Angleitner Wolfgang

Reichenwallner Thomas

Betreuer: Prof. Dipl. Ing. Friedrich Plötzeneder

HTBLA-Braunau

Osternbergerstr. 55

5280 Braunau

07722/83690

1) Kurze Zusammenfassung

1. Zusammenfassung in Deutsch
2. Zusammenfassung in Englisch

7.1) Fixspannung

7.2) Sensor zur Nullpunktserkennung

7.3) Treiberplatine des Sensors

7.4) Lichtempfindlicher Sensor

7.5) Bauteileliste zur Fixspannungsplatine

7.6) Bauteileliste zur Treiberplatine

Beim optischen Computer Tomographen handelt es sich um ein Gerät, daß ähnlich funktioniert wie der Röntgen Computer Tomograph aus der Medizin. Jedoch mit dem Unterschied, daß der zu untersuchende Gegenstand hierbei nicht von einem Röntgenstrahl, sondern von einem Laserstrahl durchleuchtet wird. Mit dem optischen CT kann man Störstellen wie innere Spannungen, Lufteinschlüsse und Verschmutzungen von Kunststoffen oder Gläsern messen. Die einzigen zwei Bedingungen sind: Der zu messende Gegenstand muß eine zylindrische Form haben und er muß durchsichtig sein.

Beim Meßvorgang durchleuchtet man den Zylinder mit dem Laserstrahl, wobei dieser in der Probe gebrochen wird. Mit einem Polarisationsfilter filtert man dabei durch innere Spannungen hervorgerufenes polarisiertes Licht weg. Die Intensität des vom Polarisations-filter austretenden Strahles wird von einem Sensor gemessen und von der in Lab View geschriebenen Software verarbeitet. Am Ende des Abtastvorganges werden die Meßwerte ausgewertet und graphisch ansprechend Visualisiert.

An optical computer tomograph is a device, which works similar to the computer tomograph in the science of medicine. The difference is that the object which you would like to examine is not investigated by x-rays. In the optical computer tomography the sample is investigated by a laser beam. With the optical computer tomograph you are able to detect inner tensions in plastics or glasses. There are only two conditions: The sample must have the shape of a cylinder and it must be transparent. During the measuring process the cylinder is investigated by a laser beam, being sample deflected in the sample. Light due to inner tensions is filtered out by means of a polarisation filter. The intensity of the beam leaving the filter is measured by a sensor and processed by software written in Lab View. At he end of the scanning process the measuring values are evaluated and visualized in an appropivate graphic form.

Im heutigen Zeitalter sind die Werkstoffe Glas und Kunststoff, vor allem Plexiglas (PMMA) nicht mehr weg zu denken. Seien es riesige Fensterscheiben von Wolkenkratzern, Uhrengläser aus Plexiglas oder auch nur ganz einfache Weingläser. Niemand ahnt, welche Schwierigkeiten bei der Herstellung solcher Produkte zu Überwinden sind.

Nur allzu oft passiert es, daß jemand mit einem Trinkglas aus versehen an einer Kante oder an einem harten Gegenstand leicht dagegen stoßt und dieses Glas sofort in viele kleine Splitter zerspringt. Dies ist unnötige Energieverschwendung und belastet unsere bereits viel zu stark verschmutzte Umwelt. Überdies ist dabei die Gefahr sich zu verletzen ziemlich hoch.

Ursache dafür sind meist innere Spannungen. Diese entstehen bereits bei der oft aufwendigen Formgebung. Es reicht bereits, wenn das Glas ungleichmäßig auskühlt bzw. wenn es an einer Stelle stark erhitzt wird. Seine Sollbruchstelle ist dadurch schon vorprogrammiert.

Noch problematischer ist dies bei Kunststoffen. Plexiglas (Polymethylmethacrylat) wird durch Blockpolymerisation als Halbzeug in Form von Tafeln, Röhren, Stäben und Blöcken hergestellt. Um unerwünschte Spannungen zu vermeiden, wird der Polymerisationsprozeß über lange Zeit ausgedehnt. Er dauert bei dicken Gegenständen infolge der Notwendigkeit, die entstehende Polymerisationswärme ganz langsam abführen zu müssen, oft Wochen. Es reicht daher schon, wenn man den Kunststoff an einer Stelle auf ca. 70°C bis 90°C erwärmt und es entstehen je nach dem mehr oder weniger starke innere Spannungen. Diese können dann bei der weiteren Verarbeitung zum Bruch führen.

