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WaxsAnalysis Software zur computergestützen Auswertung von Flachkammeraufnahmen der RöntgenweitwinkelstreuungProgrammentwicklung und erste Anwendungen.

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Präsentation zum Thema: "WaxsAnalysis Software zur computergestützen Auswertung von Flachkammeraufnahmen der RöntgenweitwinkelstreuungProgrammentwicklung und erste Anwendungen."—  Präsentation transkript:

1 waxsAnalysis Software zur computergestützen Auswertung von Flachkammeraufnahmen der RöntgenweitwinkelstreuungProgrammentwicklung und erste Anwendungen Robert Miers 22. Januar 2003 Technische Universität Berlin Institut für Werkstoffwissenschaften und -technologien - Polymertechnik, Kunststofftechnikum, Polymerphysik -

2 Flachkammeraufnahmen der Röntgenweitwinkelstreuung WICHTIGE ZIELE DER RÖNTGENWEITWINKEL- STREUUNGSMESSUNG AN POLYMEREN Bestimmung von  Kristall- und Molekülstruktur  Kristallorientierung  Kristallinitätsindex  Kristallitgröße  Gitterstörungen

3 RÖNTGENSTRAHLEN – Entstehung und Monochromatisierung Entstehung durch Abbremsung schneller Elektronen im Bereich der Atomhülle Bremsstrahlung (Abbremsung im Bereich des Atomkerns) charakteristische Strahlung (Herausschlagen eines Elektrons; Auffüllen der Schale durch „Rücksprung“ eines Elektrons einer höheren Schale) Abhängigkeit der charakteristische Strahlung von Anregungsspannung und Anodenmaterial Monochromatisierung (Separierung der K  -Linie)  Filter (Tranmissionskante bei K  -Linie)  Monochromatorkristall (Wellenlänge der K  -Linie muss Bragg-Bedingung erfüllen) (Beispiel: Kupfer-Anode mit Nickel-Filter)

4 RÖNTGENSTRAHLEN – Beugung Beugung (als Reflektion nach Bragg)  Röntgenstrahlen regen Gitteratome zu Schwingungen an  Gitteratome senden Sekundärwellen aus  Kugelförmige Elementarwellen (mit identischer Wellenlänge ) interferieren  Resultierendes Streubild durch Superposition Regellose Ansammlung von Streuern  Keine Phasenbeziehung der der gestreuten Wellen  Streubild ohne Struktur Periodische, regelmäßige Ansammlung von Streuzentren  Auslöschung und konstruktive Interferenz  Streubild mit Struktur  – Reflektions-/Glanzwinkeln – Ordnung des Reflexes – Wellenlänged - Netzebenenabstand

5 K RISTALLINITÄT – Definition und Bedeutung Das Streudiagramm eines teilkristallinen Materials setzt sich aus einem amorphen Anteil (Fläche F a ) und einem kristallinen Anteil (Fläche F k ) zusammen. Die Flächen (F a und F k ) dienen zur Definition des Kristallinitätsindexes X R1. Einfluss des Kristallisationsgrades auf optische und mechanische Materialeigenschaften (z.B. Transparenz, Bruch- und Biegeeigenschaften). Der Massenkristallisationsgrad bezeichnet den Anteil der kristallinen Phase an der Gesamtmasse. Teilkristalline Thermoplaste (z.B. PE, PP, PET, POM, PA) erstarren (Abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit) in amorphen und kristallinen Bereichen (partielle Kristallisation).

6 SCHEMATISCHER A UFBAU DER F LACHKAMMER -K AMERA

7 V ERSUCHSAUFBAU

8 F LACHKAMMERAUFNAHMEN - Beispiel PET PET 5 Stunden bei 100°C getempert PET 5 Stunden bei 250°C getempert

9 F LACHKAMMERAUFNAHMEN – manuelle und computergestützte Auswertung Schnittebene MANUELLE AUSWERTUNG  Maxima (Fingerabdruck des Thermoplasten)  amorpher und kristalliner Anteil  Kristallisationsgrad PROBLEME DER MANUELLEN AUSWERTUNG  Augenmaß bei Grauwertabschätzungen  Messungenauigkeit bei Streckenbestimmungen  manuelle Integration COMPUTERGESTÜTZTE AUSWERTUNG  Digitalisierung der Grauwerte und Umrechnung in Streuintensitäten (Kalibrierung der Grauskala)  Automatische Zuordnung von Radius zum Streuwinkel  Automatische Bestimmung von Strukturparametern (Kristallisationsgrad, Kristallitgrößen, Orientierung)

