Rolf Brönnimann: Katalogdaten im Herbstsemester 2020

NameHerr Dr. Rolf Brönnimann
DepartementMaschinenbau und Verfahrenstechnik
BeziehungDozent

NummerTitelECTSUmfangDozierende
151-0535-00LOptical Methods in Experimental Mechanics4 KP3GE. Hack, R. Brönnimann
KurzbeschreibungDie Vorlesung behandelt optische Methoden zur Messung des mechanischen Verhaltens einer Struktur, zur Bestimmung von Materialkennwerten, und zur Validierung von numerischen Simulationen. Im Fokus stehen Anwendungen, Stärken und Grenzen bildgebender Methoden der Verformungs-, Dehnungs- und Spannungsmessung. Die Vorlesung wird mit zwei Praktikumsnachmittagen an der Empa in Dübendorf ergänzt.
LernzielDie Studierenden können einfache Messungen mit optischen Methoden planen und die Bildaufnahme beschreiben. Sie verstehen das Messprinzip der behandelten Messmethoden zur Form-, Verformungs- und Dehnungsmessung. Insbesondere können sie erklären, wie die Messgrösse in ein Interferenzsignal, eine Polarisations- oder eine Temperaturänderung umgewandelt wird. Sie kennen die wichtigsten Anwendungen und Einsatzgebiete der einzelnen Techniken. Sie sind in der Lage, die für eine Messaufgabe am besten geeignete Technik auszuwählen und deren erwartete Auflösung abzuschätzen. An den Praktikumsnachmittagen werden die theoretischen Betrachtungen durch konkrete Messaufgaben vertieft, womit der Lernerfolg nachhaltig wird.
InhaltNach einer Einführung in Optik und Bilderfassung wird erläutert, auf welche Weise mechanische Grössen wie Form, Verformung, Dehnung oder Spannung in eine Bildinformation umgesetzt werden. Die Messmethoden basieren auf grundlegenden Prinzipien wie
- Triangulation
- Interferenz
- Beugung
- Doppelbrechung
- Wärmestrahlung

Dabei kommen Kameras, insbesondere CCD und CMOS-Kameras und Mikrobolometer, sowie inkohärente Weisslichtlampen und kohärente Lichtquellen wie Laser zum Einsatz. Die Themen umfassen im einzelnen:
- Einführung in Optik und Bildgebung
- Digitale Bildkorrelation in 2D und 3D
- Streifenprojektion und strukturiertes Licht
- Beugung und Holographie
- Speckle Pattern Interferometrie
- Spannungsoptik
- Spannungsanalyse mittels Thermoelastizität
- Validierung von numerischen Simulationen
- Faseroptische Methoden

Es wird gezeigt, dass die Methoden auf Mikrosysteme ebenso anwendbar sind wie auf grosse Ingenieurstrukturen. Daneben werden zeitaufgelöste Messungen im Zusammenhang mit Modalanalyse und dynamischen Vorgängen vertieft.

Das Semester beinhaltet zwei Praktikums-Nachmittage an der Empa, wo die Studierenden eigene Erfahrungen mit bildgebenden Methoden sammeln. Diese beinhalten je nach Interessenlage der Studierenden und Verfügbarkeit der Geräte z.B Digitale Bildkorrelation, Speckle Pattern interferometrie, Thermoelastizität, Faseroptik, Streifenprojektion.
SkriptFolienkopien der einzelnen Lektionen werden on-line in ILIAS zur Verfügung gestellt. Jede Lektion enthält Übungen. Es wird zu einem privaten Blog eingeladen, der die Diskussion über die Vorlesungsinhalte und die Übungen erleichtern soll. Musterlösungen zu den Übungen werden zeitversetzt zur Verfügung gestellt.
LiteraturEine gute Übersicht über die Grundlagen der optischen Methoden bieten die folgenden Lehrbücher:

Toru Yoshizawa, Ed., Handbook of Optical Metrology, 2nd edition, 2015, CRC Press, Boca Raton
ISBN 978-1-4665-7359-8

Pramod Rastogi, Erwin Hack, Eds., Optical Methods for Solid Mechanics: A Full-Field Approach
2012, Wiley-VCH, Berlin
ISBN 978-3-527-41111-5

W. N. Sharpe Jr., Ed., Handbook of Experimental Solid Mechanics
2009, Springer, New York
ISBN 978-0-387-26883-5
Voraussetzungen / BesonderesGrundbegriffe der Optik und Interferometrie, z.B. aus Physik-Grundkursen sind von Vorteil.