Die Problemstellung lag nun darin, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem man innere Spannungen von Gläsern und durchsichtigen Kunststoffen messen kann, jedoch ohne den zu messenden Körper zu zerstören.

Die Vorgabe für dieses Projekt war die Computertomographie aus der Medizin, jedoch soll das zu untersuchende Objekt nicht mit Röntgenstrahlen durchleuchtet werden, sondern mit einem Laserstrahl.

Der durchsichtige Zylinder (Probe) wird von einem Laser durchleuchtet. Dieser Laser bewegt sich über die ganze Breite der Probe, der Sensor dahinter mißt die Helligkeit der austretenden Strahlen (Abb. 2).

Eine zusätzliche Schwierigkeit liegt nun darin, daß der

Strahl in der Probe gebrochen wird. Diese physikalische Eigen-schaft muß genau berechnet werden und ist beim Verarbeiten der Daten zu beachten.

Diese Formel gilt nur wenn der Strahl von Luft in ein dichteres Medium eintritt.

In unserem Fall tritt der Laser von Luft in die Probe ein.(Glas oder Kunststoff) => gilt die Formel.

Da die Ablenkung vom Material bzw. dessen Brechungsindex n, der Probe abhängt, muß dieser aus der Tabelle gesucht und in der Software eingegeben werden. Diese Brechungszahl ist vom Material und von der Wellenlänge des Lichtes abhängig.

Wie man sieht wird der Strahl um so mehr gebrochen, je weiter außen er in den Zylinder eintritt. Die austretenden Strahlen sammeln sich im Brennpunkt, voraus-gesetzt, sie sind unter einem genügend kleinem Winkel eingetreten. Die äußeren Strahlen werden durch die "Sphärische Aberration" nicht genau in den Brennpunkt gebrochen. Für uns heißt das, daß wir nicht die volle Breite durchleuchten können, da der Sensor feststeht.

Bei Verschmutzungen wird ein Großteil des einfallenden Lichtes reflektiert, daher hat der nicht reflektierte Laserstrahl, der auf den Sensor fällt nicht mehr die volle Intensität des Eintretenden.

Bei inneren Spannungen wird ein Teil des Laserstrahles polarisiert und daher nicht hindurchgelassen. Der Rest hat natürlich nicht die volle Helligkeitsintensität.

Um in der Praxis ein gute Auflösung zu erreichen wird die Probe um immer nur 7,5° gedreht und der Laser jeweils nur um einen halbe Millimeter nach links verschoben. Die Wertetabelle hat eine Größe von 100x100 Feldern, damit diese Auflösung erreicht wird.

Der optische Computertomograph besteht aus der Abtasteinheit mit dem lichtempfindlichen Sensor, einem 19" Einschubgehäuse für die Steuerung der Schrittmotoren und einem PC mit den Programmen LabView und dem Mathematik - Programm HiQ zur Visualisierung der Meßwerte.

Die Abtasteinheit besteht im wesentlichen aus dem Schlitten eines ausgedienten Nadeldruckers mit einem darauf montiertem Sensor zur Nullpunktserkennung, einem unipolaren Schrittmotor zum Drehen des Zylinders und aus dem lichtempfindlichen Sensor. Auf dem Schlitten wurde ein Halbleiter Laser montiert. Dieser Laser wird mit Hilfe eines unipolaren Schrittmotores, der jedoch, ebenso wie der für die Drehung des Zylinders zuständige Motor, bipolar betrieben wird, nach links bzw. nach rechts bewegt. Die beiden Schrittmotoren werden von der Steuereinheit angesteuert. Für den lichtempfindlichen Sensor verwenden wir ein kleines Solarzellen Modul, wie es in jedem Solar - Taschenrechner zu finden ist.

Der Prozessoreinschub stellt die Verbindung zwischen Schrittmotoren und PC dar. Der PC sendet Steuerbefehle an den Mikroprozessor, dieser schickt dann dementsprechend High und Low Signale an den Treibereinschub der Schrittmotoren. Dieser Treibereinschub steuert dann den jeweiligen Schrittmotor. Den Fixspannungseinschub benötigen wir zur Stromversorgung des Mikroprozessors, des Lasers, der Treiberkarten und der beiden Schrittmotoren. Der Netzteileinschub dient der Stromversorgung des lichtempfindlichen Sensors.