10 F LACHKAMMERAUFNAHMEN – Probleme der Auswertung von der manuelle Auswertung … … zur computergestützten Auswertung

11 B ILDVERARBEITUNG – Raster- und Vektorgrafik DIGITALE BILDVERARBEITUNG  Unterscheidung in Rastergrafik und Vektorgrafik RASTERGRAFIK  Matrix mit Farb- und Helligkeitsinformationen für jeden einzelnen Punkt  Eignung für Bilder  Manipulation (Drehung, Verzerrung) nur verlustbehaftet möglich VEKTORGRAFIK  Objektbezogene Bildinformationen (Koordinaten von Punkten und Vektoren, Linientyp, Linienfarbe …)  Eignung für nicht rasterfähige Objekte  Manipulation erfolgt verlustfrei (Vektoralgebra) waxsAnalysis  Rastergrafik zur Darstellung des entwickelten Films  Vektorgrafik zur Darstellung von Auswertungsobjekten (Mittelpunktskreise, Randkreise, Orientierungspunkten), Fehlstellen und Schnitt- bzw. Integrationslinien

12 B ILDANALYSE – von der Vektor- zur Rastergrafik PROBLEME DER AUSWERTUNG  Darstellung einer Linie (Vektor-Objekt) als Rastergrafik  Anwendung: Schwärzungsverteilung für einen definierten Winkel (Auswertung einer Linie beliebigen Winkels) ADAPTIERUNG DES ALIASING  Generelles Problem der Darstellung einer (mathematischen) Linie oder Kreises durch Punkte (Rasterung)  Berechnung der Punkte durch Bresenham-Algorithmen  Nachteile: Treppchen statt gerade Linien, eckige Formen statt Rundungen LÖSUNG DURCH ANTIALIASING  Verwischen der Ränder durch Einbeziehung der direkten Nachbarn  Mathematisch errechneter Linien-Punkt und die umliegenden acht Bildpunkte dienen (gewichtet) zur Berechnung des tatsächlichen Farbwertes

13 ALGORITHMEN – Bresenham für Linien  Berechnung der Koordinaten jedes einzelnen Punktes, indem vom zuletzt gezeichneten Punkt ausgegangen wird (iterativ)  Entscheidung zwischen 2 Punkten (oberhalb oder unterhab der Geraden) durch Berechnung der Differenz zur tatsächlichen Geraden  Optimierung: Berechnung der Differenz aus den vorhergehenden Punkten

14 ALGORITHMEN – Bresenham für Kreise Für einen Kreis gilt: F(x,y) = x² + y² - r² F(x,y) = 0 für (x,y) auf dem Kreis, F(x,y) < 0 für (x,y) innerhalb des Kreises, F(x,y) > 0 für (x,y) außerhalb des Kreises  Berechnung der Koordinaten jedes einzelnen Punktes, indem vom zuletzt gezeichneten Punkt ausgegangen wird (iterativ)  Entscheidung zwischen 2 Punkten (innerhalb oder außerhalb des Kreises) durch Berechnung der Differenz zum tatsächlichen Kreispunkt

15 W IDE A NGLE X -RAY S CATTERING A NALYSIS

16 A USWERTUNG - Bestimmung wichtiger Bildparameter ORIENTIERUNGSPUNKT Ausrichtung der Planfilmaufnahme in Bezug auf die Probe FILMRAND MITTELPUNKT Zentrum für radiale und azimutale Auswertungen GRUNDSCHWÄRZUNG Definition der Null-Intensität ÄUSSERER AUSWERTUNGSRAND Ende des Auswertungsbereiches INNERER AUSWERTUNGSRAND Beginn des Auswertungsbereiches Manuelle Vorgabe von …  Abstand Probe – Film  Gradation (Grauwert-Streuintensitätszuordnung) Automatische Auswertung von … Bildparameter werden als Vektor-Objekte dargestellt und sind in Größe und Lage editierbar.

