DD297509A5 - CAPACITIVE SENSOR FOR CONTACTLESS ROUGHNESS MEASUREMENT - Google Patents
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Abstract
Der kapazitive Sensor zur beruehrungslosen Rauheitsmessung findet Anwendung zur flaechenhaften Erfassung von Kenngroeszen der Oberflaechenrauheit und langwelligen Anteile der Oberflaechengestalt ohne mechanische Krafteinwirkung auf den Pruefling im Maschinenbau, Fahrzeug- und Geraetebau und dgl. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz eine Meszelektrode mit Hilfe einer in definiertem Abstand dahinter liegenden Positionselektrode auf einen dem Sensor entsprechenden geringen Abstand zur mittleren Flaeche des Oberflaechenprofils positioniert wird. Mittels einer Sensorelektronik und einem Referenzkondensator wird die Kapazitaet des Meszkondensators ermittelt, die zur theoretischen Kapazitaet bezogen auf die mittlere Flaeche eine Differenz aufweist. Diese Differenz ist eine die Oberflaechenrauheit repraesentierende Groesze. Durch entsprechende Gestaltung der Elektroden koennen sowohl die Rauheit als auch langwellige Anteile der Oberflaechenrauheit flaechenhaft ermittelt werden. Fig. 1{Rauheitsmeszgeraet; Geber, kapazitiver; Rauheitssensor, kapazitiver; Rauheitsmessung, kapazitive; Meszgroeszenerfassung, geometrische}The capacitive sensor for contactless roughness measurement is used for the areal detection of characteristic quantities of surface roughness and long-wave portions of the surface shape without mechanical force acting on the test in mechanical engineering, vehicle and equipment construction and the like. According to the invention, the object is achieved by providing a measuring electrode by means of a measuring electrode Defined distance behind the position electrode is positioned at a small distance corresponding to the sensor to the central surface of the surface profile. By means of a sensor electronics and a reference capacitor, the capacitance of the Meszkondensators is determined, which has a difference to the theoretical capacity based on the mean surface. This difference is a size representing the surface roughness. By appropriate design of the electrodes, both the roughness and long-wave components of the surface roughness can be determined surface area. Fig. 1 {roughness mower; Encoder, capacitive; Roughness sensor, capacitive; Roughness measurement, capacitive; Meszgroeszenerfassung, geometric}
Description
Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Sensor zur berührungslosen flächenbezogenen Rauheitsmessung sowie Messungen von langwelligen An'eilen der Oberflächengestalt. Der Sensor kann vorzugsweise dort Anwendung finden, wo es notwendig ist, die Oberflächenrauneit ohne mechanische Krafteinwirkung auf das Oberflächenprofil zu erfassen. Für Anwendungsgebiete, bei denen aus funktioneilen und technologischen Gründen schnell und einfach Größen ermittelt werden sollen, die aussagekräftig über die Gestalt der Oberfläche von Werkstücken sind, ist dieser Sensor besonders geeignet. Dies betrifft vielfältige Bereiche des Maschinen-, Fahrzeug- und Gerätebaus sowie Gebiete anderer Industriezweige, bei denen Messungen der Rauheit technischer Oberflächen erforderlich sind, wie z.B. Elektro-, Elektronik-und Halbleiterindustrie, Kunststoff·, Gummi-, Papier- und Oruckindustrie, Entwicklung- und Forschungsbereiche, medizintechnischer Bereich u.v.m.The invention relates to a capacitive sensor for non-contact surface roughness measurement and measurements of long-wave An'eilen the surface shape. The sensor can preferably be used where it is necessary to detect the surface roughness without mechanical force acting on the surface profile. For applications in which, for functional and technological reasons, quantities are to be determined quickly and easily, which are meaningful on the shape of the surface of workpieces, this sensor is particularly suitable. This applies to a wide range of mechanical, automotive and equipment industries as well as to other industries where measurements of roughness of technical surfaces are required, e.g. Electrical, electronic and semiconductor industry, plastics, rubber, paper and printing industry, development and research areas, medical technology field, etc.
Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art
Bekannt sind kapazitive Sensoren zur Messung der Oberflächenrauheit nach dem Prinzip eines geschichteten Kondensators, dessen zusammengesetztes Dielektrikum einmal besteht aus der das Oberflächenprofil ausfüllenden Luft und zum anderen einem festen Dielektrikum, das mit der Elektrode des Sensors verbunden ist. Zur Messung wird der Sensor auf den Prüfling aufgesetzt. Als Bezugsfläche dient somit die Spitzenfläche. Ein nach diesem Prinzip arbeitendes kapazitives Meßinstrument ist in Annals of the CIRP Vol. 25/1/1977, S. 375-377 beschrieben. Voraussetzung ist immer eine Berührung der Oberfläche, was eine Deformierung des Oberflächenprofils, insbesondere bei weichen Stoffen, hervorruft. Eine berührungslose kapazitive Messung der Oberflächenrauhheit, wie sie in „Prüfen und Messen der Oberflächengestalt" von J. Perthen S. 145-148 beschrieben ist, bedarf grundsätzlich vorher oder nachher einer Berührung der Oberfläche, um den Abstand zur Bezugsfläche bestimmen zu können. Diese bringt Nachteile bei einer prozeßnahen Messung und benötigt zusätzlich noch eine Meßeinrichtung zur Bestimmung des Abstandes. Bekannt sind weiterhin Meßgeräte zur berührungslosen Rauheitsmessung nach dem Streulichtprinzip. Hier ergeben sich Anwendungsgrenzen, bedingt durch das Reflexionsverhalten der zu messenden Oberflächen. Weitere bekannte berührungslose Meßverfahren für die Oberflächenrauhheit, wie z. B. in der Zeitschrift Metall 41. Jg., H.3 1987, S.274-276, arbeiten nach dem Tastschnittverfahren und erlauben eine flächenhafte Erfassung des Oberflächenprofils nur mit erhöhtem technischen und zeitlichen Aufwand.Capacitive sensors for measuring the surface roughness are known according to the principle of a layered capacitor whose composite dielectric once consists of the air filling the surface profile and on the other hand a solid dielectric, which is connected to the electrode of the sensor. For measurement, the sensor is placed on the test specimen. As a reference surface thus serves the top surface. A capacitive measuring instrument operating according to this principle is described in Annals of the CIRP Vol. 25/1/1977, p. 375-377. The prerequisite is always a touch of the surface, which causes a deformation of the surface profile, especially in soft fabrics. A contactless capacitive measurement of the surface roughness, as described in "Testing and Measuring the Surface Shape" by J. Perthen, pages 145-148, generally requires contact with the surface before or after in order to determine the distance to the reference surface Disadvantages in a process-related measurement and also requires a measuring device for determining the distance .Also known are measuring devices for non-contact roughness measurement according to the scattered light principle.There are application limits, due to the reflection behavior of the surfaces to be measured.Other known non-contact measurement methods for surface roughness, such as For example, in the journal Metal 41. Jg., H.3 1987, p.274-276, work according to the Tastschnittverfahren and allow a planar detection of the surface profile only with increased technical and time.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor zu schaffen, mit dem es möglich ist, Rauhheiten und langwellige Anteile der Oberflächengestalt berührungslos, flächenhaft, schnell und einfach zu messen, und der mit geringem mechanischen und elektronischen Aufwand an unterschiedliche Meßbereiche angepaßt werden kann, hohe meßtechnische Anforderungen erfüllt und dabei zuverlässig arbeitet.The aim of the invention is to provide a sensor with which it is possible to measure roughness and long-wave portions of the surface shape contactless, areal, fast and easy, and which can be adapted with little mechanical and electronic effort to different measuring ranges, high metrological Meets requirements and works reliably.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Sensor zu schaffen, mit welchem Oberflächenrauhheiten berührungslos, ohne eine vorherige oder nachfolgende mechanische Antastung der zu prüfenden Oberfläche, flächenhaft gemessen werden können und der es ermöglicht, auch langwellige Aiiteile der Oberflächengestalt zu erfassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß unter Verwendung von zwei Elektroden mit dem Prüfling als Gegenelektrode, einem Referenzkondensator und einer Sensorelektronik dadurch gelöst, daß in einem Gehäuse eine isolierte Positionselektrode angeordnet ist, die mit der gegenüberliegenden Prüflingsoberfläche als Gegenelektrode einen Positionskondensator bildet. In einem konstanten Abstand vor der Positionselektrode befindet sich die Meßelektrode, die mit der gegenüberliegenden Prüflingsoberfläche einen Meßkondensator bildet. Weiterhin sind in dem Gehäuse die Sensorelek'ronik und der Referenzkondensator unmittelbar hinter der Positionselektrode angeordnet.The invention has for its object to provide a capacitive sensor, with which surface roughness without contact, without a previous or subsequent mechanical probing of the surface to be tested, can be measured areally and which makes it possible to detect long-wave Aiiteile the surface shape. This object is achieved by using two electrodes with the test specimen as a counter electrode, a reference capacitor and a sensor electronics in that in an enclosure, an insulated position electrode is arranged, which forms a position capacitor with the opposite specimen surface as a counter electrode. At a constant distance in front of the position electrode is the measuring electrode, which forms a measuring capacitor with the opposite Prüflingsoberfläche. Furthermore, the sensor electronics and the reference capacitor are arranged directly behind the position electrode in the housing.
