CH625044A5

CH625044A5 -

Info

Publication number: CH625044A5
Application number: CH1130277A
Authority: CH
Inventors: Robert Eugene Fromson; James Neale Brecker; Lanson Yatsang Shum
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1976-09-15
Filing date: 1977-09-15
Publication date: 1981-08-31
Also published as: FR2365102B1; FR2365102A1; DE2740174C2; CA1091781A; JPS6126001B2; GB1590081A; US4103226A; JPS5337453A; DE2740174A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur messtechnischen Erfassung der Oberflächenrauheit einer elek-65 trisch leitenden Oberfläche, insbesondere ein Gerät für die direkte Messung der Oberflächenstruktur und der Unregelmässigkeiten einer derartigen leitenden Oberfläche durch ein Kapazitätsmessverfahren.

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stand 66 verbindet den Emitter von Transistor 60 mit der Spannungsquelle + Vcc = +6V und liefert eine Einstellung für den Faktor K bei der Eichung des Messgerätes, wie noch erläutert wird. Ein Kondensator 68 ist in Serie mit dem Transistor 60 verbunden. Zum programmierbaren Unijunction Transistor 54 gehört ein Ausgangswiderstand 70, der mit seiner Kathode verbunden ist. Der Ausgangswiderstand 70 ist mit der Basis des Transistors 72 verbunden, dessen Kollektor mit + verbunden ist, und zwar über Widerstand 74. Der Kollektor des Transistors 72 ist ferner mit dem Trigger-Multivibrator 76 verbunden; der Ausgang des letztgenannten Multivibrators stellt das Übertragungssignal T dar, das der dreiziffrigen Anzeige 50 zugeführt wird. Der Ausgang des Multivibrators 76 triggert auch den Ausgang des Multivibrators (MVB) 78, der das Ladesignal L liefert, das dem Zähler 46 zugeführt wird.

Betriebsweise

Bei der Ausmessung der leitenden Oberfläche ergibt sich aufgrund der vom Messgerät ermittelten veränderlichen Kapazität am Knotenpunkt N die Spannung:

vc c jdt wobei C die aus C=C1+C2

(1)

(2)

resultierende Kapazität ist. Darin ist Q die Kapazität des Kondensators 24 und C2 die effektive Kapazität des Abtastmittels bzw. der Kapazitätssonde 10.

Die Spannung Vc am Knotenpunkt N, Fig. 4, verändert sich somit bei einem festen Wert von Q entsprechend der (variablen) Kapazität C2 gegenüber der leitenden Oberfläche.

Das Gate des programmierbaren Unijunction-Transistors 34 befindet sich auf dem Potential

V =

* cc

R?

Rj+R2

Dieses Potential ist das Einschaltpotential, angedeutet in Fig. 5. Die Spannung am Punkt N, d.h. Vc steigt bis auf den Einschaltpegel, woraufhin sich die Kapazitäten über den Ano-den-Kathoden-Weg des Unijunction-Transistors 34 entladen. Dies bewirkt einen positiv-werdenden Impuls am Widerstand 40, der dann durch den Transistor 42 invertiert wird, um das Signal f i zu erzeugen. Dieser Prozess wiederholt sich, während der die gemessene Kapazität liefernde Kondensator C2 geladen und entladen wird. Der Oszillator 52 legt eine Abtastzeitperiode fest. Wenn der Impuls f2 den Multivibrator 76 triggert, wird ein Übertragungsimpuls T zur digitalen Anzeige 50 gesendet,

um deren Inhalt auf den neuesten Stand zu bringen. Die Dauer des Impulses T ist in der Grössenordnung von 1 Mikrosekunde. Der Impuls T triggert auch den Multivibrator 78, der einen Impuls L als Ladesignal ungefähr 1 Mikrosekunde später liefert.

5 Das Ladesignal L überträgt den Voreinstellwert A in den Zähler 46. Wenn A die Zahl — 243 darstellt, zählt der Zähler von — 234 bis auf 0 aufwärts. Diese Aufwärtszählung wird einem Speicher in der Digitalanzeige 50 zugeführt, welcher bei Ankunft des Übertragungsimpulses T auf den neuesten Stand gelo bracht wird.

Wenn also die dem Zähler 46 zugeführten Impulse fj zum Beispiel die Zahl 343 darstellen, und wenn die Zählung A aus der Kompensationseinrichtung 48 dem Stand — 234 entspricht, ergibt sich 343-243 = 100. Das ist dann die auf der Anzeige 50 15 digital wiedergegebene Zahl.

