Forschung im OML-Labor

LOS: Entwicklung eines laser-optischen Sensors für ein Partikelmessgerät

Zusammenfassung:

Im Rahmen eines von der AiF geförderten angewandten FuE-Projektes wurde der Prototyp für einen laser-optischen Sensor entwickelt. So gelang es im ersten Schritt, die bisherige gekaufte Verstärkerschaltung durch eine einfache, eigene Platine zu ersetzen. Diese neue Platine wird bereits seit zwei Jahren in einem kommerziellen Partikelmessgerät serienmäßig verwendet.
Für den zweiten und dritten Schritt, den optischen Aufbau des Sensors, wurden zwei Anordnungen durchdacht, zunächst ein Konzept mit mehreren Infrarot- LEDs und dann eines mit einer Laserdiode. Da die Realisierung mit LEDs aber kaum günstiger als die Lösung mit einer Laser-Diode geworden wäre und für die LED-Lösung mehrere Detektoren mit deutlich größerem Justageaufwand notwendig geworden wären, wurde schließlich die Anordnung mit einer Laser-Diode favorisiert. Für die Sendeoptik wurden nochmals zwei Varianten untersucht. Zum einen war dies ein Spiegel-Linsensystem, zum anderen ein Spiegel-Spiegelsystem, das die Strahlung zweimal umlenkt und ohne Linsen auskommt. Die Entscheidung wurde zu Gunsten des Spiegel-Spiegelsystems getroffen, da dieses die Optimierung von nur zwei Grenzflächen bedeutete und es außerdem deutlich verschieden vom Ausgangssystem ist und somit rechtliche Schwierigkeiten von vornherein ausgeschlossen werden konnten.
Die Spiegelflächen wurden numerisch auf die gewünschte Lichtverteilung optimiert und es wurden direkt entsprechende CAD-Zeichnungen und Datensätze zur Herstellung der Oberflächen angefertigt. Aufgrund der umfangreichen und sorgfältigen numerischen Vorbereitung der gewünschten Sensorgeometrie konnte direkt ein Prototyp mit den entsprechenden Angaben gefertigt werden.

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FASER: Entwicklung faseroptischer Sensoren zur Messung mechanischer Größen

Zusammenfassung:

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung kostengünstiger, universell einsetzbarer faseroptischer Sensoren auf der Basis von handelsüblichen Lichtwellenleitern zur Messung mechanischer Größen wie z.B. Zug, Druck, Biegung und Torsion an unterschiedlichen Objekten. Besondere Beachtung findet hierbei die umfassende Überwachung der Objekte von der Feststellung des aktuellen Zustandes bis zu einer permanenten Langzeitüberwachung.
Als erstes wurden in 2002 grundlegende Versuche mit Lichtwellenleitern durchgeführt, um die für sensorische Anwendungen nutzbaren Eigenschaften systematisch zu erfassen. Im zweiten Schritt werden in 2003 für zwei konkrete Fälle (Dehnungsmessung an einem Gaskessel, Brückenüberwachung) Prototypen entwickelt und gebaut, die schließlich im dritten Schritt in der praktischen Anwendung getestet und verbessert werden sollen.

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FASE II: Weiterentwicklung faseroptischer Sensoren zur Messung mechanischer Größen

Zusammenfassung:

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung kostengünstiger, universell einsetzbarer faseroptischer Sensoren auf der Basis von handelsüblichen Lichtwellenleitern zur Messung mechanischer Größen wie z.B. Zug, Druck, Biegung und Torsion an unterschiedlichen Objekten. Besondere Beachtung findet hierbei die umfassende Überwachung der Objekte von der Feststellung des aktuellen Zustandes bis zu einer permanenten Langzeitüberwachung.
Als erstes wurden in 2002 grundlegende Versuche mit Lichtwellenleitern durchgeführt, um die für sensorische Anwendungen nutzbaren Eigenschaften systematisch zu erfassen. Im zweiten Schritt wurde in 2003 für den konkreten Fall der  Brückenüberwachung ein Prototyp entwickelt, gebaut und schließlich im dritten Schritt in der praktischen Anwendung getestet und verbessert.

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HASE: Entwicklung eines Hagelsensors

Zusammenfassung:

Es wurde ein einfacher und zuverlässiger Hagelsensor auf der Basis einer Signalerfassung mit Mikrofonen und einer schnellen Signalanalyse entwickelt.
Voruntersuchungen im Labor mit studentischer Hilfe hatten erste Erfolg versprechende Ergebnisse geliefert bei Verwendung einer PVC-Platte und einfachsten Piezo-Mikrofonen. Darauf aufbauend wurden systematische Untersuchungen mit verschiedenen Sensorköpfen, Mikrofonen und ”Kunsthagel” durchgeführt.
Die entsprechenden mechanischen und elektrischen Fertigungsmöglichkeiten hierfür wurden im neuen Labor des Projektleiters eingerichtet. Für die Signalanalyse wurde eine schnelle Datenerfassungskarte mit LabView-Software verwendet.
Parallel zu den Entwicklungsarbeiten sollte der Kontakt zu Anwendern (Deutscher Wetterdienst, Münchner Rück, Solarfirmen, etc.) gesucht werden.

