DE102004000022A1 - Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Meßstrahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsmessvorrichtung, die von einem Messgut transmittierte elektromagnetische Strahlung unter beengten Platz- und Zugänglichkeitsverhältnissen in direkter Nähe zum Austrittsort der Strahlung aus dem Messgut aufnehmen kann. Dazu schlägt die Erfindung vor, die Messstrahlung über einen durch Mehrfachreflexion strahlungsführenden Kanal einem räumlich vom Messort getrennten Strahlungsdetektor zuzuführen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von durch ein Meßgut transmittierter elektromagnetischer Strahlung, kurz „Transmissionsmeßgerät" genannt, in der aus Zugänglichkeitsgründen der Meßort vom Ort der Transformation der Strahlung in ein elektrisches Signal durch ein photoempfindliches Element getrennt ist. Eine entsprechende Vorrichtung kommt vorzugsweise bei der Bestimmung der optischen Durchlässigkeit von Werkstoffen zum Einsatz, wie es beispielsweise eine präventive Qualitätssicherung an Kunststoffbauteilen beim Durchstrahlungsschweißen erfordert.
• Eine spektral aufgelöste Messung der Strahlungsdurchlässigkeit von Materialien im Bereich des ultravioletten, sichtbaren und nahen infraroten Lichts erfolgt üblicherweise unter Verwendung von Spektrometern. Sofern keine spektral aufgelöste Analyse der Transmission notwendig ist, werden photoempfindliche Elemente eingesetzt, die einen skalaren Spannungswert repräsentativ für die einfallende Bestrahlungsstärke erzeugen. Beide vorgenannten Detektionsprinzipien setzen die Verwendung einer Strahlungsquelle als Erzeuger der Messstrahlung voraus, beispielsweise eine Halogenlampe.
• Die bekannten, handelsüblichen Transmissionsmeßgeräte ermöglichen keine Erfassung der von einem Meßgut transmittierten Strahlung direkt an der Grenzfläche des Meßguts zur Umgebung, da deren Strahlungsdetektoren in Umhausungen integriert sind, die einen direkten Zugang der strahlungsempfindlichen Fläche zum Austrittsort der Meßstrahlung verhindern. Strahlungsanteile, die durch das Meßgut gestreut und somit aus ihrer ursprünglichen, vorzugsweisen Ausbreitungsrichtung ausgelenkt werden, können so von der räumlich begrenzten strahlungsempfindlichen Fläche des Detektors nicht mehr registriert werden.
• 3 zeigt eine dem Stande der Technik entsprechende Vorrichtung, mit einem beispielhaften Kunststoffgehäusedeckel als Meßgut im Querschnitt. Dabei wird deutlich, daß die Einfassung (17) des strahlungsempfindlichen Elements (8) mit seiner strahlungsempfindlichen Fläche (21) dessen direkten Zugang zum Ort des Strahlungsaustritts aus dem Meßgut (16) verhindert, da die geometrische Erstreckung der Einfassung (17) größer als der zugängliche Raum zwischen innerer Zentriernase (16) und umlaufende Abschlußkante (15) ist. Durch die Streuung der einfallenden Messstrahlung (10) im Meßgut (12) nehmen die Einhüllenden der Strahlungspropagation (18) in nächster Näherung die Form eines Kegels an, weshalb Strahlungsanteile durch die Eintrittsapertur (19) unter einem Winkel einfallen, der keine Detektion durch die strahlungsempfindliche Fläche mehr ermöglicht.
