Technischer Überblick

Messsysteme für Industrie, Forschung und Entwicklung

Ein Messsystem übersetzt einen physikalischen Vorgang in quantitativ auswertbare Daten. Entscheidend sind dabei nicht nur Sensorauflösung oder Abtastrate, sondern die gesamte Messkette: Messprinzip, Kalibrierung, räumliche und zeitliche Auflösung, Unsicherheit, Umgebungsbedingungen und die Wechselwirkung zwischen Sensor und Prüfobjekt.

Diese Seite gibt einen ingenieurtechnischen Überblick über die Auswahl moderner Messsysteme mit besonderem Schwerpunkt auf optischen und kamerabasierten Verfahren für Dehnung, Verformung, Bewegung, Schwingung, mechanische Spannung und 3D-Geometrie.

Messkette Auswahlkriterien Optische Messsysteme Systemklassen Praxisbeispiele

Für die schnelle Systemauswahl: Dehnung DIC / Verformung Bewegung Schwingung Spannung 3D-Geometrie

Was ist ein Messsystem?

Ein technisches Messsystem besteht nicht nur aus einem Sensor. In einer belastbaren Messkette werden eine oder mehrere physikalische Messgrößen erfasst, in elektrische oder digitale Signale überführt, kalibriert, zeitlich synchronisiert, verarbeitet und schließlich in einer für die technische Entscheidung geeigneten Form ausgegeben.

Messobjekt → Messprinzip/Sensor → Signal- oder Bildaufnahme → Kalibrierung → Auswertung → Messgröße → Unsicherheit

Die Auswahl sollte deshalb von der Messaufgabe ausgehen und nicht vom verfügbaren Sensor. Für einen Zugversuch kann beispielsweise die mittlere Dehnung zwischen zwei Messmarken ausreichend sein. Bei einer Kerbe, einem Riss oder einer komplexen Bauteilgeometrie ist dagegen häufig die räumliche Verteilung von Verschiebung und Dehnung entscheidend. Für dynamische Vorgänge kommen zusätzlich Anforderungen an Bildrate, Synchronisation und Triggerung hinzu.

Punktuelle Messung

Ein Messwert wird an einer definierten Position erfasst. Typische Beispiele sind Wegaufnehmer, Beschleunigungssensoren oder Temperaturfühler.

Integrale Messung

Eine Größe wird über eine definierte Messstrecke oder Fläche gemittelt, beispielsweise die Dehnung zwischen zwei Marken eines Extensometers.

Flächenhafte Messung

Das gesamte sichtbare Messfeld wird ausgewertet. Damit werden lokale Maxima, Gradienten und unerwartete Verformungsbereiche sichtbar.

Wichtige Auswahlkriterien für ein Messsystem

Technisch geeignete Systeme lassen sich nur vergleichen, wenn die Anforderungen der Messaufgabe eindeutig definiert sind. Besonders relevant sind die folgenden Größen.

Messgröße und Messbereich

Soll Position, Weg, Dehnung, Beschleunigung, Frequenz, Temperatur, Kraft oder Geometrie bestimmt werden? Der erwartete Wertebereich sollte inklusive Überlast- und Sicherheitsreserve bekannt sein.

Genauigkeit, Auflösung und Unsicherheit

Auflösung beschreibt die kleinste unterscheidbare Änderung, ist aber nicht mit Messgenauigkeit gleichzusetzen. Für quantitative Aussagen sind Kalibrierung, systematische Abweichungen, Wiederholbarkeit und Messunsicherheit entscheidend.

Zeitliche Auflösung

Statische Langzeitversuche stellen andere Anforderungen als Crash-, Ermüdungs- oder Schwingungsversuche. Aufnahmefrequenz, Belichtungszeit und Synchronisation müssen zum zeitlichen Verhalten des Prozesses passen.

Räumliche Auflösung

Bei lokalen Dehnungsgradienten, Rissspitzen oder kleinen Geometriedetails ist die räumliche Auflösung häufig wichtiger als die Anzahl der nominellen Messpunkte.

Messobjekt und Umgebung

Temperatur, Vibration, Beleuchtung, Zugänglichkeit, Klimakammern, Flüssigkeiten, Verschmutzung und elektromagnetische Einflüsse können die Auswahl stark bestimmen.

Beeinflussung des Prüfobjekts

Kontaktierende Sensoren können Masse, Steifigkeit oder Randbedingungen verändern. Bei leichten, weichen, heißen oder schnell bewegten Bauteilen sind berührungslose Verfahren deshalb oft besonders vorteilhaft.

Ingenieurtechnisch wichtig: Ein System mit höherer nomineller Auflösung ist nicht automatisch das bessere Messsystem. Entscheidend ist, ob die gesamte Messkette die benötigte Messgröße unter den realen Prüfbedingungen mit ausreichender Unsicherheit, Wiederholbarkeit und zeitlicher bzw. räumlicher Auflösung liefert.