Diese Zahl in der Anzeige 50 kann als irgendeine Abweichung von bekannten Standardgrössen geeicht werden, oder sie kann benutzt werden, um die Struktur der Oberfläche direkt in Millimeter oder in irgendeiner anderen Dimension darzustellen. 2C Das erfindungsgemässe Gerät kann so geeicht werden, dass es beispielsweise auch in |x direkt ablesbar ist. In Fig. 6 sei angenommen, dass das Messgerät mit einer Standardoberfläche von beispielsweise 1250 (i getestet ist und eine Ablesung von 75 (Punkt a) liefert. Danach wird das Gerät mit einer zweiten 25 Standardoberfläche von beispielsweise 3125 jx getestet und die Ablesung zeigt 100 an (Punkt b). Die Differenz zwischen der Standardspanne 75 und der Messspanne 25 ist 50. Während sich die Sonde noch auf dem 3125 fi-Standard (Punkt b) befindet, wird der K-Faktor eingestellt, bis die Darstellung 150 zeigt, d.h. 30100 plus der Differenz zwischen der Standardspanne und der Messwertspanne, d.h. 50. Das Instrument zeigt nunmehr auf den Punkt C. Während sich die Sonde immer noch auf dem 3125 [i-Standard befindet, wird die Verschiebungs-Einstellung 48 so geändert, bis die Darstellung 125 (Punkt d') anzeigt. Die 35 Wirkung ist die, dass die Linie a-c sich nach d'-d" bewegt hat, so dass ein Standard von 1250 |i auf der Darstellung zu einer Ablesung von 50 führt (Punkt d"). Man bemerke, dass die Änderung der Verschiebungseinstellung den oberen und den unteren Punkt (d' und d") gleichzeitig einstellt. Das Messgerät kann 40 nunmehr verwendet werden, um eine direkte Ablesung in |x zu erhalten, wenn der richtige Standard gewählt wird.

Das Messgerät, das die Abtasteinrichtung 10 und die Schaltung der Fig. 4 verwendet, kann bequem als tragbare Einheit gebaut werden, so dass eine Person, die sich z.B. mit Metallbe-45 arbeitung beschäftigt, die Struktur der Oberfläche, die sie herstellt, schnell überprüfen kann. Die tragbare Einheit kann auch für Qualitätsüberprüfungen verwendet werden. Je grösser die angezeigte Zahl in der digitalen Darstellung, desto grösser ist die Oberflächenstruktur, und umgekehrt.

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4 Blatt Zeichnungen

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Die Benutzung von elektrischen Kapazitätsmessverfahren für die Überwachung der Oberflächenstruktur ist wohl bekannt und wurde offensichtlich zuerst von J. Perthen in J. Maschinenbau-Betrieb im Dezember 1936 auf der Seite 669 unter dem Titel «Ein neues Verfahren zum Messen der Oberflächengüte durch die Kapazität eines Kondensators» vorgeschlagen. Eine allgemeine theoretische Behandlung der Kapazitätsmessung erschien dann in der Zeitschrift Proc. Instn. Mech. Engrs. 1967-68, Paper 31, unter dem Titel «Surface Finish Assessment by an Electrical Capacitance Technique», verfasst von K.F. Sherwood und J.R. Crookall.

Das britische Verteidigungsministerium hat eine elektrische Kapazitätsmesseinrichtung entwickelt, die in der britischen Patentschrift 818 345 beschrieben ist und eine federmontierte feste, kleinflächige Sonde als Kondensatorelement benutzt. Diese Anordnung scheint jedoch nicht in der Lage zu sein, eine gute Auflösung zu liefern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren und ein Gerät vorzuschlagen, womit eine höhere Auflösung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1A einen Vertikalschnitt durch ein Abtastmittel in der Form einer Kapazitätssonde gemäss einer ersten Ausführungsform;

Fig. 1B eine Bodenschnittansicht der in Fig. 1A dargestellten Kapazitätssonde ;

Fig. IC eine Seitenansicht der in Fig. 1A dargestellten Kapazitätssonde ;

Fig. 2A bis 2D Diagramme zur Erläuterung des Betriebs der in den Fig. 1A, 1B und IC dargestellten Ausführungsform der Kapazitätssonde;

Fig. 3A einen Schnitt durch eine Kapazitätssonde gemäss einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 3B eine Bodenquerschnittsansicht der in Fig. 3A dargestellten Kapazitätssonde;

Fig. 4 ein elektrisches Schema eines erfindungsgemässen Gerätes;

Fig. 5 Signaldiagramme zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 4 dargestellten Schaltung; und

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Eichung des dargestellten erfindungsgemässen Gerätes für eine direkte Ablesung.

