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Die vorliegende Arbeit beschreibt empirische, analytische und numerische Untersuchungen an zylindrischen Klebstoffverbindungen unter Biegebelastungen. Die Klebstoffverbindung zwischen dem isotropen und anisotropen Fügepartner ist als zylindrische Überlappverbindung ausgeführt. Der äußere Fügepartner besteht aus einer Aluminiumlegierung während der innere Fügepatrner aus glasfaserverstärktem Kunststoff im Filament-Winding-Verfahren hergestellt ist. Die Klebstoffschicht des hochtemperaturvernetzenden Epoxidklebstoffs hat eine Schichtdicke zwischen 0,1 mm und 0,2 mm. Die Biegebelastung wird, analog eines Kragträgers, durch eine Querkraftbelastung und eine feste Einspannung in der Verbindung hervorgerufen. Ziel dieser Arbeit ist die Identifizierung und Qualifizierung von konstruktiven Einflussfaktoren, welche für die Dimensionierung maßgebliche Bedeutung besitzen. Die Grundlage bildet dabei ein analytisches Berechnungsverfahren welches die Schubspannungsverteilung in der Klebstoffschicht vereinfacht beschreibt. Umfangreiche Materialcharakterisierungen des Klebstoffsystems sowie des glasfaserverstärkten Kunststofffügepartners stellen die Grundlage der analytischen und numerischen Berechnungsverfahren. Aufbauend auf einer globalen Betrachtung des Kraftübertragungsmechanismus werden detaillierte Untersuchungen der Fügepartnersteifigkeiten, des Anisotropiegrads sowie der Überlappungslänge durchgeführt. All diese Parameterstudien werden hinsichtlich ihrer Wirkprinzipien diskutiert und mit umfangreichen experimentellen Untersuchungen abgeglichen. Es zeigte sich eine generell gute Übereinstimmung zwischen den Resultaten des analytischen Modells, den Finite-Elemente-Simulationen und den experimentellen Befunden. Im Rahmen einer Verformungsanalyse zeigte sich der Effekt einer lokalen Sekundärbiegung der Verbindung, welcher durch die exzentrische Anordnung der Fügeteile hervorgerufen wird. In Bezug auf die Längsverzerrungen der Fügepartner und die resultierenden Schubspannungen in der Klebstoffschicht wurde eine klare Analogie zu ebenen und axial belasteten Überlappverbindungen erkannt. Fundamentale Zusammenhänge, wie die konvergierende Abhängigkeit zwischen der maximalen Schubspannungsspitze und der Überlappungslänge oder der Beziehung zwischen den Fügeteilsteifigkeiten und der Schubspannungsverteilung, sind entsprechend der Untersuchungen auch für zylindrische Überlappverbindungen gültig. Bei Biegebelastung sind jedoch die Flächenträgheitsmomente und nicht die Querschnittsflächen der Fügepartner für den Schubspannungsverlauf in der Klebstoffschicht prägend. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Radius der zylindrischen Verbindung bei axialer Belastung in einer indirekt proportionalen Beziehung zum mittleren Schubspannungsniveau steht. Bei Biegebelastung ist diese Beziehung jedoch indirekt quadratisch, wodurch der Durchmesser der zylindrischen Verbindung in diesem Kontext einen deutlich höheren Einfluss aufweist. In Bezug auf den anisotropen Fügepartner wurde dessen Längssteifigkeit als prägend für die Schubspannungsverteilung identifiziert.