Optische und kamerabasierte Messsysteme

Kamerabasierte Messverfahren verwenden Bildinformation als Messsignal. Abhängig vom Verfahren werden definierte Marken, natürliche Oberflächenmerkmale, Specklemuster, thermische Signaturen oder projizierte bzw. laserbasierte Strukturen ausgewertet. Der wesentliche Vorteil besteht in der berührungslosen Messung und der Möglichkeit, viele Messpunkte gleichzeitig zu erfassen.

Anders als bei einem einzelnen elektrischen Sensor bleibt zudem die komplette Bildsequenz als Rohinformation erhalten. Dadurch können zusätzliche Messpunkte oder abgeleitete Größen häufig noch nach dem Versuch bestimmt werden, sofern die relevanten Bildinformationen aufgezeichnet wurden.

Vorteile

keine mechanische Belastung durch einen Sensor
gleichzeitige Erfassung vieler Punkte oder vollständiger Messfelder
direkte visuelle Zuordnung von Messwert und Bauteilposition
flexible Messfelder vom Mikrobereich bis zu großen Strukturen
geeignet für statische und hochdynamische Vorgänge
Messung auch an schwer zugänglichen, heißen oder bewegten Objekten möglich

Zu beachten

geeignete Sicht auf die Messfläche
ausreichende und stabile Beleuchtung
passende Optik, Schärfentiefe und Belichtungszeit
Kalibrierung des Abbildungsmaßstabs bzw. Kamerasystems
Oberflächenkontrast oder definierte Messmarken
Synchronisation mit Prüfmaschine, Kraftsignal oder Trigger

Messsysteme nach Messaufgabe

Die folgenden Systemklassen zeigen typische Einsatzfelder kamerabasierter Messtechnik. Für konkrete technische Lösungen sind passende Systeme von LIMESS Messtechnik u. Software GmbH verlinkt.

Videoextensometrie – Dehnung in der Materialprüfung

Videoextensometer bestimmen die Position definierter Messmarken und daraus deren Abstandsänderung. Die resultierende Dehnung entspricht – analog zu einem mechanischen Extensometer – der mittleren Dehnung über die Messlänge. Berührungslose Systeme sind besonders geeignet, wenn hohe Dehnungen, empfindliche Proben, wechselnde Messlängen, Klimakammern oder dynamische Prüfungen auftreten.

Typische Aufgaben sind Zug-, Druck-, Ermüdungs- und Zeitstandversuche sowie die Bestimmung von Längs- und Querdehnung.

RTSS Videoextensometer – technische Informationen →

Digitale Bildkorrelation – flächenhafte Deformationsanalyse

Die Digitale Bildkorrelation (DIC) verfolgt ein Grauwertmuster in kleinen Oberflächenbereichen über eine Bildfolge. Aus der Veränderung dieser Bereiche werden Verschiebung, Verformung und Dehnung bestimmt. Stereo-DIC rekonstruiert zusätzlich die 3D-Geometrie und dreidimensionale Bewegung der Oberfläche.

DIC eignet sich insbesondere für lokale Dehnungsgradienten, komplexe Bauteile, FEM-Validierung, Rissuntersuchungen und Messaufgaben, bei denen der kritische Bereich nicht bereits vor dem Versuch bekannt ist.

Q400 DIC – 2D/3D Dehnungs- und Verformungsmessung →

Motion Tracking – Position, Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung

Bei der optischen Bewegungsanalyse werden Marker oder charakteristische Bildbereiche Bild für Bild verfolgt. Aus den Koordinaten lassen sich Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Abstände, Winkel und Trajektorien bestimmen. Dies macht aus einer Kamera- oder Hochgeschwindigkeitsaufnahme eine quantitative Messung.

Für räumliche Bewegungen können speziell kalibrierte Marker zusätzlich 3D-Position und Orientierung liefern.

LIMtrack – 2D Bewegungsanalyse →
LIMtrack6D – 3D Bewegung und 6 Freiheitsgrade →

Optische Schwingungsanalyse

Periodische oder transiente Schwingungen lassen sich optisch über zeitaufgelöste Kameraaufnahmen oder phasensynchrone Verfahren erfassen. Gemessen werden beispielsweise Schwingweg, Amplitude, Frequenz, Resonanzverhalten und Schwingungsformen.

Gerade bei kleinen und leichten Strukturen vermeidet die optische Messung den Masseneinfluss aufgeklebter Beschleunigungssensoren. Phasensynchrone Bildaufnahme kann schnelle periodische Bewegungen zusätzlich in scheinbarer Zeitlupe sichtbar machen.

StrobeCAM – Schwingungen visualisieren und messen →

Thermoelastische Spannungsanalyse

Unter zyklischer mechanischer Belastung treten in vielen Werkstoffen sehr kleine, reversible Temperaturänderungen auf, die mit der Änderung der Summe der Hauptspannungen zusammenhängen. Mit geeigneten Infrarotkameras und synchroner Auswertung können daraus flächenhafte Informationen über mechanische Spannungen gewonnen werden.

