Dehnungsmessung von dünnen Naturfasern mit Laser Speckles

Dünne Naturfasern besitzen herausragende Eigenschaften und kommen im täglichen Leben in vielfältiger Weise vor. Dementsprechend groß ist das Interesse, die mechanischen Fasereigenschaften zu charakterisieren. Diese Arbeit stellt eine einfache und kostengünstige Methode vor, um Zugversuche an Einzelfasern durchzuführen. Aufgrund der geringen Querschnitte kommen für Fasern nur berührungslose Dehnungsmessmethoden in Betracht. Die Zugprüfmaschine wird auf Basis des Lorentzkraftprinzips mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor realisiert. Dadurch weist sie einen großen Dynamikbereich und hohe Genauigkeit auf. Für die notwendige Motorkalibrierung im Millinewtonbereich wird eine Methode auf Basis einer Präzisionslaborwaage vorgestellt. Versuche zeigen, dass das verwendete Wirkprinzip sehr vielversprechend ist, für die Praxis allerdings speziell abgestimmte Geräte benötigt werden, um Messungen mit entsprechender Genauigkeit durchzuführen. Die berührungslose Dehnungsmessung erfolgt mit Laser Speckles. Dies sind stochastische Interferenzmuster, die bei Beleuchtung mit ausreichend kohärentem Licht auf einer genügend rauen Oberfläche entstehen. Oberflächenbewegungen bzw. -verformungen führen zu Veränderungen des Specklemusters. Durch Verfolgung dieser Veränderungen lassen sich Bewegung bzw. Verformung quantitativ bestimmen. Ein Schätzer für die Verschiebung auf Basis des Kreuzleistungsdichtespektrums erlaubt es, diese genauer als ein Pixelpitch der verwendeten Kamera zu schätzen. Die Dehnung kann dadurch sehr präzise von der Verschiebung abgeleitet werden. Auch hier wird gezeigt, dass spezielle Geräte, aber auch eingehende wellenoptische und signaltheoretische Betrachtungen für präzise Messungen unerlässlich sind. Thin natural fibres are very versatile components with outstanding mechanical properties. Therefore, it is of great interest to obtain their mechanical characteristics. This thesis proposes a simple and cost-efficient method for single fibre tensile testing. Due to the small cross section of natural fibres, only contactless strain measurements are possible. The tensile testing device based on the Lorentz force principle is realized with a brushless DC motor drive. This enables a high dynamic range with superior accuracy. For the necessary calibration in the millinewton range, a method based on a precision balance is shown. Experiments confirm that this working principle is very promising, although special equipment is needed for high accuracy measurements. This work uses laser speckles for contactless strain evaluation. Speckles are random interference patterns that occur on rough surfaces when illuminated by sufficiently coherent light. Surface movement or deformation leads to changes in the speckle pattern. By tracking these changes, the movement or deformation can be estimated quantitatively. It is shown that this application is also in need for special equipment and in-depth consideration of wave-optics and signal theory are indispensable for high precision measurements. eingereicht von Ricardo Gridling Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Masterarbeit Universität Linz 2022