Die Meßelektrode kann somit in Größenordnungen der zu erwartenden Rauhtiefe von der Spitzenlini» L-w. Spitzenfläche entfernt positioniert werden (ca. 100...200pm). Dies geschieht, indem der Sensor an die Prüflingsoberfläche herangefahren wird, bis die Kapazität des Positionskondensators, der von Positionselektrode und Prüflingsoberfläche gebildet wird, einen der Sollposition der Meßelektrode entsprechenden Wert erreicht hat. Die Positionselektrode, die sich in einem Abstand von der Spitzenlinie bzw. Spitzenfläche befindet, die ein Vielfaches der zu erwartenden Rauhtiefe beträgt (ca. 1 ...2mm), bildet einen Kondensator mit einer idealen Gegenfläche als Bezugsfläche, die mit der mittleren Linie bzw. mittleren Fläche des Oberflächenprofils identisch ist. Bei der geforderten relativ großen Entfernung der Positionselektrode von der Oberfläche ändert die Bezugsfläche ihre Lage bei Änderung des Abstandes des Sensors nicht. Es erfolgt also stets eine Positionierung des Sensors, bezogen auf die mittlere Linie bzw. mittlere Fläche.The measuring electrode can thus in order of magnitude of the expected roughness of the Spitzenlini »L-w. Tip surface can be positioned away (about 100 ... 200pm). This is done by moving the sensor to the sample surface until the capacitance of the position capacitor, which is formed by the position electrode and the sample surface, has reached a value corresponding to the target position of the measuring electrode. The position electrode, which is at a distance from the top surface or peak surface, which is a multiple of the expected surface roughness (about 1 ... 2mm), forms a capacitor with an ideal mating surface as a reference surface, with the middle line or The mean surface of the surface profile is identical. At the required relatively large distance of the position electrode from the surface, the reference surface does not change its position when changing the distance of the sensor. So there is always a positioning of the sensor, based on the average line or average area.
