ARAMIS Hochgeschwindigkeits-DIC-Systeme
ARAMIS High-Speed DIC Systems
Was sind Hochgeschwindigkeitskameras?
Die digitale Bildverarbeitungstechnologie entwickelt sich ständig weiter. Neben der Auflösung ist die Bildaufnahmegeschwindigkeit von Digitalkameras für viele Bildgebungsanwendungen von großer Bedeutung. Typischerweise werden Digitalkameras als Hochgeschwindigkeitskameras kategorisiert, wenn sie eine Bildaufnahmegeschwindigkeit von mindestens 1.000 Bildern pro Sekunde (fps) bieten. Die maximal erreichbare Bildaufnahmegeschwindigkeit wird ständig weiterentwickelt. Zurzeit sind Kameras mit maximal erreichbaren Bildraten von bis zu mehreren Millionen Bildern pro Sekunde erhältlich.
Viele Hochgeschwindigkeitskameras sind mit Bildsensoren ausgestattet, die Cropping ermöglichen. Durch Cropping wird die Bildauflösung reduziert, um höhere Bildaufnahmegeschwindigkeiten zu erreichen.
Einige Schlüsselfaktoren für Hochgeschwindigkeitskameras sind die Bildaufnahmegeschwindigkeit, angegeben in Bildern pro Sekunde (fps), und die Lichtempfindlichkeit (ISO). Der Vorteil der Bildaufnahmegeschwindigkeit liegt auf der Hand. Je mehr Bilder von schnellen, dynamischen Vorgängen aufgenommen werden können, desto feiner können die beobachteten Veränderungen untersucht werden.
Der Vorteil der Lichtempfindlichkeit des Bildsensors ist ein weiterer wichtiger Faktor. Die Aufnahme von hochdynamischen Ereignissen erfordert viel Licht, um sicherzustellen, dass später genügend Kontrast in den Bildern vorhanden ist. Wenn nicht genug Licht zur Verfügung steht, sind die Bilder möglicherweise sehr dunkel und eine Auswertung ist nicht möglich. Unter diesem Gesichtspunkt bekommt die Lichtempfindlichkeit des Kamerachips eine praktische Bedeutung. Je höher die Lichtempfindlichkeit, desto weniger externes Licht wird benötigt, um Bilder mit genügend Kontrast zu erhalten. Dies ist besonders nützlich, wenn es darum geht, schnelle Bewegungen oder Verformungen von typischerweise sehr kleinen Materialproben zu messen. In den engen Räumen eines Materiallabors kann es schwierig werden, alle Lichtquellen anzuordnen und auf die kleine Probe zu richten. Jede Lampe, die entbehrt werden kann, macht die Einrichtung des 3D-Messsystems bequemer.
Ein weiterer Vorteil eines Bildsensors mit höherer Lichtempfindlichkeit besteht darin, dass die Belichtungszeiten kürzer gehalten werden können. Gerade bei Hochgeschwindigkeitsversuchen in der Materialforschung, aber auch bei Crashversuchen in der Automobilindustrie werden sehr kurze Belichtungszeiten gefordert. Bei zu langen Belichtungszeiten besteht die Gefahr, dass die schnellen Bewegungen oder Verformungen, die untersucht werden sollen, nicht mehr scharf abgebildet werden können. In diesen Fällen spricht man von Bewegungsunschärfe. Solche bewegungsunscharfen Bilddaten eignen sich dann nicht für eine Auswertung mithilfe der Methode der digitalen Bildkorrelation.
Was ist ein Hochgeschwindigkeits-DIC-System?
DIC ist die Abkürzung für die Methode der digitalen Bildkorrelation (englisch: Digital Image Correlation). Das Verfahren basiert auf Prinzipien der Nahbereichsphotogrammetrie. Das heißt, es werden Bilder oder Videos zu Messzwecken verwendet. Der Einsatz von Kameras ermöglicht berührungslose Messungen. Mithilfe der digitalen Bildkorrelation lassen sich u. a. Dehnungen, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Drehungen messen.
Bei digitalen Bildkorrelationssystemen werden Hochgeschwindigkeitskameras in der Sensorbaugruppe eingesetzt, um die Messung von Dehnungen und Verschiebungen bei hochdynamischen Ereignissen zu ermöglichen.
In welchen Prüfanwendungen werden Hochgeschwindigkeits-DIC-Systeme eingesetzt?
Hochgeschwindigkeits-DIC-Systeme sind sehr vielseitige Werkzeuge zur Untersuchung von 3D-Bewegungen und Verformungen in der mechanischen Prüfung. Unter anderem werden Hochgeschwindigkeits-DIC-Sensoren eingesetzt für:
- Aufpralltests in der Luft- und Raumfahrtindustrie (sogenannter Bird Strike Test an der Windschutzscheibe eines Flugzeugs, NASA-Return-to-Flight-Testprogramm für das Space Shuttle einschließlich Aufpralltest am vorderen Flügelteil)
- Fahrzeug-Crashtests und Komponenten-Crashtests in der Automobilindustrie
- Airbag-Entfaltungstests in der Automobilindustrie
- Schwingungsuntersuchungen an Bauteilen und Strukturen (z. B. Messung der Durchbiegung der Rotorblätter eines Hubschraubers)
- Falltests in der Automobilindustrie zur Beurteilung der Crashtauglichkeit der Karosserie und von Fahrzeugkomponenten wie z. B. dem Batterieträger von Elektrofahrzeugen
- Prüfung von Werkstoffen mit hoher Dehnungsgeschwindigkeit (z. B. Split-Hopkinson-Bar-Tests)
- Kopfaufpralltests an den Windschutzscheiben von Autos zur Verbesserung des Fußgängerschutzes
- Biomechanische Bewegungs- und Deformationsstudien (z. B. Pumpen der Herzklappe)
- Ballistische Aufprallstudien (Geschosseinschlag auf Schutzhelme oder Kevlar-Westen)
Was ist ARAMIS?
GOM ARAMIS ist ein optisches Messsystem zur berührungslosen Erfassung von Dehnungen, Verschiebungen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Rotationen und Winkeln. ARAMIS kombiniert die Technologie der Punktverfolgung und den Ansatz der digitalen Bildkorrelation zur Erfassung von 3D-Koordinaten und daraus abgeleiteten Größen über eine Zeitspanne.
ARAMIS kann auf zwei Arten zur Messung von Dehnungen und Verschiebungen eingesetzt werden. Mit schon einer Kamera für die Messung bietet ARAMIS 2D-DIC- und Punktverfolgungsfunktionen. Das heißt, es können flache Proben oder Objekte gemessen und Translationen in X- und Y-Richtung sowie planare Dehnungen bestimmt werden.
Die volle Leistungsfähigkeit von ARAMIS kommt zum Tragen, wenn zwei Kameras für 3D-Messungen von Dehnungen und Verschiebungen eingesetzt werden. Mit einem sogenannten Stereokamerasensor können Proben und Objekte beliebiger Form gemessen und Translationen und Rotationen im 3D-Raum erfasst werden. Wichtig für erfolgreiche Messungen mit dem optischen 3D-Sensor ist ein stabiler Aufbau der beiden Kameras (idealerweise in einer Sensorbaugruppe, wie sie ARAMIS anbietet) sowie eine Kalibrierung des Stereokamerasensors mit geeigneten Kalibrierobjekten.
Wer kann mir helfen, die passende ARAMIS Systemkonfiguration für meine Hochgeschwindigkeitsprüfanwendung zu finden?
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