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Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur

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1. 1 12 1 10 N T 1 08 gt 1 06 ohne CD p 1 08 Hz s 0 44 d Standard CD u 1 08 Hz s 1 04 H leichte Alu CD u 1 08 Hz s 0 73 H schwere Alu CD u 1 08 Hz s 0 61 P 1 04 i j i i 0 100 200 300 400 500 600 t s Abbildung 3 23 Frequenzstabilit t Frequenz Zeitverlauf des CD Players ber 10 Minuten bei 1 Hz und verschiedenen CD Parametern u Mittelwert s Standardabweichung Frequenzstabilit t des CD Players 1 bei 60 Hz 60 6 60 5 60 4 N 60 3 gt 60 2 ohne CD u 60 29 Hz s 0 168 60 1 Standard CD u 60 29 Hz s 0 045 leichte Alu CD u 60 29 Hz s 0 021 schwere Alu CD u 60 29 Hz s 0 020 60 0 Bs 0 100 200 300 400 500 600 t s Abbildung 3 24 Frequenzstabilit t Frequenz Zeitverlauf des CD Players ber 10 Minuten bei 60 Hz und verschiedenen CD Parametern u Mittelwert s Standardabweichung Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 32 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player v Hz Abbildung 3 25 v Hz Abbildung 3 26 Frequenzstabilit t des CD Players 1 bei 120 Hz a A IRT kun d Wa y TTT ohne CD p 120 50 Hz s 0 092 Standard CD u 120 50 Hz s 0 025 120 2
2. Art der Messung Dicke mm Gewicht g ohne CD T Standard CD 1 2 15 18 Alu CD leicht 2 57 45 Alu CD schwer 5 144 90 Tabelle 3 3 F r die Messreihen verwendete CD Variationen Zum Vergleich gibt Tabelle 3 4 einen berblick ber die derzeit verwendeten Bio Disks die entweder aus Trockenresist beschichteten Standard CDs oder PMMA Platten auf einem Alu Tr ger bestehen Weil hier CDs mit Alu Tr gern zum Einsatz kommen ist dies ein weiter Grund den Player auch mit den Alu CDs zu untersuchen Die Gewichte der CDs wurden mit der Waage BL1500S von Sartorius ermittelt Dicke mm Gewicht g auf Standard CD 1 3 1 5 16 22 2 PMMA Platten 2 5 35 verklebt 2 PMMA Platten auf 7 5 195 Alu CD geschraubt Tabelle 3 4 Uberblick der derzeit verwendeten Bio Disks Die Frequenzsstabilitat ist in den Grafiken 3 23 bis 3 26 exemplarisch gezeigt Die Mit telwerte der verschiedenen CDs liegen bei allen Frequenzen nahe beieinander Mit zunehmendem CD Gewicht wird die Standardabweichung aufgrund der Masse bzw Mas sentragheit geringer die Kurve wird geglattet Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 31 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player Frequenzstabilitat des CD Players 1 bei 1 Hz
3. bei 10 Hz 13 0 IW ul INTONIMIN AN J fi j z AT EI 120 Pad at Ulla N f e MN r MA wd 11 5 E j d d dt Polynomischer Fit dt y 0 0002x 0 0139x 0 2006x 10 436 11 0 I I I I I I 26 28 30 32 34 36 38 40 T C Abbildung 3 14 Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 10 Hz Zeitverlauf des Strosboskops bei 30 Hz T C dt us U V 0 1000 2000 3000 4000 t s Abbildung 3 15 Zeitverlauf der Blitzverz gerung dt und des Detektor Peaks U Intensit t bei 30 Hz Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 22 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 30 Hz 14 0 13 5 13 0 12 5 dt us D oO Polynomischer Fit dt y 2E 05x 0 0055x 0 2814x 15 365 25 30 35 40 45 50 55 T C Abbildung 3 16 Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 30 Hz Zeitverlauf des Strosboskops bei 50 Hz 14 13 56 12 4 11 51 10 9 46 3 D a m
4. Com Diplomarbeit Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe Christian Beer Autor Bearbeitungszeit Gutachter Betreuer Titelseite Eingereichte Diplomarbeit gem den Bestimmungen der Pr fungsordnung der Universit t Freiburg f r den Diplomstudiengang Mikrosystemtechnik vom 5 05 1999 Albert Ludwigs Universit t Freiburg IMTEK Institut f r Mikrosystemtechnik Lehrstuhl f r Anwendungsentwicklung Georges K hler Allee 103 D 79110 Freiburg im Breisgau Christian Beer Maiergasse 6 D 79674 Todtnau Muggenbrunn eMail cb christian beer net Matr Nr 931 59 53 3 Januar 2003 bis 3 Juli 2003 Prof Dr Roland Zengerle Lehrstuhl f r Anwendungsentwicklung Prof Dr Hermann Sandmaier HSG IMIT Wilhelm Schickard Str 10 78052 Villingen Markus Grumann Lehrstuhl fur Anwendungsentwicklung Dr rer nat Jens Ducr e Lehrstuhl fur Anwendungsentwicklung Die Abbildung zeigt den entwickelten Messplatz mit dem sich Mikrofluidikstrukturen auf schnell rotierenden CDs beobachten las sen Links im Sicherheitskasten ist der CD Player sowie die dar ber befindliche CCD Kamera mit Mikroskop zu sehen welches auf einem Linearantrieb montiert ist Rechts im Bild befinden sich die PCs zur Steuerung und Bildverarbeitung sowie der Controller f r den Linearantrieb Erklarung nach 9 5 der Diplomprufungsordnung Hiermit
5. leichte Alu CD p 120 49 Hz s 0 015 schwere Alu CD u 120 50 Hz s 0 010 120 1 t I F 1 I 0 100 200 300 400 500 600 t s Frequenzstabilit t Frequenz Zeitverlauf des CD Players ber 10 Minuten bei 120 Hz und verschiedenen CD Parametern u Mittelwert s Standardabweichung Frequenzstabilit t des CD Players 1 bei 167 Hz 168 1 168 0 167 9 167 8 4 167 7 167 6 DES Et H j thie io iL h Le CETA UE 3 al yi al di hy 167 5 ohne Alu CD p 167 67 Hz s 0 065 Standard CD u 167 67 Hz s 0 020 167 4 leichte Alu CD p 167 65 Hz s 0 016 H H schwere Alu CD p 167 64 Hz s 0 012 H 167 3 t F I T I 0 100 200 300 400 500 600 t s Frequenzstabilit t Frequenz Zeitverlauf des CD Players ber 10 Minuten bei 167 Hz und verschiedenen CD Parametern u Mittelwert s Standardabweichung Die Abbildung 3 27 zeigt da v a bei niederen Frequenzen die tats chliche Drehfre quenz unabh ngig vom CD Gewicht knapp 8 vom Sollwert abweicht Der Motion Controller hat die Aufgabe die Motorachse auf eine vorgegebene Regel Gr e zu bringen und dort zu halten Im einfachsten Fall verst rkt ein solcher Regler den Wert der Abwei chung vom Sollwert Die Kunst der Regelungstechnik besteht darin die Parameter so einzustellen dass die Elektronik mit maximaler Verst rkung arbeitet aber sicher nicht schwingt Unter diesen Ums
6. Acquisition System e Bandwidth 3dB 200 MHz 50 Ohm e INPUT IMPEDANCE 50 Ohm 1 0 1 MOhm 12 pF typical using PPOO6 probe e Input Coupling 1 MOhm AC DC GND 50 Ohm DC GND e Max Input 50 Ohm 5 Vrms 1 MOhm 400 Vmax peak AC lt 5kHz DC e Single Shot Sampling Rate per Channel 200 MS s max e Repetitive RIS Sampling Rate 10 GS s max e Acquisition Memory 100 kpts Ch e Vertical Resolution 8 bits e Sensitivity 2 mV 10 V div fully variable e DC Gain Accuracy 1 5 0 5 of full scale Offset Range 2 mV 50 mV div 1 V100 mV 500 mV div 10 V1 V 10 V div 100 V e Offset Accuracy 1 5 0 5 of full scale 1 0 mV Timebase System e Clock Accuracy lt 10 ppm e Interpolator Resolution 5 ps e External Clock lt 200 MHz 50 Ohm or 1 MOhm impedance Triggering System e Pre Trigger Recording 0 100 of horizontal time scale e Post Trigger Delay 0 10 000 divisions e Holdoff by Time or Events Up to 20 s or from 1 to 99 999 999 events e Internal Trigger Range 5 div e Maximum Trigger Frequency Up to 500 MHz with HF coupling Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 69 Diplomarbeit Christian Beer A 2 Abh ngigkeiten der SensiCam Bild Wiederholrate A 2 Abh ngigkeiten der SensiCam Bild Wiederholrate Imaging Frequency and CCD Readout Time at different CCD resolutions SensiCam Lo
7. turen im Mikrometer Ma stab aufgenommen werden Dies wurde durch ein entsprechendes Konzept des Messplatzes und dessen Umsetzung realisiert Die strukturierten CDs werden durch einen speziellen CD Antrieb mit hoher Fre quenzstabilit t angetrieben Die Drehzahl des Players wird durch einen PC geregelt und die aktuelle Drehfrequenz wird als TTL kompatibles Rechteck Signal ausgegeben F r die Bild aufnahme steht die CCD Kamera PCO SensiCam FastShutter SVGA mit einer Belichtungszeit bis herab zu 100 ns zur Verf gung Weiter besteht der Messplatz aus einem Stroboskop DRELLO 255 01 f r ausreichende Lichtintensit t sowie einem Linearantrieb der das Mikroskop zusammen mit der adaptierten Kamera in radialer Richtung ber der CD verfahren kann F r die Detektion der Drehfrequenz sowie f r die Ansteuerung von Stroboskop und Kamera wird eine spezielle Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 eingesetzt die ber einen eigenen Prozessor verf gt und damit ihre Aufgaben unabh ngig vom PC in Echt zeit durchf hren kann Die Karte musste mit einer Basic nahen Programmiersprache programmiert werden F r die Ansteuerung des Gesamtsystems wurde eine Softwareober fl che in TestPoint entwickelt Durch den Linearantrieb und eine steuerbare zeitliche Verz gerung der Kamera Belich tung gegen ber dem Antrieb ist es m glich die gesamte Oberfl che der CD w hrend der Rotation zu beobachten Die vorliegende Arbeit stellt das zugrundelieg
8. was aufgrund der gro en Fahrstrecke einen repr sentativen Wert darstellt Bei 10 mm wurde die gr te bei 50 mm die kleinste Abweichung festgestellt sie liegt somit im Bereich zwischen 0 622 mm _ 24 und salier 6 43 Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 44 Diplomarbeit Christian Beer 3 4 Linearantrieb Abweichung von der Sollpositon 3 0 N i i 10 2 5 8 E20 6 Z o E EK 2 2 a 5 S EI fis a 1 0 2 0 5 0 o 50 100 150 200 Vorgabe der Fahrstrecke mm Abbildung 3 41 Abweichung des Linearantriebs von der vorgegebenen Sollposition R ckkehrgenauigkeit Unabh ngig von einer genauen Positionierung soll evaluiert werden ob der Linearan trieb immer wieder am selben Ort landet wenn man die selbe Vorgabe macht Hierf r wurde zehn mal zwischen der Position 10 mm und 100 mm hin und hergefahren und mit der Kamera jeweils ein Bild eines Messobjekttr gers der bei 10 mm plaziert war aufgenommen vgl Abb 3 42 Abbildung 3 42 links Bild des Messobjekttr gers vor dem Verfahren rechts Bild des Messobjekttr gers nach zehnmaligem Verfahren jeweils bei 18 9 facher optischer Vergr erung Der Bildausschnitt hat sich um 1 44 um verschoben Der Strichabstand des Messobjekttr gers betr gt 10 um 100 um entsprechen in beiden Bildern 278 Pixel somit
9. 30 000 Hz s 10 000 Hz s 60 81 000 Hz s 250 Hz s 20 200 Hais 100 Hz s 0 I 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 t s Abbildung 3 31 Einschwingverhalten des CD Players beim Beschleunigen mit verschiedenen Rampen auf 167 Hz Wie die Grafik 3 31 zeigt weist das Einschwingverhalten auch bei hohen Beschleunigun gen keine berschwinger auf was f r den Einsatz dieses Motors im Bio Disk Messplatz spricht Anzumerken ist die Tatsache da beim Abbremsen steilere Rampen als 250 Hz s zu erreichen sind Schlupf Die CDs werden durch eine spezielle Klemmvorrichtung auf dem Player befestigt F r die Haftung sorgt ein im Drehteller eingelegter Silikonring Im folgenden wurde untersucht ab welchen Beschleunigungen ein gewisser Schlupf auftritt also ab wann die CD auf der Hal terung rutscht und somit die Ergebnisse eines durchgef hrten Experiments in Frage zu stellen sind Die CDs wurden gegen ber der Motorachse mit einem Strich markiert welcher bei sukzessiv erh hten Beschleunigungen mit der CCD Kamera beobachtet wurde vgl Abb 3 32 Die Enddrehzahl spielt dabei keine Rolle lediglich in der Beschleunigungsphase wirkt eine gewisse Kraft Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 37 Diplomarbeit Christian Beer 3 3 CCD Kamera Abbildung 3 32 Blick auf die Achse des CD Players die gegen ber der CD mit einem Strich markiert wurde um die Bed
10. raum beobachten zu k nnen Ausblick Damit ein bereits durchgef hrtes Experiment noch einmal mit den selben Einstellungen wiederholt werden kann ist es sinnvoll die in Program Sequence eingegebenen Parame ter abzuspeichern Hierf r kann man eine weitere Schaltfl che einf gen die diese Parameter ausliest und wiederum in einem txt Logfile abspeichert Au erdem wird eine weitere Schaltfl che ben tigt die es erm glicht dieses Logfile erneut einzulesen und somit das ehemals erstellte Fahrprogramm zu laden 4 2 Funktion des Messplatzes In diesem Abschnitt soll nun die Funktion des Messplatz zusammenh ngend und expe rimentbezogen beschrieben werden Um den Messplatz in Betrieb zu nehmen ist es erfoderlich die ADwin zu booten Nach Installieren und Bef llen einer CD sowie Schlie en der Sicherheitst ren muss der nit Button der Player Steuerung gedr ckt werden Dann empfiehlt es sich die CD langsam z B 2 3 Hz rotieren zu lassen um sich auf der CD zurecht finden zu k nnen Die idealen Einstellungen f r die Radial und Azimutal Position k nnen so schrittweise ermittel werden Nun kann sowohl die CamWare Software als auch das Programm der ADwin Karte noch einmal neu gestartet werden da die Bildanzahl auf dem Bildverarbeitungs PC auf ca 320 Bilder begrenzt ist was bei einer Aufnahmefrequenz von 8 Hz bereits nach 40 Sekun den erreicht ist Jetzt kann das Experiment gestartet werden Je nach Anwendung gibt e
11. unterschiedlich beschichteten Beads zus tzlich mit Markierfarbstoffen lassen sich die ver schiedenen Reaktionen optisch nachweisen Ein klarer Vorteil dieser Technologie im Vergleich zu herk mmlichen Systemen ist dass mit sehr geringen Volumina gearbeitet wird was bei teuren Reagenzien erheblich zur Kostenersparnis beitr gt Auch bei der Herstellung der CDs kann auf Standard und damit g nstige Prozesse zur ckgegriffen werden So w re auch der routinem ige Check eines Patienten auf bestimmte Risikofaktoren denkbar ohne da ein Verdacht vorliegt Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 2 Diplomarbeit Christian Beer 1 2 Das Bio Disk Konzept Das kompakte Format einer CD einschliesslich Player der einem herk mmlichen Ger t sehr nahe kommen soll erm glicht auch den Einsatz als mobiles Ger t An dieser Stelle sei darauf hingewiesen da es sich bei dem vorgestellten Player dieser Diplomarbeit nur um einen Messplatz handelt der nichts mit dem endg ltigen System zu tun hat Er dient ledig lich der Erforschung der genannten und weiterer Prozesse Zu diesem Zweck kommen derzeit verschiedene Arten von CDs als Bio Disks zum Ein satz Einerseits werden Trockenresist beschichtete Standard CDs verwendet bei denen die funktionalen Strukturen photolithographisch in die Resist Schicht eingebracht werden Andererseits kommen in PMMA Platten gefr st
12. 0 us I lt 48 72 ms Abbildung 3 22 Das Bild zeigt den Bildschirm des LeCroy Oszilloskops bei den Frequenzmessungen des CD Players Bei den beiden Kurven handelt es sich um das selbe Signal welches auf Kanal 1 und Kanal 2 gelegt wurde Gemessen wird der zeitliche Abstand der aufsteigenden Flanke des unteren Rechtecks Kanal 2 zur aufsteigenden Flanke des Triggers Kanal 1 welcher nach links aus dem Bild verschoben wurde F r die Erfassung der Messdaten wurde das TestPoint Programm der Stroboskop Mes sung entsprechend abge ndert wodurch hier die Messwerte delay maximum und width wiederum in einer txt Datei zur weiteren Verarbeitung zur Verf gung stehen Die Berech nung der Frequenzen aus den ermittelten Zeitdifferenzen zweier Nulldurchgangspulse erfolgt dann in Microsoft Excel Mit dem Player 1 wurden die in Tabelle 3 3 aufgef hrten Messreihen gefahren jeweils ber 10 Minuten bei den Frequenzen 1 1 5 2 4 6 8 10 20 40 60 80 100 120 140 160 und 167 Hz Die Alu CDs wurden bis auf die Dicke mit denselben Abmessungen einer Stan Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 30 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player dard CD gefr st Der Bereich um das Loch im Mittelpunkt der CDs wurde auf die Dicke von Standard CDs gefr st um die CDs auf der Halterung des Players befestigen zu k nnen
13. 65 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten Durch die Wartezeit von 1 2 T in ADbasic entspricht der in TestPoint eingestelllte Azi mutal Winkel von 0 auf der CD einem Winkel von 180 Der reale Winkel ist also immer 180 gr er als der in TestPoint eingestellte Deshalb muss das reale Bildspringen bei einem Azimutal Winkel von 0 in der TestPoint Steuerung mit dem berechneten Bildspringen des CD Players bei 180 also 1 2 T verglichen werden Das Bildspringen aufgrund des Players berechnet sich wiederum mit folgender Formel s v t oxr t 2 ll vxr t F r t wird dabei die Standardabweichung beim entsprechenden Winkel eingesetzt also 1 2 Standardabweichung bei 1 2 T usw Abbildung 4 11 zeigt das Bildspringen f r einen Azimutal Winkel von 270 Azimutales Bildspringen 100 Bildschwankung um 10 i r 3 cm 270 ADbasic04 i r 3 cm 270 ADbasic03 i r 2 cm 270 ADbasic02 Bildspringen aufgrund Player bei 3 4 T 270 r 3 cm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 v Hz Abbildung 4 11 Azimutales Blidspringen bei r 3 cm und einem Azimutal Winkel in der TestPoint Steuerung von 270 bei verschiedenen ADbasic Versionen Zus tzlich ist das berechnete Bildspringen aufgrund der Schwankung der Periodendaue
14. ADbasic Programmierung auf 1 2 T gesetzt Diese Wartezeit beinhaltet die aktuelle Peri odendauer der rotierenden CD und somit wird der Bildaufnahmezeitpunkt abh ngig von der aktuellen Drehfrequenz des CD Players angepa t Man sieht also auch bei sich ver ndern der Drehfrequenz immer den selben Bildausschnitt Durch die Wahl von 1 2 T erreicht man zus tzlich eine Unabh ngigkeit in der Drehrichtung da diese Zeit sowohl bei Links als auch bei Rechtsdrehung zum selben Bildausschnit f hrt jeweils 180 gegen ber dem Nulldurchgangstrigger Azimutales Bildspringen 10000 1000 EEN Da E S S 100 E Di kel io 10 r 3 cm 0 ADbasic04 z t 3 cm 0 ADbasich03 r 3 cm 0 ADbasic02 Bildspringen aufgrund Player bei 1 2T 180 r 3 cm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 v Hz Abbildung 4 10 Azimutales Blidspringen bei r 3 cm und einem Azimutal Winkel in der TestPoint Steuerung von 0 bei verschiedenen ADbasic Versionen Zus tzlich ist das berechnete Bildspringen aufgrund der Schwankung der Periodendauer des CD Players aufgeftihrt Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe
15. Abbildung 3 30 Einschwingverhalten des CD Players beim Beschleunigen mit 10 Hz s auf 167 Hz Wie in Abb 3 30 zu sehen ist folgt der Player sehr gut der vorgegebenen Rampe und beschleunigt in der zu erwartenden Zeit von t a 16 7 s mit a Beschleunigung in Hz s Beschleunigt man mit 10 Hz s auf 100 Hz so betr gt die Beschleunigszeit entsprechend 10 Sekunden Dem Motion Controller kann eine maximale Beschleunigung von 30 000 Hz s vorgegeben werden Abbildung 3 31 gibt einen berblick der durchgef hrten Messungen bei einer Enddrehzahl von 167 Hz Es wurde die gr te zu erreichende End drehzahl gew hlt da sich dabei das Verhalten bzw die Zeit zum Erreichen dieser Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 36 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player Drehzahl am genauesten analysieren l t Man erkennt da die maximal m gliche Beschleunigung welcher der Player noch nachkommt bei 250 Hz s liegt Bei h heren Beschleunigungen wird zwar steiler auf die Enddrehzahl geregelt aber nicht in der zu erwartenden Zeit Diese Aussage gilt auch f r niedrigere Enddrehzahlen was z B f r 100 Hz nochmal berpr ft wurde Einschwingverhalten Player Beschleunigung auf 167 Hz 180 160 140 120 e 100 x gt 80