Diese Mixed-Methods-Studie unertsucht den Einfluss von Exoskeletten auf die physische Belastung und Akzeptanz von Pflegekräften. Ziel der Studie war es, die Wirkung eines passiven, rückenunterstützenden Exoskeletts auf Muskelaktivität, Körperhaltung und subjektivem Anstrengungsempfinden während eines simulierten Transfers von Patient*innen zu evaluieren. Dazu wurde eine quantitative Analyse mit 33 Pflegekräften durchgeführt, die ein Exoskelett in drei unterschiedlichen Unterstützungsformen trugen. Die Muskelaktivität zeigte keine signifikanten Unterschiede, gleichzeitig zeigten sich signifikante Ergebnisse in der Reduktion des subjektiven Belastungsempfinden beim Tragen des Exoskeletts und der geringeren Hüftbeugung beim Tragen des Exoskeletts. Eine qualitative Studie ergänzte die Untersuchung, indem die Akzeptanzfaktoren und Implementierungshürden identifiziert wurden. Besonders der Tragekomfort und die Kompatibilität des Exoskeletts mit den spezifischen Pflegeaufgaben sind entscheidend. Weitere Forschung nötig ist, um die langfristigen Effekte auf die muskuloskelettale Gesundheit und die optimale Implementierung dieser Technologie in Pflegeeinrichtungen besser zu verstehen. This mixed-methods study investigated the influence of exoskeletons on the physical strain and acceptance of nurses. The aim of the study was to evaluate the effect of a passive, back-supporting exoskeleton on muscle activity, posture and subjective perception of exertion during a simulated transfer of patients. For this purpose, a quantitative analysis was conducted with 33 nurses wearing an exoskeleton in three different forms of support. There were no significant differences in muscle activity, but there were significant results in the reduction of the subjective feeling of strain when wearing the exoskeleton and less hip flexion when wearing the exoskeleton. A qualitative study supplemented the investigation by identifying the acceptance factors and implementation hurdles. In particular, wearing comfort and the compatibility of the exoskeleton with specific care tasks are crucial. Further research is needed to better understand the long-term effects on musculoskeletal health and the optimal implementation of this technology in care facilities. Translated with www.DeepL.com/Translator (free version)

Die vorliegende Dissertation erörtert das Potenzial der photoakustischen Spektroskopie (PAS) für die Detektion von Methan und Ethan in der Umgebungsluft. Der theoretische Teil widmet sich zunächst ausführlich den Grundlagen der Absorptionsspektroskopie und insbesondere der PAS. Zusätzlich werden für diese Arbeit relevante Messmethoden wie die Absorptionsspektroskopie nach Lambert-Beer, Cavity ring-down Spektroskopie (CRDS) und Wellenlängen-modulierte Spektroskopie (WMS) vorgestellt und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile erörtert. Im Theoriekapitel wird zusätzlich die photoakustische Signalgenerierung, einschließlich der Signalverstärkung durch akustische Resonanzverstärkung, detailliert hergeleitet. Besonderes Augenmerk liegt auf der Diskussion des Einflusses der nicht-strahlenden Relaxation auf das photoakustische Signal, wobei die zwei dominanten Formen der stoßbasierten Energieübergänge, Schwingungs-Translation (VT) Relaxation und Schwingungs-Schwingungs (VV) Relaxation, intensiv betrachtet und diskutiert werden. Eine Literaturzusammenfassung rundet den theoretischen Teil ab, wobei der Fokus auf dem Einfluss der Relaxation auf das photoakustische Signal für verschiedene Analyten liegt. Neben der Charakterisierung der Laserquellen hinsichtlich der Emissionswellenzahl wird ein in die photoakustische Messzelle integriertes System (Acoustic Resonance Monitoring System - ARMS) präsentiert, welches eine schnelle Quantifizierung akustischer Parameter, wie Resonanzfrequenz und Q-Faktor ermöglicht. Im Ergebnisteil wird der photoakustische Methansensor auf Quereinflüsse gegenüber Sauerstoff, Luftfeuchte, Kohlenstoffdioxid sowie Messzellentemperatur und -druck hin evaluiert. Dabei wurden akustische und relaxationsbedingte