Eine Bedienungsanleitung für Video Extensometer

Erfahren Sie mehr über die unterschiedlichen Arten von Extensometern, das Arbeitsprinzip, den Anwendungsbereich, die Funktionen, Fähigkeiten und realen Leistungen in diesem Weißbuch über Video-Extensometer.
Eine Bedienungsanleitung für Video-Extensometer
Werkstoffprüflaboratorien verwenden seit Jahren Dehnungsmesser (Extensometer). Eine Vorrichtung zur Messung von Längenänderungen wurde bereits vor über 130 Jahren in der Fachzeitschrift Journal of the Franklin Institute beschrieben. Es gibt viele verschiedene Arten von Dehnungsmessern, die sich generell in zwei Kategorien einteilen lassen: Dehnungsmesser mit Kontakt und Dehnungsmesser ohne Kontakt.

Kontakt-Dehnungsmesser werden weiter in zwei Arten unterteilt: Clip-On und solche mit automatischer Kontaktierung.  Clip-On-Dehnungsmesser sind in verschiedenen Größen erhältlich und können Längenänderungen verschiedener Größenordnungen erfassen; von weniger als 1 mm bis über 100 mm.  Clip-On-Dehnungsmesser werden in der Regel bei Längenänderungen von 1 mm bis 10 mm eingesetzt. 

Sie bieten zahlreiche Vorteile, wie z. B. geringe Kosten, einfache Handhabung und hohe Genauigkeit. Allerdings benötigen Sie unter Umständen eine beträchtliche Anzahl zeitaufwendiger Schritte und Bedienungsfehler sind möglich.  Aufgrund des Kontakts können sie beim Testen kleiner und zerbrechlicher Proben gegebenenfalls auch die Messergebnisse beeinflussen.

Clip-On-Geräte werden immer mehr durch erweiterte Dehnungsmesser mit automatischer Kontaktierung verdrängt, die entwickelt wurden, um bei der Werkstoffprüfung genauere und zuverlässigere Ergebnisse schnell zu liefern. Durch die Automatisierung des Verfahrens wird der Durchsatz enorm erhöht und Bedienfehler werden reduziert.  Insgesamt liefern sie bessere, genauere und zuverlässigere Messergebnisse. Viele haben Auflösungen von 0,3 µm oder besser, manche erfassen sogar Werte von bis zu 0,02 µm. Des Weiteren können sie bis zum Bruch am Probenkörper bleiben und Dehnungen von bis zu 1.000 mm, ohne jeglichen Genauigkeitsverlust, messen.

Berührungslose Dehnungsmesser
Im Laufe der Jahre haben die Hersteller von Werkstoffprüfsystemen intensiv an der Entwicklung innovativer Lösungen für die berührungslose Dehnungsmessung für die Werkstoffprüfung gearbeitet.  Zu den untersuchten Lösungen gehören solche mit Laserscannern, die sich besonders gut für bestimmte Materialien eignen, wie z. B. Kunststoffe, Folien, Kautschuk und Textilien

Benutzer von Dehnungsmessern erwarteten dabei genauere Informationen, mehr Flexibilität und erhöhte Vielseitigkeit von den Instrumenten.  Unter den ersten berührungslosen Geräten waren laserbasierte Dehnungsmesser, die mit Antriebsmaschinen verwendet wurden.  Während diese Instrumente gute Genauigkeit beim Messen großer Dehnungen boten, fehlte es ihnen an Flexibilität und Genauigkeit bei der Messung sehr kleiner Dehnungen.

Laserextensometer werden in der Regel zur Prüfung von Werkstoffen verwendet, die von einem traditionellen Clip-On- oder Kontakt-Dehnungsmesser beschädigt oder beeinträchtigt werden könnten.  Sie beleuchten die Oberfläche einer Probe mit einem Laser und erfassen die Reflexionen des Lasers, wenn eine Kraft auf die Probe wirkt. Diese Reflexionen werden anschließend mit Hilfe modernster Imaging-Software, die komplexe Algorithmen verwendet, gemessen.

Laserbasierte Systeme können mit einer Vielzahl von Werkstoffen und Prüfversuchen, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen, verwendet werden. Sie sind für die Prüfung von Proben in Wärmeschränken und Klimakammern geeignet.  Laserextensometer bieten ausgezeichnete Genauigkeit und Auflösung sowie ein gewisses Maß an Sicherheit, insbesondere für die Prüfung von Proben, die beim Bruch große Energiemengen freisetzen können.