Die Meßelektrode, die in einen relativ geringen Abstand von der Oberfläche positioniert ist, bildet einen Meßkondensator mit einer idealen virtuellen Gegenfläche, deren Lage sich von der Lage der mittleren Linie bzw. mittleren Fläche des Oberflächenprofils unterscheidet. Diese Differenz zwischen virtueller Gegenfläche und mittlerer Fläche ist abhängig von der Rauheit der Oberfläche. Die ermittelte Meßkapazität unterscheidet sich somit von der theoretischen Meßkapazität, bezogen auf die mittlere Fläche, die auf Grund des bekannten Abstandes der Meßelektrode von der mittleren Fläche berechenbar ist. Der Abstand der Meßelektrode von der mittleren Fläche ergibt sich aus der Positionierung des Sensors, bezogen auf die mittlere Fläche mit Hilfe der Positionselektrode, und aus dem Abstand zwischen Positions- und Meßelektrode als Sensorkonstante. Die Differenz aus ermittelter und theoretischer Meßkapazität stellt somit eine die Oberflächenrauheit repräsentierende Größo dar. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Positionselektrode einen größeren Flächeninhalt besitzt als die Meßelektrode und damit für einen entsprechenden Grundabstand die Kapazitätsunterschiede, die sich aus dem unterschiedlichen Abstand von Positions- und Meßelektrode von der Prüflingsoberfläche ergeben, kompensiert werden. Damit ist os möglich, sowohl die Positions- als auch die Meßkapazität mit Hilfe einer integrierten Umschalteinrichtung über eine Differential-Sensorelektronik mit einem gemeinsamen Referenzkondensator auszuwerten. Eine Auswertung über zwei unterschiedliche Referenzkondensatoren erfolgt, wenn Meß- und Positionselektrode gleichen Flächeninhalt besitzen bzw. die Positionselektrode nicht um den für die Kompensierung der Kapazitätsdifferenz notwendigen Anteil größer ist als die Meßelektrode. Die Positionselektrode wird vorzugsweise als Ringelektrode um die Meßelektrode herum, um den entsprechenden Abstand versetzt, ausgebildet.The measuring electrode, which is positioned at a relatively small distance from the surface, forms a measuring capacitor with an ideal virtual mating surface whose position differs from the position of the middle line or surface area of the surface profile. This difference between virtual mating surface and mean surface depends on the roughness of the surface. The determined measuring capacitance thus differs from the theoretical measuring capacitance, based on the mean surface, which can be calculated from the average surface area on the basis of the known distance of the measuring electrode. The distance of the measuring electrode from the central surface results from the positioning of the sensor, based on the average area with the aid of the position electrode, and from the distance between the position and measuring electrode as a sensor constant. The difference between the determined and theoretical measuring capacity thus represents a surface roughness representing size. Another feature of the invention is that the position electrode has a larger surface area than the measuring electrode and thus for a corresponding basic distance, the capacity differences resulting from the different distance Positioning and measuring electrode of the specimen surface result, be compensated. Thus, os is possible to evaluate both the position and the measuring capacitance with the aid of an integrated switching device via a differential sensor electronics with a common reference capacitor. An evaluation via two different reference capacitors takes place when the measuring and position electrodes have the same surface area or the position electrode is not larger than the measuring electrode by the proportion necessary for the compensation of the capacitance difference. The position electrode is preferably formed as a ring electrode around the measuring electrode, offset by the corresponding distance.
Durch die Gestaltung kleinflächiger Elektroden ist es möglich, den Einfluß langwelliger Anteile vernachlässigbar gering zu halten. Mit entsprechend größeren Elektrodenflächen und -abständen von der Prüflingsoberfläche können ausschließlich langwellige Anteile der Oberflächengestalt gemessen werden.By designing small-area electrodes, it is possible to keep the influence of long-wave components negligible. With correspondingly larger electrode areas and spacings of the specimen surface only long-wave portions of the surface shape can be measured.