Effekte als dominierende Einflussgrößen identifiziert. Die Abhängigkeit der photoakustischen Amplitude und Phase von der Effizienz der nicht-strahlenden Relaxation lässt sich mithilfe des entwickelten Algorithmus CoNRad berechnen und kompensieren, wodurch die Zuverlässigkeit der Sensoren gesteigert wird. Das Konzept des digitalen Zwillings kombiniert theoretische Berechnungen, ARMS-Messungen und die emittierte optische Laserleistung, um ein vollst¨andig theoretisch zu erwartendes photoakustisches Signal zu berechnen und gemessene Rohwerte für sämtliche Quereinflüsse zu kompensieren. Dieser Ansatz wurde in einer mehrtägigen Messreihe mit einem Referenzgerät zum atmosphärischen Methanmonitoring evaluiert. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial der PAS zur Spurengasdetektion in der Umgebungsluft, unterstreichen aber auch die Notwendigkeit des digitalen Zwillings zur Quereinflusskompensation. Messungen mit einem quartz-enhanced PAS Sensor zeigten ebenfalls relaxationsbedingte Signalveränderungen, die mithilfe der etablierten statistischen Methode der Partial Least Squares Regression (PLSR) und dem digitalen Zwilling kompensiert wurden. Mit beiden Ansätzen konnten vergleichbar gute Ergebnisse erzielt werden und den mittleren relativen Fehler der vorhergesagten Analytkonzentration auf den einstelligen Prozentbereich verringert werden. Darüber hinaus wurde eine Methode entwickelt, um spektrale Quereinflüsse in der Wellenlängen-modulierten PAS zu berechnen. Der Einfluss von spektralen Überlappungen auf das Messsignal wurde zusätzlich für Amplitudenmodulation untersucht. Zusammenfassend befasst sich diese Dissertation vorrangig mit der detaillierte Analyse von relaxationsbedingten, akustischen und spektralen Einflüssen auf das photoakustische Signal. Hierbei werden verschiedene innovative Ansätze zur Quantifizierung und Kompensation dieser Einflüsse präsentiert, mit dem übergeordneten Ziel, die Genauigkeit und Zuverlässigkeit photoakustischer Sensoren in langfristigen Feldanwendungen signifikant zu erhöhen. Die Erkenntnisse dieser Arbeit unterstreichen nicht nur das Potenzial der photoakustischen Spektroskopie zur präzisen Detektion von Spurengasen in der Umgebungsluft, sondern betonen auch die Notwendigkeit von Kompensationsmechanismen. Insgesamt trägt diese Arbeit entscheidend dazu bei, dass photoakustische Sensoren in kontinuierlichen Feldanwendungen eingesetzt werden können. This dissertation discusses the potential of photoacoustic spectroscopy (PAS) for the detection of methane and ethane in ambient air. The theoretical section is dedicated to the fundamentals of absorption spectroscopy and PAS in particular. Additionally, spectroscopic measurement methods relevant to this work such as Beer-Lambert absorption spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy (CRDS) and wavelength modulated spectroscopy (WMS) are presented and their respective advantages and disadvantages are discussed. The theory chapter also provides a detailed derivation of photoacoustic signal generation, including signal amplification by acoustic resonance amplification. Particular attention is given to the discussion of the influence of non-radiative relaxation on the photoacoustic signal, whereby the two dominant forms of collision-based energy transfer, vibrational-translation (VT) relaxation and vibrational-vibrational (VV) relaxation, are reviewed and discussed. A literature review completes the theoretical part, focusing on the influence of relaxation on the photoacoustic signal for different analytes. Besides the characterization of the laser sources with respect to the emission wavenumber, an integrated system (Acoustic Resonance Monitoring System - ARMS) is presented, which allows fast quantification of acoustic parameters such as resonance frequency and Q-factor. The photoacoustic methane sensor is evaluated in the results chapter regarding cross-sensitivities towards oxygen, humidity, carbon dioxide as well as photoacoustic cell temperature and pressure. Acoustic and relaxation-related effects were