Videoextensometrie
Dank stetiger Verbesserungen in den Bereichen Videoaufnahmetechnik und Software hat sich eine neue Generation von berührungslosen Dehnungsmessern hervorgetan: der Videoextensometer. Videoextensometer haben viele Vorteile. Sie bieten dem Anwender erhöhte Flexibilität und die beste Genauigkeit, die derzeit verfügbar ist, für ein breites Spektrum von Anwendungen. 

Diese berührungslose Lösung ist besonders gut für spröde oder dünne Materialien geeignet und für Proben, die beim Bruch Energie freisetzen oder wo es beim Bruch zum Rückschlag kommt (wie etwa bei Kabeln, Seilen, Riemen etc.) sowie für Messungen im Inneren eines Wärmeschranks oder einer Klimakammer. 

Die Technologie funktioniert auch gut bei Prüfanwendungen, in denen Verlängerung und Variation des Messbereichs erforderlich sind und für solche, bei denen die Querdehnung und r- und n-Werte laut ISO 10113 und ISO 10275 nötig sind. Darüber hinaus können mit dem Instrument Metalle durch die Bestimmung der Rp0,2-Grenzen nach EN 100002-1 und ASTM geprüft werden.

Dank den jüngsten Entwicklungen in den Bereichen Videotechnik und Bildanalyse-Software konnten die Hersteller von Werkstoffprüfsystemen Videoextensometer (VE) dahingehend weiterentwickeln, die Messgenauigkeit für eine Reihe von spezifischen Anwendungen zu erhöhen, insbesondere für diejenigen, bei denen sich Kontakt-Dehnungsmesser nachteilig auf die Testergebnisse oder die Genauigkeit auswirken könnten. 

Die neuesten Instrumente mit VE-Technologie sind ein attraktiver Ersatz für mechanische Dehnungsmesser, laserbasierte Systeme sowie Dehnungsmessstreifen.

Sie haben sehr gute Eigenschaften und bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Geräten mit Kontakt, wie zum Beispiel:
• Kein Einfluss auf den Prüfling 
• Keine Probleme durch Abrutschen 
• Keine Fehler aufgrund der Trägheit beweglicher Teile 
• Keine Fehler durch verschlissene oder beschädigte Teile 
• Keine Beschädigung durch Energiefreisetzung bei Bruch 

Der größte Vorteil der VE-Technologie ist jedoch ihre Vielseitigkeit. Die Technik ist einfach und leicht zu bedienen. Eine Kamera kann sowohl für die Längs- als auch für die Querdehnungsmessung verwendet werden. Dabei ist nur eine einfache Verstellung und Ausrichtung in Bezug auf die Testachse erforderlich. Die Technologie ermöglicht mehrere Blickwinkel, mehrfache Dehnungs- und Werkstoffprüfungen sowie die Echtzeit-Anzeige und Analyse.

Funktionsprinzip
Videoextensometer nutzen hochauflösende Digitalkameras mit erweiterten Echtzeit-Bildverarbeitungsfunktionen, um hochpräzise Dehnungsmessungen an einer Vielzahl von Probentypen durchführen zu können.  Die Videokamera nimmt Bilder auf, die über eine IEEE 1394 (Firewire) Schnittstelle an einen PC oder Laptop übertragen werden.

Die Längsdehnung wird durch die Messung der Änderung des Abstands zwischen zwei Linien, die mit einem Markierstift, Aufkleber oder einer Klemme auf dem Prüfling aufgebracht werden, bestimmt.  Es ist eine Vielzahl von optionalen Markierstiften und Ziel-Applikatoren erhältlich.

Der Videoextensometer bestimmt die Position der Markierungen durch die Helligkeitsunterschiede an den Rändern der Markierungen.  Die Kamera digitalisiert das Bild und Bildanalysealgorithmen messen die Änderung der Graustufen entlang einer Bildzeile auf der Probenoberfläche.  Mit diesen Algorithmen kann das Gerät Kantenpositionen mit Genauigkeiten von unter einem Pixel messen. 

Die Querverformung wird aus der gemessenen Veränderung der Probenbreite berechnet. Die Messlänge wird zu Beginn eines jeden Tests automatisch gemessen und für die Dehnungsberechnung verwendet, um Fehler aufgrund von ungenauen Probenmarkierungen zu vermeiden.

Mittels einer digitalen oder analogen Schnittstelle werden die Messwerte vom Videoextensometer an eine Zugversuch-Prüfmaschine übermittelt.  Die Zugversuch-Prüfmaschine kann jeden Messwert aufnehmen und sie, wie andere Dehnungssensoren oder Messstreifen auch, verarbeiten. Typischerweise werden der E-Modul und die Poissonzahl berechnet.

