielhaft abgetragene Intensitäten I in Abhängigkeit der auf einer Wellenlängenachse 1006 abgetragenen Wellenlängen λ in Mikrometer zum einen die hier im sichtbaren Spektralbereich liegende Spektrallinie 1009 der optischen Strahlung 151 und zum anderen ein relativ gesehen Tieftemperaturspektrum 1012 von Wärmestrahlung 190 bei etwa 400 Grad Celsius und zum anderen ein demgegenüber relatives Hochtemperaturspektrum 1015 der Wärmestrahlung 190 bei etwa 1000 Grad Celsius. Aus der Darstellung gemäß 10 ergibt sich somit, dass die Spektralbereiche der optischen Strahlung 151 und der Wärmestrahlung 190 über den für Belastungsanalysen von Prüfkörpern 103 relevanten Temperaturbereich im Wesentlichen nicht überlappen und daher auf jeden Fall bei optischer Strahlung 151 im sichtbaren oder im daran direkt angrenzenden nahen infraroten Spektralbereich über einen dichroitischen Strahlteiler 178 mit einer Übergangszone im roten sichtbaren Spektralbereich präzise und weitestgehend verlustfrei voneinander trennbar sind. 10 shows a diagram for the layout of the dichroic beam splitter 178 on an intensity axis 1003 intensities I plotted as an example as a function of that on a wavelength axis 1006 The wavelengths λ recorded in micrometers are, on the one hand, the spectral line lying in the visible spectral range 1009 the optical radiation 151 and on the other hand, a relatively low temperature spectrum 1012 from thermal radiation 190 at around 400 degrees Celsius and, on the other hand, a relatively high temperature spectrum 1015 the thermal radiation 190 at around 1000 degrees Celsius. From the representation according to 10 it thus results that the spectral ranges of the optical radiation 151 and thermal radiation 190 above that for stress analysis of test specimens 103 relevant temperature range essentially do not overlap and therefore in any case with optical radiation 151 in the visible or directly adjacent near infrared spectral range via a dichroic beam splitter 178 with a transition zone in the red visible spectral range can be separated from one another precisely and largely without loss.
11 zeigt in einem Schaubild auf einer Intensitätsänderungsachse 1103 abgetragene relative Intensitätsänderungen ΔI in Abhängigkeit einer auf einer Temperaturachse 1106 abgetragenen Temperatur T in Grad Celsius zum einen für eine Kurzwellenkennlinie 1109 für einen Wellenlängenbereich um 3 Mikrometer und eine Langwellenkennlinie 1112 für einen Wellenlängenbereich um 4 Mikrometer. Aus 11 ergibt sich somit, dass es als Kalibration ausreichend ist, die relative Intensitätsänderung ΔI bezogen auf einen Referenzwert bei einer bekannten Temperatur T aufzutragen, sofern Hintergrundeinflüsse wie beispielsweise das in aller Regel gegenüber einem Prüfkörper 103 deutlich kühlere Gehäuse 181 vernachlässigbar sind. 11 shows in a graph on an intensity change axis 1103 Plotted relative changes in intensity ΔI as a function of a temperature axis 1106 temperature T in degrees Celsius, on the one hand, for a shortwave characteristic curve 1109 for a wavelength range around 3 micrometers and a long-wave characteristic 1112 for a wavelength range around 4 micrometers. Out 11 it thus results that it is sufficient as a calibration to apply the relative change in intensity ΔI in relation to a reference value at a known temperature T, provided that background influences such as, for example, usually apply to a test body 103 significantly cooler case 181 are negligible.
12 zeigt in einem Schaubild den auf einer Quotientenachse 1203 in Abhängigkeit einer auf einer Temperaturachse 1206 abgetragenen Temperatur T in Grad Celsius für die Intensitätswerte für Wellenlängen um 3 Mikrometer und um 4 Mikrometer abgetragenen Verlauf 1209 des Intensitätsquotienten Q. Durch diese über ein aktiv angesteuertes Filterrad als Spektraltrennmodul 193 oder räumlich über ein passives dispersives Element als Spektraltrennmodul 193 erreichbare Aufspaltung von Spektralanteilen der Wärmestrahlung 190 und Verhältnisbildung lassen sich in realen Analysesituationen mitunter ergebende Änderungen von Emissivitäten des Prüfkörpers 103, aber auch des Gehäuses 181, eliminieren. 12th shows in a diagram that on a quotient axis 1203 depending on one on a temperature axis 1206 ablated temperature T in degrees Celsius for the intensity values for wavelengths around 3 micrometers and the ablated course by 4 micrometers 1209 of the intensity quotient Q. Through this via an actively controlled filter wheel as a spectral separation module 193 or spatially via a passive dispersive element as a spectral separation module 193 achievable splitting of the spectral components of the thermal radiation 190 and relationship formation, changes in the emissivities of the test body can be made in real analysis situations 103 , but also of the housing 181 , eliminate.