identified as the dominant parameters. The dependence of the photoacoustic amplitude and phase on the efficiency of the non-radiative relaxation can be calculated and compensated for using the developed algorithm CoNRad, which increases the reliability of the sensor. The concept of the digital twin combines theoretical calculations, ARMS measurements and the emitted optical laser power to calculate a fully theoretically expected photoacoustic signal and to compensate measured raw data for all cross influences. This approach was evaluated in a series of measurements over several days with a reference device for atmospheric methane monitoring. The results illustrate the potential of PAS for trace gas detection in the ambient air, but also emphasize the necessity of the digital twin for signal compensation. Measurements with a quartz-enhanced PAS sensor also revealed relaxation-related signal distortions, which were compensated using an established statistical method of partial least squares regression (PLSR) and the digital twin. Both approaches achieved equally good results and reduced the mean relative error of the predicted analyte concentration to the single-digit percentage range. Furthermore, a method for calculating spectral influences in terms of wavelength-modulated PAS was developed. Spectral influences on the measurement signal were also investigated for amplitude modulation. In summary, this thesis is primarily dedicated to an in-depth analysis of relaxation-related, acoustic and spectral influences on the photoacoustic signal. Various novel approaches to quantify and compensate for these influences are presented, with the objective of significantly increasing the accuracy and reliability of photoacoustic sensors in long-term field applications. The findings of this work not only demonstrate the capability of photoacoustic spectroscopy for the precise detection of trace gases in ambient air, but also emphasize the need for compensation techniques. Overall, this work provides a valuable contribution towards the application of photoacoustic sensors in continuous and long-term field applications.

Die Untersuchung des muskuloskeletalen Apparates ist eine große Herausforderung, da hierzu möglichst genaue Kenntnisse von Muskel- und Gelenkkräften benötigt werden. Daher wurden in den letzten Jahren numerische Modelle entwickelt, um einen genaueren Einblick in das muskuloskeletale System zu erhalten. Insbesondere um eine Aussage über Langzeiteffekte machen zu können, muss die Ermüdung von Muskeln berücksichtigt werden. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines neuartigen Ermüdungsalgorithmus basierend auf EMG Messungen. Dies beinhaltete die Untersuchung des Verlaufs der Ermüdung einzelner Muskeln, sowie deren Einflusses auf Rekrutierungsmuster. Des Weiteren wurde dieser Algorithmus in ein modernes muskuloskeletales Berechnungssystem implementiert. Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei experimentelle Studien durchgeführt, um den Verlauf von Muskelermüdung einzelner Muskeln in Korrelation mit deren relativen Belastung zu ermitteln, sowie das Verhalten von uskelrekrutierungsmustern der Thoraxmuskulatur während ermüdender Übungen zu untersuchen. Basierend auf den Ergebnissen der ersten Studie wurde ein Ermüdungsalgorithmus entwickelt und in das AnyBody Modeling SystemTM (AMS) implementiert. Beide experimentellen Studien wurden mit dem modifizierten AMS simuliert um den Algorithmus zu validieren und das Verhalten des Rekrutierungssolvers zu untersuchen. Die Ergebnisse der simulierten Muskelermüdung korrelierten gut mit den Daten aus der experimentellen Studie. Außerdem ergab sich eine Reduktion der maximalen Muskelkraft der belasteten Muskulatur um 10-15% durch die Ermüdung. Die Analyse der Rekrutierungsmuster ergab eine zus¨atzliche Aktivierung entweder der oberen Rückenmuskulatur oder der Bauchmuskulatur bei den meisten Probanden. Die numerischen Simulationen der Übungen im modifizierten AMS ergab eine Verschiebung der Muskelaktivität hin zu der oberen Rückenmuskulatur.

