151-0535-00L  Optical Methods in Experimental Mechanics

SemesterHerbstsemester 2017
DozierendeE. Hack, R. Brönnimann
Periodizitätjährlich wiederkehrende Veranstaltung
LehrspracheEnglisch


KurzbeschreibungDie Vorlesung behandelt optische Methoden zur Messung des mechanischen Verhaltens einer Struktur, zur Bestimmung von Materialparametern, und zur Validierung von numerischen Simulationen. Im Fokus stehen Anwendungen, Stärken und Grenzen bildgebender Methoden der Verformungs- und Dehnungsmessung. Die Vorlesung wird mit zwei Praktikumsnachmittagen an der Empa in Dübendorf ergänzt.
LernzielDie Studierenden können einfache optische Aufbauten planen und die Bildaufnahme beschreiben. Sie verstehen das Messprinzip der verschiedenen 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 Verformung, Dehnung oder Spannung in eine Bildinformation umgesetzt werden. Die Messmethoden basieren auf diversen optischen Prinzipien :

- Triangulation (Bildkorrelation, Streifenprojektion)
- Interferenz (Speckle Pattern Interferometrie, Shearography)
- Beugung (Moiré-Interferometrie, Faser-Bragg-Gitter)
- Doppelbrechung (Spannungsoptik)
- Wärmestrahlung (Thermal Stress Analysis)

Daneben werden dynamische Messungen im Zusammenhang mit Modalanalyse und transienten Vorgängen vertieft. Die Kalibrierung optischer Methoden und deren Anwendung auf die Validierung von numerischen Simulationen werden diskutiert.

Die einzelnen Themen sind:
1. Bildgebende Methoden: eine Einführung
2. Digitale Bildkorrelation
3. Strukturierte Weisslichtmethoden
4. Diffraktion und Interferometrie
5. Speckle pattern interferometry
6. Schwingungsanalyse und transiente Verformungen
7. Anwendungen auf Mikrosysteme und Grenzflächen
8. Spannungsanalyse: Spannungsoptik
9. Spannungsanalyse: Thermoelastizität
10. Kalibrierung und Validierung von numerischen Simulationen
11. Faseroptische Methoden

Das Semester beinhaltet zwei Praktikums-Nachmittage an der Empa, wo die Studierenden eigene Erfahrungen mit bildgebenden Methoden sammeln. Die Praktika beinhalten je nach Interessenlage der Studierenden und Verfügbarkeit der Geräte z.B Digitale Bildkorrelation, Speckle pattern interferometry, 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 Vorlesung 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.

Die zwei Praktikumsnachmittage an der Empa sind zentrale Elemente der Vorlesung.