16. Einstellungen neu kalibriert werden Dies wird durch Klicken von search reference ausgef hrt Wenn die Steuerung aktiviert ist so ent steht ein sehr hochfrequenter Pfeifton der von manchen Anwendern als st rend empfunden wird Deshalb wurde ein weiteres Auswahlfeld remote control enable disable einge f hrt mit dem die Steuerung deaktiviert werden kann falls der Linearantrieb gerade nicht ben tigt wird 2 Bio Disk Player08 Setup Linearantrieb reset controller Abbildung 4 3 Setup Oberflache des Linearantriebs Hier kann die Steuerung des Linearantriebs erneut initialisiert werden bzw k nnen alle Befehle gel scht werden Die Schaltfl chen init reset controller und search reference werden beim Start der Messplatz Software von TestPoint selbst in der richtigen Reihenfolge nacheinander gedr ckt also automatisch aktiviert und die entsprechenden Aktionen ausgef hrt Zur ck zur Haupt Oberfl che der TestPoint Sleuerung vgl Abb 4 1 Der Drehknopf Azimuthal Position gibt die M glichkeit sich auf der CD in azimutaler Richtung also auf einer Kreisbahn um den Mittelpunkt herum zu bewegen Demnach ist es m glich die gesamte CD Oberfl che w hrend des Betriebs zu beobachten Die Grafik frequency distribution des Abschnitts Documentation visualisiert dem Anwender online den zeitlichen Verlauf der Frequenz mit der sich die CD auf dem Player dreht Dargestellt
17. Hash mode save logfile as C Bio Disk frequency_distribution dat type of control i 4100000 slider de BE Em St EEE EEE ES TE En EEE SS a Er 25 5 75 10 125 15 175 20 225 25 275 30 325 35 375 40 425 45 475 50 525 55 575 60 Abbildung 4 1 TestPoint Oberfl che des Steuerungs PCs zur Ansteuerung des Messplatzes Der CD Player kann mit verschiedenen Beschleunigungsrampen auf die gew nschte Drehfrequenz geregelt werden Mit Azimuthal und Radial Position kann jeder Bereich der CD mit der CCD Kamera angefahren und beobachtet werden Zudem werden dem Anwender im Documentation Feld die tats chlichen Werte der Drehfrequenz sowie der Frequenzverlauf ber der Zeit seit Beginn des Experiments visualisiert Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 55 Diplomarbeit Christian Beer 4 1 Ansteuerung des Messplatzes ber TestPoint 4 1 1 Was ist TestPoint Mit dem Software Tool TestPoint lassen sich verschiedenste Anwendungen zur Messdaten Erfassung und Verarbeitung erstellen TestPoint ist in der Lage unterschiedli che Hardware oder Schnittstellen direkt anzusteuern Die zu entwickelnde Anwendung wird in einer grafischen Oberfl che entwickelt welche auch gleich die sp tere Benutzeroberfl che darstellt Hinter jedem Objekt befinden sich die in Abb 4 2 gezeigten Felder Object Linearantrieb App 1 Nane
18. Helo COM port Default output term Default input term Timeout sec S Event on receiving character i Output queue size Input queue size O Demo mode Abbildung 4 2 Das Bild zeigt am Beispiel des COM Objektes f r seriellen Schnittstellen die zur Verf gung stehenden Reiter der TestPoint Objekte Das Hauptfenster Settings zeigt auf einen Blick alle Parameter und Einstellungen die f r dieses Objekt vorgenommen werden k nnen In dem Fenster Actions k nnen Aktionen sogenannte Action Lines hinzugef gt werden die abgearbeitet werden sobald das ent sprechende Objekt geklickt oder gesetzt wird bergabe von Werten durch andere Objekte oder Ereignisse Durch Klicken des Reiters Comments ffnet sich ein Editor Fenster in das Kommentare geschrieben werden k nnen die z B den Programmablauf der Action Lines diese Objektes beschreiben Allerdings gibt es in TestPoint keine M glichkeit die Comments aller Objekte zusammenh ngend und in einer bersichtlichen strukturierten Form auszudrucken wodurch der Eintrag von wichtigen Kommentaren an dieser Stelle ver mieden werden sollte Im letzen Fenster XRef kann man sich anzeigen lassen mit welchen anderen Objektien dieses Objekt vekn pft ist Per drag and drop k nnen nun s mtliche Programmierungen vorgenommen werden in dem bestimmte Objekte mit der Maus in den Reiter Actions gezogen werden TestPoint schl gt automatisch alle Funktionen
19. Stelle EVENT Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 52 Diplomarbeit Christian Beer 3 6 Optische Beleuchtung im ADbasic Programm springen Die Programmierung hierf r ist aber wesentlich aufwendiger Einerseits mu sichergestellt sein dass das Programm innerhalb zwei aufeinanderfol gender Pulse vollst ndig ausgef hrt werden kann Dies ist hier gegeben da die Laufzeit im Event gesteuerten Modus auf jeden Fall k rzer ist als im verwendeten Timer gesteuerten Modus wo sie mit 12 5 us auch deutlich kleiner ist als die k rzeste Periodendauer bei der h chsten Eingangsfrequenz von 167 Hz 10 000 U min des Players 3 6 Optische Beleuchtung 3 6 1 Modifikation des Strahlenganges beim Leica Auflichtgeh use Bisher erfolgt die Beleuchtung meist direkt durch den Lichtwellenleiter des Stroboskops der ebenfalls mit dem Mikroskop und der Kamera mitverfahren wird Der Bildkontrast ist ideal f r Winkel zwischen 30 und 35 wie in Abb 3 46 ersichtlich Unterschiedliche Einstrahlwinkel Ideal zwischen 30 und 35 15 30 40 55 Abbildung 3 46 Die bersicht stellt den Einflu der unterschiedlichen Einstrahlwinkel auf den Bildkontrast dar Die besten Resultate werden bei einem Winkel zwischen 30 und 35 zur Oberfl che erreicht Alternativ kann auch voon oben mit dem Leica Auflichtgeh use beleuchtet werden wel ches die Ankopplung
20. Variable ZaehlerMul tiply um eins erh ht Hiermit lassen sich dann in TestPoint die korrekten Zeiten berechnen F r den Setup Modus der es dem Anwender erlaubt das Experiment vorzubereiten und die Kamera zu fokussieren wurde der continuous flash mode eingef gt Falls der Parame ter PAR_6 durch das Feld flash mode in der TestPoint Steuerung vgl Abb 4 1 auf 1 gesetzt wird so wird diese Schleife durchlaufen ansonsten das normale soeben beschrie bene Programm Diese Schleife gibt ein 5 V Rechtecksignal mit der Frequenz 4 Hz aus 4 Hz wurde als sinnvoll erachtet da hierbei eine ausreichend schnelle Bildaktualisierung erreicht wird und gleichzeitig der Arbeitsspeicher des Bildverarbeitungs PC f r eine Bildse quenz von 90 Sekunden Dauer ausreicht Bei niedrigeren Frequenzen wirken sich Ver nderungen z B des Fokus erst viel sp ter aus was das genaue Einstellen erschwert bei h heren Frequenzen ist der Arbeitsspeicher fr her belegt und die Bildaufnahme muss st ndig neu gestartet werden 3 5 3 Ausblick Wie aus den technischen Daten zu entnehmen ist besitzt die Karte auch einen separa ten Trigger Eingang auch Event Eingang genannt In diesem Fall w rde die A D Konvertierungszeit wegfallen die Erkennung eines TTL kompatiblen Triggers geschieht in einem wesentlich k rzeren Zeitintervall Die Karte w rde beim Auftauchen eine Signals an diesem Eingang sofort das hinterlegte Programm ausf hren bzw an die
21. dem bekannten Intensi t ts Zeitverlauf aus Die eigentliche Bildaufnahme kann durch die Vorgabe eines delays in der Kamera Software in einem gro en Bereich nach der ansteigenden Flanke des Trigger signals ausgel st werden In diesem Fall wurde hier der Wert 12 8 us eingestellt Dementsprechend wird das Bild direkt bei 1 2 T bzw 180 aufgenommen Dies gilt f r jede Drehfrequenz des CD Players da ausgehend von dem frequenzabh ngigen Offset von 1 2 T jedesmal dieses konstante Delay subtrahiert wird und durch die Frame Grabber Karte wieder konstant hinzu addiert wird Die ADwin Karte gibt also zu folgendem Zeitpunkt das Triggersignal aus 1 Istrobo Si 12 8 us F r die CCD Kamera bedeutet dies die Bildaufnahme zum Zeitpunkt tccp TEE us 12 8 us sr Durch diese Ansteuerung wurden sowohl helle als auch nicht driftende Bilder realisiert Bei jedem Setzen des Ausgangssignals auf 5 V wird der IndexCounter um 1 inkremen tiert Dieser Z hler ist in der TestPoint Steuerung als image counter wiederzufinden So wird eine Zahlenreihe generiert die jedem aufgenommenen Bild genau eine Zahl zuordnet denn auch die Bildaufnahme wird durch genau diesen Ausgangstrigger ausgel st Die Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 51 Diplomarbeit Christian Beer 3 5 Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 Kamera Software f gt ebenfalls jedem auf
22. die damti m glich sind vor Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 56 Diplomarbeit Christian Beer 4 1 Ansteuerung des Messplatzes ber TestPoint 4 1 2 Beschreibung der erstellten Software Oberfl che Der Bereich links oben ADwin Control vgl Abb 4 1 dient zum Starten und Beenden der ADwin Messkarte Im Feld corresponding ADwin file k nnen verschiedene Pro gramme geladen werden die die ADwin im Hintergrund ausf hrt Die erstellten Programme sind im Anhang A 3 zu finden deren Funktion wird in Kapitel 3 5 beschrieben Im Normal betrieb wird das Stroboskop und die CCD Kamera durch den flash mode trigger driven gesteuert Zum Einrichten des Messplatzes und zur Experiment Vorbereitung steht die Funktion permanent 4 Hz zur Verf gung womit Kamera und Stroboskop ohne Triggersi gnal des Players mit 4 Hz betrieben werden Der Bereich Player Control dient zur Ansteuerung des CD Players Aufgrund der Sicherheitsschalter welche die Stromzufuhr des CD Players beim ffnen der T ren der Sicherheitsbox unterbrechen muss der Motion Controller des CD Players nach erneutem Einschalten zuerst initialisiert werden Schalftlache init In dem Feld type of control kann festgelegt werden ob der Player durch diese TestPoint Oberfl che software oder durch den an der Frontseite des Players angebrachten Handregler g
23. einem Steuersignal von 5 V gearbeitet Hier wurde jeweils nur ein Wert abgelesen der lediglich den Trend aufzeigen soll denn die H he des Steuersignals wurde bereits von Anfang an auf 5 V festgelegt Die Werte wurden mit warmgelaufenem Ger t ermittelt und liegen daher ber denen bei Standardbedingungen Statistische Auswertung von 1 000 Blitzereignissen Das Stroboskop kann in einem Frequenzbereich von 0 50 Hz betrieben werden Zuerst wurden im Frequenzbereich von 1 bis 50 Hz in Schritten von 1 Hz jeweils 1 000 Blitzereig nisse untersucht Das Steuersignal f r das Stroboskop wurde durch den Funktionsgenerator 33120A der Firma Agilent generiert Hierbei handelt es sich um ein Rechtecksignal mit einer Amplitude und einem Offset von jeweils 2 5 V das Signal pendelt also zwischen 0 und 5 V Die Fre quenz wurde schrittweise variiert Der Photodiodenverstarker wurde mit dem Netzgerat PL 330 der Firma Thurlby Thandar Instruments mit 12 V GND 12 V versorgt W hrend der durchgef hrten Messungen wurde der Lichtwellenleiter des Stroboskops bez glich der Photodiode horizontal und vertikal so justiert da auf die Diode die maximale Lichtintensit t auftraf Die Diode war senkrecht ber der Lichtaustrittsfl che des Lichtwel lenleiters im Abstand von 20 5 cm fixiert Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 16 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 St
24. eines Lichtwellenleiters an das Mikroskop erm glicht Diese wurde f r den Messplatz wie in Abb 3 47 angegeben modifiziert Zwei der teildurchl ssigen Spiegel Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 53 Diplomarbeit Christian Beer 3 6 Optische Beleuchtung wurden entfernt der dritte wurde durch einen Spiegel mit einer Reflektivit t von gr er 90 ersetzt Man erh lt dadurch eine Intensit tssteigerung von 20 Leica Original Modifikation f r Player Messplatz Ls a Spiegel R gt 90 Teildurchlassiger Spiegel T 50 und R 50 Objektiv T 50 hol XRATHTKTXOS RAT l l x 0 03 l l x 0 23 Abbildung 3 47 Modifikation des Strahlenganges beim Leica Auflichtgeh use Intensit tssteigerung um 20 Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 54 4 Gesamtsystem 4 1 Ansteuerung des Messplatzes ber TestPoint Da mehrere Personen Zugang zu dem Messplatz haben sollen ist eine benutzerfreund liche Bedienoberflache unabdingbar Zur Programmierung wurde das Softwarewerkzeug TestPoint der Firma Keithley Instruments GmbH in der Version 4 1 eingesetzt Abbildung 4 1 zeigt die damit entwickelte Softwareoberflache fur den Bio Disk Messplatz Bio Disk Player08 corresponding ADwin file C Bio Disk ADwin Adbasic02 T91 Shut Down
25. im Geh use des Stroboskops in unmittelbarer N he der Z ndspule ange bracht ist vgl Abb 3 10 9 Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 19 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Abbildung 3 10 Blick in das Geh use des Stroboskops Der Messf hler zum Erfassen der Temperatur wurde unmittelbar hinter der Z ndspule befestigt F r das Wegschreiben der Messwerte des Oszilloskopes und des Thermometers wurde ein Testpoint Programm entwickelt dass im Sekundentakt die Werte ausliest und diese in eine txt Datei schreibt die sp ter mit Microsoft Excel weiterverarbeitet werden k nnen Der zeitliche Verlauf der Blitzverz gerung und der Intensit t sowie der Temperaturerh hung bei einer Blitzfrequenz von 1 Hz ist in Abb 3 11 zu sehen Abbildung 3 12 visualisiert das Verhalten der Blitzverz gerung in Abh ngigkeit der Temperatur wiederum bei 1 Hz Die folgenden Grafiken 3 13 bis 3 18 veranschaulichen dieses Verhalten f r h here Blitzfrequenzen Zeitverlauf des Strosboskops bei 1 Hz 13 30 12 11 7 29 10 9 28 2 Ss d 7 ut 27 T 6 pe arte ee oe a RT TTT 54 26 500 1000 1500 2000 2500 t s Abbildung 3 11 Zeitverlauf der Blitzverz gerung dt und des Detektor Peaks U Intensit t bei
26. ist die aktuelle Drehfrequenz des Players ber der Zeit seit Beginn der Messung Um den Zahlenwert der Frequenz auch direkt ablesen zu k nnen wird dies rechts in der TestPoint Oberflache noch einmal separat in Hz und U min frequency Hz frequency rpm angezeigt Ebenfalls wird dort die Zeit time seit dem Starten des Expe riments sowie die Bild Nummer image counter dargestellt Diese Bild Nummer ist Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 58 Diplomarbeit Christian Beer 4 1 Ansteuerung des Messplatzes ber TestPoint identisch mit den Bild Nummern der durch den Bildverarbeitungs PC aufgenommen Bilder Jedes Mal wenn durch die ADwin Karte ein Ausgangs Trigger Impuls gesetzt wird der die frame grabber Karte der CCD Kamera im Bildverarbeitungs PC und das Stroboskop ansteuert wird dieser image counter um eins hochgesetzt Mit der Schaltfl che save logfile kann der Frequenzverlauf auch als txt Datei mit den unter save logfile as angegebenen Einstellungen Pfad und Dateiname abgespeichert werden Pro Ausgangstrigger also bei jedem Bild wird die Bild Nummer die aktuelle Fre quenz in Hz und U min sowie die Zeit seit Beginn des Experiments in dem Logfile weggeschrieben Diese Daten k nnen anhand der Bild Nummer jedem Bild zugeordnet werden und der Frequenzverlauf kann z B mit Microsoft Excel visualisiert w
27. kann Intern wird die reale Frequenz des Motorachse ber Hallsensoren ausgelesen und mit dem Sollwert verglichen Der Motion Controller regelt so die Drehzahl st ndig nach Die Steuerung unterst tzt auch die Vorgabe von Rampen Hierzu wird dem Controller der Wert 1 Hahn Schickard Gesellschaft Institut f r Mikro und Informationstechnik Villingen Schwenningen www hsg imit de Kooperationspartner des Lehrstuhls und Partner im Projekt Bio Disk Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 27 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player der zu erzielenden Frequenz in U min und die Beschleunigung in U s bzw Hz s vorgege ben Die Regelung dieser Rampe wird dann vollst ndig durch den Controller bernommen Direkt an die Achse des Motors ist ein optischer Impulsgeber siehe Abb 3 21a der Encoder OPTO HEDS 5540C14 Firma Faulhaber gekoppelt Dieser Encoder gibt pro Umdrehung der Motorachse einen TTL kompatiblen Impuls auf die BNC Buchse an der R ckseite des Players aus Das Signal wird dabei durch eine Metallscheibenblende erzeugt welche pro Umdrehung das Licht einer LED auf eine Photodiode durchl t Um den wachsenden Bed rfnissen im Laufe des Projektes gerecht werden zu k nnen existiert noch ein weiterer CD Player der nach und nach modifiziert werden kann Dieser verf gt z B ber eine weitere BNC Buchse die ein zus tzliches Sig
28. on the PC This card had to be programmed in a programming language that is close to Basic A soft ware panel in TestPoint has been developed for the steering of the whole system The linear drive and a controllable temporal delay of the camera exposure as against the motive power makes it possible to observe the complete surface of the CD during the rotation The present thesis shows the underlying concept of the experimental setup as well as the evaluation of the single components according to certain parameters Great importance has be attached to the behaviour of the single components that is decisive for the experimental setup as a whole system It is only after a certain time that the stroboscope used in the experimental setup reaches the maximal light intensity This delay of the flash had to be determined first at it is necessary to steer the camera this amount of time earlier composed to the stroboscope Without the compensation that has been carried out this constant delay would lead to the fact that the structure that is to observe would move out of the image when the frequency changes The occurring azimuthal picture shift has been analysed and assessed as well Zusammenfassung Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Messplatz entwickelt der die Charakterisie rung mikrofluidischer Prozesse auf einer rotierenden Scheibe im CD Format erm glicht Von den mit bis zu 10 000 U min rotierenden CDs k nnen hochaufgel ste Bilder von Struk