Der Sensor wird vorzugsweise konstruktiv so ausgebildet, daß der Abstand zwischen Positions· und Meßelektrode sowie der Referenzkondensator definiert einstellbar sind. Damit wird es möglich, den Sensor an unterschiedliche Meßbereiche mit verschiedenen Empfindlichkeiten anzupassen.The sensor is preferably constructively designed so that the distance between the position and the measuring electrode and the reference capacitor are defined adjustable. This makes it possible to adapt the sensor to different measuring ranges with different sensitivities.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment and associated drawings. The accompanying drawings show
In Figur 1 ist ein kapazitiver Sensor zur berührungslosen Rauheitsmessung dargestellt, bei dem in einem Gehäuse 1 eine isolierte Positionselektrode 2 angeordnet ist. Diese bildet mit der gegenüberliegenden Prüflingsoberfläche 6 einnn Positionskondensator. In einem konstanten Abstand a (ca. 1 ...2mm) vor der Positionselektrode 2 befindet sich, verbunden über einen Isolator 4, die Meßelektrode 3, die mit der gegenüberliegenden Prüflingsoberfläche 6 einen Meßkondensator bildet. Unmittelbar hinter der Positionselektrode 2 sind die Sensorelektronik 5, die mit der Betriebsspannung U8 gespeist wird, und der Referenzkondensator 7 a angeordnet. Die Kapazität des Referenzkondensators 7 a sowie der Abstand a zwischen Positionselektrode 2 und Meßelektrode 3 besitzen einen festen unveränderlichen Wert, so daß diese Variante des Sensors nur für einen konkreten Positionsgrundabstand genutzt werden kann. Um die Kapazität des Positionskondensators an die Kapazität des Meßkondensators, bezogen auf eine idsal ebene Gegenfläche, anzugleichen, besitzt die Positionselektrode 2 einen entsprechend größeren Flächeninhalt als die Meßelektrode 3. Dadurch ist es möglich, eine Schaltungsanordnung mit integrierter Umschalteinrichtung 8 und einem gemeinsamen Referenzkondensator 7 a zu wählen. Zur Messung der Oberflächenrauheit wird der Sensor mittels der integrierten Umschalteinrichtung 8 auf Auswertung der Positionskapazität geschalten.FIG. 1 shows a capacitive sensor for non-contact roughness measurement, in which an insulated position electrode 2 is arranged in a housing 1. This forms with the opposite Prüflingsoberfläche 6 einnn position capacitor. At a constant distance a (about 1 ... 2 mm) in front of the position electrode 2 is, connected via an insulator 4, the measuring electrode 3, which forms a measuring capacitor with the opposite Prüflingsoberfläche 6. Immediately behind the position of the electrode 2, the sensor electronics 5, which is supplied with the operating voltage U 8 , and the reference capacitor 7 a are arranged. The capacitance of the reference capacitor 7 a and the distance a between the position electrode 2 and the measuring electrode 3 have a fixed immutable value, so that this variant of the sensor can be used only for a specific basic position distance. In order to equalize the capacitance of the position capacitor to the capacitance of the measuring capacitor, based on an idsal plane counter surface, the position electrode 2 has a correspondingly larger surface area than the measuring electrode 3. This makes it possible to provide a circuit arrangement with integrated switching device 8 and a common reference capacitor 7 a to choose. To measure the surface roughness of the sensor is switched by means of the integrated switching device 8 on evaluation of the position capacity.
Der Sensor wird nun soweit an die zu prüfende Oberfläche 6 herangefahren, bis die Kapazität des Positionskondensators den dimensionierten Wert des Referenzkondensators 7a erreicht hat (Figur 2). Die Positionselektrode 2 befindet sich jetzt in einem gewünschten Abstand SO2 von der mittleren Linie bzw. mittleren Fläche m des Oberflächenprofils 6. Mit der Sensorkonstante a, dem Abstand zwischen Positionselektrode 2 und Meßelektrode 3, ist somit auch der Abstand S01 der Meßelektrode 3 von der mittleren Linie bzw. mittleren Fläche m des Oberflächenprofils 6 gegeben. Nun wird mittels der integrierten Umschalteinrichtung8 der Sensor auf Auswertung der Meßkapazität geschalten. Im Falle einer ideal glatten Gegenfläche anstelle der mittleren Flachem besäße die Meßkapazität die gleiche Größe wie die Referenz- oder auch die Positionskapazität. Da sich aber die Meßelektrode 3 sehr nahe am Prüfling befindet, wird nicht mit der mittleren Fläche m, sondern mit einer virtuellen Fläche m', die von dieser in der Lage abweicht, die Meßkapazität gebildet. Die Differenz zwischen theoretischer (entsprechend Referenzkapazität) und gemessener Kapazität ergibt einen Abs ta nds wert zwischen mittlerer Fläche m und virtueller Meßfläche m' AS = S01 - SO' 1. Diese Differenz stellt eine die Oberflächenrauhheit repräsentierende Größe dar und wird als Meßspannung UM am Ausgang des Sensors zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt.The sensor is now moved as far as the surface to be tested 6 until the capacitance of the position capacitor has reached the dimensioned value of the reference capacitor 7a (Figure 2). The position electrode 2 is now located at a desired distance SO2 from the mean line or mean surface m of the surface profile 6. With the sensor constant a, the distance between the position electrode 2 and the measuring electrode 3, thus the distance S01 of the measuring electrode 3 from the middle Line or average area m of the surface profile 6 given. Now, by means of the integrated switching device 8, the sensor is switched to evaluation of the measuring capacitance. In the case of an ideally smooth counter surface instead of the middle flat, the measuring capacity would be the same size as the reference or the positional capacity. However, since the measuring electrode 3 is located very close to the test object, the measuring capacitance is not formed with the mean area m, but with a virtual area m ', which deviates from this position. The difference between the theoretical (corresponding to the reference capacitance) and the measured capacitance results in an absolute value between the mean surface m and the virtual measuring surface m 'AS = S01 - SO' 1. This difference represents a quantity representing the surface roughness and is measured as the measuring voltage U M am Output of the sensor provided for further processing.