Anwendungsbereich
VE eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Die Technik ist besonders gut zum Testen steifer Materialien, wie z. B. Metalle und Verbundwerkstoffe, geeignet. Auch viele andere Materialien eignen sich hervorragend zur berührungslosen Dehnungsmessung, einschließlich Kunststoffe, Textilien, Papier, dünne Platten, Folien und Drähte.

Mit der Technologie lässt sich darüber hinaus eine Vielzahl von Prüfverfahren durchführen, wie z. B. die Messung von Materialeigenschaften, durch die wahre Dehnung gesteuerte Zugversuche, Rissuntersuchung, die Untersuchung von Dehnungsverhalten bei dynamischen Zugversuchen, dynamische bzw. Hochgeschwindigkeitsversuche, Schwingungsanalysen und vieles mehr.

Funktionen und Möglichkeiten
Die neueste Generation von VE-Geräten hat eine moderne, konfigurierbare und intuitive Benutzeroberfläche und bietet eine breite Palette von Optionen für die Kommunikation, die Verwaltung und den Export von Daten.  Sein Multithread-Analyse-Kernel unterstützt Multicore-Prozessoren für eine geringere Prozessorauslastung.

Es gibt eine Vielzahl von Vorlagen für unterschiedliche Messaufgaben. Das Anschließen eines Videoextensometers an eine Zugversuch-Prüfmaschine ermöglicht darüber hinaus den vollautomatischen Betrieb.

Durch Systeme mit mehreren Kameras ist die gleichzeitige Messung von verschiedenen Seiten der Probe mit einem Messbereich von 360° mit kleinem und großem Sichtfeld für die genaue Bestimmung des E-Moduls und voller Spannungs-Dehnungskurven möglich.

Je nach Kameratyp (hohe Präzision oder hohe Geschwindigkeit) kann eine VE mit bedeutend unterschiedlicher Genauigkeit und Abtastrate messen.  Mit einer hochpräzisen 2-Megapixel-Kamera beträgt die Genauigkeit der Dehnungsmessung 0,002 % (1 µm bei 100 mmFow) bei einer Abtastrate von bis zu 100 Hz. 

Real-World-Performance
In einem realen Beispiel führt ein Forschungs- und Entwicklungslabor Zug- und Druckversuche an einer Vielzahl von Werkstoffen durch; von Metall und Holz bis zu Elastomeren und Kunststoffen. Darüber hinaus nutzt es verschiedenartige Antriebsmaschinen mit unterschiedlichen Schnittstellen und mehrere Messgeräte, die verschiedene Bereiche abdecken und Technologien verwenden.

Von all den verfügbaren Dehnungsmesslösungen ist VE die einzige, die dem Labor die nötige Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit bietet.  Dank VE kann das Labor Versuche im Bereich von wenigen Millimetern bis zu 100 Millimetern mit einer Genauigkeit von 0,1 µm mit nur zwei Brennweiten durchführen.  Durch die digitalen und analogen Schnittstellen ist VE mit allen Zugversuch-Prüfmaschinen des Labors kompatibel.

VE löst auch viele der Probleme, die bei Proben mit relativ weichen Kanten auftreten, wie Thermoplaste oder bei solchen, die leicht reißen oder brechen und Schäden an einer Klemme des Dehnungsmessers verursachen können. Insgesamt bieten VE dem Anwender eine hochleistungsfähige, hochpräzise und zuverlässige Lösung für eine Vielzahl von Mess- und Prüfanwendungen.

Fazit
Nach mehr als 130 Jahren spielen Dehnungsmesser auch weiterhin eine wichtige Rolle in der Werkstoffprüfung. Ihre Fähigkeiten wurden erheblich verbessert, sodass mittlerweile viele technische Möglichkeiten bestehen.  Die Auswahl der richtigen Technologie hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich Kosten, Genauigkeit und Benutzerfreundlichkeit sowie der Besonderheiten des Materials und des Versuchs.

Was für ein bestimmtes Material oder eine Anwendung gut funktioniert, ist nicht unbedingt auch die richtige Wahl für eine andere.  Angesichts der jüngsten Verbesserungen in Hard- und Software sollten Benutzer von Dehnungsmessern Videoextensometer wegen ihrer Flexibilität, Vielseitigkeit, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit für eine Vielzahl von Werkstoffe und Anwendungen ernsthaft in Erwägung ziehen.