29. versichere ich dass ich die vorliegende Arbeit selbstandig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfs mittel benutzt habe Christian Beer Freiburg den 3 Juli 2003 Fur Carsten Abstract This diploma thesis includes the development of an experimental setup which makes it possible to characterise microfluidic processes on a rotating disc in the CD format High resolution images of structures on the micrometer scale can be recorded from the CDs that rotate with frequencies of up to 10 000 rpm This has been achieved by devising and realising an adequate concept of the experimen tal setup A particular CD motive power drives the structured CDs with a high frequency stability The number of revolutions of the player is governed by a PC and the current rota tion frequency is given out as a TTL compatible trigger signal The CCD camera PCO SensiCam FastShutter SVGA whose exposure time goes down to 100 ns can be used for the image pickup Furthermore the experimental setup consists of a stroboscope DRELLO 255 01 for sufficient light intensity and a linear drive to position the microscope and the atta ched camera precisely along the radial direction of the CD For the detection of the rotation frequency as well as for the trigger signal for the strobo scope and the camera a special real time card ADwin light 16 is used which has got its own processor and can therefore perform its tasks in real time without depending
30. 0 und setze Flag auf 0 f r negativ ELSE IF FlagLastSignum 0 and NowTimer gt 0 then L uft nun der Z hler wieder ber 0 so setze FlagLastSignum 1 Flag auf 1 ENDIF ENDIF INC IndexCounter setzt den Impuls Bild Z hler hoch Werte in Parameter schreiben f r Testpoint Par_1 IndexCounter Bild zZ hler Par_2 NowTimer 40000 Zeit in ms Par_3 ZaehlerMultiply Anzahl Z hler berl ufe Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 72 Diplomarbeit Christian Beer A 3 ADbasic Programmcode Par_4 Frequenz 1000 Frequenz in mHz schreiben f r Testpoint DataSetWritten 1 Hierduch wird die bergabe an Testpoint disabled damit nicht mehrmals die selben Werte bergeben werden ENDIF ENDIF anschlieBend setze das Ausgangssignal auf OV IF NowDelta gt Strobodelay Winkeldelay Strobotrigger then DAC 1 AusgangUnten ENDIF Frequenz Ermittlung und Startpunkt des Stroboskops H IF Bingang gt 40000 and FlagObUnt 0 then DataSetWritten 0 Wenn der Impuls das erste mal kommt soll bergabe an Testpoint erfolgen INC Teilerzaehler Bei jedem Puls am Eingang wird Teilerzaehler um 1 erh ht IF Teilerzaehler gt Frequenzteiler then wenn dieser gr er als Frequenzteiler dann starte Strobotimer Strobotimer NowTimer Dies bewirkt da das Strobo Tr
31. 0 40 60 80 100 120 140 160 Soll Frequenz Hz Abbildung 4 9 Standardabweichung der Periodendauer T des CD Players Die gesamte Periodendauer T kann also um den Wert der Standardabweichung langer oder k rzer sein Der Zeitpunkt der Bildaufnahme wird ausgehend vom Nulldurchgangstrig Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 64 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten ger vorausberechnet und legt dabei die zuletzt ermittelte Periodendauer bei diesem Nulldurchgangstrigger zugrunde Soll z B ein Bild bei dem Winkel 180 nach dem Null durchgang aufgenommen werden so bedeutet dies eine Wartezeit von 1 2 T Fur T wird der beim letzten Nulldurchgangstrigger ermittelte Wert eingesetzt Dreht sich die CD nun mit der gleichen Frequenz mit der gerade die Periodendauer T ermittelt wurde so landet man tatsachlich bei 180 Die Periodendauern sind aber nicht kon stant sondern statistisch verteilt und weisen die ermittelte Standardabweichung auf Dies bedeutet dass die CD f r die nun folgende halbe Umdrehung auch den halben Wert der Standardabweichung von T l nger oder k rzer ben tigen kann Da dies nicht erfasst wird spiegelt sich dies wiederum in einem springenden Bild wieder Da die Kamera wegen der Blitzverz gerung des Stroboskops sowieso eine gewisse Zeit nach dem Nulldurchgangstrigger angesteuert werden muss wurde diese Wartezeit in der
32. 01 Intensitat der Blitzlampe Abbildung 3 2 Typischer Intensitats Zeitverlauf des Lichtblitzstroboskopes DRELLO 255 01 Blitzdauer in halber Amplitudenh he Halbwertszeit 5 27 us Quelle Fa DRELLO 3 1 2 Evaluierung der Reproduzierbarkeit Zunachst wurde die Reproduzierbarkeit des Stroboskops in Bezug auf Intensitat und Repetition untersucht Es stellt sich die Frage ob ein bestimmter Intensitatswert immer zu einem definierten Zeitpunkt auftritt Dies muss nat rlich gew hrleistet sein damit in dem Moment in dem die Kamera das Bild aufnimmt gen gend Intensit t zur Verf gung steht Als charakteristischer Intensit tswert wird hierf r der Maximalwert betrachtet Au erdem ist in diesem Bereich die Ableitung der Intensit t nach der Zeit gleich null bzw sehr gering so dass w hrend der Belichtungszeit der Kamera nur minimale Helligkeitsschwankungen auftreten W rde man die Bilder zu einem anderen Zeitpunkt innerhalb des Intensit tsver laufes des Blitzes aufnehmen so h tte man bei jedem Schwanken der Periodendauer des Stroboskops unterschiedlich helle Bilder Die Reproduzierbarkeit der Repetitionsrate l t sich nun auf zwei Arten darstellen Einer seits kann man den jeweiligen zeitlichen Abstand zweier aufeinanderfolgender Pulse miteinander vergleichen Man kann aber auch die Zeit die die Blitzlampe zum Erreichen der maximalen Intensit t ben tigt bez glich der aufsteigenden Flanke des Steuersigna
33. 1 Hz Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 20 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 1 Hz 14 13 T E Ki 12 dt Polynomischer Fit dt I y 0 0814x 6 8453x 191 64x 1798 8 11 26 27 28 29 30 T c Abbildung 3 12 Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 1 Hz Das horizontale Springen der Linien liegt an der nicht eineindeutigen Zuordnung der Datenpaare Bei der selben Temperatur sind aufgrund des Jitters verschiedene Blitzverz gerungen messbar Ebenso treten auch bei der selben Blitzverz gerung verschiedene Temperaturen auf Zeitverlauf des Strosboskops bei 10 Hz T c dt us U Di 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 t s Abbildung 3 13 Zeitverlauf der Blitzverz gerung dt und des Detektor Peaks U Intensit t bei 10 Hz Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 21 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Temperaturgang der Blitzverz gerung dt
34. 4 V liegt so h ngt die Blitzverz gerungszeit stark von der Amplitude des Signals ab und kann bis zu 55 us betragen Im Rahmen der gesamten Arbeit wurde stets ein rechteckf rmiges Steuer signal mit einer Amplitude von 5 V verwendet Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 12 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop xamn 2 12 82 us minimum 2 5 63 V Abbildung 3 4 Blitzverz gerung Zeitdifferenz zwischen Steuersignal obere Kurve und Intensit tsverlauf des Stroboskopes DRELLO 255 01 eigene Messung Fur die Charakterisierung der Blitzlampe nach den Parametern Zeitverhalten und Inten sit t wurde zun chst in Zusammenarbeit mit Herrn Jankov eine Photodiodenverst rker Schaltung entwickelt vgl Abb 3 5 Als Detektor wurde die Diode S7797 von Hamamatsu gew hlt 7 die zum einen ber den gesamten Wellenl ngenbereich des sichtbaren Lichtes eine ausreichende Sensitivit t vgl Abb 3 6 aufweist und zudem ber eine zeitliche Aufl sung von 2 ns verf gt Cut off frequency 500 MHz Da die Belichtungszeit der Kamera auf 100 ns festgelegt werden soll ist es unverzichtbar den Kurvenverlauf des Stroboskops mit einer Aufl sung von deutlich kleiner als 100 ns aufzunehmen Der Photodiodenverst rker setzt nun den Strom der bei Belichtung der Photodiode generiert wird in ein Spannungssignal
35. 41 5 6 36 5 dt u 4 T ET 3 a 2 26 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 t s Abbildung 3 17 Zeitverlauf der Blitzverz gerung dt und des Detektor Peaks U Intensit t bei 50 Hz Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 23 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 50 Hz 14 0 13 5 13 0 12 5 dt ns D oO 11 5 Te WT Zug SS Polynomischer Fit dt 11 0 y 6E 05x 0 0043x 0 1052x 10 436 10 5 10 0 25 30 35 40 45 50 55 60 T C Abbildung 3 18 Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei 50 Hz Temperaturgang der Blitzverz gerung dt bei verschiedenen Frequenzen 14 0 13 5 i F In 13 0 _ ee 12 5 E 5 J 12 0 1 Hz i 10 Hz us M me 30 Hz 50 Hz 11 0 10 5 25 30 35 40 45 50 55 60 T C Abbildung 3 19 Zusammenstellung der Temperaturg nge verschiedener Frequenzen in einem Diagramm Die Kurven 30 und 50 Hz liegen nahezu identisch bereinander Die Kurven bei 1 und 10 Hz zeigen ein etwas anderes Verhalten Daher sind diese Messungen zu bezweifeln Entwicklung und Evaluierung
36. 500 eben innerhalb von 12 5 us Eingang ADC 1 1 mi t den analogen Eingang 1 mit der Verst rkung 1 NowDelta NowTimer Strobotimer Zwischenspeichern des Deltas continuous flash mode r IF PAR_6 1 THEN Der continuous flash mode in Testpoint setzt den Parameter 6 auf 1 dann wird IF NowDelta lt 5000000 THEN diese Schleife durchlaufen ansonsten wird das Standard Programm durchlaufen DAC 1 AusgangOben 5000000 25 ns 125 ms halbe Periodendauer von 4 Hz ENDIF IF NowDelta gt 5000000 and NowDelta lt 10000000 THEN DAC 1 AusgangUnten zwischen 125 und 250 ms den Ausgang nach unten schalten ENDIF IF NowDelta gt 10000000 THEN Strobotimer NowTimer bei 250 ms den Strobotimer wieder auf die aktuelle Zeit setzen NowTimer ENDIF damit ist NowDelta im ersten Durchlauf nahezu 0 Wenn Delay Zeit verstrichen also Delta gt Delay dann starte Strobo und zwar solange bis Strobo Delay und Strobotrigger vor ber IF NowDelta gt Strobodelay Winkeldelay and Strobodelay Winkeldelay Strobotrigger gt NowDelta then DAC 1 AusgangOben IF DataSetWritten 0 then Wenn Ausgangs Impuls gesetzt wird schreibe einmal alle Werte nach Testpoint IF FlagLastSignum 1 and NowTimer lt 0 then Wenn letztes Vorzeichen des Timers positiv war und nunder Timer negativ wird dann ist INC ZaehlerMultiply der Z hler voll also erh he ZehlerMultiply FlagLastSignum
37. 6 Diplomarbeit Christian Beer 14 SM Elektronik GmbH Villingen Schwenningen www sm elektronik de Programmierhandbuch SM5 SM300 SM400 September 1998 15 SM Elektronik GmbH Villingen Schwenningen www sm elektronik de SPS Handbuch SM5 SM300 SM400 August 1999 16 SM Elektronik GmbH Villingen Schwenningen www sm elektronik de Technisches Handbuch SM300 Juli 1999 17 sm motion control GmbH Villingen Schwenningen www smmotioncontrol de Technisches Handbuch SM300 April 2002 18 J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH Lorsch www adwin de ADwin light 16 Handbuch Version 2 0 Juli 2002 19 J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH Lorsch www adwin de ADbasic Echtzeit Entwicklungstool f r ADwin Systeme ADBasic Version 3 20 April 2002 20 J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH Lorsch www adwin de ADwin Tutorial und Programmierbeispiele Ausgabe 1 31 September 2002 21 J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH Lorsch www adwin de ADwin TestPoint Treiber Juni 2000 22 J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH Lorsch www adwin de ADwin Treiber Installation Handbuch f r die Interface Installation von ADwin Systemen Version 1 4 November 2002 23 Keithley Instruments GmbH Germering www keithley de TestPoint Reference Guide Februar 2001 www keithley de servlet Data id 10435 amp jsession 0 3816686290074995036 22 06 03 24 Keithley Instruments GmbH Germering www keithle
38. Blitzverz gerung zur Hes nhe An euen 26 Ausblick on nn 27 3 2 CD Antrieb Player 200m nn ee ee ee 27 3 2 1 Anforderungen und Konzept 27 3 2 2 Evaluierung des CD Players nn 29 Frequenzstabilit t e 20 Einschwingverhalten ee ee 36 Schlupf e A Ausblick e 88 3 3 CCD Kamera e A 3 3 1 Anforderungen ck oe amp os 2 a e e e 38 3 3 2 EvaluierungderCCD Kamera 40 3 4 Linearantrieb e 48 3 4 1 Evaluierung des Linearantriebs 43 Positioniergenauigkeit e 48 R ckkehrgenauigkeit ke amp oo E a a a amp amp 45 Kleinstm gliche reproduzierbare Schritte 46 Verfahrgeschwindigkeit 2 ee ee 47 3 5 Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 48 3 5 1 Anforderungen SC Sou omo mo oo Lan AO 3 5 2 Programmierung der Messkarte mitADbasic 49 3 5 3 Ausblick e 52 3 6 Optische Beleuchtung e DA Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe VII Diplomarbeit Christian Beer 3 6 1 Modifikation des Strahlenganges beim Leica Auflichtgehause 53 4 Gesamtsystem oe amp fens et ma amp wo 4 1 Ansteuerung des Miecspiaies ber TestPoint 55 4 1 1 Was ist TestPoint ee ee 0 4 1 2 Beschreibung der erstellten Software Oberflach
39. H E SEE EEE FE AE FE EH EEE EE EE E FE E E Winkeldelay 40000000 PAR_5 360 Frequenz Berechnung des Winkeldelays in Prozessorschritten Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 74 Diplomarbeit Christian Beer A 3 ADbasic Programmcode IT Berechnung des Frequenzteilers unmittelbar nach der Frequenzberechung Frequenzteiler Frequenz 8 1 Entspricht der MOD Funktion Da Frequenzteiler als INTEGER definiert ist wird nur der ganzzahlige Wert genommen Bsp 9 8 1 2 9 8 wird auf 1 gerundet 1 2 Parameter f r Testpoint zur Verf gung stellen allgemeine Freigab ACTIVATE_PC ENDIF IF Eingang lt 40000 THEN setzt das Flag bei abfallender auf 0 Eingangsflanke wieder FlagObUnt 0 ENDIF DIF bei zZ Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 75 Diplomarbeit Christian Beer Literaturverzeichnis 1 Volker Materna Numerical Simulation of Flow Control and Mixing in a Centrifugally Driven Microfluidic System Diplomarbeit Albert Ludwigs Universitat Freiburg Dezember 2002 2 Thomas Glatzel Hydrodynamics in Rotating Systems Diplomarbeit Albert Ludwigs Universitat Freiburg Juni 2003 3 Meike Moschallski Hydrophobic Flow Control on a Rotating Microfluidic Disk Diplom
40. Thermometer z B das angesprochene Temperaturmessger t TL 309 st ndig verf gbar sein und durch TestPoint kontinuierlich ausgelesen werden Der wesent lich gravierendere Beitrag zum Schwanken in der Helligkeit von Bild zu Bild der Jitter bei gleicher Temperatur ist damit allerdings nicht zu beheben Die Zunahme der Blitzverz ge rung aufgrund der Temperatur macht sich nicht von Blld zu Bild sondern erst ber einen l ngeren Zeitraum bemerkbar und kann von Zeit zu Zeit durch die Auto Range Funktion der Kamera Software angepa t werden Um einen allgemeing ltigen Fit in TestPoint hinter legen zu k nnen m sste der Temperaturgang bei niederen Frequenzen nochmals berpr ft werden 3 2 CD Antrieb Player Abbildung 3 20 Speziell f r den Bio Disk Messplatz angefertigter CD Player 3 2 1 Anforderungen und Konzept Der CD Antrieb soll in der Lage sein mit bis zu 10 000 U min zu rotieren Die Regelung des Players soll definiert ber einen PC erfolgen Au erdem muss bereits der CD Player selbst eine Information ber die Drehgeschwindigkeit der CD liefern Am HSG IMIT wurde dies folgenderma en realisiert Bei dem Motor handelt es sich um ein Ger t der Firma Faulhaber Typ 3056K012B K312 K1155 Dieser wird von einem Motion Controller Faulhaber MCBL 2805 ein leistungsstarker 16 Bit Mikrocontroller gesteuert 10 Der Motion Controller verf gt ber eine RS232 Schnittstelle ber die ihm per PC die Soll Drehzahl vorgegeben werden
41. V 49152 10 V 65536 10 V 0 AusgangUnten 32768 Teilerzaehler 0 Frequenzteiler 1 Strobotrigger 20000 Laenge 0 5 ms Drello Empfehlung 0 03 1 ms dies ist so kurz da die Parameteranzeig nicht mehr mitkommt und man deshalb das Schwanken des Signals nur noch am Oszi nicht aber in der Parameteranzeige mitverfolgen kann IndexCounter 0 DataSetWritten 1 erstmal bergabe an Testpoint deaktivieren damit erst bei der ersten Flanke etwas bertragen wird FlagLastSignum 1 beim Start wird erstmal positiv gez hlt ZaehlerMultiply 0 wird unten beim ersten berlaufen hochgesetzt Kameradelay 512 12 8 us so wie in CamWare eingestellt Parameter die von Testpoint aus bergeben werden sollen m ssen direkt in der jeweiigen Programmzeile stehen Es l t sich nicht am Anfang einer Variablen ein Parameter zuweisen Die Variable wird dann nur einmal beim Start auf diesen Parameter gesetzt im Betrieb dann nicht mehr Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 71 Diplomarbeit Christian Beer A 3 ADbasic Programmcode H Hauptprogramm U EVENT NowTimer READ_TIMER Speichert aktuelle Zeit wird bei jedem Durchgang neu ausgelesen nicht aber innerhalb des Programms Ist aber auch nicht n tig da das gesamte Programm eh schnell durchlaufen muss Bei Globaldelay
42. ach einer Alterna tive recherchiert werden Die Entscheidung fiel auf die PCI MessKarte ADwin light 16 der Firma J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH 13 19 20 21 22 Sie verf gt ber einen eigenen Signalprozessor 40 MHz sowie internen Speicher 256 kB und wird so der Anforderung gerecht selbst ndig Aufgaben ausf hren zu k nnen Technische Daten ADwin light 16 Prozessor Taktfrequenz 40 MHz 25 ns Steps e interner Speicher Programme 128 kB e interner Speicher Daten 128 kB e Registerbreite 32 bit e Eing nge 6 digital 8 analog 1 Event Trigger e Ausg nge 6 digital 2 analog e A D Konvertierungszeit 10 us Die Karte muss zun chst mit der zugeh rigen Programmiersprache ADBasic program miert werden Dieses Programm l uft dann selbst ndig und unabh ngig vom Betriebssystem im Hintergrund ab Selbstverst ndlich k nnen aber dem ADBasic Pro gramm verschiedene Parameter durch TestPoint bergeben werden 3 5 2 Programmierung der Messkarte mit ADbasic Da die ADwin ebenfalls ein sehr wichtiger Teil des Messplatzes darstellt wird an dieser Stelle n her auf den Programmcode eingegangen der mit der Software ADbasic Version 3 20 der Firma J ger Computergesteuerte Messtechnik GmbH erstellt wurde Das vollst n dige Programm ist im Anhang A 3 vorzufinden Dort werden die einzelnen Programmzeilen jeweils nach den Zeichen im Programmcode selbst kommentiert An dieser Stelle soll nur das Wichtigste kur
43. arbeit Albert Ludwigs Universitat Freiburg Juli 2003 4 VISIT GmbH amp Co KG W rzburg www visit gmbh de Video Stroboskop Mocon RT Il Oktober 2002 S 3 5 B Stasicki G E A Meier J Renschke Flash free high speed video stroboscope Proc of 22th Int Congress on High Speed Photography and Photonics Santa Fee 27 Oct 1 Nov 1996 SPIE 6 DRELLO Ing Paul Drewell GmbH amp Co KG M nchengladbach www drello de Drelloscopie Werbeprospekt Oktober 2002 7 Hamamatsu Photonics Deutschland GmbH Herrsching www hamamatsu de Si PIN photodiode S7797 S5052 S8255 S5573 April 2001 8 LeCroy Corporation www lecroy de Waverunner Benutzerhandbuch Februar 1999 9 PC Paper Consult Engineering Group oHG Meschede www warensortiment de Speicherndes Temperaturmessger t TL 309 Mai 2001 10 Dr Fritz Faulhaber GmbH amp Co KG Sch naich www faulhaber de Motion Controller mit Sinuskommutierung f r EC Motoren Serie MCBL2805 2 Auflage September 2002 11 U Tietze Ch Schenk Halbleiter Schaltungstechnik Springer Verlag 10 Auflage 1993 Kap 27 12 PCO Computer Optics GmbH Kelheim www pco de SensiCam SensiCamQE Bedienungsanleitung Juli 2002 13 SM Elektronik GmbH Villingen Schwenningen www sm elektronik de Referenzhandbuch Kommandoebene SM5 SM300 SM400 Juni 1998 Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 7