Um den Rauhheitssensor für unterschiedliche Grundabstände und damit mit verschiedenen Empfindlichkeiten nutzen zu können, wird vorzugsweise die Meßelektrode 3 so ausgebildet, daß sie in ihrem Abstand a zur Positionselektrode 2 einstellbar ist. Figur 3 zeigt eine Variante in dieser Ausführung. Über eine Feinverstellung 9 kann der Abstand a der Meßelektrode 3 von der Positionselektrode 2 definiert verändert werden. Damit wird erreicht, daß bei Positionierung des Sensors in verschiedenen Grundabständen zum Prüfling, entsprechend den Einsatzbedingungen, unter Beibehaltung der konstanten Flächendifferenz zwischen Meßelektrode 3 und Positionselektrode 2 der Sensor so eingestellt werden kann, daß Meßkondensator und Positionskondensator die gleiche Kapazität besitzen. Voraussetzung hierfür ist eine entsprechende Nachregulierung des Referenzkondensators 7 a, der einstellbar ausgebildet sein muß. Der Referenzkondensator 7a kann unabhängig einstellbar vorgesehen oder mit der Einstellung der Meßelektrode 3 direkt gekoppelt werden.In order to use the roughness sensor for different base distances and thus with different sensitivities, preferably, the measuring electrode 3 is formed so that it is adjustable in their distance a to the position electrode 2. FIG. 3 shows a variant in this embodiment. About a fine adjustment 9, the distance a of the measuring electrode 3 can be changed defined by the position of the electrode 2. This ensures that when positioning the sensor at different base distances to the DUT, according to the operating conditions, while maintaining the constant area difference between the measuring electrode 3 and the position electrode 2, the sensor can be set so that measuring capacitor and position capacitor have the same capacity. This requires a corresponding readjustment of the reference capacitor 7 a, which must be designed adjustable. The reference capacitor 7a can be provided independently adjustable or directly coupled to the setting of the measuring electrode 3.
Bei einer voneinander unabhängigen gleichzeitigen Auswertung der Meß- und Positionskapazität über zwei verschiedene Referenzkondensatoren 7a, 7 b besteht die Möglichkeit, den Sensor als ein Handgerät auszubilden, in der Weise, daß beim Heranfahren des Sensors von Hand die Positionskapazität von einem Mikrorechner verglichen wird mit einem vorprogrammierten Einstellwert. Beim Erreichen dieses Wertes wird die Meßkapazität vom Rechner übernommen und angezeigt. Damit ist die Möglichkeit geschaffen, von Hand berührungslos die Rauheit flächenhaft sehr schnell zu messen.In an independent simultaneous evaluation of the measurement and position capacitance via two different reference capacitors 7a, 7b, it is possible to form the sensor as a handset, in such a way that when approaching the sensor by hand, the position capacity of a microcomputer is compared with a pre-programmed setting value. When this value is reached, the measuring capacity is taken over by the computer and displayed. This creates the opportunity to measure the roughness area by surface without contact very quickly.
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| DD33864390A DD297509A5 (en) | 1990-03-13 | 1990-03-13 | CAPACITIVE SENSOR FOR CONTACTLESS ROUGHNESS MEASUREMENT |
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| DD (1) | DD297509A5 (en) |
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Legal Events
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| RPV | Change in the person, the name or the address of the representative (searches according to art. 11 and 12 extension act) | ||
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