Es sei zunächst die erste Ausführungsform eines Abtastmittels bzw. einer Kapazitätssonde 10 näher betrachtet, die erste und zweite Kondensator-Plattenglieder 12,14 aufweist, die auf leitenden Elastomeren 15 bzw. 16 mittels eines leitenden Klebstoffs montiert sind. Elektrischer Kontakt mit den Plattengliedern 12,14 wird mit Hilfe von Kontakten 17,18 hergestellt, die leitend mit den Elastomeren 15,16 verbunden sind. Isoliermaterial 19 isoliert die Elastomere 15,16 von einem Metallgehäuse 20. Ein isolierter Anschlag 21 ist für das Metallgehäuse 20 vorgesehen.

Die Platten 12 und 14 können aus dünnem Stahlblech mit einer Dicke von 0,025-0,05 mm bestehen, das sich leicht der zu messenden Oberfläche anpasst. Bei einigen Anwendungen, wo die Welligkeit der auszumessenden Oberfläche in die Messung eingehen soll, werden sich weniger leicht anschmiegende Platten 12,14 (12a, 14a) verwendet, indem man deren Dicke etwas stärker wählt, beispielsweise in der Grössenordnung von 0,25 mm oder dicker. Dadurch wird dem Aspekt der Welligkeit der Oberfläche eine grössere Bedeutung zugemessen, was für manche Anwendungen erheblich sein kann.

Die Anordnung der Fig. 1 A, 1B und IC ermöglicht es, die Plattenglieder leicht zu ersetzen, wenn dies erforderlich ist. Zusätzlich stellt die Stützung der Platten 12, 14 auf Elastomeren 15,16 einen gleichförmigen Druck bei wiederholten Strukturmessungen sicher, wenn der isolierte Rand 21 des Gehäuses 20 die zu messende Oberfläche berührt. Dies wird in den Fig. 2A bis 2D für unterschiedliche Anwendungsfälle dargestellt, nämlich für Strukturen ohne Welligkeit, Strukturen mit Welligkeit sowie für Strukturen mit aussenliegendem und mit innenliegendem Krümmungsradius.

In den Fig. 3A und 3B sind erste und zweite Plattenglieder 12a und 14a auf einem flexiblen Substrat 22 montiert. Das Substrat selbst wird innerhalb eines zylindrischen Gehäuses gehalten, das mit Öffnungen versehen ist, um die Einführung von Drähten zum Anschluss an die Plattenglieder 12a bzw. 14a zu ermöglichen. Bei 23 ist ein isolierter Anschlag vorgesehen. Das flexible Substrat kann ein geschäumter Elastomer oder irgendein anderes leicht deformierbares Material sein. Die Platten 12a, 14a bestehen aus flexiblem leitendem Material. Dünnes Belagsmaterial (shim-stock) ist ausgezeichnet verwendbar. Eine dünne gleichförmige dielektrische Schicht wird auf der Platte 12a, 14a (12,14) vorgesehen, wobei bei einer Ausführungsfenn das Material FORMVAR (eingetragenes Warenzeichen) benutzt wurde. (FORMAR stellt eine Mischung aus Polyvinyl-Formal und phenolischem Harz dar). Bei der hier dargestellten praktischen Ausführungsform besitzt die Platte 12a grössenord-nungsmässig einen Durchmesser von 6,35 mm, während das Gehäuse geringfügig grösser als 12,7 mm im Durchmesser ist.

Der elektronische Schaltkreis des Messgerätes ist in der Fig. 4 dargestellt. Das Glied 14 oder 14a ist geerdet. Ein Kondensator 24 ist zwischen dem ersten Plattenglied 12 (oder 12a) und dem zweiten Plattenglied 14 (oder 14a) angeschlossen. Ein Konstant-Stromglied, bei dieser Ausführungsform der Transistor 26, liegt in Serie mit dem Kondensator 24, wie dargestellt, so dass die Platte 12 (oder 12a) positiv geladen wird, während das Glied 14 (oder 14a) negativ geladen wird. In Serie angeschlossene Widerstände 28,30, die zwischen einer Spannung Vc- = + 6V und Masse angeschlossen sind, liefern die Basisvorspannung für den Transistor 26. Ein Widerstand 32 liegt zwischen + Vcc = + 6V und dem Emitter des Transistors 26. Ein programmierbarer Unijunction-Transistor ist mit 34 allgemein bezeichnet. Die Vorspannung für das Gate des Unijunction-Transistors 34 wird von in Serie geschalteten Widerständen 36, 38 geliefert. Die Anode des Unijunction-Transistors 34 ist mit dem Plattenglied 12 (oder 12a) verbunden. Der Ausgang des Transistors 34 wird über dem Widerstand 40 abgenommen und der Basis des invertierenden Transistors 42 zugeführt. Der Kollektor des Transistors 42 ist mit + Vœ über Widerstand 44 verbunden.