Die Aufgabe des Programmes ist es, die gesamte Anlage zu steuern und die Daten entsprechend auszuwerten. Wir entschieden uns die Software in der Windows Umgebung zu realisiern. Die graphische Auswertung der Daten erfolgt in einem speziellen Mathematikproramm, HiQ. Die Steuerung und das Einlesen der Werte wurde in LAB VIEW programmiert. Diese Programiersprache unterscheidet sich wesentlich von den bisherigen. LAB VIEW besitzt eine graphische Enwicklungsoberfläche. Das heißt, man programmiert nicht mittels Texteingabe sondern verwendet Symbole die richtig miteinander verdrahtet werden müssen. Diese neue Generation von Programmiersprache ist sehr leistungsfähig, benötige aber einige Zeit bis man richtig eingearbeitet ist.

Nachdem das Programm aufgerufen wurde, müssen einige Eingabe erfolgen. Diese sind nötig um Eindringwinkel des Strahles, Position usw. berechnen zu können.

Durchmesser: Durchmesser des Zylinders in mm

Den Kern des Programmes bildet das Einlesen der Helligkeitswerte vom Sensor, in unserem Fall einer Solarzelle. Diese ist mit einer Digitalkarte des Computers verbunden, die über LAB VIEW angesprochen werden kann. Die Spannungswerte des Sensors werden an der Digitalkarte in brauchbare Zahlenwerte gewandelt und vom Programm abgefragt. Diese werden in einem Array(=Tabelle) abgelegt. Wird der Zylinder weitergedreht und erneut abgetastet so werden die neuen Werte im Array hinzuaddiert. Wurde die Probe von allen Seiten abgescannt so wird der Array in einer Excel Tabelle abgespeichert. Natürlich muß darauf geachtet werden, daß die Position der Eintragung mit der Position des Lasers übereinstimmt, da ansonsten der bei der Rekonstruktion des Bildes Fehler auftreten.

Die Steuerung des Schrittmotors, der den Laser bewegt, geschieht über einen Mikroprozessor. Dieser ist über die serielle Schnittstelle mit dem Computer verbunden. Auch der Schrittmotor der den durchsichtigen Zylinder

dreht wird über den Mikroprozessor gesteuert. Zuerst wird automatisch das Assembler File für den Mikroporozessor hinuntergeladen. Danach wird vom Computer ein definierter String (z.B.: m2r10) gesendet. Daraufhin dreht sich der Motor um eine bestimmte Schrittanzahl und schickt ein Ok Signal zurück.

Bei diesem Versuch wurde in einem Plexiglas Zylinder von Hand innere Spannungen erzeugt, indem wir den Zylinder durchbohrten und dann mit einer Schraube zusammenquetschten. Die Schraube wurde danach herausgenommen und wir nahmen eine Messung vor. Im Ergebnis sieht man deutlich anhand der Farbunterschiede, wo der Zylinder zusammengedrückt wurde. An diesen Stellen befinden sich jetzt innere Spannungen.

5mm Bohrung

Diese Stellen sind die gemessenen inneren Spannungen.

Der Fixspannungseinschub dient zur Stromversorgung des Lasers, des Mikroprozessors und der Treiberschaltung - jeweils 5V - und der Versorgung der Schrittmotoren bzw. des Sensors für die Nullpunktserkennung - beides 12V.

Der Sensor enthält 3 Anschlüsse:

* Spannungsversorgung 10 bis 30 V

* Masse

* Steuerleitung

Die Spannungsversorung erfolgt in dieser Anwendung mit 12 V aus der Fixspannungsplatine, welche auch die Schrittmotoren mit 12 V versorgt.

Im Normalfall beträgt der Spannungspegel auf der Steuerleitung des Sensors 0 V. Erst wenn sich ein Metallstück dem Sensor auf 2mm nähert, kippt der Spannungspegel auf der Leitung. Der Spannungspegel in diesem Fall ist gleich der Versorgungsspannung.

Wird nun das Mikroprozessorprogramm gestartet, so bewegt sich zunächst der Laser nach rechts zum Sensor. Wenn er diesen erreicht (2mm Abstand) schlägt der Spannungspegel auf der Steuerleitung um und der Mikroprozessor erhält ein HIGH und hält den Laser an. An dieser Stelle befindet sich nun die Nullposition für den Laser.