44. ble Frequenz beiinhaltet die Zeit in Sl Einheiten also Hz oder 1 s Deshalb muss die halbe Periodendauer an diesr Stelle in Prozessorschritte umgerechnet werden 40000000 0 5 Frequenz Ausgehend von dieser Zeit m ssen 12 8 us subtrahiert werden Dies entspricht 512 Prozessorschritten dem Wert der Variable Kameradelay Durch die Klammer in der Version 02 wird dieser Wert aber mit dem Faktor 40000000 verrechnet was zu einer Subtraktion von 512 Sekunden anstatt 512 Prozessorschritten f hrt Da es so aussieht als w rde die Version Adbasic02 den Nulldurchgangstrigger unmittel bar auf den Ausgangstrigger weiterschalten wird vermutlich die gro e negative Wartezeit von 512 Sekunden als Null interpretiert Das Vermessen des tats chlichen Bildspringens bei der Version 03 zeigt den zu erwar tenden Verlauf Das Bild springt hier um den Wert der Periodendauer Schwankung des CD Players bei 180 Die Version 03 funktioniert aber im unteren Frequenzbereich bis 8 Hz nur bis zu einem Azimutal Winkel von 180 da 180 der TestPoint Steuerung bereits 360 auf der CD entsprechen Bei einer Umdrehung der CD von 360 also bei wiederholtem Auftre ten eines Nulldurchgangstriggers wird bei der Frequenzteilung von 1 der Strobotimer bereits zu diesem Zeitpunkt neu gesetzt Dadurch wird auch NowDelta wieder auf Null gesetzt und damit die Bedingung zum Schalten des Ausgangstriggers nicht erreicht Die Zeiten berlappen sich Erst ab einer Frequen
45. datenerfassungskarte ADwin light 16 Bei jedem Programmdurchlauf wird die Variable NowDelta berechnet welche die ver strichene Zeit seit dem Strobotimer gesetzt wurde beinhaltet Ist diese Zeit nun gr er als Strobodelay und Winkeldelay so ist die Startbedingung f r den Ausgangstrigger gegeben und die Karte gibt eine Spannung von 5 V auf dem Ausgang 1 aus otrobodelay symbolisiert die Wartezeit t 1 2 T 12 8 us nach der das Stroboskop angesteuert werden mu um zum Zeitpunkt t 1 2 T die maximale Intensit t erreicht zu haben wie dies in Kap 2 2 vorgestellt wurde Durch die Variable Winkeldelay kann eine zus tzliche Wartezeit eingestellt werden welche die Signale um diese Wartezeit verschiebt was auf der CD zu einer Bildaufnahme bei einem anderen Winkel f hrt Der Wert von Win keldelay wird abh ngig von dem in der TestPoint Steuerung durch den Benutzer angegebenen Winkel und der aktuellen Drehfrequenz berechnet Wird nun NowDelta gr er als die Summe aus Strobodelay Winkeldelay Strobotrigger so wird der Ausgangstrigger wieder auf 0 V gesetzt In Strobotrigger ist lediglich die Zeitdauer des Ausgangstriggersignals von 0 5 ms definiert Sowohl das Stroboskop als auch die Frame Grabber Karte der CCD Kamera werden durch das Ausgangssignal der ADwin Karte angesteuert Das Stroboskop erkennt die Flanke des Triggersignals und gibt unmittelbar einen Lichtblitz mit
46. der Graphikkarten Treiber wie von selbst l scht und der auch sonst immer ein offenes Ohr f r mich hatte Bleibt so wie ihr seid F r die intensive Betreuung meiner Arbeit danke ich Markus Grumann sowie Thilo Bren ner f r die Betreuung zu Beginn der Arbeit Auch bei Gino Raffa und Gerhard Kattinger vom HSG IMIT m chte ich mich f r den Sup port rund um den Player bedanken Ein weiterer Dank auch an die Mitarbeiter der mechanischen Werkstatt und der Elektro werkstatt des IMTEK die allzeit f r verschiedene Aufgaben bereit waren Auch bei meinen Kollegen Michael Dobmeier und Patric Schippers die ich nun schon seit einiger Zeit kenne und die mir in unserem Gro raum Labor B ro Gesellschaft leisteten m chte ich meinen Dank aussprechen Patric der mit hnlichen allt glichen Problemen wie ich zu k mpfen hatte z B rund um TestPoint Suchen des Dongles hat es immer wieder geschafft mich zu motivieren Mit Michael ihr habt s ja alle besser als ich durfte ich einige interessante Diskussionen ber verschiedene Dinge f hren Ich hoffe dass wir uns auch in Zukunft nicht aus den Augen verlieren Mit Tanz und Akrobatik sorgte Meike Moschallski ab und zu f r Abwechslung in unserem B ro Daf r und f r die gute Zusammenarbeit am Player Messplatz ein herzliches Dankesch n Dank auch an Philipp Waibel mit 3 P und einem L nun kann ich s mir merken f r die Unterst tzung gegen Ende meiner Arbeit Ein weiteres Da
47. die Untersuchung von Mischprozessen ist es erforderlich die Fluide auch in den Kan len beobachten zu k nnen was eine Aufl sung von deutlich kleiner 100 um auch w hrend der Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 38 Diplomarbeit Christian Beer 3 3 CCD Kamera Rotation erforderlich macht Als Auswahlkriterium f r eine geeignete Kamera muss daher auf eine sehr geringe Belichtungszeit geachtet werden Grafik 3 33 verdeutlicht am Beispiel einer Belichtungszeit von 100 ns die die eingesetzte Kamera erreicht welchen Weg s die zu beobachtenden Strukturen bei verschiedenen Radien und Drehfrequenzen zur cklegen Im schlechtesten Fall also am Rand der CD bei h chster Drehfrequenz bewegt sich ein bestimmter Punkt w hrend 100 ns um S v t oxr t 2 Tl vuxr t 2 I1 167 Hzx 0 06 m 0 1 us 6 28 um in azimutaler Richtung unter der Kamera weiter Azimutale Bild Verwischung wahrend 100 ns 6m r 45cm r 3cm 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 v U min T Abbildung 3 33 Berechnete azimutale Verwischung der aufgenommen Bilder bei einer Belichtungszeit von 100 ns und verschiedenen Radien Das bedeutet da s mtliche Strukturen auf der Aufnahme um diese 6 um breiter erscheinen als in Wirklichkeit und damit verschmiert aussehen Gr ere Belichtungszei
48. dzeiten k nnen auch hier hohe Temperaturen erreicht werden Die abfallende Flanke des Intensitatsverlaufs des Stroboskops weist eine geringere Stei gung auf als die ansteigende Da die Helligkeitsschwankungen bei flacherem Intensit tsverlauf geringer sind als bei steil verlaufendem ist eine Wartezeit ber das Maxi mum hinaus geschickter als eine die kleiner ist Aus den durchgef hrten Messungen ergibt sich als Mittelwert aller Mittelwerte was einen typischen Wert darstellen d rfte eine Zeitdif ferenz von 12 877 us Deshalb wurde die Zeitdifferenz f r die Ansteuerung der Kamera auf 12 8 us festgelegt wodurch die Bildaufnahme in der Zeit zwischen 12 8 und 12 9 us erfolgt Dieser Wert 12 8 us wird zwar bei 10 Hz auch nach einer Betriebszeit von einer Stunde und 40 Minuten noch nicht vollst ndig erreicht ist aber wie gezeigt durchaus sinnvoll Liegt die Blitzverz gerung aufgrund langer Betriebs oder sehr langer Standzeiten evtl doch h her so w rde eine geringere Wartezeit zu gr eren Helligkeitsschwankungen f hren als sie bei 12 8 us auftritt Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 26 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player Ausblick Zur Kompensation des Temperaturdrifts der Blitzverz gerung dt k nnten die in den Dia grammen angegebenen Funktionen der polynomischen Fits in TestPoint hinterlegt werden Dazu m sste ein
49. e 57 Ausblick amp x amp amp 2 2 amp amp er amp m 60 4 2 Funktion des Messplatzes DU 4 3 Bildinstabilitaten e 62 4 3 1 Helligkeitsschwanken e 62 4 3 2 Bildspringen e 62 Auswertung mitNeuroCheck 62 A Anhang S oe oe ae Be we e e 09 A 1 Technische Spezifikationen Leto ELSE eme os s oae ao oa oaoa 69 A 2 Abh ngigkeiten der SensiCam Bild Wiederholrate 70 A 3 ADbasic Programmcode 2 ee ee 7O Literaturverzeichnis e TB Danksagung A amp amp 2 a 44 4 a amp 3 a amp 2 A A E Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe VII 1 Einleitung 1 1 Zielsetzung dieser Arbeit Diese Diplomarbeit ist innerhalb des Projektes Bio Disk der Produktgruppe Lab on a Chip am Lehrstuhl f r Anwendungsentwicklung Albert Ludwigs Universit t Freiburg IMTEK Institut f r Mikrosystemtechnik angefertigt worden F r das Projekt welches in Kapitel 1 2 n her beschrieben wird ist ein Messplatz erforderlich der es erm glicht mikro fluidische Strukturen auf einer rotierenden Scheibe zu beobachten Die Kenntnis ber das Verhalten von zentrifugal angetriebenen Fl ssigkeiten spielt dabei eine zentrale Rolle Im wesentlichen handelt es sich hier um Str mungsvorg nge und Mischprozesse von Fluiden im Mikrol
50. e Frequenzteiler wird abh ngig von der Eingangsfrequenz des Player Signals der Teiler bestimmt durch den dieses Signal geteilt werden mu damit das Aus gangssignal kleiner 8 Hz ist Mit der Variable Teilerz hler werden nun die Impulse des Eingangssignals bis zu dem in Frequenzteiler gespeicherten Wert gez hlt und sobald diese Zahl erreicht ist wird die Variable Strobotimer auf die aktuelle Zeit des Prozessorti mers und Frequenzteiler auf null gesetzt So wird der Zeitpunkt der letzten 0 Marke bez glich der die Kamera und das Stroboskop angesteuert werden m ssen festgehalten Diese Frequenzteilung ist in Abb 3 45 zu sehen Frequenzteilung von ADwin Ausgabe Frequenz Hz 0 16 32 48 64 80 96 112 128 144 160 Eingangs Frequenz Hz Abbildung 3 45 Dargestellt ist die Frequenzteilung des Eingangs Signals Nulldurchgang CD Player welche die ADwin Karte zur Berechnung der Frequenz des Ausgangsignals zur Ansteuerung von Stroboskop und CCD Kamera vornimmt Zwischen Ausgangs und Eingangsfrequenz besteht stets ein linearer Zusammenhang da der Ausgangspuls zeitsynchron zum Eingangspuls gesetzt werden mu Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 50 Diplomarbeit Christian Beer 3 5 Mess
51. e Beschreibung der Integration in den Messplatz sowie die Evaluation der Einzelkomponente Teilweise wird auch die Ansteuerung der Komponenten ber die TestPoint Oberfl che des Messplatzes erw hnt f r die vollst ndige Dokumentation der Softwareoberfl che sei an dieser Stelle auf Kapitel 4 1 verwiesen 3 1 Stroboskop Abbildung 3 1 Lichtblitzstroboskop DRELLO 255 01 3 1 1 Anforderungen Bei dieser Komponente beschr nken sich die Anforderungen zun chst auf eine Gasent ladungslampe mit ausreichender Lichtintensit t welche extern gesteuert werden kann Wichtig f r den Messplatz ist allerdings die genaue Kenntnis ber das Verhalten der Blitz lampe Hierauf wird im Kapitel 3 1 2 Evaluierung n her eingegangen Verwendet wird das Ger t 255 01 der Firma DRELLO Ing Paul Drewell GmbH amp Co KG Technische Daten DRELLO 255 01 e Blitzfrequenz 0 50 Hz e Blitzenergie max 2 5 Ws Blitz e Blitzdauer 5 8 us in halber Amplitudenh he Halbwertszeit e Spektralbereich 300 1100 nm e Triggerung 3 12 V 0 03 1 ms Dauer Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 10 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Das Gerat ist zudem mit einem 1 m langen Glasfaserlichtleiter mit einem aktiven Durch messer von 13 mm ausgestattet Nachfolgende Abb 3 2 zeigt den typischen Intensitats Zeitverlauf des Lichtblitzstroboskopes DRELLO 255
52. e Standardabweichung in dieses Mittelwertes Da die Standardabweichungen der einzelnen Messreihen sehr gering sind liegen bei dieser Skalierung alle Kurven bereinander Als der Player 2 kurzzeitig zur Verf gung stand wurde auch hier die Frequenzstabilitat mit der Standard CD und ohne CD untersucht Der geringf gig andere Verlauf geringere Standardabweichung gr ere Abweichung des Mittelwerts bei hohen Frequenzen ist in Abb 3 28 zu sehen Bei zunehmenden Frequenzen wird auch die Impulsbreite des Nulldurchgangstriggers geringer da sich die ffnung der Metallscheibenblende des Impulsgebers schneller an der detektierenden Photodiode vorbeibewegt Da dieses Signal mit der ADwin Karte erfa t und weiterverarbeitet werden muss ist es sinnvoll den genauen Verlauf der in Abb 3 29 dar gestellt ist zu kennen Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 34 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player Verh ltnis Ist Soll Frequenz des CD Players 2 1 05 fist fson H ohne CD mit CD Standardabweichung standardabweichung 1 00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Soll Frequenz Hz Abbildung 3 28 Verh ltnis zwischen vorgegebener und tats chlicher Frequenz des zweiten Players Verlauf von Pulsbreite und Amplitude des Nulldurc
53. e Strukturen auf einem Alu Tr ger im CD Format zur Anwendung Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 3 2 Konzept des Messplatzes 2 1 berblick Grundlage des Detektionskonzeptes des Messplatzes ist der Stroboskop Effekt Strobo skope werden zur Visualisierung von Objekten eingesetzt die sich schneller bewegen als das menschliche Auge dies wahrnehmen kann Das Objekt wird hier synchron also mit der selben oder einem ganzzahligen Bruchteil der Objektfrequenz mit einer Gasentladungslampe beblitzt wodurch der Eindruck eines stehenden Bildes entsteht 4 5 6 Da es sich bei dem Messplatz um die Beobachtung eines periodischen Voganges rotie rende Scheibe handelt wird im folgenden nicht n her auf aperiodische Vorg nge eingegangen deren Beobachtung mit Stroboskopen nat rlich auch m glich ist Wird nun die Bildaufnahmefrequenz im Vergleich zur Objektfrequenz variiert so erh lt man eine Art Zeitlupenaufnahme des schnell ablaufenden Vorganges da die einzelnen Bilder jedesmal einen anderen Zeitpunkt innerhalb der Periodendauer des Objektes repr sentieren Im vorliegenden Fall soll ein Standbild eines bestimmten Bildausschnittes auf einer rotie renden Scheibe erzielt werden Hierf r ist es erforderlich die Bildaufnahmefrequenz der Objektfrequenz anzupassen Hinzu kommt da die Position des Bildausschnittes auf der CD w hrend der R
54. eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 24 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Die unterschiedlichen Messdauern haben verschiedene Gr nde Wie aus Abb 3 11 ersichtlich erh hte sich die Temperatur bei einer Repetitionsrate der Blitzlampe von 1 Hz nur ca alle 100 Sekunden um 0 1 C Bei dem Schwanken der Temperatur um 0 1 C wah rend dieser 100 Sekunden handelt es sich um Quantisierungsrauschen des Thermometers bzw um die Aufl sungsgrenze des Temperaturmessgerates Weil der Temperaturanstieg und damit auch die Zunahme der Blitzverz gerung dt in diesem Fall nur m ig war wurde die Messung nach ca 40 Minuten beendet Die Messreihe bei 10 Hz wurde ber einen Zeitraum von einer Stunde und 40 Minuten aufgenommen Die Temperaturkurve endet hier allerdings bei 4 000 Sekunden 1 Stunde da das Temperaturmessger t zu diesem Zeitpunkt noch nicht in die TestPoint Steuerung eingebunden war und der interne Speicher des Temperaturmessger tes ber gelaufen war Aber auch hier ist erkennbar vgl Abb 3 13 da die Blitzverz gerung dt nach ca 40 Minuten nicht mehr sonderlich anstieg Auch hier blieb die Temperatur jeweils ca 50 Sekunden konstant bis auf das Quantisierungsrauschen des Thermometers Bei der n chsten Messung mit einer Blitzfrequenz von 30 Hz wurde auch nahezu zwei Stunden gemessen allerdings standen ab ca einer Stunde keinen korrekten Messwerte mehr
55. ende Konzept des Messplatzes sowie die Evaluierung der Einzelkomponenten nach bestimmten Parametern dar Dabei wurde jeweils besonderen Wert auf das f r den Messplatz als Gesamtsystem entscheidende Ver halten der Einzelkomponente gelegt Das verwendete Stroboskop erreicht die maximale Lichtintensit t erst nach einer gewis sen Zeit Diese Blitzverz gerung musste zuerst ermittelt werden da die Kamera gegen ber dem Stroboskop um diese Zeit versetzt angesteuert werden muss Dieser st ndig vorhan dene Zeitversatz w rde ohne die durchgef hrte Kompensation dazu f hren dass sich die zu beobachtende Struktur bei nderung der Drehfrequenz aus dem Bild bewegt Auch das aufgetretene azimutale Bildspringen wurde ausf hrlich untersucht und bewertet Vi Diplomarbeit Christian Beer Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung cf ow amp amp amp amp oe oe Se 2 we ee ET 1 1 Zielsetzung dieser Arbeit 2 a eee 1 1 2 Das Bio Disk Konzept e 2 2 Konzept des Messplatzes 00a a a a a a A 21 berblick 2 2 RN EE AA A e e 2 2 Ansteuerung der Komponenten e 6 3 Komponenten des Messplatzes 10 3 1 Stroboskop e 10 3 1 1 Anforderungen e 10 3 1 2 Evaluierung der Reproduzierbarkeit 114 Regelung der Intensit t des Stroboskops 15 Statistische Auswertung von 1 000 Blitzereignissen 16 Zeitverlauf und Temperaturgang ik Oe a s e a 19 Festlegung der
56. er gleiche Zusammenhang zu erwarten Die Ausrichtung des Stroboskops zur Diode wurde hier auf die gleiche Weise vorgenom men wie bereits zuvor erw hnt Lediglich der Abstand wurde auf 44 cm angepasst Dieser wurde so gew hlt um auch bei maximaler Potentiometerstellung die Verst rkerschaltung nicht zu bersteuern Die Grafik 3 7 zeigt jeweils den Mittelwert sowie den h chsten und tiefsten Messwert von ca 100 Blitzereignissen ermittelt ber den Statistik Modus des LeCroy Oszilloskops Die Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 15 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Standardabweichung liegt im Bereich von 0 5 vom Mittelwert au er bei der kleinsten Ein stellung wo sie 10 73 betr gt Es empfiehlt sich also nicht das Stroboskop mit der geringsten Potentiometerstellung zu betreiben Bemerkenswert ist die Tatsache da das Potentiometer keinen Einflu auf die Blitzver z gerung hat Wie bereits erw hnt h ngt diese nur von der Amplitudenh he des Steuersignals ab Dieser Sachverhalt wurde an dieser Stelle auch kurz berpr ft und ist in Tabelle 3 1 aufgef hrt Amplitude des Blitzverz gerung Steuersignals V us 2 5 24 87 3 15 8 5 13 3 8 12 8 Tabelle 3 1 Gemessene Abh ngigkeit der Blitzverz gerung dt von der Amplitudenh he des Steuersignals Im Rahmen der gesamten Arbeit wurde steht mit
57. erden Bio Disk Player08 program sequence a Bel x 1 set acceleration Hz s 10 k 2 set acceleration Hz s i 3 set acceleration Hz s 3 set frequency Hz 4 set acceleration Hz s i i i 4 delay s 5 set acceleration Hz s 1 set acceleration Hz s1 10 fo fo it aon sat mn 1 Abbildung 4 4 TestPoint Fenster Program Sequence mit dem ein Fahrprogramm erstellt werden kann Uber das Fenster Programm Sequence vgl Abb 4 4 steht dem Anwender die Option zur Verf gung ein Fahrprogramm zu erstellen Dort k nnen in f nf Schritten die zu fahren den Rampen also Beschleunigung Enddrehzahl und Drehrichtung vorgegeben werden Die Beobachtungsposition in radialer und azimutaler Richtung kann gleich zu Beginn auch jeweils festgelegt werden Das Display acceleration time zeigt pro Programmschritt jeweils Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 59 Diplomarbeit Christian Beer 4 2 Funktion des Messplatzes den berechneten Wert der Beschleunigungszeit an also die Zeit die mit der jeweiligen Beschleunigung zum Erreichen der jeweiigen Enddrehzahl ben tigt wird Ist diese Zeit ver strichen so stoppt die TestPoint Steuerung eine in delay angegebene Zeit lang Dies ist sinnvoll um einen bestimmten Bereich auf der CD ber einen l ngeren eben diesen Zeit