Die Ausgangsimpulse vom Kollektor des Transistors 42 werden einem dreistelligen binär kodierten Dezimalzähler 46 (BCD) zugeführt. Der Zähler 46 wird durch eine Kompensationseinrichtung 48 für bekannte Faktoren wie die konstante Dicke der dielektrischen Schicht 12A in Fig. 3A inkrementiert. Die Kompensationseinrichtung 48 ist mit Hilfe eines Daumenrades einstellbar. Der Ausgang des Zählers 46 ist an eine drei-ziffrige Anzeige 50 angelegt, die periodisch auf neuesten Stand gebracht wird, wie noch erläutert wird.

Der Zähler 46 und die digitale Anzeige 50 werden mit Hilfe von Lade- (L)- und Übertragungs- (T)-Signalen in zeitlicher Aufeinanderfolge betrieben.

Die Lade- (L)- und Übertragungs- (T)-Signale werden durch das Zusammenwirken eines Oszillators 52 mit in Serie geschalteten Multivibratoren 76 und 78 erzeugt. Im Oszillatorschaltkreis ist ein programmierbarer Unijunction-Transistor, allgemein mit 54 bezeichnet, mit seinem Gate zwischen in Serie geschalteten Widerständen 56, 58 angeschlossen.

Ein weiteres Konstantstromglied, der Transistor 60, ist mit seiner Basis mit dem Mittelpunkt von in Serie geschalteten Widerständen 62,64 angeschlossen. Ein veränderbarer Wider-

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur messtechnischen Erfassung der Oberflächenrauheit einer elektrisch leitenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet,

- dass ein Abtastmittel (10) in engen Kontakt mit der leitenden Oberfläche gebracht wird, wobei das Abtastmittel (10) zusammen mit der leitenden Oberfläche einen Kondensator (C2) bildet,

- dass das Abtastmittel (10) über die leitende Oberfläche hinweg bewegt wird, wobei die Kapazität bei der Relativbewegung zwischen dem Abtastmittel (10) und der leitenden Oberfläche in Abhängigkeit von deren Struktur und den Unregelmässigkeiten variiert,

-dass eine externe Spannungsquelle (Vcc) an den Kondensator (C2) angelegt wird,

- dass ein Bezugspotential mittels einer von der externen Spannungsquelle (Vœ) gespeisten Einrichtung (36,38) erzeugt wird,

- dass ein Entladeimpuls (fj) mittels einer zusätzlichen, mit dem Abtastmittel (10) und der Bezugspotential-Einrichtung (36,38) elektrisch verbundenen Einrichtung (34) jedesmal dann, wenn das Potential am Kondensator (C2) das Bezugspotential überschreitet, erzeugt wird, und dass die Entladeimpulse (f,) über eine Zeitperiode summiert werden, wobei die während dieser Zeitperiode gezählte Impulszahl eine Funktion der Struktur des vom Abtastmittel überstrichenen Bereiches der leitenden Oberfläche ist.
2. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abtastmittel (10), dessen der leitenden Oberfläche betriebsmässig gegenüberzuliegen bestimmte Bereich mit einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material versehen ist ; Mittel zum Anlegen einer Spannung an den Kondensator (C2), welche eine Spannungsquelle (VJ umfassen; mit der Spannungsquelle (Vcc) verbundene Einrichtungen (36,38) zur Erzeugung eines Bezugspotentials; eine zusätzliche, mit dem Abtastmittel (10) und der Bezugspotential-Einrichtung (36,38) verbundene Einrichtung (34), um einen Entladeimpuls (f]) jedesmal dann zu erzeugen, wenn das Bezugspotential von der Spannung am Kondensator (C2) überschritten wird, und eine Summiereinrichtung (46,52,76,78) zur Aufsummierung und Zählung der Impulse über eine Zeitperiode.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material eine dielektrische Beschich-tung bildet, und dass das Abtastmittel (10) mindestens eine flexible Stützeinrichtung (15,16; 22), ein erstes Plattenglied (12; 12a) mit darauf angebrachter dielektrischer Beschichtung und ein zweites Plattenglied (14; 14a) mit darauf angebrachter dielektrischer Beschichtung aufweist, wobei das erste und das zweite Plattenglied (12,14; 12a, 14a) im Abstand zueinander auf der flexiblen Stützeinrichtung (15,16; 22) angeordnet sind.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Stützeinrichtungen (15,16) leitende Elastomere sind und dass das erste und das zweite Plattenglied (12,14) Metallfolien von viereckförmiger Konfiguration sind, die auf den Stützeinrichtungen (15,16) im Abstand zueinander angeordnet sind.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konfiguration rechteckförmig ist.
6. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Plattenglied (12a) kreisförmig ist, dass das zweite Plattenglied (14a) ringförmig ist und dass eine einzige flexible Stützeinrichtung (22) vorhanden ist, auf der das zweite Plattenglied (14a) koaxial und im Abstand vom ersten Plattenglied (12a) angeordnet ist.
7. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Stützeinrichtung (22) in einem zylindrischen Gehäuse (20) untergebracht ist, dass das erste Plattenglied (12a) kreisförmig und das zweite Plattenglied (14a) ringförmig ist und um das erste Glied (12a) auf der flexiblen Stützeinrichtung (22) konzentrisch angeordnet ist.
8. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anlegen der Spannung an den Kondensator (C2) mit