• In der DE 10144160 A1 wird die Weiterleitung von hochenergetischer Strahlung in einem Hohlstab nach ihrem Eintritt durch ein am Umfang des Stabes angeordnetes Meßfenster offenbart. Die darin aufgezeigte Anordnung dient der Reduktion der thermischen Belastung des Detektors durch die einfallende Strahlung und verwendet eine Umorientierung der Hauptrichtung der Strahlungsausbreitung. Die Anordnung eignet sich jedoch nicht, Meßstrahlung entsprechend der unten ausgeführten technischen Aufgabestellung zu detektieren.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Erfassung transmittierter Strahlung an Halbfertigerzeugnissen, beispielsweise zur Qualitätssicherung, bedingt oftmals Meßorte, die in konkaven Bauteilausprägungen, engen Spalten oder Hinterschnitten liegen. Die bekannten Transmissionsmeßgeräte der vorgenannten Art ermöglichen in einem entsprechenden Falle keinen direkten Zugang der strahlungsempfindlichen Fläche der Detektoreinheit zum Meßort. Der Einsatz von fokussierter Laserstrahlung als Messstrahlung an lichtstreuendem Material, wie beispielsweise teilkristalliner Kunststoff, erfordert jedoch den direkten Zugang zum Meßort, da andernfalls Strahlungsanteile in Raumwinkelsegmente gestreut werden, in denen sie nicht vom Strahlungsdetektor detektiert werden können, da die strahlungsempfindliche Fläche des Detektors begrenzt ist.
• Die aus dem Stande der Technik bekannten Anordnungen zur Messung der Strahlungstransmission verwenden, gleichermaßen wie die vorliegende Erfindung, eine Strahlungsquelle und einen entsprechendes strahlungsempfindliches Element zur Umwandlung der einfallenden Bestrahlungsstärke in ein diese charakterisierendes elektrisches Signal, in deren Verbindungslinie das Meßgut gebracht wird. Um die gesamte vom Meßgut transmittierte Strahlung unter der Randbedingung der oben benannten schwierigen Zugänglichkeit zu detektieren, schlägt die vorliegende Erfindung vor, die transmittierte Strahlung mittels eines Strahlung durch Mehrfachreflexion führenden Kanals, wie beispielsweise einem Lichtwellenleiter, vom Meßort an eine Stelle zu führen, an der ausreichend Platz für eine technisch günstige Anbringung des Strahlungsdetektors ist. Dazu ist die lotrecht zur Achse des strahlungsführenden Kanals orientierte Eintrittsapertur mittels einer mechanischen Führung am Meßort zu positionieren. Das detektorseitige Ende des strahlungsführenden Kanals mündet in einer Aufnahme, die eine feste Positionierung zum strahlungsdetektierenden Element ermöglicht.
• Die vorgeschlagene Erfindung erfasst transmittierte Strahlung ohne oder mit sehr geringem Abstand der Eintrittsapertur der Meßvorrichtung zur Grenzfläche des transmittierenden Mediums. Die Erfindung ermöglicht dadurch ein präziseres Erfassen von transmittierter Strahlung, die die Transmissionseigenschaften eines streuenden Meßguts charakterisiert, als dies mit den eingangs erwähnten Vorrichtungen, insbesondere mit einem Luftspalt zwischen der Eingangsapertur des Meßgeräts und der Strahlaustrittsfläche des Meßguts wie in 3 beispielhaft dargestellt, sowie bei beengten Zugänglichkeitsverhältnissen, möglich ist.
• Beim Vergleich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt wird, mit einer Vorrichtung, die dem Stande der Technik entspricht, exemplarisch in 3 dargestellt, wird deutlich, daß die vorteilhafte Wirkung der Erfindung, nämlich die Minimierung des für Strahlung freien Abstandes zwischen Meßort und strahlungsempfindlicher Fläche auch bei freier Zugänglichkeit zum Meßort, beispielsweise an einer ebenen Kunststoffplatte, zum Tragen kommt, da die erfindungsgemäße Vorrichtung die Länge der freien Strahlungausbreitung um die Stärke des Halteflansches (20) in 3, reduziert.
• Als strahlungsführender Kanal können sowohl Lichtwellenleiter als auch innenverspiegelte, prismatische Hohlkörper verwendet werden. Bei der Verwendung von Lichtwellenleitern kann ei einem taktilen Ansetzen an das Meßgut die Gefahr einer oberflächlichen Beschädigung der Eingangsapertur bestehen. Um dem entgegenwirken, kann der strahlungsführende Kanal, anders als in der von 1 dargestellten Ausführungsform, gegenüber der mechanischen Führung um einen geringen räumlichen Versatz zurückgezogen werden, der so gering bemessen ist, daß die oben erwähnten Vorteile der umfassenden Strahlungsdetektion noch gegeben sind, die Gefahr einer Beschädigung der Eingangsapertur jedoch minimiert wird.