58. erung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 61 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten 4 3 Bildinstabilitaten Kapitel 4 2 hat die Funktionalit t des Messplatzes gezeigt Nach der Durchf hrung eini ger Experimente fiel aber auf dass die aufgenommenen Bilder gewisse Defizite aufweisen Zum einen ist die Helligkeit ber das Bild nicht gleichm ig verteilt andererseits ist die Gesamthelligkeit von Bild zu Bild unterschiedlich Au erdem wurde ein azimutales Bildspringen festgestellt d h dass in zwei aufeinander folgenden Bildern nicht der exakt gleiche Bildausschnitt zu sehen ist Um die Messergebnisse also die aufgenommenen Bilder optimal miteinander vergleichen zu k6n nen ist es von ausserordentlichem Interesse dass der betrachtetete Bildausschnitt immer den selben Bereich auf der CD zeigt Wenn man bestimmten Helligkeitswerten beispiels weise ber Falschfarbendarstellung betimmte Farben zuordnet so k nnten Mischprofile erkannt und damit Mischvorg nge ber Intensit tsverteilungen innerhalb des Bildes nach gewiesen und n her untersucht werden Ein springedes Bild ist bei solchen Auswertungen st rend 4 3 1 Helligkeitsschwanken F r die unterschiedlichen Helligkeiten von Bild zu Bild gibt es zwei Ursachen Wie in Kap 3 1 ausf hrlich beschrieben schwankt zum einen die Amplitude der Lichtintensit t des Stro boskops mit bis zu 2 04 um den Mittelwert Zum anderen schwankt auch die Blitzve
59. esteuert werden soll manual Mit direction of rotation kann die Drehrichtung eingeben werden left right Die Schaltf che start ramp bergibt dem Motion Controller die zu erreichende Drehzahl set frequency in Hz und die Beschleunigung set acceleration in Hz s bzw U s die dieser dann selbst ndig regelt Um den Player schnell zum Stillstand zu bringen steht die Schalf che stop zur Verf gung Um auch noch andere als die derzeit gebrauchten Befehle an dem Motion Controller schicken zu k nnen ist das Feld command vorhanden Hier k nnen s mtliche Steuerbefehle die 10 zu entnehmen sind eingetragen und mit der Schaltfl che send command an den Motion Controller gesendet werden Mit programm sequence wird eine neue Oberfl che ein neues Panel ge ffnet welches in Abb 4 4 zu sehen ist In dem Feld Radial Position Linear Drive kann die Position der CCD Kamera ber dem CD Player mit dem Linearantrieb in radialer Richtung varriert werden Es stehen zwei M g lichkeiten der Positionsvorgabe zur Verf gung type of control slider direct input Damit der Benutzer w hrend eines Experimentes schnell und unkompliziert in der Lage ist die betreffende Stelle auf der CD anzufahren steht ein Schieberegler slider zur Verf gung Der Marker kann mit der Maus verschoben werden und dadurch kann der gesamte CD Radius von 6 cm abgefahren werden Die Stell
60. fluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 47 Diplomarbeit Christian Beer 3 5 Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 Geschwindigkeit des Linearantriebs v mm s 10000 20000 30000 40000 50000 Vorgabe Wert Abbildung 3 44 Geschwindigkeiten des Linearantriebs Tats chliche Geschwindigkeit bei vorgegebenen Werten der TestPoint Steuerung 3 5 Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 3 5 1 Anforderungen Da die Ansteuerung des Messplatzes v a aus Dokumentationsgr nden einfach ber einen PC erfolgen soll ist es erforderlich die Frequenzinformation des CD Antriebs in den PC einzulesen Dort wird sie dann entsprechend weiterverarbeitet und abh ngig von ver schiedenen Benutzereingaben wird schliesslich das Ausgangssignal gesetzt welches zur Steuerung von Stroboskop und Kamera dient Bisher wurden am Lehrstuhl f r Anwendungsentwicklung f r solche Aufgaben die Mes skarten KPCI 3104 von Keithley eingesetzt Dementsprechend sollte eine solche Karte auch f r diese Anwendung verwendet werden Dabei wurde festgestellt da die Flanke des Null durchgangssignals des CD Players nicht reproduzierbar erkannt werden konnte bzw der ausgegebene Triggerimpuls f r Kamera und Stroboskop nicht zeitkonstant zum eingele senen Signal war Auch eine sehr stabile durch einen Funktionsgenerator generierte Rechteckspannung konnte nicht mit ausreichender Genauigkeit erfasst werden Dies
61. genommenen Bild automatisch eine Numerie rung zu Im brigen werden bei jedem Setzen des Ausgangstriggers die aktuellen Parameter wie Zeit und Frequenz bergeben Da der Ausgangstrigger aber 500 us lang gesetzt bleiben soll w rden bei einer Programmlaufzeit von 12 5 us 40 mal identische Werte f r die Fre quenz bergeben werden Au erdem wird w hrend der gesamten Zeit in der der Ausgangstrigger 5 V betr gt nur einmal ein Blid aufgenommen n mlich in dem Moment der aufsteigenden Flanke D h dass nur die Zeit bei der das Triggersignal auf 5 V springt die richtige Zeitinformation f r das aufgenommen Bild repr sentiert Aus diesem Grund berpr ft die Variable DataSetWritten ob die bergabe der Para meter an TestPoint bereits erfolgt ist Somit werden die Werte also nur einmal und zwar in dem Moment des Setzens des Ausgangstriggers auf 5 V bergeben Die ADwin Karte verf gt ber einen 32 bit Timer Dies ist zwar ein guter Wert aber bei Prozessorschritten von 25 ns l uft dieser Timer bereits nach 53 7 Sekunden a Prozes sorschritte nach dem Starten Uber und springt auf den negativen Wert von 2 Prozessorschritten Nun z hlt der Timer ausgehend von diesem negativen Wert hoch und springt demzufolge ab jetzt alle 107 4 Sekunden SES Prozessorschritte erneut auf den Wert von en Deswegen wird durch die Variable FlagLastSignum das Vorzeichen des Timers berpr ft und bei jedem Springen von 2 auf 2 wird die
62. hgangs Triggers Pulsbreite ms Amplitude V 0 20 40 60 80 100 120 140 160 v Hz Abbildung 3 29 Verlauf der Pulsbreite und der Amplitude des Nulldurchgangssignals Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 35 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player Einschwingverhalten Hier wurden dem Motion Controller des CD Players ebenfalls mit der TestPoint Steue rung verschiedene Beschleunigungsrampen sowie die zu erreichende Enddrehzahl vorgegeben Zur Aufzeichnung der Ist Frequenz wurde hier das von der ADwin Karte und in der TestPoint Steuerung protokollierte Nullduchgangssignal verwendet So kann Uber einen beliebig langen Zeitraum der zeitliche Verlauf der Frequenz mit einer Abtastrate bis zu 8 Hz aufgrund der Programmierung der ADwin erfasst werden W rde man die Signale mit dem Oszilloskop erfassen so m sste man die Daten wieder per GPIB mit TestPoint einlesen um den zeitlichen Verlauf darstellen zu k nnen Dles ist aber bedeutend langsamer F r diese Messung ist die beschriebene Vorgehensweise also durchaus praktikabel Einschwingverhalten Player Beschleunigung mit 10 Hz s auf 167 Hz 180 160 140 120 100 v Hz 80 60 40 20 0 5 10 15 20 t s
63. ie Steuerung unterteilt die gesamte Fahrstrecke des Linearantriebs von 240 mm in 95 000 Inkremente Wenn s den zur ckzulegenden Weg bezeichnet so muss der Steue rung der Wert m x 95 000 bergeben werden Die Vorgabe der Geschwindigkeit setzt sich nun aus diesen Inkrementen der Drehfrequenz der Schneckenwelle in Hz sowie weiterer Parameter dieser Schnecke zusammen Der genaue Zusammenhang ist 13 zu entnehmen Da sich der einzugebende Wert f r die Geschwindigkeit also aus mehreren Parametern zusammensetzt ist es sinnvoll die tats chliche Relation zu berpr fen Mit einer Stoppuhr wurde daher die Zeit bestimmt in der der Linearantrieb die maximal zur Verf gung ste hende Strecke von 240 mm zur cklegt Tabelle 3 5 und Abb 3 44 zeigen die daraus ermittelten Geschwindigkeiten Der Controller SM300 akzeptiert auch Werte ber 50 000 welche die Verfahrgeschwindigkeit allerdings nicht mehr steigern Wert Ee REGER 1 000 100 2 4 10 000 10 24 20 000 5 48 50 000 2 120 Tabelle 3 5 Geschwindigkeiten des Linearantriebs Zusammenhang zwischen der tats chlichen Geschwindigkeit und des in der TestPoint Steuerung vorgegebenen Wertes Beim Start der Messplatz Software wird der velocity Wert auf 3 000 gesetzt wodurch sich der verandernde Bildausschnitt beim Verfahren der Kamera auf dem Bildverarbeitungs PC noch gut mitverfolgen l sst Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikro
64. iebszeit aufheizt Des halb wurde zus tzlich der Temperaturverlauf mitprotokolliert An dieser Stelle wurde allerdings darauf verzichtet die Blitzlampe bei jeder Frequenz auf die gleiche Aus gangstemperatur zu bringen In Abb 3 9 ist im oberen Bereich der Mittelwert der Zeitdifferenz dt zwischen der anstei genden Flanke des Triggersignals und dem Maximalwert der Intensit t dargestellt Zu jedem Datenpunkt ist zu tzlich der jeweils h chste und niedrigste Wert sowie die Standar dabweichung durch Fehlerindikatoren aufgef hrt Der Mittelwert der Blitzverz gerung liegt im Bereich zwischen 12 462 und 13 394 us die Standardabweichung zwischen 0 07 us 0 56 und 0 277 us 2 07 Frequenzgang des Stroboskops Statistik ber 1000 Blitzereignisse 14 60 12 r SS Blitzverz dt high 150 10 dt average dt low e 4 _ U high o 8 t a D U average r a U low I 40 ki 6 T a 35 Detektor Pe S L 30 ab 40 Hz Overload 2 f 25 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 v Hz Abbildung 3 9 Frequenzgang der Blitzverz gerung dt Zeitdifferenz zwischen Intensit tsmaximum und ansteigender Flanke des Steuersignals und des Detektor Peaks U Intensit t Statistische Auswertung von jeweils 1 000 Blitzereignissen Die Blit
65. iegt nun um einen Faktor zehn darunter Dies macht die Verwendung einer Lichtquelle mit hoher Intensit t erforderlich um in dieser kurzen Zeit gen gend Lichtenergie auf den CCD Chip zu bringen Solch gro e Intensit ten werden am einfachsten mit Gasentladungslampen erreicht Alternativ kann man die Belichtungszeit der Kamera auch gr er w hlen wenn man das Objekt entsprechend kurz beblitzt Man erh lt dadurch dennoch eine Aufnahme eines kurzen Momentes welcher der Dauer des Blitzes entspricht H tte man also ein Lichtblitz ger t mit kurzen Pulsen und ausreichender Intensit t zur Verf gung so k nnte man auch eine kosteng nstigere Kamera einsetzen Aus diesem Grund wurde auch nach alternativen Blitzger ten recherchiert Dabei wurde an die Verwendung von Laserdioden gedacht Laserdioden liefen aber kein kontinuierliches Licht Spektrum sondern senden nur diskrete Wellenl ngen aus Der Einsatz von bestimm ten Wellenl ngen ist durchaus auch denkbar aber die Verwendung des gesamten Spektrums des sichtbaren Bereichs stellt derzeit den gr ten Handlungsspielraum zur Ver f gung Ein weiterer Punkt warum Laserdioden nicht zum Einsatz kamen ist die deutlich geringere Intensit t der Laserdioden im Vergleich zum verwendeten Stroboskop Die Abbildung 2 1 stellt schematisch den Aufbau des gesamten Messplatzes dar Das Kernst ck bildet der Antrieb der Bio Disk der sogenannte Bio Disk Player oder kurz CD Player Er wird durch den Steue
66. ieser Frequenz v abh ngig und damit nicht konstant repr sentiert also nicht den selben Bildausschnitt Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 8 Diplomarbeit Christian Beer 2 2 Ansteuerung der Komponenten Es muss also ein von der jeweiligen Periodendauer bzw Frequenz abhangiger Bildauf nahmezeitpunkt vorausberechnet werden Entscheidend ist also allein die Wartezeit zwischen Nulldurchgangstrigger und Startzeitpunkt der Kamera Belichtung Das Strobo skop muss lediglich begleitend dazu im richtigen Moment angesteuert werden um wahrend der Bildaufnahme gen gend Licht zur Verf gung stellen zu k nnen Dies ist bez glich des Startzeitpunktes der Kamera Belichtung bei 12 8 us vorher der Fall Um auch andere Orte auf der CD beobachten zu k nnen mu der Aufnahmezeitpunkt dementsprechend angepa t werden Bei einer Wartezeit von t 3 4 T nach dem Nulldurch gangssignal w rde man z B den Bildmittelpunkt auf 270 bzgl des Nulldurchgangssignals setzen Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 9 3 Komponenten des Messplatzes In diesem Kapitel werden die einzelnen Komponenten des Messplatzes ausf hrlicher beschrieben Dabei wird jeweils auf die Anforderungen der Einzelkomponente in Bezug auf das Gesamtsystem eingegangen Anschlie end folgt das Konzept bzw di
67. igger Signal zeitsynchron evtl auch mit Delay aber auf jeden Fall zeitsynchron mit der ansteigenden Flanke des Eingangssignals gesetzt wird Strobotimer MUSS also HIER gesetzt werden Er wird also gesetzt nachdem der Player Impuls Frequenzteiler mal erfasst wurde Auf diese Weise verliert man den erstm glichen Puls da der Strobotimer nur dann gestartet wird wenn der Teilerzaehler einmal gr er als der Frequenzteiler war Aber dies spielt keine Roll Teilerzaehler 0 Teilerzaehler wieder auf 0 setzen um erneut hochz hlen zu k nnen ENDIF FlagObUnt 1 soll anzeigen da das Eingangssignal oben ist RTNew NowTimer Neue Zeit aktuelle Zeit auslesen Frequenz 40000000 RTNew RTOld Frequenz 1 Neue Zeit minus alte Zeit Alte Zeit Zeitpunkt der ansteigenden Flanke des letzten Puls RTOld RTNew Neue Zeit als alte Zeit f r den n chsten Schritt speichern Kompensation des Bilddrifts U Der Ausgangs Impuls kann nicht unmittelbar nach Erfassen eines Player Impulses gesetzt werden da der Blitz nach diesem Puls noch eine gewisse Delay Zeit hat Deshalb wird ein frequenzabh nigiges Zusatz Delay eingef hrt welches bei gr er werdenden Frequenzen kleiner wird Bahngeschwindigkeit bei Radius r v w r v s t w 2 Pi f Winkelgeschwindigkeit w v r const bei gleichbleibender Frequenz Entwicklung und Evaluierung eine
68. ingungen f r Schlupf zu ermitteln Bei Standard CDs bzw Bio Disks auf Standard CDs mit einem Gewicht bis zu 22 g konnte auch bei Beschleunigungen von 10 000 Hz s beim Abbremsen kein Schlupf fest gestellt werden Nachdem die Haftreibungskraft berwunden wurde tritt bei den leichten Alu CDs ab einer Beschleunigung zwischen 15 und 17 Hz s schlagartig ein Schlupf von ca 10 auf Bei den schweren Alu CDs ist dieser Schlupf bereits ab 4 bis 6 Hz s zu beobachten Die gr te Winkelverschiebung von ca 100 ereignete sich bei der schweren Alu CD mit einer Beschleunigung von 10 000 Hz s steilere Rampen haben keinen weiteren Einflu H lt man sich entweder an die angegebenen Beschleunigungs Grenzwerte oder setzt man eine CD mit einem geringf gig h heren Gewicht einer Standard CD ein so steht der Durchf hrung eines reproduzierbaren Experiments von seiten des Schlupfs nichts im Wege Ausblick Interessant w re noch das Verhalten beim Aufbringen von Unwuchten zu kl ren Da hier die Schwankung der Drehfrequenz mit Sicherheit gr er wird ist auch ein gr eres azimu tales Bildspringen zu erwarten siehe Kap 4 3 Falls Interesse besteht so lie e sich aus der Kurve der Ist Soll Frequenz auch eine Fit Funktion zur Kompensation der berh hten Frequenzen ermitteln welche in TestPoint hinterlegt werden k nnte 3 3 CCD Kamera 3 3 1 Anforderungen Die Kanalgeometrien auf den Bio Disks liegen bei einer Gr enordnung um 100 um F r
69. io Disk Konzept 1 2 Das Bio Disk Konzept Im Rahmen des Projektes Bio Disk soll ein neuartiges Blut Analyse System entwickelt werden Als Plattform wurde eine Scheibe gew hlt deren Format der etablierten Compact Disk CD nahe kommt Dabei wird der Zentrifugaldruck bedingt durch die Rotation der CD als einziges aktives Steuerelement genutzt Das Bio Disk Konzept kommt dabei ganz ohne weitere aktive Komponenten wie Pumpen oder Ventile im eigentlichen Sinn aus Funk tionen wie Medientransport Trennen oder Mischen von Reagenzien werden allein durch die Zentrifugalkraft herbeigef hrt Abbildung 1 1 Erster Prototyp einer Bio Disk Auf der CD sind Reservoire f r Reagenzien Kan le und Reaktionskammern unterge bracht Ausgehend von der Probenaufbereitung des Vollbluts welches im Zentrum der CD in ein daf r vorgesehenes Reservoir injiziert wird bis hin zum Nachweis verschiedener Krankheitserregger z B Hepatitis Tetanus Diphtherie wird eine vollst ndig auf der CD integrierte Prozessf hrung erm glicht In Reaktionskammern am Rand der CD befinden sich K gelchen sogenannte Beads auf denen verschiedene Antigene immobilisiert sein k nnen Dringt das Blut nun in die Reaktionskammern ein so werden die Beads allseitig mit Blut umsp lt Da das Blut sich in unmittelbarem Kontakt mit den Beads befindet laufen die stattfindenden Antik rper Anti gen Reaktionen aufgrund k rzerer Diffusionswege schneller ab Versieht man die
70. iterbereich Die Str mung solcher Mikrofluide wird durch Parameter wie Kapillardruck Zentrifugaldruck Geometrie und Oberfl cheneigen schaften der Kan le bestimmt Diffusions bzw Mischvorg nge werden durch die gleichen Parameter determiniert wobei die Geometrie der Mischstrukturen von vergleichsweise gro er Bedeutung ist Anhand des Messplatzes sollen zun chst Simulationsergebnisse einer vorangegangen Diplomarbeit am Lehrstuhl 1 die sich haupts chlich mit Mischerstrukturen auf rotierenden Systemen besch ftigt hat verifiziert werden Parallel zu der hier vorgestellten Arbeit wurden in zwei weiteren Diplomarbeiten zus tzliche Mischer und Schalter Strukturen durch Simu lation untersucht 2 sowie hydrophobe Beschichtungen charakterisiert 3 In beiden Arbeiten v a bei der Untersuchung hydrophober Ventile in der Durchbruchsfrequenzen bestimmter Ventile ausfindig gemacht wurden konnte der Messplatz bereits erfolgreich ein gesetzt werden Ziel dieser Arbeit ist es einen entsprechenden Messplatz zu konzipieren aufzubauen und zu evaluieren Hervorzuheben ist hierbei da trotz der hohen Umdrehungsgeschwin digkeiten der Scheibe bis zu 10 000 U min ein hochaufl sendes und zeitstabiles Bild mit einer lateralen Aufl sung im um Bereich aufgenommen werden soll Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 1 Diplomarbeit Christian Beer 1 2 Das B
71. kommt 1 Pixel einer Strecke von 0 36 um gleich Im linken Bild der Abb 3 42 hat der am weitesten rechts liegende Strich einen Abstand Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 45 Diplomarbeit Christian Beer 3 4 Linearantrieb von 21 Pixeln bzw 7 55 um zum Bildrand Nach dem zehnmaligem Verfahren rechtes Bild hat dieser Strich einen Abstand von 25 Pixeln der Bildausschnitt hat sich somit um 4 Pixel 1 44 um verschoben Diese Verschiebung um 4 Pixel wurde auch mehrfach an anderen Strich Mustern dieser Bilder berpr ft was folgende Grafik 3 43 verdeutlicht Bild Verschiebung durch den Linearantrieb bei mehrmaligem Verfahren 2 0 Bild Verschiebung pm an 1 0 d 0 50 100 150 200 250 300 Strich Abstand zu rechtem Bildrand pm Abbildung 3 43 Verschiebung des Messobjekttr ger Bildes nach zehnmaligem Verfahren Die Bildausschnitte unterscheiden sich von der Sollposition typischerweise nur um wenige um Kleinstm gliche reproduzierbare Schritte Hierbei geht es darum herauszufinden was die kleinstm gliche Eingabe in TestPoint darstellt bei welcher der Linearantrieb noch reproduzierbar verf hrt Ist der eingegebene Wert zu klein so verf hrt der Linearantrieb berhaupt nicht Ab einem bestimmten Wert ist dies zwar der Fall aber der tats chlich gefahrene Weg entspricht nicht der Vorgabe Unter reprodu
72. latzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 14 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Regelung der Intensitat des Stroboskops Auf der Geratevorderseite des Stroboskops befindet sich eine Potentiometerschraube mit der die Intensit t laut Hersteller stufenlos zwischen 30 und 100 der maximalen Lei stung eingestell werden kann Durch eigene Messung mit dem Photodiodenverstarker wurde der in Abbildung 3 7 dargestellte Zusammenhang zwischen Lichtintensitat und Potentiometerstellung ermittelt Die Piktogramme symbolisieren dabei die reale Stellung der Potentiometerschraube am Gerat Einfluss des Adjust Potentiometers 7 0 6 0 5 0 4 0 m average V high V low IV Ws 0 30 60 90 120 150 180 210 Stellung der Adjust Potentiometer Schraube 3 0 Betrag des Detektor Peaks V Abbildung 3 7 Einfluss des Adjust Potentiometers auf die Intensit t bei 1 Hz Das Potentiometer bestimmt die maximale Aufladespannung der Kondensatoren welche die Z ndspannung der Spule generieren Bei h heren Frequenzen nimmt die Inten sit t bei gleicher Potentiometerstellung ab da die Kondensatoren w hrend k rzerer Periodendauern nicht so stark aufgeladen werden k nnen Exemplarisch wurde diese Mes sung bei 1Hz durchgef hrt bei h heren Frequenzen ist bis auf eine geringere Maximalintensit t d
73. liegt daran da diese Karten vollst ndig von dem jeweiligen Messdatenerfassungs Programm wie z B TestPoint angesteuert werden und ohne diese Ansteuerung nicht in der Lage sind ber einen l ngeren Zeitraum Messwerte selbst ndig aufzunehmen und wei terzuverarbeiten wobei dies stark von der Kombination aus Hardware Betriebssystem und TestPoint abh ngt Im vorliegenden Fall muss zum einen das Frequenzsignal des Players aufgenommen und abh ngig davon auf einem anderen Kanal ein Signal ausgegeben wer den Diese Aufgaben m ssen der Karte durch TestPoint bergeben werden Sowohl die Analog Digital und Digital Analog Wandlung am Eingang bzw Ausgang als auch der Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 48 Diplomarbeit Christian Beer 3 5 Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 Ablauf des TestPoint Programms nimmt eine gewisse Zeit in Anspruch Vor allem aber ist die Laufzeit des Windows basierten TestPoint Programms nicht konstant und damit wird zwischen Ausgangs und Eingangssignal keine konstante Zeitdifferenz erreicht Bei der vorliegenden Anwendung ist es aber erforderlich das Frequenzsignal des CD Players kontinuierlich und mit h chster Genauigkeit auszulesen Deshalb ist es hier notwen dig eine Messkarte einzusetzten die diese Aufgaben eigenst ndig und unabh ngig von s mtlichen Hintergrund Aktivit ten des PCs durchf hrt Es musste also n
74. lit t des CD Players ersichtlich F r Winkel gr er 180 kann auch nicht ausgehend vom darauffolgenden Nulldurch gangstrigger 360 der entsprechende Wert subtrahiert werden da zu dem Zeitpunkt wo der Ausgangstrigger gesetzt werden m sste dieser Nulldurchgangstrigger noch nicht ein getreten und somit unbekannt ist Der Ausgangstrigger kann also nur nach einem Nulldurchgangstrigger gesetzt werden und nicht davor Somit tritt bei Winkeln ungleich 0 0 immer ein Bildspringen auf EE t Nulldurchgangstrigger real 0 180 360 Adbasic02 04 0 180 Adbasic03 0 180 Zunahme des Bildspringens Die Grafik 4 12 macht deutlich da auch die ADwin einen Beitrag zum Bildspringen liefert Abbildung 4 12 Flussdiagramm der Steuersignalabfolge ausgehend vom Steuerungs PC Die CCD Kamera wird in der Regel mit einer Verz gerung von 12 8 us gegen ber dem Stroboskop ausgel st Die ADwin tastet das Player Signal alle 12 5 us ab und leistet somit unabh ngig von der Frequenz des Players ebenfalls einen Beitrag zum Bildspringen Dies spielt also nur bei hohen Drehzahlen mit gro en Bahngeschwindigkeiten eine Rolle wie in Abb 4 10 und Abb 4 11 zu sehen ist Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 68 Diplomarbeit Christian Beer A 1 Technische Spezifikationen LeCroy LT224 A Anhang A 1 Technische Spezifikationen LeCroy LT224
75. ls betrachten Diese Zeitdifferenz oder Blitzverz gerungszeit ist in den Abbildungen 3 3 und 3 4 zu sehen Die Charakteristik der Lichtblitzkurve sowohl der Intensit ts Zeitverlauf als Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 11 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop auch die Blitzverz gerung h ngt stark von der Gasentladungslampe ab und kann von R hre zu Rohre unterschiedlich sein Abbildung 3 3 Blitzverz gerung Zeitdifferenz zwischen Steuersignal obere Kurve und maximaler Intensit t des Stroboskopes DRELLO 255 01 Quelle Fa DRELLO Wenn die Blitzverz gerung konstant ist so kann auch von einer reproduzierbaren Repe tionsrate bzw Frequenz des Stroboskops gesprochen werden F r die Integration des Stroboskops in den Messplatz ist es aber sinnvoller den Zeitabstand zwischen Triggersignal und Maximalwert der Intensit t zu betrachten Da sich die Drehzahl der CD von Blitz zu Blitz ndern kann ist die M glichkeit einer konstanten Blitzfrequenz nicht entscheidend Viel wichtiger ist es die Zeitdauer nach dem Steuersignal bis zur maximalen Intensit t zu ken nen denn abh ngig davon muss die Bildaufnahme der CCD Kamera gestartet werden Die unterschiedlichen Zeitdifferenzen zwischen Abb 3 3 und Abb 3 4 werden durch den Hersteller folgenderma en begr ndet Wenn die Steuerspannung unterhalb von
76. n 100 ns bei diversen Frequenzen Deutlich ist zu erkennen da bei zunehmenden Frequenzen die Bilder st rker verwischt werden Dennoch ist die Struktur mit der Breite von 165 um auch auf dem Bild welches bei 10 000 U min der gr ten Frequenz des CD Players und bei einem Radius von r 5 cm aufgenommen wurde gut sichtbar Auch die halbe Kanalbreite kann noch gut wahrgenommen werden und so w rde man Fl ssigkeitsfronten eindeutig erkennen k nnen Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 40 Diplomarbeit Christian Beer 3 3 CCD Kamera F r den in Abb 3 36 dargestellten Kanal der Breite 165 um wurde in der Aufnahme ohne Rotation der CD nicht abgebildet mit Corel PhotoPaint ein Pixelabstand von 60 Pixel ermit telt ein Pixel entspricht also um 2 75 um Im Bild 3 36 c ist diese Struktur ca 63 Pixel breit wobei sich die genauen Grenzen aufgrund der Verwischung allerdings nicht klar defi nieren lassen Somit ist eine Verwischung von 3 Pixeln bzw 8 25 um gegen ber dem Standbild entstanden was dem weiter oben berechneten Wert sehr nahe kommt Die Kamera arbeitet also tats chlich mit der geforderten Belichtungszeit von 100 ns 100 Ulmin VE PE 1 000 Umin 5 000 U min fg Ian Abbildung 3 36 Mit einer Belichtungszeit von 100 ns aufgenommene Bilder bei verschiedenen Frequenzen Die zunehmende Verwischung bei hohen Frequenzen ist deutlich erke
77. nal mit 100 Impulsen pro Umdrehung ausgibt welches ebenfalls vom Encoder generiert wird Anhand der 100 Pulse pro Umdrehung lie e sich dann der Player durch Z hlen dieser Pulse ausgehend vom Nulldurchgangssignal auf bestimmte Parkpositionen mit einer Aufl sung von 3 6 regeln Um innerhalb dieser 3 6 zum Stillstand zu kommen m sste sich der Player aller dings langsam drehen oder das Abbremsen m sste entsprechend schnell erfolgen 145 mm a 250 mm b p k c d Abbildung 3 21 Konstruktionszeichnungen des CD Players Abbildung a zeigt wo der Impulsgeber angebracht ist Der aufgesetzte rechteckige Kasten dient der Sicherheit und ist zurgleich ein sinnvoller Spritzschutz Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 28 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player 3 2 2 Evaluierung des CD Players F r die Charakterisierung der Experimente die mit dem Messplatz durchgef hrt werden sollen ist die genaue Kenntnis ber e die Frequenzstabilitat das Einschwingverhalten e sowie das Verhalten beim Beschleunigen und Abbremsen Schlupf des CD Players von gro em Interesse Am Beispiel der Charakterisierung von hydrophoben Barrieren soll die Wichtigkeit dieser Punkte kurz begr ndet werden In der N he des Rotationszentrums der CD befinden sich Reservoire die eine gewisse Menge einer Fl ssigkeit aufnehmen k n
78. ned at the Lower Right Corner ms readout time of the CCD in miliseconds Hz Imaging frequency Quelle Fa PCO A 3 ADbasic Programmcode Variablen Deklarationen H DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI DI Eingang AS INTEGER Hier wird der Wert des Eingangssignals abgelegt RTOld RTNew AS INTEGER Zwischengespeicherte Zeiten zur Frequenzermittlung Zeiten sollten INTEGER sein Flagobunt AS INTEGER Detektor ob Flanke des Eingangssignals oben oder unten DataSetWritten AS INTEGER Detektor ob DatenSatz bereits an Testpoint raus ist IndexCounter AS INTEGER z hlt die generierten Ausgangspulse bei jedem wird ein Bild gemacht FlagLastSignum AS INTEGER Letzes Vorzeichen des Timers 0 1 ZaehlerMultiply AS INTEGER Anzahl der Timer Zaehler berl uf FrequenzAS FLOAT Ermittelte Frequenz des Eingangssignals Frequenzteiler AS INTEGER teilt die Frequenz des Eingangssignals in ein Ausgangssignal lt 8Hz AusgangOben AS INTEGER Signalh he oben am Ausgangsignal AusgangUnten AS INTEGER Signalh he unten am Ausgangsignal Teilerzaehler AS INTEGER zahlt wieviele positive Flanken durchlaufen wurden NowTimer AS INTEGER Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukt
79. nen Die Reservoire sind mit Kan len die sich in berwiegend radialer Richtung auf der CD ausbreiten verbunden Bef llt man nun einen solchen Kanal und bringt die CD zur Rotation so bewegt sich die Fl ssigkeit aufgrund der Zentrifugalkraft in radialer Richtung nach au en Durch hydrophobe Beschichtungen und Variation der Geometrie an bestimmten Positio nen im Kanal soll die Fl ssigkeitsfront aufgehalten bzw frequenzabh ngig durchgeschalten werden k nnen Bei der Charakterisierung solcher Barrieren geht es um die Ermittlung der Durchbruchsfrequenz bei verschiedenen Kanalgeometrien Deshalb ist eine stabile und genau bekannte Frequenz des CD Players unerl sslich Allgemein gilt f r die Charakterisierung der Experimente die mit dem Messplatz durch gef hrt werden sollen da reproduzierbare Bedingungen vorherrschen m ssen Wenn sich die CD anders verh lt als die Motorachse die das Frequenzsignal liefert also wenn die CD auf der CD Halterung der Achse rutscht schlupft so kann es sein da bestimmte Ereig nisse innerhalb eines Experimentes in Wirklichkeit zu anderen Zeiten oder Bedingungen aufgetreten sind als dies protokolliert wurde Deshalb wurde untersucht ab welchen Beschleunigungswerten bzw CD Gewichten Schlupf auftritt d h ab wo die CD der Fre quenz der Drehachse des Motors nicht mehr folgen kann Weiterhin ist die Kenntnis ber das Einschwingverhalten des CD Players von gro em Interesse Entstehen beim Beschleu
80. ngExposure SuperVGA b w Exposure time 1 29ms Frame Auto Sequential modus Vertical Binning Pixel 1x 2x 4x 8x 16x 32x HxV Hz ms Hz ms Hz ms Hz ms Hz ms Hz ms 1280x1024 1813 1121 74 15 88 61 69 15 88 61 69 30 34 31 67 16 65 70 47 12 90 1280x512 ULC 66 73 36 71 36 71 21 70 14 19 12 31 LRC 70 13 40 11 40 11 25 10 17 59 15 72 1280 x256 ULC 39 05 24 04 24 04 16 54 12 78 11 85 LRC 22 38 43 39 33 70 28 38 33 70 28 38 45 11 20 88 54 31 117 12 57 23 16 18 1280x128 ULC 38 07 24 98 153 29 17 47 53 29 17 47 66 61 13 72 76 13 11 85 78 95 11 38 LRC 31 82 30 14 141 80 122 64 41 80 22 64 49 57 18 88 Sep 17 07 156 10 116 54 1280 x 64 ULC 18 41 14 66 14 66 12 78 11 85 11 61 LRC 23 34 19 59 19 59 17 71 16 77 16 54 1280 x 32 ULC 14 66 12 78 12 78 11 85 11 38 11 26 LRC 47 37 19 82 151 99 117 94 51 99 17 94 154 66 17 01 56 10 16 54 156 47 16 42 32 x32 ULC 14 66 12 78 12 78 11 85 11 38 11 26 LRC 19 82 17 94 17 94 17 01 16 54 16 42 32 x 1024 ULC 121 74 61 69 61 69 31 67 16 65 12 90 LRC 8 13 127 74 115 88 61 69 15 88 61 69 130 34 31 67 55 73 16 65 70 47 12 90 640 x 512 center 14 16 69 31 39 29 24 64 39 29 24 64 39 11 24 28 55 37 16 77 61 79 14 89 D Region of Interest defined at the Upper Left Corner Region of Interest defi
81. nigen oder Abbremsen zu gro e berschwinger so w rden diese das Experiment ebenfalls unkontrolliert beeinflussen Au erdem sollen die maximal erzielbaren Beschleunigungen ermittel werden Zun chst wird die Frequenzstabi lit t ber der Zeit untersucht Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 29 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player Frequenzstabilitat Die Messung wurde hnlich durchgef hrt wie die Messung der Zeitverlaufe und Tempe raturgange des Stroboskops Die Vorgabe der Frequenz erfolgt mit der TestPoint Steuerung des Messplatzes die dem Motion Controller den Sollwert der Frequenz Uber die RS232 Schnittstelle Ubergibt Das TTL kompatible Nulldurchgangssignal der BNC Buchse des CD Players wurde auf Kanal 1 und Kanal 2 des LeCroy Oszilloskopes gelegt getriggert wurde wiederum auf Kanal 1 Gemessen wurde der zeitliche Abstand zwischen zwei aufein anderfolgenden Pulsen des Nulldurchgangssignals Hierf r wurde der Parameter delay time from the trigger t 0 to the first 50 transition im Men measure tools des LeCroy Oszilloskops eingestellt Au erdem wird die Pulsbreite width sowie die Amplitudenh he maximum mitprotokolliert Abbildung 3 22 verdeutlicht dies anhand der Anzeige des LeCroy Oszilloskops bei der Messreihe von 20 Hz delay 2 49 65 ms maximum 2 4 88 V width 2 124
82. nkesch n an die gute Seele des Lehrstuhls Melanie Baumann die st n dig um das Wohlbefinden aller Mitarbeiter besorgt war Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 78
83. nn Auf diesem Schlitten ist das Mikroskop mit CCD Kamera mon tiert um die CD entlang des gesamten Radius vollst ndig beobachten zu k nnen vgl Abb 3 38 Der Schlitten wird ber eine Schneckenwelle durch den Motor der Firma maxon ange trieben Die Ansteuerung des Motors bernimmt der Controller SM300 von SM Elektronik 13 14 15 16 17 Fr 2 SES AR A Lichtwellenleiter des Stroboskops Abbildung 3 38 Links In den Messplatz eingebauter Linearantrieb mit darauf montiertem Mikroskop und Kamera Auch der Lichtwellenleiter des Stroboskops wird mitverfahren Rechts Vergr erte Darstellung des Linearantriebs Die Kommunikation mit diesem Controller wurde in Testpoint realisiert was in Kapitel 4 n her beschrieben wird 3 4 1 Evaluierung des Linearantriebs Wichtige Punkte bei der Evaluierung des Linearantriebes sind die Positioniergenauigkeit die R ckkehrgenauigkeit und die kleinstm glichen reproduzierbaren Schritte Positioniergenauigkeit Hier wurden dem Linearantrieb ber die Testpoint Steuerung vgl Abb 4 1 verschie dene Fahrstrecken vorgegeben und mit einem Millimetermassstab der in Abb 3 39 zu sehen ist berpr ft Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 43 Diplomarbeit Christian Beer 3 4 Linearantrieb 0 1 50 100 150 200 Abbildung 3 39 Verwendeter Millimetermassstab der auf die Deckelplatte de
84. nnbar Trotzdem ist die Struktur auch bei 10 000 U min noch gut sichtbar Kanalbreite 165 um 2 52 fache optische Vergr erung In Abb 3 37 wurden Photos mit variablen Belichtungszeiten aber bei konstanter Drehfre quenz gemacht Auch hier ist die Verbreiterung der Struktur ersichtlich Au erdem sind die Bilder mit gr eren Belichtungszeiten deutlich heller da der CCD Chip die vorhandene Lichtintensit t ber einen l ngeren Zeitraum aufintegriert Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 41 Diplomarbeit Christian Beer 3 3 CCD Kamera vw rm Pw mew glate ay ren A Linde g ar fd 00 ha EM c d e Abbildung 3 37 Mit unterschiedlichen Belichtungszeiten aufgenommene Bilder bei einer Drehfrequenz von 100 Hz Im Bild e ist eine Verwischung Verbreiterung der Kanalstruktur gegen ber a deutlich wahrnehmbar Hier wird v a auch erkennbar da das Bild mit zunehmender Belichtungszeit heller wird weil mehr Lichtintensit t auf den CCD Chip trifft Dies l t sich aber durch die AutoRange Funktion der Kamera Software ausgleichen Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 42 Diplomarbeit Christian Beer 3 4 Linearantrieb 3 4 Linearantrieb Bei dieser Komponente handelt es sich um einen Schlitten der sich auf einer Schiene hin und herbewegen ka
85. ontroller trigger frequency Abbildung 2 1 Schematischer Aufbau des Messplatzes zur Beobachtung mikrofluidischer Vorg nge auf der Bio Disk 2 2 Ansteuerung der Komponenten In diesem Kapitel werden die Zusammenh nge zwischen den Signalen zur Ansteuerung der Einzelkomponenten genauer vorgestellt um das Ziel die Entwicklung des Messplatzes als Gesamtsystem nicht aus den Augen zu verlieren Dabei werden die in Kapitel 3 erziel ten Resultate bereits angesprochen aber nicht n her darauf eingegangen Abbildung 2 2 zeigt den Signalflu amp ausgehend vom Steuerungs PC Mit diesem wird dem CD Player eine bestimmte Drehfrequenz v vorgeben Der CD Player dreht nun mit einer Frequenz v die durchaus von vg abweichen kann da einerseits der vorgegebene Wert generell nicht exakt erreicht wird und andererseits der Player eine gewisse jedoch sehr geringe Schwankung in der Frequenzstabilit t aufweist siehe Kap 3 2 F r die Ansteuerung von Stroboskop und CCD Kamera mu daher der Wert der tats chlichen Drehfrequenz v verwendet werden Dieses Signal wird durch die ADwin aufgenommen und abh ngig von verschiedenen Benutzereingaben f r unterschiedliche Beobachtungswinkel auf der CD durch den Steue Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 6 Diplomarbeit Christian Beer 2 2 Ansteuerung der Komponenten rungs PC in ein Triggersignal der Freq
86. otation auch variiert werden soll was einer zus tzlichem Ansteuerung bedarf Bisher wurde am Lehrstuhl f r Anwendungsentwicklung die Stroboskop Kamera MOCON RT der Firma VISIT GmbH amp Co KG eingesetzt Diese Kamera kommt ohne zus tzliches Stroboskop aus Hier wird lediglich der elektronische Verschlu Shutter der Videokamera f r kurze Zeit bis herab zu 1 25 us ge ffnet Dies ist gleichbedeutend mit einem extern zugef hrten Stroboskop Blitz da es nur darauf ankommt das zu beobach tende Objekt f r einen sehr kurzen Zeitraum sichtbar zu machen Aufgrund der geforderten hohen Drehzahlen der CD und der geringen Dimensionen der zu beobachtenden Strukturen bzw der geforderten hohen Aufl sung ist eine Belichtungs zeit von 1 25 us f r diese Anwendung nicht klein genug Da sich die zu beobachtenden Strukturen w hrend der Belichtungszeit weiterbewegen w ren die aufgenommenen Photos Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 4 Diplomarbeit Christian Beer 2 1 berblick verschmiert Deshalb wurde eine andere Kamera mit einer Belichtungszeit bis herab zu 100 ns eingesetzt Dies wird in Kapitel 3 3 ausf hrlicher erl utert Bereits bei Belichtungszeiten von 1 25 us mu zus tzlich mit einer Kaltlichtquelle beleuchtet werden um ein ausreichend helles Bild zu erhalten Die Belichtungszeit also die Zeit in der das Licht auf den CCD Chip trifft l
