Moiré - Technik

Mit der Moiré-Interferometrie können die Bewegungen, Verformungen und Vibrationen eines Windkanalmodells sehr genau bestimmt werden, ohne die Strömung zu stören. Die Technik basiert auf der Überlagerung von periodischen Streifenmustern, um die Topologie der zu untersuchenden Oberfläche auszumessen. Die Vorteile dieser Messmethode liegen in ihrer hohen Genauigkeit und hohen räumlichen Auflösung. Außerdem müssen auf dem Untersuchungsobjekt keine Marker o. ä. aufgebracht werden, die die Strömung beeinflussen könnten. Da für jede Messung nur ein einziges Bild aufgenommen werden muss, können auch bewegte Objekte vermessen werden.

Das Messprinzip ist im folgenden Bild dargestellt:

Abb. 1: Prinzipschema der Moiré-Technik zur Bestimmung von Deformationen in z-Richtung

Ein Ronchi-Gitter mit parallelen schwarzen und transparenten Streifen gleicher Breite wird auf die ebene Oberfläche S1 projiziert und durch ein zweites Referenzgitter aus einer anderen Richtung betrachtet. Die Streifen des projizierten und des Referenzgitters liegen parallel zueinander und überlagern sich zu einem Moiré-Interferogramm. Wenn dann die Oberfläche in die Ebene S2 verschoben wird, wandern die Streifen auf der Oberfläche in x-Richtung, und ein in der Abbidung dargestellter Projektionsstrahl wandert auf der Oberfläche von P nach P´. P´ wird auf dem Referenzgitter wiederum in R´ abgebildet, sodass nun ein Interferenzmuster mit einer anderen Intensität erzeugt wird.

Dagegen führt eine Verschiebung der Oberfläche in x- oder y-Richtung nicht zu einer Verschiebung des projizierten Streifenmusters und verändert damit auch nicht das Interferenzmuster. Das Verfahren reagiert somit nur auf Translationen der Oberfläche in z-Richtung.

Abb. 2: Moiré-Interferogramm des HiReTT-Tragflügels im ETW

Wenn die betrachtete Oberfläche nicht eben sondern gekrümmt ist, werden durch die Überlagerung der beiden Gitter im Moiré-Interferogramm Streifen erzeugt, die Linien gleicher Höhe in z-Richtung repräsentieren. Im Falle großer Oberflächengradienten führt dies zu einem Moiré-Interferenzmuster mit dicht benachbarten Streifen. Als Beispiel zeigt die nebenstehende Abbildung das Moiré-Muster auf der Flügelunterseite des HiReTT-Modells im Europäischen Transschall-Windkanal (ETW). Als Abstand in z-Richtung zwischen zwei benachbarten Moiré-Streifen ist die so genannte Schichtdicke definiert, die vom gewählten optischen Versuchsaufbau abhängt und gewöhnlich durch eine Kalibriermessung bestimmt wird. Mittels Bildverarbeitungsalgorithmen kann dann die z-Koordinate in jedem Bildpunkt aus dem Moiré-Muster berechnet werden. Wenn sich die Oberfläche unter einer einwirkenden Kraft in z-Richtung verschiebt oder verformt (wie z. B. im Bild der Tragflügel unter der aerodynamischen Last), kann darüber hinaus die Oberflächendeformation bestimmt werden, indem die Höhenkoordinaten im belasteten Zustand (mit Strömung) mit den Daten des unbelasteten Objekts (ohne Strömung) verglichen werden. Daraus lassen sich dann die Flügeldurchbiegung und die Anstellwinkeländerung berechnen.

Im angeführten Beispiel beträgt die Beobachtungsfläche des Moiré-Systems ca. 0,60 x 0,45 m² bei einem Betrachtungsabstand von 0,9 bis 1,1 m aus der oberen Wand der Messstrecke. Die Genauigkeit ist für die Flügeldurchbiegung in z-Richtung besser als 0,05 mm und besser als 0,1° für die Anstellwinkeländerung.

Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich der Messergebnisse für die Anstellwinkeländerung (wing twist) bei zwei verschiedenen dynamischen Drucken q, die durch ein Erhöhen des Druckes im Windkanal erreicht wurde. Die Messungen wurden bei Temperaturen von 300 K bzw. 214 K durchgeführt, sodass sich in beiden Fällen eine Reynoldszahl von 8,1 Millionen ergab. In der Grafik bedeuten positive Twist-Werte eine Verringerung des Anstellwinkels unter dem Einfluss der Strömung. Zuverlässige Ergebnisse konnten in einem Bereich von 30 bis 90% der Flügelspannweite erzielt werden. Eine Erhöhung des dynamischen Druckes q um ca. 60% bewirkt eine zunehmende Anstellwinkeländerung, die mit wachsendem Auftriebsbeiwert cL noch verstärkt wird.