Testmessungen - zur Untersuchung möglicher Störfaktoren
Die Testmessungen sollten Aufschluss darüber geben, welche Genauigkeit mit dem Messsystem Leica Rugby 100 sowie dem Laserhandempfänger Androtec Metor MTR-125 in Abhängigkeit zur Entfernung sowie bei der Analyse von Deformationsmessungen erreicht werden können. Hierzu wurde die genannte Hardware bei Messungen im Keller, sowie auf dem Dach des Hauses Bauwesen der Beuth Hochschule umfangreich untersucht. Die Genauigkeit von Messsystemen zu kennen ist ein wichtiger Bestandteil des „Monitorings von Ingenieurbauwerken“ und bestimmt unter anderem über die Eignung eines Systems für die jeweilige Aufgabe. Der zu erwartende Normalfall ist, dass sich die Standard-abweichung linear mit der Entfernung erhöht.
Bei der bereits erwähnten vorangegangenen Bachelorarbeit kam es bei Testmessungen im Kellerkorridor zu nichtlinearen Abweichungen. Aus diesem Grund war das Hauptaugenmerk im Rahmen der ersten Testmessungen darauf gerichtet, etwaige Störeinflüsse im Keller zu beseitigen. Zudem sollte der Einfluss von direkter Sonneneinstrahlung auf den Receiver untersucht werden. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wäre hierzu eine konstante Sonneneinstrahlung nötig gewesen. Da die wolkenlosen Tage im aktuellen Winter rar waren, wurden die Messungen alternativ ebenfalls im Keller mit einem LED-Flutlichtstrahler durchgeführt. Der Strahler sollte die Bedingungen starker Sonneneinstrahlung simulieren, die bei Außenmessungen auf den Sensor einwirken können.
Analyse 1. Testmessung
Im Diagramm wird ersichtlich, dass kein linearer Zusammenhang besteht. Offensichtlich war es nicht möglich, den Laserstrahl mit Hilfe einer Schablone nur auf den Sensor treffen zu lassen. Das abgebildete Diagramm ähnelt dem der Testmessungen der genannten vorangegangenen Bachelorarbeit. Die Reflexionen im Kellergang konnten demzufolge nicht vermieden werden. Besonders offensichtlich ist die Abweichung von der Linearität bei 25m. Dies deutet auf einen besonders starken Einflussfaktor in diesem Messbereich hin. Der Abstrahlungswinkel des Rugby 100 wurde demnach durch die Schablone nicht ausreichend eingeschränkt. Mögliche Ursache könnte der relativ tief im Gehäuse liegende Laserkopf sein, der sich durch eine Schablone nicht ausreichend abschirmen lies. Zudem können die auftretenden Reflexionen durch den schmalen Gang, in dem die Messung stattgefunden hat, verstärkt worden sein. Es wird vermutet, dass die hohe Standardabweichung aus Reflexionen an Türen, Trassenträgern und aufgehängten Schildern resultiert. Zudem waren durch die Bauarbeiten an der Beuth Hochschule einige mit Folie überspannte Paletten im Korridor platziert, welche vermutlich zu weiteren Interferenzen und einer daraus resultierenden erhöhten Standardabweichung bei der Messdatenaufzeichnung führte. Diese Störfaktoren könnten die Erklärung, für ein geodätisches Messsystem dieser Art absolut nicht linearen Zusammenhang zwischen Standardabweichung und Entfernung sein.
In der ersten Analyse wurden alle Rohdaten der Testmessung im Keller berücksichtigt. Insofern wurden auch alle fehlerhaften Daten einschließlich möglicher Ausreißer mit betrachtet. Zu den potenziellen Fehlern in der Datenerfassung gehören:
· auftretendes Messrauschen,
· zufällige Fehler und
· grobe Fehler
Bei diesem Diagramm zur 1-𝞼 Umgebung ist bei 25m und ab Entfernungen von 55m eine besonders deutliche Abweichung von der Linearität zu erkennen. Jedoch hat sich die Genauigkeit im Vergleich zum vorigen Diagramm etwas verbessert. Im Bereich der stärksten Anomalien in der Mitte bei 25m hat sich die Standardabweichung von zunächst ca. 1,8mm auf 1,1mm verbessert. Insgesamt kann beobachtet werden, dass sich die Standardabweichung nach dem Aufspüren der Ausreißer in den Messwerten über die gesamte Distanz verbessert hat.
2. Testmessung - erhöhte Belichtung des Sensors
Der Aufbau der Instrumente und das Aufzeichnen von Messdaten erfolgte in einer ähnlichen Konstellation, wie in der ersten Testmessung. Die Sensoren wurden wieder der Reihe nach auf den genannten Abständen aufgestellt, diese zeichneten nun jeweils zwei Minuten (mit 10Hz) Messwerte auf. Zu erwarten gewesen wären somit etwa 1200 Messwerte pro Aufzeichnung. Das erste Mal wurde noch einmal regulär gemessen, was dem erneuten Versuch galt, Störeinflüsse durch Reflexionen zu minimieren. Beim zweiten Messvorgang wurden Daten erfasst, während die Sensoren unter starker Belichtung standen. Hierzu wurde der Strahler in einem Abstand von ca. 40cm zu den Sensoren platziert.