87. r des CD Players aufgef hrt Das Bildspringen wurde zuerst bei der ADbasic Version 02 untersucht Verwunderlich war hier dass bei einem Azimutal Winkel von 0 in der TestPoint Steuerung ein deutlich geringeres Springen auftritt als dies bereits allein durch die Schwankung des CD Players hervorgerufen wird denn 0 der TestPoint Steuerung entsprechen 180 auf der CD vgl Abb 4 10 Wenn es sich um den direkten Nulldurchgang handeln w rde w re dies verst ndlich da dann die ADwin Karte den Ausgangstrigger unmittelbar nach dem jeweiligen Nulldurch Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 66 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten gangstrigger ausgeben w rde und das Bildspringen durch die Abtastrate der ADwin von 12 5 us determiniert w re Die Schwankung der Periodendauer spielt dann keine Rolle da diese sich erst zu einem sp teren Zeitpunkt auswirkt Daraufhin wurde der ADbaisc Programmcode noch einmal genauer betrachtet Dabei fiel eine falsch gesetzte Klammer in der Bedingung f r den Ausgangstrigger auf Im Anhang A 3 sind die verschiedenen Versionen innerhalb des Codes AdbasicO2 bas durch das Zeichen kenntlich gemacht Der Code wurde von Strobodelay 40000000 0 5 Frequenz Kameradelay auf Stro bodelay 40000000 0 5 Frequenz Kameradelay abge ndert und unter der Version Adbasix02 bas gespeichert Die Varia
88. roboskop LWL Verst rker ee 4 gt 20 5 cm Abbildung 3 8 Skizze des Messaufbaus zur Charakterisierung des Stroboskops mit dem Photodiodenverst rker Die Lichtaustrittsfl che des Lichtwellenleiters LWL hat einen Abstand von 20 5 cm zur Photodiode und wurde Bei dieser Messung wurde die maximale Intensit t des Stroboskops bei 1 Hz auf 5 5 V eingestellt So liegt man bei 1 Hz auf jeden Fall im Dynamikbereich der Diode bzw Verst r kerschaltung welche bis maximal 6 V verst rkt Wie die Intensit t reguliert werden kann wird in Kapitel beschrieben Frequenzmessungen basieren immer auf der Tatsache da der Zeitabstand zweier auf einanderfolgender Signale gemessen wird Dieser Zeitabstand stellt die Periodendauer und der Kehrwert davon die Frequenz dar Da die Intensit t des Stroboskopes nach ca 20 us bereits vollst ndig abgeklungen ist vgl Abb 3 4 und dieses Signal sich aber selbst bei 50 Hz erst alle 20 ms wiederholt ist dies mit der integrierten Frequenz Messfunktion des Oszilloskops nicht mit ausreichender Genauigkeit messbar Deshalb muss die Zeitdifferenz zwischen zwei Kan len gemessen werden was mit Standard Oszilloskopen nicht m glich ist Zur Aufzeichnung der Signale wurde das Oszilloskop LeCroy Waverunner LT 224 ver wendet 8 dessen technische Daten dem Anhang A 1 zu entnehmen sind Das Triggersignal des Funktionsgenerators wurde dabei auf Kanal 1 gelegt und auf Kanal 2 wurde da
89. rozessorschritte umgerechnet werden 40000000 0 5 Frequenz Ausgehend von dieser Zeit m ssen 12 8 us subtrahiert werden Dies entspricht 512 Prozessorschritten dem Wert der Variable Kameradelay Durch die Klammer in der Version 02 wird dieser Wert aber mit dem Faktor 40000000 verrechnet was zu einer Subtraktion von 512 Sekunden anstatt 512 Prozessorschritten f hrt Version 03 funktioniert im unteren Frequenzbereich bis 8 Hz nur bis zu einem Azimutal Winkel von 180 da 180 der TestPoint Steuerung bereits 360 auf der CD entsprechen Bei einer Umdrehung der CD von 360 also bei wiederholtem Auftreten eines Nulldurchgangstriggers wird bei der Frequenzteilung von 1 der Strobotimer bereits zu diesem Zeitpunkt neu gesetzt Dadurch wird auch NowDelta wieder auf Null gesetzt und damit die Bedingung zum Schalten des Ausgangstriggers nicht erreicht Die Zeiten berlappen sich Erst ab einer Frequenzteilung von 2 wo der Strobotimer nach dem zweiten darauffolgenden Nulldurchgangstrigger 720 2 T gegen ber dem ersten Nulldurchgangstrigger gesetzt wird ist ein WinkelDelay gt 180 bzw 360 bis 360 bzw 540 m glich s entstehen keine berschneidungen Die Version 04 verzichtet auf den Offset von 180 und setzt den Ausgang Trigger 12 8 us vor dem Nulldurchgangstrigger des CD Players SE EE AE FE AE FE EH HE AE AE EE FE AE AE HE EE EEE EE EE EEE EE EE EEE EE EE 2
90. rs anzusehen Denn die Karte berechnet ausgehend von dem Nulldurchgangsimpuls die Wartezeit nach der die Kamera das Bild aufnehmen soll Dieser Sachverhalt ist in Bild 2 3 dargestellt W rde das Stroboskop und die Kamera einfach direkt durch das Nulldurchgangssignal angesteuert so h tte man entweder ein dunkles Bild oder man w rde beim Ver ndern der Player Frequenz nie den selben Bildausschnitt sehen Das Bild w re deshalb dunkel weil die Belichtungszeit der Kamera bereits nach 100 ns beendet ist und das Stroboskop aber mindestens 5 us lang kein Licht aussendet In der Software f r die CCD Kamera kann eine gewisse Wartezeit delay eingestellt werden welches die Kamera erst nach dieser Warte zeit ausl st Man k nnte also hier den Wert von 12 8 us eintragen und w rde ein ausreichen helles Bild erhalten Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 7 Diplomarbeit Christian Beer 2 2 Ansteuerung der Komponenten Wird aber nun das Bild immer konstant 12 8 us nach dem Nulldurchgangspuls aufge nommen so f hrt dies bei sich ver ndernden Drehfrequenzen jedesmal zu einem anderen laateralen Bildausschnitt Wenn s den zur ckgelegten Weg eines bestimmten Punktes auf der CD w hrend der Zeit t darstellt so gilt hierf r folgende Formel S v t oxr t 2 Il vuxr t Die Bahngeschwindigkeit v bei Radius r berechnet sich aus der Winkelgeschwindigkeit multipli
91. rungs PC ber eine RS232 Schnittstelle angesteuert Die Drehzahl der CD kann bis zu einer Umdrehungsrate von 10 000 U min kontrolliert eingestellt werden Das Ger t ist zudem mit einem BNC Ausgang versehen der den Nulldurchgang ber ein TTL kompatibles Rechteck Signal ausgibt Pro Umdrehung der CD wird ein Puls ausgegeben mit dem sich die Periodendauer bzw Frequenz der CD ermitteln l t Die Signalaufnahme und Berechnung der Frequenz erfolgt mit einer speziellen Real Time Messkarte ADwin light 16 Diese Karte bernimmt zudem die Steuerung des Stro boskops DRELLO 255 01 und der Frame Grabber Karte der Digitalkamera PCO SensiCam FastShutter SVGA Die hochaufl sende CCD Kamera mit einer Belichtungszeit von 100 ns ist auf einem Mikroskop adaptiert welches mit einem Linearantrieb verfahren werden kann Der Linearantrieb wird ebenfalls durch den Steuerungs PC angesteuert und erm glicht es die Kamera in radialer Richtung ber den gesamten Radius der CD von r 6 cm hin und her zu bewegen um verschieden Bildausschnitte betrachten zu k nnen Das Mikroskop dient au er der Vergr erung auch der Fokussierung F r die Bildverarbei tung steht ein weiterer PC zur Verf gung Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 5 Diplomarbeit Christian Beer 2 2 Ansteuerung der Komponenten image capture image processing delayed trigger c
92. rz gerung dt zwischen dem Intensit tsmaximum und dem Steuersignal mit bis zu 2 07 um deren Mittelwert bei gleichbleibender Temperatur Beides zusammen f hrt dazu da zwei aufeinanderfolgende Bilder unterschiedliche Helligkeiten aufweisen k nnen Die Zunahme der Blitzverz gerung mit ansteigender Temperatur liefert einen weiteren Beitrag f r unterschiedliche Helligkeitswerte zeitlich weit auseinanderliegender Bilder hat aber nichts mit verschiedenen Helligkeiten direkt aufeinanderfolgender Bilder zu tun da sich die Temperatur und damit auch die Blitzverz gerung nicht abrupt sondern nur minuten weise ndert Das Helligkeitsschwanken ist also durch die Charakteristik des Stroboskops bestimmt welche sich bei dem verwendeten Ger t nicht einstellen l t 4 3 2 Bildspringen Der mechanische Aufbau aus MayTec Profilen auf dem der Linearantrieb zur Kamera Verfahrung montiert ist ist so stabil dass er nur bei gezielten Ersch tterungen schwingt Bei normalen Betriebsbedingungen tr gt er also nicht zum Bildspringen bei Auswertung mit NeuroCheck Da die Aussagen ob ein Bild springt oder nicht sehr subjektiv sein k nnen wurde als erstes das aufgetretene Bildspringen genau quantifiziert Hierf r wurde mit AutoCad die in Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 62 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten Abb 4 7 gezeigte Strukt
93. s Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 73 Diplomarbeit Christian Beer A 3 ADbasic Programmcode Periodendauer T 1 f gt 0 5 f entspricht einem Delay von einer halben Periodendauer also 180 abhangig von der aktuellen Frequenz Hierduch verschiebt sich quasi das das Nulldurchgangssignal um 180 und ist somit drehrichtungs unabh nging SE AE FE HE AE FE AE FE EH EE AE AE FE AE FE FE AE EE AE FE EE FE FEAE EE EE AE FE FE AE HE EE EE EE EE EE E SE AE AE AE AE FE AE FE FE AE FE HE AE FE FE AE FE AE AE FE AE AE FE AE FE FE AE FE FEAE FE FE AE FE AE FE FE AE FE FE AE FE AE FE FE AE AE FE AE AE FE AE FE AE AE FE AE AE FE AE FE AEE FE E FE E E Die verschiedenen erstellten ADbasic Verionen unterscheiden sich nur in der folgenden Zeile Bei ADbasic0l bas handelt es sich um eine Vorversion U ADbasic02 bas Strobodelay 40000000 0 5 Frequenz Kameradelay ADbasic03 bas Strobodelay 40000000 0 5 Frequenz Kameradelay ADbasic04 bas Strobodelay Kameradelay Bei Adbasic03 bas handelt es sich um die eigentlich richtige Version Leider hatte sich aber eine zus tzliche Klammer eingeschlichen wodurch der Messplatz berwiegend mit der ertaunlicherweise recht gut funktionierenden Version Adbasiic02 lief Die Variable Frequenz beiinhaltet die Zeit in SI Einheiten also Hz oder 1 s Deshalb muss die halbe Periodendauer an diesr Stelle in P
94. s Players geklebt ber die CCD Kamera durch das Stereomikroskop aufgenommen wurde und als Referenz diente Es wurden die Positionen 10 50 100 und 200 mm vorgegeben und mit der auf dem Linearantrieb montierten Kamera jeweils ein Bild der aktuellen Kameraposition ber dem Millimetermassstab aufgenommen Die Positionen wurden auch bei mehrmaligem Anfahren erreicht Es tritt eine minimale Verschiebung auf die jedoch in diesem Massstab nicht zu erkennen ist und die im folgendem Teilkapitel R ckkehrgenauigkeit genauer betrachtet wird HBW Window Abbildung 3 40 Screenshot der Kamera Software Oberfl che CamWare w hrend der Bildaufnahme des Millimetermassstabes bei der Position 200 mm Das Markerkreuzchen zur besseren Sichtbarkeit zus tzlich hervorgehoben stellt den Mittelpunkt des Bildausschnittes dar Abbildung 3 40 zeigt einen Screenshot des Bildverarbeitungs PCs bei der Position 200 mm Der Abstand von Strich zu Strich betr gt in der Realit t 1 mm Bei dieser Auf nahme mit einer 1 008 fachen optischen Vergr erung wurde f r 5 mm mit Hilfe von Corel Photo Paint eine L nge von 376 Pixel ermittelt wodurch 1 Pixel einer Strecke von 13 3 um entspricht Vermisst man einen gr eren Bereich so wird der Ablesefehler minimiert Das Markerkreuzchen welches den Bildmittelpunkt darstellt liegt um 206 Pixel bzw 2 739 mm neben der Sollposition der Mitte des Striches bei 200 mm Dies entspricht einer prozentualen Abweichung von 1 37
95. s Signal der Diode geschalten Das Oszilloskop wurde auf Kanal 1 getriggert ber das Men measure tools werden die Funktionen xamn x position at minimum horizontal position associated with smallest data value und minimum smallest data value eingestellt Die Funktion xamn liefert den Zeitabstand zwischen der aufsteigenden Flanke des Trig gersignals Kanal 1 und dem Zeitpunkt der maximalen Intensit t des Diodensignals Kanal 2 vgl Abb 3 4 Da die Photodiodenschaltung eine negative Spannung liefert wird zum Bestimmen dieses Wertes die Funktion minimum benutzt deren Betrag somit den maxi malen Spannungswert der Intensit t darstellt Das Rechteck in Abb 3 4 zeigt das Intervall an in welchem die gew nschten Parameter ermittelt werden Die Vorgabe eines solchen Bereichs ist aus mehreren Gr nden sinnvoll Falls mehrere hnliche Ereignisse unmittelbar nacheinander auftreten so kann der zu untersuchende Bereich gezielt eingegrenzt werden Die Parameter werden in diesem Bereich mit einer h heren Pr zision ermittelt Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 17 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop e Das Oszilloskop ben tigt weniger Speicherplatz und somit kann die Abtastrate bzw je nach Betriebsmodus die Aufzeichnungsdauer erh ht werden Es ist offensichtlich dass sich das Stroboskop w hrend der Betr
96. s verschiedene Vorgehensweisen Im Falle der Untersuchung von hydrophoben Barrieren wird z B die Fre quenz des CD Players schrittweise erh ht bis zum Durchbrechen der Barriere Der zeitliche Verlauf dieser Frequenz wird dem Benutzer direkt auf der Oberfl che visualisiert Gleichzeitig wird ein Logfile erstellt Folgende Abbildung 4 5 zeigt ein Experiment bei dem das Durchbrechen von hydroho ben Barrieren beobachtet wurde Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 60 Diplomarbeit Christian Beer 4 2 Funktion des Messplatzes Abbildung 4 5 Beispiel eines Experimentes bei dem das Durchbrechen von hydrophoben Barrieren auf einer strukturierten CD zu sehen ist In das Bild ist die jweilige Bild Nummer eingeblendet Das mitprotokollierte Logfile ist in Abb 4 6 zu sehen Frequenzverlauf 40 S 30 N v 5 g 20 GC o Zeit s Frequenz Hz N 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Bildz hler Abbildung 4 6 Das mitprotokollierte Logfile zeigt pro Bild die aktuelle Drehfrequenz und die Zeit seit dem Beginn des Experiments In Bild Nr 55 ist der Durchbruch der Barriere erkennbar bei diesem Bild zeigt diie Frequenzverlaufs Grafik die Frequenz 6 02 Hz an Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisi
97. st Point Steuerung aufgenommen Abbildung 4 8 zeigt die Aufnahme der Mess CD mit der Kamera Software Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 63 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten Cn zi Abbildung 4 8 Der CamWare Screenshot zeigt die Aufnahme der Mess CD NeuroCheck gibt eine Liste mit den Abst nden der Mittelpunkte des untersuchten Stri ches zum Bildrand in Pixel der 100 Bilder aus Auch hier wurde wiederum mit Corel PhotoPaint einem Pixel ein bestimmter um Wert zugeordnet bei stehender CD Die Stan dardabweichung dieser 100 Messwerte stellt somit das Bildspringen in um dar In Abb 4 10 ist das Bildspringen der drei unterschiedlichen ADbasic Verionen bei einem Azimutal Winkel der TestPoint Steuerung von 0 f r einen Radius von r 3 cm dargestellt Zudem ist das berechnete Bildspringen welches allein durch die Schwankung des CD Players verursacht wird aufgef hrt Die in Kap 3 2 ermittelte Standardabweichung der Peri odendauer des CD Players bezieht sich immer auf die gesamte Periodendauer T und ist in Abb 4 9 nochmals dargestellt Verh ltnis Ist Soll Frequenz des CD Players 1 ohne CD Standard CD leichte Alu CD schwere Alu CD Standardabweichung F 1 0 t 0 5 1 05 Bobo H Standardabweichung 1 00 0 2
98. t nden ist der hier gezeigte Verlauf durchaus akzeptabel 11 Die ermittelte Frequenz Schwankung des CD Players ist mit einer Standardabweichung von maximal 1 04 sehr gering Betrachtet man diese Schwankung aber als Standardab Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 33 Diplomarbeit Christian Beer 3 2 CD Antrieb Player weichung der Periodendauer so ergeben sich bei 1Hz Zeitschwankungen des Nulldurchgangstriggers von bis zu 9 64 ms bei der Standard CD Dies kann dazu f hren da die aufgenommen Bilder nicht immer den selben Bildausschnitt zeigen da die Mess platz Steuerung den Zeitpunkt der Bildaufnahme in Bezug auf den letzten Nulldurchgangspuls vorausberechnet Ein bestimmter Punkt auf der CD kann aber in dieser Zeit aufgrund der Schwankung der Periodendauer mehr oder weniger Weg zur ckgelegt haben Dieser Sachverhalt wird in Kap 4 3 n her untersucht Verh ltnis Ist Soll Frequenz des CD Players 1 1 10 1 5 ohne CD Standard CD Ieichte Alu CD H g schwere Alu CD 2 Standardabweichung 05 2 3 1 05 E 2 E p S K S a 1 00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Soll Frequenz Hz Abbildung 3 27 Verh ltnis zwischen der vorgegebenen Frequenz und dem tats chlich erreichten Mittelwert der Drehfrequenz sowi
99. ten sind daher inakzeptabel wodurch die Wahl auf die CCD Kamera SensiCam FastShutter SVGA der Firma PCO Computer Optics GmbH fiel 12 Hierbei handelt es sich um eine extern triggerbare Kamera mit hoher Aufl sung und der geforderten niedrigen Belichtungs zeit von 100 ns Die Billdwiiederholrate liegt bei voller Aufl sung bei nur 8 Hz kann aber gt peg Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 39 Diplomarbeit Christian Beer 3 3 CCD Kamera Abbildung 3 34 PCO SensiCam FastShutter SVGA durch das sogenannte Binning gesteigert werden Durch das Binning werden mehrere Pixel durch Mittelwertbildung der Helligkeitswerte zu einem Pixel zusammengefa t wodurch sich die Auslesezeit des CCD Chips verk rzen l t Im Anhang A 2 sind die Abh ngigkeiten der Bildwiederholrate angegeben die Im Handbuch nicht zu finden sind Technische Daten e Pixel Anzahl 1280 x 1024 e Pixel Gr e 6 7 x 6 7 um e A D Aufl sung 12 bit e Wiederholrate 8 fps full frame e Belichtungszeit 100 ns 1 ms e Binning horizontal vertikal 1 8 1 32 Pixel e Optischer Eingang C mount e Smear lt 0 005 QE 30 SVGA Sensor VGA Sensor Abbildung 3 35 Spektraler Sensitivit tsverlauf der PCO SensiCam FastShutter SVGA 3 3 2 Evaluierung der CCD Kamera Abbildung 3 36 zeigt verschiedene Aufnahmen mit einer Belichtungszeit vo