5 variabler Kapazität einen zweiten Kondensator (C,) umfassen.
9. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Anlegen der Spannung an den Kondensator (C2) mit variabler Kapazität eine Konstantstromquelle (26) und einen zweiten Kondensator (Cj) umfassen, dass der zweite Kondensa-

îotor (Q) zwischen das erste und das zweite Plattenglied (12,14) geschaltet ist und dass die Konstantstromquelle (26) in Serie mit dem zweiten Kondensator (Q) geschaltet ist, um diesen aufzuladen.
10. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 15 die zusätzliche Einrichtung (34) zur Erzeugung des Entladeimpulses einen programmierbaren Unijunction-Transistor (34) mit einer Anode, einem Gitter und einer Kathode umfasst, wobei das Gitter mit der Bezugspotentialeinrichtung (36,38) verbunden ist, so dass, wenn das Bezugspotential überschritten

20 wird, der Kondensator (C2) mit veränderlicher Kapazität sich über den Anoden-Kathoden-Pfad des Unijunction-Transistors (34) entlädt.
11. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Summiereinrichtung eine Zähleinrichtung (46) und Taktim-

25 pulse erzeugende Mittel (52,76,78) umfasst, wobei letztere mit der Zähleinrichtung (46) verbunden sind um ein Abtastzeitpe-riodensignal zu erzeugen, so dass der Ausgang der Zähleinrichtung (46) während der Abtastperiode eingeschaltet wird.
12. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 30 die Summiereinrichtung eine Kompensationseinrichtung (48)

für bekannte Faktoren wie die Dicke der dielektrischen Schicht (12A, Fig. 3A), eine Zähleinrichtung (46), eine Digital-Anzei-geeinrichtung (50) und Taktimpulse erzeugende Mittel (52,76, 78) umfassen, wobei die Zähleinrichtung (46) so geschaltet ist, 35 dass sie die Taktimpulse und das Ausgangssignal der genannten Kompensationseinrichtung (48) empfängt, dass der Ausgang der Zähleinrichtung (46) mit der Digital-Anzeigeeinrichtung (50) verbunden ist, und dass die Taktimpulse erzeugenden Mittel (52,76,78), Übertragungssignale (T) und Ladesignale (L) 40 liefern, wobei die Übertragungssignale (T) der Digital-Anzeigeeinrichtung (50) und die Ladesignale (L) der Zähleinrichtung (46) zugeführt werden, wodurch dann, wenn ein Ladesignal (L) von der Zähleinrichtung (46) empfangen wird, das Ausgangssignal der Kompensationseinrichtung und die Entladeimpulse 45 (f ]) summiert werden, und wenn das Übertragungssignal (T) von der Digital-Anzeigeeinrichtung (50) empfangen wird, die Anzeige geändert wird.
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die die Taktimpulse erzeugenden Mittel (52,76,78) derart ein-

50 stellbar sind, dass die Steigung einer Eichkurve des Gerätes so modifiziert werden kann, dass sie mit der Steigung korrespondiert, die durch Messung der Struktur von Standardproben korrespondiert, wobei dies in Kombination mit der Einstellung der genannten Kompensationseinrichtung (48) erfolgt, wodurch die 55 Oberflächenrauhigkeit der leitenden Oberfläche, die getestet werden soll, geeicht und durch eine Zahl auf der Digital-Anzeigeeinrichtung (50) dargestellt werden kann, die eine lineare Anzeige liefert.

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