17 A USWERTUNG - Fehlstellen FEHLSTELLEN  meist kleine, punktuelle Fehler  Hervorgerufen durch fehlerhaftes Filmmaterial (Lagerung, Vorbelichtung, Verunreinigungen, fehlerhafte Entwicklung)  Ausschließung der Fehlstellen bei den Auswertungen MARKIERUNG  anklicken des fehlerhaften Bereichs  optionale Parametrisierung der Rand- Farb-Toleranz  Automatische Randbestimmung durch Boundary-Fill-Algorithmus  Vektorobjekt in Größe und Position beliebig änderbar  Markierung auch durch Rechteck, Ellipse und Polygon möglich

18 ALGORITHMEN – Boundary-Fill Der rekursive Algorithmus läuft wie folgt ab:  Prüfen ob es sich um einen Randpixel handelt oder ob der Pixel bereits ermittelt wurde (d.h. ob die Farbdifferenz zwischen Pixels und Vorgänger übereinstimmt)  Falls nicht, wird das Pixel „gefüllt“ und der Algorithmus rekursiv für die 4 bzw. 8 Nachbarpixel aufgerufen Beim Boundary-Fill Algorithmus werden die Pixel im Innern des zu füllenden Gebietes bestimmt. Farbdifferenz zwischen „Füllung“ und „Rand“ müssen bekannt sein.

19 A USWERTUNG - Gradation BESTIMMUNG DER GRADATION (Zusammenhang Grauwert – Streuintensität)  Erstellung eines „Graukeils“ durch partielle, zeitlich-unterschiedliche Belichtung eines Filmstreifens  Zuordnung: Farbbereich - Belichtungszeit  Ermittlung der Gradation als Steigung der Schwärzungskurve

20 A USWERTUNG – Falsch-Farb-Darstellung FALSCH-FARB-DARSTELLUNG  digitalisierte Planfilmaufnahmen auf der Basis von 256 Graustufen (8 Bit)  Visualisierung von marginalen Grauwert- unterschieden durch Erstellung und Überlagerung von 256-Farben-Paletten

21 AUSWERTUNG - Intensitätsdiagramm  Abspeichern der Auswertungsparameter für spätere Verwendung  Export der Zahlenwerte als ASCII-Datei (Trennzeichen frei wählbar)  Druck (Grafik, Bericht) Zweiseitig, durch MittelpunktEinseitig, beginnend im Mittelpunkt Kreissegment, durch Mittelpunkt  frei definierbare Anfangs- und Endpunkte  Markierung der relevanten Peaks  Qualitative Auswertung durch Gradation  Berücksichtigung von Fehlstellen

22 waxsAnalysis – auf einen Blick VORBEREITUNGEN ZUR AUSWERTUNG  Import von Planfilmaufnahmen aus Datei oder Scanner  Kenntnis der Aufnahmeparameter (Abstand Probe – Film, Filmmaterial …)  Organisation der Planfilmaufnahmen in Projekten AUSWERTUNG  Berechnung von Intensitätsverteilungen  Radiale Intensitätsverteilung (fester Azimutwinkel , Integration über Sektoren von  )  azimutale Intensitätsverteilung (Bestimmung der Orientierung)  Intensitätsverteilung mit beliebigen Start- und Endpunkt  Bestimmung von Strukturparametern (Gitterabstände, Kristallitgröße, Gitterstörungen, Kristallinität)  Abspeicherung der Auswertungsparameter (zur späteren Wiederverwendung)  Ausgabe von Mess- und Auswerteprotokollen BILDNACHBEARBEITUNG  Kontrast, Helligkeit, Farbsättigung  Filter (Schärfen, Weichzeichnen, Benutzerdefiniert)  Rotieren und Spiegeln  Histogramm (Farbhäufigkeitsverteilung) SCHNITTSTELLEN  Grafikformate: TIF, JPG, PCX, BMP, PNG, WMF, EMF, TARGA  Export von Daten: Komma separierte Werte, Tabulator separierte Werte, eigenes Trennzeichen  Scanner: alle Scanner mit TWAIN-Ansteuerung

23 waxsAnalysis - weitere Infos … weiterführende Informationen und Download der Präsentation unter:


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