100. tion Nachleuchten beobachten Hierbei werden alle aufgenommenen Kurven w hrend eines bestimmten Messzeitraums bis an die Grenze des internen Speichers bereinandergelegt und man kann somit Tendenzen erkennen wie sich die eine Kurve im Vergleich zur anderen verh lt In diesem Fall ist eine periodische Schwankung des Signalverlaufs zu erkennen Innerhalb von ca 5 Sekunden bewegt sich die komplette Intensit tskurve periodisch um etwa 150 ns um den Mittelwert Im unteren Bereich der Abb 3 9 wird der Betrag des Peaks des Photodiodenverst rkers gezeigt Es l sst sich erkennen da der Peak und somit die Intensit t des Blitzes mit zuneh mender Frequenz linear abnimmt Im linearen Bereich bis 38 Hz bedeutet dies einen Abfall von 5 45 V auf 4 67 V die Intensit t betr gt bei 38 Hz also noch 86 der Grundintensitat von 1 Hz Ab 38 Hz f llt die Blitzintensitat stark ab was dadurch zu begr nden ist dass die Kon densatoren sich bei diesen hohen Frequenzen nicht mehr vollst ndig aufladen k nnen und somit das Intensti tsmaximum nicht mehr erreicht wird Bei 40 Hz zeigt auch die Kontrol leuchte am Ger t selbst Overload an Zeitverlauf und Temperaturgang Nun gilt es das Verhalten des Stroboskops ber einen l ngeren Zeitraum zu beobach ten bzw die Blitzverz gerung gegen ber der Temperatur genauer zu betrachten F r die Temperaturmessung wird das Temperaturmessger t TL 309 eingesetzt wobei der Messf hler direkt
101. uenz v f r das Stroboskop und die CCD Kamera umgesetzt Die ADwin Karte muss dabei auch eine Teilung der Playerfrequenz vornehmen da die CCD Kamera bei voller Aufl sung mit maximal 8 Hz betrieben werden darf Abbildung 2 2 Flussdiagramm der Steuersignalabfolge ausgehend vom Steuerungs PC Die CCD Kamera wird in der Regel mit einer Verz gerung von 12 8 us gegen ber dem Stroboskop ausgel st In Kapitel 2 1 wurde die Notwendigkeit der Nutzung eines Stroboskops bereits dargelegt Der Intensit ts Zeitverlauf von Gasentladungslampen h ngt stark von der verwendeten Blitzr hre ab und kann von R hre zu R hre sehr unterschiedlich sein Ausf hrlichere Infor mationen hierzu sind in Kap 3 1 zu finden An dieser Stelle soll die Aussage gen gen da das verwendete Stroboskop die maximale Lichtintensit t erst nach einer Zeit von 12 8 us nach der aufsteigenden Flanke des Steuersignals erreicht Dies f hrt dazu dass das Stro boskop um diese Zeit vor dem ffnen des Shutters der CCD Kamera angesteuert werden muss um in dem Moment der Bildaufnahme die maximale Lichtintensit t mit der geringsten Schwankung zur Verf gung stellen zu k nnen siehe Kap 3 1 Die Real Time Karte ADwin light 16 siehe Kap 3 5 erfa t die Flanke des Nulldurch gangstriggers des CD Players und berechnet daraus die Drehfrequenz der CD F r die Programmierung der ADwin Karte ist es praktikabler sich nicht die Frequenzen sondern die Periodendauern des CD Playe
102. um Durch Lichtintensit tsmessungen kann diese Schaltung auch kalibriert werden wodurch jedem Spannungswert eine bestimmte Lichtin tensit t zugeordnet werden kann Hierauf wurde allerdings verzichtet da die tats chliche Intensit t des Stroboskops f r die Anwendung innerhalb des Messplatzes derzeit nicht von gro er Bedeutung ist Es interessiert lediglich die Frequenzstabilit t bzw Stabilit t der Blitzverz gerung und die Stabilit t der Intensit t Au erdem steht am Lehrstuhl ein solches Messger t nicht zur Verf gung 1 Elektrowerkstatt des IMTEK Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 13 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop RS Ki si Sp D Ua es 12V 5 1k h h A amp a N 6 Z D KL2 V V V up U2B USB Wa 8 L OP AMP OP AMP OP AMP x R13 V V v c4 CC A Q d 47uF Ub 5 1k R12 1 5 1k V og R11 12V 3 6k REF1 gt CS LM336 5 10uF I i u bh Werte sind optional oder angepasst Abbildung 3 5 Schaltplan des Photodiodenverst rkers Spectral response Typ Ta 25 C 0 7 ax 5573 S8255 7797 N lt 0 5 gt d i 0 4 Es z f m 0 3 14 K i 5052 O d E 02 T d S 0 1 CR E D o x 200 400 600 800 1000 WAVELENGTH nm Abbildung 3 6 Spektralantwort der Photodiode Hamamatsu S7797 Entwicklung und Evaluierung eines Messp
103. ung oder der Wert dieses Reglers wird permanent ausgelesen und sofort an die Steuerung des Linearantriebs weitergegeben Durch die Wahl eines ausreichend hohen Geschwindkeitswertes in velocity dimensions loser Wert kann der Anwender mit dem Tempo der Mausbewegung die Geschwindigkeit des Linearantriebs regeln und demzufolge die Position und Geschwindigkeit dem Experi ment bzw den aktuellen Bedingungen direkt anpassen Wenn man die zu beobachtende Radialposition kennt ist es manchmal sinnvoller den Wert direkt per Tastatureingabe vor zugeben direct input Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 57 Diplomarbeit Christian Beer 4 1 Ansteuerung des Messplatzes ber TestPoint Der Button setup linear drive ffnet die Setup Oberflache des Linearantriebs die in Abb 4 3 zu sehen ist Dort k nnen ber den Knopf init zuerst die Schnittstellenparamter des Linearantrieb Controllers SM300 gesetzt werden Falls der Linearantrieb w hrend des Betriebs nicht mehr reagiert so k nnen mit reset controller alle Parameter auf den ent sprechenden Startwert zur ckgesetzt werden wodurch die Funktion meistens wieder hegestellt werden kann Das Feld controller message zeigt als zus tzliche Information die aktuellen Statusmeldungen der SM300 an Bei jedem Neustart bzw nach jeder Initialisie rung m ssen die Nullpunkt bzw Endwert
104. ur erstellt die ausgedruckt und auf eine CD aufgeklebt wurde Wie sich spater herausstellte hatte fur die Auswertung mit NeuroCheck auch ein einfacher Strich gen gt Abbildung 4 7 Entworfene Mess CD zur Quantifizierung des azimutalen Blldspringens Die Strukturen wurden mit dem Zeiss Axiophot 1 vermessen Die Strichst rke betr gt zwischen 50 und 70 um Design 50 um der Abstand zweier Striche zwischen 190 und 215 um Design 200 um Mit NeuroCheck einem Bildverarbeitungstool f r Sichtpr fungen wurde der Schwerpunkt eines solchen Striches ermittelt d h der horizontale und vertikale Abstand des Mittelpunkts einer Struktur zum Bildrand Hler interessiert nur der horizontale Abstand Die Tatsache da eine solche Teststruktur mit zunehmender Drehfrequenz verwischt hat keine Auswir kung auf das Messergebnis da es auf das Springen des Mittelpunkts zwischen zwei gleich verwischten Strukturen von Bild zu Bild ankommt Bei den gleichen Frequenzen mit denen der CD Player evaluiert wurde wurden f r die Radien 2 3 4 und 5 cm jeweils 100 Bilder aufgenommen die mit NeuroCheck statistisch ausgewertet wurden Der auf der Kreisbahn eines bestimmten Radius r zur ckgelegte Weg s eines Bildpunktes bez glich des Nulldurchgangstriggers des CD Players h ngt ab von der Zeit t zwischen Nulldurchgangstrigger und Aufnahmezeitpunkt des Bilds s v t oexr t 2 1ll vxr t Deshalb wurden die Messreihen bei den Azimutal Winkeln 0 und 270 in der Te
105. uren auf einer rotierenden Scheibe 70 Speichert die Zeit von READ_TIMER unmittelbar Diplomarbeit Christian Beer A 3 ADbasic Programmcode beim Aufnehmen des Messwertes Eingangssignal DIM NowDelta AS INTEGER speichert die Differenz zwischen NowTimer und Strobotimer DIM Strobotimer AS INTEGER Vergleichtimer f r das Stroboflag DIM Strobodelay AS INTEGER Delay zwischen Trigger out des Players und Steuertrigger des Stroboskops DIM Kameradelay AS INTEGER Delay zwischen Steuertrigger Stroboskop und Kamera Belichtung DIM Strobotrigger AS INTEGER L nge des Stroboskop Triggersignals DIM Winkeldelay AS INTEGER Zus tzliches Zeit Delay um bei einem bestimmten Beobachtungswinkel zu landen Initialisierungen r INIT Alle Zeilen zwischen hier und EVENT werden genau einmal beim Start ausgef hrt GLOBALDELAY 500 Der Prozessor z hlt die Zeiten in Taktzyklen 1 Schritt 25 ns GLOBALDELAY definiert die Zeit nach der das gesamte Programm erneut gestartet wird Wenn das System nicht hinterherkommt also die Laufzeit des Programms gr er ist als GLOBALDELAY rscheint Fehlermeldung Karte meldet sich nicht Deshalb unkritisch 500 entspricht somit einer Abtastung alle 12 5 us PAR_6 0 FlagObUnt 0 RTOld 0 RTNew 0 AusgangOben 49152 0 V 32768 2 5 V 40960 5
106. y de TestPoint f r Windows Schnell erlernt Februar 2001 www keithley de servlet Data id 10434 amp jsession 0 8747159787977454137 22 06 03 25 M J Madou and G J Kellogg The LabCD TM A centrifugal based microfluidic platform for diagnostics SPIE 3259 80 93 1998 26 Jens Ducr e Roland Zengerle Microfluidics Principles Prototypes Products Springer Verlag noch nicht ver ffentlicht Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 77 Diplomarbeit Christian Beer Danksagung Als erstes m chte ich meinen Eltern danken dass sie mir dieses Studium erm glichten und trotz schwieriger Zeiten in mancherlei Hinsicht die entsprechende Geduld aufbrachten Bei Prof Dr Roland Zengerle und Dr Jens Ducr e m chte ich mich f r das sehr inter essante und interdisziplin re Thema bedanken bei dem der System Gedanke im Vordergrund stand da es bei der Entwicklung des Messplatzes darum ging aus mehreren Komponenten ein funktionierendes Gesamtsystem aufzubauen Ich konnte in dieser Zeit sehr viel praktische Erfahrung sammeln Ganz besonder Dank gilt Gerhard Birkle f r seine st ndige Hilfsbereitschaft bei den unterschiedlichsten Dingen und sein motivierendes Du hast s gut Ebenfalls ein ganz besonderer Dank an Wolfgang Streule Kommmm mm Mein Freund Atze f r seinen EDV Support bei diversen PC Problemen wenn sich z B
107. z 12 2 12 5 5 49 0 46 10 Hz 11 6 12 8 5 11 0 76 30 Hz 1 2120 4 77 1 20 50 Hz 11 5 13 7 2 67 2 04 Tabelle 3 2 Zusammenstellung des Verhaltens von Blitzverz gerung dt Zeitdifferenz zwischen Triggersignal und Detektor Peak und Intensit t U Betrag des Detektor Peaks bei verschiedenen Blitzfrequenzen Festlegung der Blitzverz gerung zur Messplatz Ansteuerung Da die CCD Kamera bei voller Aufl sung mit maximal 8 Hz betrieben werden kann ist dies auch die maximale Betriebsfrequenz des Stroboskops Daher kommt die Messreihe bei 10 Hz dem realen Einsatz am n chsten bzw ist der hier ermittelte Wert der Blitzverz ge rung der gr te der erwartet werden kann F r die Messplatz Ansteuerung musste nun ein geeigneter Wert dieser Blitzverz gerung festgelegt werden der die Zeitdifferenz zwischen Steuertrigger des Stroboskops und dem Steuersignal f r die Kamerabelichtung bestimmt Unmittelbar nach dem Einschalten des Ger tes betr gt die Blitzverz gerung im Mittel 11 5 us nach zehn Minuten Betriebszeit bei 10 Hz aber bereits 12 us bzw 12 5 us nach drei ig Minuten Da der Messplatz bzw das Experiment verschiedener Vorbereitungen bedarf erfolgt der eigentliche Betrieb meist deutlich sp ter als zehn Minuten nach dem Ein schalten Auch wenn das Stroboskop nicht blitzt ist im eingeschaltenen Zustand eine Erw rmung festzustellen Dieser Anstieg ist zwar deutlich geringer als w hrend des Betriebs aber bei langen Stan
108. z zusammengefa t werden Zuerst mu das Eingangssignal erfasst werden Hierf r wird dies auf den analogen Ein gangskanal 1 gelegt Die Karte tastet diesen Eingang nun bei jedem Programmdurchlauf ab und ermittelt dessen Wert Um hieraus die Frequenz zu ermitteln wird der Indikator FlagObUnt ben tigt der erkennt ob das Signal high oder low entspricht Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 49 Diplomarbeit Christian Beer 3 5 Messdatenerfassungskarte ADwin light 16 In dem Moment des Erkennens der Flanke wird die aktuelle Zeit des Prozessortimers in RTNew abgelegt und f r die n chste Flanke als RTOld gespeichert Die Differenz RTNew RTOld dieser beiden Zeiten stellt die Periodendauer dar aus deren Kehrwert die Frequenz ermittelt werden kann Die Zeiten werden dabei in Prozessorschritten zu 25 ns ermittelt Um die Zeiten oder Frequenzen in SI Einheiten darzustellen mu folglich der Umrechnungsfaktor 40 000 000 mit einbezogen werden Die Laufzeit des Programmes betr gt 12 5 us 500 Prozessorschritte die durch die Variable Globaldelay festgelegt werden kann Hierbei wurde der kleinstm gliche Wert empirisch ermittelt bei 12 5 us betr gt die Prozessorauslastung zwischen 90 und 98 Die Laufzeit wird im wesentlichen durch die in den technischen Daten angegebene A D Konvertierungszeit von 10 us bestimmt In der Variabl
109. zierbar ist hier also derjenige Vorgabewert zu verstehen ab dem der Linearantrieb so verf hrt da die tats chliche Fahrstrecke dieser Vorgabe entspricht Die Eingabe in das Feld direct input vgl Abb 4 1 hat in Millimeter zu erfolgen Bis zu der Eingabe von 0 4 bleibt der Linearantrieb von dieser Vorgabe v llig unber hrt Gibt man den Wert von 0 4 ein so f hrt der Linearantrieb ca 30 um was bei weitem nicht der Vor gabe von 400 um entspricht Erst ab einem Wert von 1 mm erreicht man auch eine tats chliche Verfahrung von 1 mm bis auf den Fehler von 1 37 wie oben erw hnt Beob achtet wurde dies ebenfalls mit der CCD Kamera die durch das Mikroskop auf den Messobjekttr ger fokussiert war und durch den Linearantrieb verfahren wurde Da beim derzeitigen Aufbau der kleinste Bildausschnitt bei der h chsten Vergr erung 1 4 x 1 7 mm betr gt ist eine Aufl sung von 1 mm ausreichend Au erdem kann die Position des Bild ausschnitts kontinuierlich ver ndert und am Bildschirm mitverfolgt werden so da auch geringere Verfahrungen m glich sind Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 46 Diplomarbeit Christian Beer 3 4 Linearantrieb Verfahrgeschwindigkeit F r die Verfahrgeschwindigkeit lassen sich in der Testpointsteuerung mit dem Schiebe regler velocity vgl Abb 4 1 Zahlenwerte in einem Bereich von 0 50 000 eingeben D
110. ziert mit dem Radius r die Winkgelgeschwindigkeit wiederum durch 2 II v mit der Drehfrequenz v des Players Abbildung 2 3 0 Trigger Player Stroboskop 1 2 T 128 us 112 T Der CD Player gibt pro Umdrehung ein Triggersignal aus Die Position der Nulldurchgangsmarke des Players gegen ber der Kamera ist willk rlich Das gezeigte Beispiel stellt den Moment dar in dem sich diese Nulldurchgangsmarke am oberen Bildrand befindet Die CCD Kamera ist station r an der angedeuteten Stelle oranger Kasten montiert Zu diesem Zeitpunkt befinde sich das Nulldurchgangssignal der CD also direkt senkrecht unter der Kamera In diesem Fall soll bei 180 bez glich des Nulldurchgangs ein Bild aufgenommen werden Somit mu die Kamera nach einer halben Periodendauer 1 2 T nach dem Nulldurchgangssignal ausgel st werden Dreht sich die CD nun wie angedeutet rechts herum so befindet sich zum Zeitpunkt t 1 2 T 12 8 us die damit gekennzeichnete Markierung unter der Kamera In diesem Moment wird ein Triggersignal f r das Stroboskop gesetzt Das gelbe Segment stellt den dadurch belichteten Bereich w hrend der Rotation auf der CD dar 12 8 us sp ter also bei 1 2 T und somit bei exakt 180 wird die Bildaufnahme ausgel st was durch den roten Bereich gekennzeichnet ist Wenn nun t hier die Wartezeit bis zur Bildaufnahme und r konstant gehalten werden sich aber v bzw ver ndert so ist der zur ckgelegte Weg s direkt von d
111. zteilung von 2 wo der Strobotimer nach dem zweiten darauffolgenden Nulldurchgangstrigger 720 2 T gegen ber dem ersten Null durchgangstrigger gesetzt wird ist ein WinkelDelay gr er 180 bzw 360 bis 360 bzw 540 m glich es entstehen keine berschneidungen In einem weiteren Schritt wurde die Version 04 entwickelt die auf den Offset von 180 verzichtet und somit den Ausgang Trigger 12 8 us vor dem Nulldurchgangstrigger des CD Players setzt F r einen Winkel von 0 liefern die Versionen 02 und 04 ein besseres Ergebnis als die Version 03 da hier der Nulldurchgangstrigger direkt durchgeschalten wird Die Version 03 nimmt das 0 Bild erst bei realen 180 auf und die Schwankung des CD Players kommt Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 67 Diplomarbeit Christian Beer 4 3 Bildinstabilitaten somit voll zum Tragen Bei 270 zeigen alle Versionen ein ahnliches Verhalten da sich hier die CD bei allen Versionen bez glich des jeweiligen Nulldurchgangstriggers um 270 unkontrolliert weiter dreht Nur nur die Version 03 funktiiniert bei einem Azimutal Winkel von 270 erst ab 8 Hz Die Ursache hierf r wurde gerade erkl rt Das Bildspringen ist also in erster Linie durch das u erst geringe Schwanken der Peri odendauer des CD Players begr ndet An dieser Stelle wird also nochmals die Wichtigkeit der Evaluation der Frequenzstabi
112. zur Verf gung Da die Blitzverz gerung dt mit zunehmender Temperatur gr er wird verschiebt sich infolgedessen die gesamte Intensitatskurve auf dem Bildschirm des Oszil loskops wodurch diese aus dem Messbereich Rechteck in Abb 3 4 f llt Es werden zwar auch dann Messwerte ermittelt diese unterscheiden sich aber deutlich von den zu erwartenden bzw tats chlichen Werten und sind somit eindeutig als Messfehler zu identifizieren und nicht repr sentativ f r den wahren Zeitverlauf der Blitzverz gerung dt Zwischen 10 und 11 us treten f r die Zeitdifferenz zwischen Triggersignal und Peak des Photodiodenverst rkers keine Werte auf Folglich wurden alle Werte die kleiner als 10 us waren entfernt was ab 4 200 Sekunden st ndig der Fall war Deshalb endet die Zeitachse in Abb 3 15 dort F r die abschliessende Messreihe bei 50 Hz wurde das zu untersuchende Intervall am Oszilloskop erneut angepasst und es konnte entsprechend der Zeitverlauf ber einen Zei raum von rund zwei Stunden aufgenommen werden vgl Abb 3 17 Folgende Tabelle 3 2 stellt die wichtigsten Ergebisse der Messungen noch einmal zusammen Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 25 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop Zunahme der Mittelwert der Standard Messreihe Blitzverz gerung dt Intensitat U abweichung der von bis us V Intensitat 1 H
113. zverz gerung dt wird nicht durch die Frequenz sondern durch die Temperatur bestimmt Vergleicht man die Kurven 30 und 50 Hz so tritt die selbe Blitzverz gerung immer bei den gleichen Temperaturen auf Besonders deutlich wird dies wenn man die Kurven in einem Diagramm darstellt wie dies in Abb 3 19 der Fall ist Allerdings steigt die Temperatur bei h herer Frequenz schneller an wodurch auch die Blitzverz gerung zunimmt Da die CCD Kamera und somit auch das Stroboskop in voller Aufl sung aber mit maximal 8 Hz Entwicklung und Evaluierung eines Messplatzes zur Charakterisierung mikrofluidischer Strukturen auf einer rotierenden Scheibe 18 Diplomarbeit Christian Beer 3 1 Stroboskop betrieben wird wird dieser Bereich nicht erreicht Die Standardabweichung der Blitzverz gerung ist maximal 2 07 betrachtet man diesen Wert jedoch als zeitliche Schwankung um den Mittelwert so ist sie mit 277 ns fast dreimal so gro wie die gesamte Belichtungszeit der Kamera die auf 100 ns festgelegt wurde Diese Schwankung um den Mittelwert bei gleichbleibender Temperatur ist laut Hersteller bei diesem System nicht ver nderbar Da es sich um eine Gasentladungslampe handelt h ngt dieser Jitter laut Hersteller stark von folgenden Faktoren ab e Geometrie der Blitzr hre e Gasdruck in der Blitzr hre e verwendete Elektroden zeitlicher Aufbau der erforderlichen Z ndspannung Dieser Jitter l sst sich auf dem Oszilloskop ber die Display Op

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