Analyse 2. Testmessung
Die Analyse der zweiten Messung erfolgte analog zu den ersten Testmessungen. Nachdem Bestimmen der Standardabweichung wurden die Ergebnisse im nebenstehenden Diagramm dargestellt. Auch bei diesem Liniendiagramm ist wieder zu erkennen, dass nicht wie in der Theorie zu erwarten, ein linearer Zusammenhang besteht. Die Standardabweichung steigt bei 25m auf den nahezu vierfachen Wert an und beträgt ca. 0,7mm bis 0,8mm. Dies ist jedoch im Vergleich zur ersten Testmessung eine Verbesserung von etwa 1mm (bei 25m Abstand zum Rotationslaser). Dies lässt darauf schließen, dass Reflexionen durch die Abdeckung von Schildern und Türen verringert, jedoch nicht vermieden werden konnten.
Bei der Untersuchung der Lichtempfindlichkeit der Sensoren kam es teils zu großen Standard-abweichungen, wie in der nebenstehenden Abbildung erkennbar ist. Die Genauigkeit unter Belichtung war teils deutlich schlechter als ohne Strahler.
Die Standardabweichung liegt bei 25m für die Sensoren 2,3 und 4 über 2,5mm. Es wird vermutet, dass die aufgetretenen Effekte am Sensor durch die erhöhte Belichtung verstärkt wurden.
Offenbar kam es zu einer Fehlregistrierung von Messwerten (siehe Tabelle | rot markiert). Rechnerisch hätten bei einer Voreinstellung von 10Hz am Rotationslaser etwa 600 Messwerte [min] am Empfänger registriert werden dürfen. Dies wurde hier teils um das Doppelte überschritten. Diese Fehlregistrierung deckt sich jedoch auch mit den erhöhten Standardabweichungen in den jeweiligen Bereichen und unterstütz die These, dass bei hoher Belichtung Störeinflüsse verstärkt und somit die Genauigkeit schlechter wird.
Deformationsmessung am Brückenmodell
Die Messungen zur Deformationsanalyse wurde zur praktischen Anwendung am Brückenmodell auf dem Dach des Hauses Bauwesen durchgeführt. Hierzu wurden die vier Androtec Metor Empfänger dieses Mal zeitgleich verwendet. Die Sensoren wurden links, rechts sowie mittig der Bezugsebene des Rotationslasers mit Hilfe von Schraubzwingen am Brückenmodell montiert. Der vierte Sensor wurde erneut auf dem Kurbelstativ (neben dem Modell) aufgestellt und fungierte als Referenzwert. Bei der Überwachung des Modells wurde während des einstündigen Messvorgangs ein 5kg Gewicht mittig (bei S2) an das Modell gehängt. Somit konnte in der späteren Analyse der Messdaten die Durchbiegung des Brückenmodells sowie der Einfluss auf die Empfänger berechnet werden.
Analyse der Deformationsmessung
Um die Belastung des Brückenmodells zu veranschaulichen, wurde die Belastung mit Hilfe eines Streudiagramms visualisiert. Wie im unteren, linken Diagramm zu erkennen ist, zeigt sich nachdem Anhängen des Gewichts, bei 35min eine deutliche Höhenveränderung bei Sensor 2. Im Diagramm sind zudem weitere Höhenveränderungen erkennbar. Zur besseren Visualisierung wurde das zweite (rechte) Diagramm erstellt. Sensor 4, welcher zu Referenzzwecken dienen sollte, hatte bereits nach etwa 15min die erste Höhenveränderung. Zu diesem Zeitpunkt war der Wind so stark, dass das Kurbelstativ fast kippte und ich dieses stabilisieren musste. Außerdem ist im Bereich ab 60min eine bei allen Sensoren ähnliche Höhenverschiebung aufgetreten. Die Homogenität der Verschiebung an allen verwendeten Sensoren, lässt auf eine Verschiebung der Bezugsebene hindeuten. Dies ist vermutlich auf einen Neustart des Rotationslasers nach Aktivierung des „H.I Allerts“ zurückzuführen. Um eine Beeinflussung dieses „Sprungs“ auf die weitere Auswertung zu minimieren, wurden die Daten vor dessen Auftreten „geschnitten“.
Um eine verlässliche Aussage darüber treffen zu können, ob die Deformationen vorhanden sind, wurde erneut die Sigma-Umgebung definiert. Dazu wurde dieses Mal die 3-𝞂 Umgebung (siehe Abbildung 16) ohne Belastung und anschließend mit Belastung definiert. Übersteigt die Höhenveränderungen den 3-𝞂-Bereich, liegen Deformationen vor.
Um festzustellen, ob eine signifikante Deformation vorliegt, müssen abschließend die Tabellen verglichen werden. Liegt der „neue“ Mittelwert (rot) markiert, außerhalb des 3-𝜎 Intervalls der Nullmessung, ist eine signifikante Deformation anzunehmen. Anhand der abgebildeten Tabellen ist festzuhalten, dass an Sensor 2 eine signifikante Deformation mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von 2,7‰ stattgefunden hat.
Durchbiegung an Sensor 2
Abschließend der Analyse am Brückenmodell wurde über eine 2D – Ähnlichkeitstransformation die Durchbiegung am Modell berechnet. Hierfür wurden die Transformationsparameter an Hand von Sensor 1 und 3 (als unveränderlich angenommen) berechnet. Da in Folge nur die Durchbiegung an Sensor 2 ermittelt werden sollte, wurden im Zielsystem ebenso Sensor 1 u. 3 als „fest“ angenommen. Im Zuge der Transformation ergab sich eine Durchbiegung von d = 1mm an Sensor 2. Dies entspricht einer eindeutigen Deformation unter Belastung.