Das Verfahren ist besonders interessant für die Lokalisierung von Spannungskonzentrationen und die Validierung numerischer Modelle an realen Bauteilen.

ThermoESA – thermoelastische Spannungsanalyse →

3D-Scanning und Geometriemessung

3D-Scanner erfassen Oberflächenkoordinaten und erzeugen daraus Punktwolken oder Polygonmodelle. Die Verfahren dienen unter anderem der geometrischen Qualitätskontrolle, Bestandsaufnahme, Flächen- und Volumenbestimmung sowie dem Reverse Engineering.

Für große technische Objekte sind Messbereich, Winkelauflösung, Reichweite, Registriergenauigkeit und die Qualität der Punktwolke zentrale Auswahlkriterien.

Surphaser – hochpräzises 3D-Scanning großer Geometrien →

Welche Messmethode passt zu welcher Aufgabe?

Messaufgabe	Geeignetes Prinzip	Typische Messgrößen	Besonderer Nutzen
Standardisierte Materialprüfung	Videoextensometrie	Längsdehnung, Querdehnung, Abstand	Berührungslos, gut in Prüfmaschinen integrierbar
Lokale Dehnung / komplexe Verformung	2D/3D DIC	3D-Koordinaten, Verschiebung, Dehnung	Flächenhafte Messung und hohe Ortsinformation
Crash, Fall, Mechanismen, Rotation	Motion Tracking / Highspeed	Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Winkel	Quantitative Auswertung dynamischer Videos
Periodische Vibration	Stroboskopische / phasensynchrone Kamera	Amplitude, Frequenz, Schwingform	Kein Masseneinfluss, Zeitlupenvisualisierung
Spannungskonzentrationen unter zyklischer Last	Thermoelastische Analyse	Spannungsbezogene Temperaturänderung	Flächenhafte berührungslose Spannungsinformation
Große oder komplexe 3D-Geometrien	3D-Laserscanning	3D-Koordinaten, Flächen, Volumen	Digitale Geometrie für Prüfung und Reverse Engineering

Einen direkten Vergleich der von LIMESS-Systemen erfassten Basis-Messgrößen bietet der Produktvergleich der LIMESS Messsysteme.

Praxisbeispiele aus Material-, Bauteil- und Strukturanalyse

Die Eignung eines Messsystems zeigt sich besonders an realen Prüfaufgaben. Die folgenden Beispiele verdeutlichen typische Gründe für den Einsatz flächenhafter oder berührungsloser Messtechnik.

Beulversuch eines Flugzeugpanels – 3D-Verformung und FEM-Validierung Straßenverformung unter Lkw-Belastung – räumliche Verformungsmessung Hochauflösende DIC-Dehnungsmessung bis zum Probenrand Hysteresekurve und Risswachstum im Dauerschwingversuch Weitere Anwendungsbeispiele zur Materialprüfung Anwendungsbeispiele zur optischen Schwingungsanalyse Anwendungsbeispiele zur optischen Bewegungsanalyse Weitere Beispiele zur Deformationsanalyse

Messplanung: vom Lastenheft zur belastbaren Messung

Eine zuverlässige Messung beginnt vor dem Aufbau des Sensors. Für komplexe Versuche sollte das Messkonzept mindestens folgende Punkte festlegen:

Fragestellung definieren: Welche technische Entscheidung soll aus der Messung abgeleitet werden?
Messgrößen festlegen: Primäre und abgeleitete Größen sowie erwartete Wertebereiche bestimmen.
Räumliche und zeitliche Anforderungen festlegen: Messfeld, lokale Effekte, Frequenzbereich und Ereignisdauer berücksichtigen.
Messprinzip auswählen: Kontaktierend oder berührungslos, punktuell oder flächenhaft, 2D oder 3D.
Kalibrierung und Referenzzustand planen: Maßstab, Koordinatensystem, Nullzustand und Rückführbarkeit definieren.
Synchronisation sicherstellen: Optische Daten mit Kraft, Weg, Temperatur oder Prüfmaschinen-Signalen zeitlich verknüpfen.
Messunsicherheit bewerten: Nicht nur nominelle Sensorauflösung, sondern die gesamte Prozesskette betrachten.
Datenexport und Auswertung planen: Rohdaten, Kennwerte, Diagramme, FEM-Vergleich und Dokumentation festlegen.

Besonders bei kundenspezifischen Prüfständen kann eine frühzeitige Abstimmung von Kameraposition, Optik, Beleuchtung, Triggerung und Software-Schnittstellen erhebliche Umbauten im späteren Projektverlauf vermeiden.

Weiterführende technische Informationen

Für konkrete kamerabasierte Messaufgaben finden Sie bei LIMESS technische Informationen zu Messsystemen, Software, Anwendungen und Dienstleistungen. Die Systeme werden für Materialprüfung, Bauteilprüfung, Forschung und industrielle Entwicklungsaufgaben konfiguriert und in bestehende Prüfstände integriert.

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