This work provides insight into the potential of camera-based surface plasmon resonance sensors when utilising the spatial sensor by modulating the sensor response through lateral modification of surface parameters or input illumination. These modifications have to be coupled with adequate signal processing. Modelling the sensor response using Fresnel formulae allows for accurate representation of the sensor surface state, increasing confidence in measured values. Alternatively, data-based modelling approaches can be utilised which eliminate the need for approximation of a physical model to observed data but are limited by the data they are trained on. It has been explored how, especially, deep learning models that are specialised in image processing (CNNs) can be utilised for qualitative or quantitative assessment of analytes with the help of a receptor array on an SPR surface. Notably, this approach demonstrates strong generalization capabilities, performing effectively on unseen sensors used for the same task. Preliminary experiments indicate that performance enhancements are feasible when data from different points in time during binding or debinding are used during processing. In conclusion, deep learning-assisted spatial SPR sensors hold immense potential for diverse applications, including online quality control, anomaly detection, and biofouling quantification. However, realizing this potential hinges on carefully designed experiments that yield high-quality data. Furthermore, incorporating orthogonal data sources is crucial for more precise determination of the surface state during calibration. Suitable surface-sensitive techniques include Raman spectroscopy, ellipsometry, and impedance spectroscopy. Coupling these methods can improve knowledge on the observed state during training. This information together with the presented methods can simplify sensor development and improve performance. Diese Arbeit gibt einen Einblick in das Potenzial kamerabasierter Oberflächenplasmonenresonanzsensoren, wenn der räumliche Sensor durch die Modulation von Sensorreaktionen durch laterale Modifikation der Oberflächenparameter oder der Eingangsbeleuchtung genutzt wird. Diese Modifikationen erzeugen eine komplexe Sensorantwort und müssen daher mit einer geeigneten Signalverarbeitung gekoppelt werden. Die Modellierung der Sensorantwort mit Hilfe von Fresnel-Formeln ermöglicht eine genaue Bestimmung des Sensoroberflächenzustands und erhöht so die Konfidenz in gemessene Werte. Alternativ können datenbasierte Modellierungsansätze angewandt werden, die eine Annäherung eines physikalischen Modells an aufgenommene Daten ersetzen können, aber durch die Daten, auf denen sie trainiert werden, begrenzt sind. Es wurde untersucht, wie insbesondere tiefe neuronale Netze, die auf die Bildverarbeitung spezialisiert sind (CNNs), für die qualitative oder quantitative Bewertung von Analyten mit Hilfe eines Rezeptor-Arrays auf einer SPR-Oberfläche eingesetzt werden können. Insbesondere zeigt dieser Ansatz starke Generalisierungsfähigkeiten, die auch bei unbekannten (unkalibrierten) Sensoren, die für dieselbe Aufgabe verwendet werden, wirksam sind. Vorläufige Experimente deuten darauf hin, dass Genauigkeitssteigerungen möglich sind, wenn bei der Verarbeitung Daten von verschiedenen Zeitpunkten während der Bindung verwendet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass räumliche SPR-Sensoren mit Hilfe von tiefen neuronalen Netzen immenses Potenzial für verschiedene Anwendungen haben, darunter Online-Qualitätskontrolle, Erkennung von Anomalien und Quantifizierung von Biofouling. Die Realisierung dieses Potenzials hängt jedoch von sorgfältig geplanten Experimenten ab, die qualitativ hochwertige Daten liefern. Darüber hinaus ist die Einbeziehung orthogonaler Datenquellen entscheidend für eine genauere Bestimmung des Oberflächenzustands während der Kalibrierung. Zu geeigneten oberflächensensitiven Techniken gehören Raman-Spektroskopie, Ellipsometrie und Impedanzspektroskopie. Die Kopplung dieser Methoden kann das Wissen über den beobachteten Zustand während des Trainings verbessern. Diese Informationen können zusammen mit den vorgestellten Methoden die Sensorentwicklung vereinfachen und die Leistung des Sensors in der Anwedung verbessern.