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NebioSens: Entwicklung eines Nebelsensors

Zusammenfassung:

Ziel des Projektes war die Entwicklung eines preiswerten Sensors für die Erfassung und Unterscheidung von Nebel- und Wolkenteilchen. Einsatz können solche Sensoren in automatischen Netzen von Wetterdiensten und im Verkehrsbereich finden z.B. zur Steigerung der Sicherheit durch automatische Geschwindigkeitsbegrenzungen oder auch auf Flughäfen. Selbst ein Einsatz im PKW zur Information oder Warnung wäre denkbar. Realisiert wurde eine Anordnung, die eine IR-Sendediode als Lichtquelle verwendet, sowie sieben weitere Photodioden als Empfänger, die in verschiedenen, charakteristischen Winkeln angeordnet sind. Durch Auswertung und Vergleich der Signalamplituden an den Photodioden kann die Nebelart abgeleitet und eine Sichtweite bestimmt werden. Zur Realisierung des Projektes wurden auch die entsprechenden Voruntersuchungen durchgeführt und eine Reihe von Messaufbauten angefertigt.

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AuWe: Entwicklung einer automatischen Wetterstation

Zusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung einer preiswerten automatischen Wetterstation. Das Gerät sollte keine beweglichen Teile enthalten und somit wartungsfrei sein und auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen fehlerfrei arbeiten. So entstanden um einen zentralen Datenlogger herum folgende Sensoren, die jeweils in einem kurzen Kapitel beschrieben werden: TDF-Sensor (Temperatur, Druck, Feuchte), Regensensor (Niederschlagsmenge, Niederschlagsartart), Nebelsensor (Nebelart, Sichtweite), Windsensor (Windrichtung, Windgeschwindigkeit) und ein Hagelsensor. Für den Nebelsensor und den Hagelsensor waren Vorarbeiten bereits in früheren Projekten erfolgt. Für den Hagelsensor besteht ein Patent und eine Lizenzvereinbarung mit einer Firma, für den Nebelsensor befindet sich eine Patentanmeldung in Arbeit.

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MiniLDA: Entwicklung eines miniaturisierten Laser-Doppler Anemometers zur laseroptischen Wind- und Feinstaubmessung

Zusammenfassung:

Im Rahmen des in 2005 laufenden Forschungsprojektes des Antragsstellers (AuWe) wurden verschiedene Sensoren ohne bewegte Teile entwickelt und zu einer automatischen Wetterstation kombiniert. Für die Windmessung wurde dabei die Methode der Ultraschall-Anemometrie favorisiert. Daneben war aber alternativ auch der Einsatz eines in der Strömungsmesstechnik bekannten Laser-Doppler Anemometers denkbar und interessant. Außerdem scheint aus aktuellem Anlass ein solches LDA das Potential für Feinstaubmessungen zu beinhalten. Der Aufwand für die Entwicklung eines solchen Sensors ist aber wesentlich höher, als er in TG 84 innerhalb eines Jahres geleistet werden kann. Deshalb soll der hier vorgelegte Antrag als Vorprojekt erste Versuche beinhalten und dann in die Ausarbeitung eines fundierten Antrags bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) münden.

Smokey: Verifikation der Idee eines Rauchmelders zur Unterscheidung der Raucharten

Zusammenfassung:

Aufbauend auf der eigenen Erfindung eines Nebelsensors zur Unterscheidung der Nebelarten (Patentanmeldung 2006) ist im Gespräch mit einem Veranstalter von großen Musik-Events der Wunsch nach Rauchmeldern ausgesprochen worden, die gefährlichen Rauch aus Brandquellen von Bühnenrauch zu Showzwecken unterscheiden können. Mit einer Modifikation und Vereinfachung des Nebelsensors sollte dies bewerkstelligt werden können. Im Rahmen des beantragten FuE-Projektes soll eine Machbarkeitsstudie für den Rauchmelder durchgeführt und mit einigen Experimenten abgesichert werden.

LEXS: Laseroptische Extinktionsmessung für Sprays

Zusammenfassung:

Die Messung der räumlichen Verteilung der Flüssigkeitsmenge spielt eine große Rolle im Entwicklungsprozess einer Düse sowie in der Charakterisierung ihres Sprühverhaltens. Daher ist die genaue Kenntnis der Verteilung sowohl für den Entwickler als auch für den Kunden, der speziell für seine Anwendung die passende Düse sucht, von großem Vorteil.

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ALSENS: Entwicklung eines Sensors zur Unterscheidung von Mikroalgen in Mischkulturen

Zusammenfassung:

Im Projekt ALSENS wurde untersucht, ob Streulicht-Sensoren geeignet sind, um das Wachstum und die Zusammensetzung von Mikroalgen in Photobioreaktoren zu analysieren. Zur Realisierung des Projekts wurden Streulicht-Untersuchungen an definierten Polystyrol-Kügelchen (Microbeads) und an Mikroalgen mit deutlichen Formunterschieden durchgeführt. Außerdem wurde ein Transmissions-Sensor eingesetzt, um das Tageslichtabhängige Wachstum verschiedener Mikroalgen kontinuierlich aufzuzeichnen. Die Untersuchungen zeigten, dass statische (= nicht wachsende) Mikroalgen eine ähnliche, von Winkel und Partikelzahl abhängige, Streulichtcharakteristik haben wie Microbeads. In wachsenden Algenkulturen wurde die Zunahme der Zellzahl jedoch von periodischen Veränderungen in der optischen Dichte und Lichtstreuung überlagert. Verschiedene Algen zeigten dabei sehr unterschiedliche Tagesgänge. Die mit der Tageszeit korrelierten Änderungen der optischen Dichte legen nahe, dass Prozesse, die durch den Licht/Dunkel-Wechsel synchronisiert werden, wie Zellteilung und die Bildung von Speicherstoffen, einen stärkeren Einfluss auf die Lichtstreuung haben, als Formunterschiede. Eine Sensorentwicklung, die nur Formunterschiede berücksichtigt, erscheint deshalb nicht zielführend.

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