• Soll die Messung der transmittierten Strahlung nicht punktuell, sondern entlang einer definierten Kontur, beispielsweise der angestrebten Position einer Schweißnaht erfolgen, so kann der strahlungsführende Kanal flexibel und länger als in der in 1 exemplarisch dargestellten Ausführungsform implementiert werden, beispielsweise durch einen flexiblen Lichtwellenleiter. Bei einer derartigen Anordnung kann die Eingangsapertur somit leicht unter Verwendung bekannter Bewegungsysteme entlang der gewünschten Kontur verfahren werden, ohne daß der Strahlungsdetektor bewegt werden muß, was zusätzlich eine bessere Abschirmung der empfindlichen elektrischen Signalleitungen ermöglicht.
• Wenn es die Meßaufgabe erfordert, kann direkt an das detektorseitige Ende des strahlungsführenden Kanals ein geeignetes optisches Filterelement angebracht werden, das Spektralbereiche der Strahlung ganz oder nur teilweise abschwächt oder die gesamte Strahlungsintensität reduziert, wie es in der Darstellung in 1 gezeigt ist.
• Beispiel
• Es zeigt 1 einen Querschnitt durch eine exemplarische Vorrichtung der oben ausgeführten Erfindung. Darin ist der strahlungsführende Kanal(4) gezeigt, wie er in einer mechanischen Führung (3) aufgenommen ist, die ihrerseits in einer Grundplatte (1) mit Befestigungselementen (2) fixiert ist. Die einfallende Strahlung (10) wird nach dem Eintritt durch die Eingangsapertur (5) durch Mehrfachreflexion im strahlungsführenden Kanal(4) durch ein optisches Filterelement (6) dem strahlungsempfindlichen Detektor (8) mit seiner srhahlungsempfindlichen Fläche (21) zugeführt. Dieser ist durch eine Überwurfmutter (9) an der mechanischen Führung (3) befestigt, die eine Durchführung der elektrischen Zuleitungen (7) des Detektors (8) durch eine zentrale Bohrung ermöglicht.
• 2 zeigt die gesamte Meßanordnung, in der Strahlung von einer Strahlungsquelle (11), beispielsweise einer Laserdiode mit geeigneter Fokussieroptik, ausgesandt wird, die das Meßgut (12) durchdringt und in die Empfangsvorrichtung (13) eintritt, die der Querschnittszeichnung aus 1 entspricht. Das Meßgut (12) wird in einem Querschnitt durch ein exemplarisches Kunststoffhalbzeug dargestellt, hier beispielsweise einem Gehäusedeckel, der typischerweise über eine innere Deckelzentrierung (16) und eine äußere umlaufende Abschlusskante (15) verfügt, die die oben erwähnte erschwerte Zugänglichkeit für das strahlungsempfindliche Element begründen.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Detektion von durch ein Meßgut transmittierter Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die transmittierte Strahlung nach dem Austritt aus dem Meßgut in einen Strahlung durch Mehrfachreflexion führenden Kanal eintritt, dessen Eintrittsapertur lotrecht zur Hauptachse des strahlungsführenden Kanals orientiert ist und nahe genug an der Grenzfläche zwischen Meßgut und der umgebenden Luft auf der Strahlungsaustrittsseite positioniert ist, daß im Wesentlichen alle aus dem Meßgut in verschiedene Raumwinkel austretenden Strahlungsanteile durch Mehrfachreflexion im strahlungsführenden Kanal zu einem Strahlungsdetektor geführt werden können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Austrittsapertur des strahlungsführenden Kanals und dem strahlungsempfindlichen Element ein optisches Filterelement angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsapertur des strahlungsführenden Kanals entlang einer Kontur Verfahren werden kann.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß als Messstrahlung Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 200 bis 3500 Nanometern verwendet wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das strahlungsempfindliche Element eine Siliziumphotodiode ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsführende Kanal ein Lichtwellenleiter ist.