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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Bei der Vermessung innen liegender Geometriemerkmale eines Messobjekts werden taktile Sensoren, Ultraschallsensoren und optische Abstandssensoren, wie Laser-Triangulationssensoren, eingesetzt. Anwendung finden diese Verfahren insbesondere in der metallverarbeitenden Industrie, zum Beispiel bei der Bestimmung von Bohrlochdurchmessern, oder in Geräten zur Inspektion von Rohrsystemen.
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Zur taktilen Bestimmung von Innendurchmessern werden Messuhren eingesetzt, deren starre Sonden einige Zentimeter in ein Objekt eingeführt werden. Es können Innendurchmesser ab ~6 mm erfasst werden. Dazu werden an der Sondenspitze ein oder zwei Bolzen radial ausgefahren und manuell gegen die Innenwand gedrückt. Geräte dieses Typs werden von verschiedenen Herstellern angeboten.
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Zur Messung geometrischer Größen in Rohrsystemen werden seit den achtziger Jahren Ultraschall-Sensoren in so genannten Molchen eingesetzt. Es lassen sich Rundheit, Durchmesser, Beulen, aber auch andere Geometriemerkmale, wie die Wanddicke, erfassen.
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Auch werden optische Sensoren für Messungen der Innengeometrie als Ganzes in zu vermessende Objekte eingeführt. Durch die Rotation von Sensor oder Messobjekt werden sukzessive Geometriemerkmale, insbesondere auch der Innendurchmesser, des betreffenden Objekts, erfasst. Ab Innendurchmessern von 50 mm werden dazu miniaturisierte Laser-Triangulationssensoren eingesetzt, um beispielsweise Rohrinnendurchmesser zu vermessen.
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Die beschriebenen Konzepte weisen spezifische Vor- und Nachteile auf. So werden Messuhren zur Bestimmung von Innendurchmessern auf Grund ihres einfachen Messprinzips vergleichsweise preisgünstig angeboten. Bei taktilen Messungen ist durch den Prüfer sicherzustellen, dass die Bolzen entlang des Innendurchmessers ausgerichtet sind. Durch Feingefühl und Erfahrung ist zu verhindern, dass sich die Bolzen verkanten und der Innendurchmesser falsch bestimmt wird.
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Ultraschall-Sensoren werden in Molchen vorrangig zur Dickenmessung metallischer Rohrwände eingesetzt; zur Messung der Innengeometrie werden von Herstellern taktile Sensoren empfohlen.
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Bei optischen Sensoren sind zwei prinzipielle Vorgehensweisen möglich. Ist der Sensor innerhalb des Messobjekts durch geeignete Maßnahmen zentriert, genügt eine einzelne Abstandsmessung, um den Innendurchmesser des Messobjekts angeben zu können. Sind Sensor und Messobjekt radial zueinander versetzt, sind mehrere Einzelmessungen und rechnerische Korrekturen notwendig, um den Innendurchmesser des Objekts zu bestimmen.
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Dazu werden Sensor und Messobjekt zueinander gedreht, wobei sicherzustellen ist, dass die Rotationsachse des Sensors relativ zum Messobjekt ortsfest ist.
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Zur Bestimmung von Innendurchmessern unterhalb von 6 mm, beispielsweise von Bohrungen, sind die beschriebenen Sensorkonzepte nicht geeignet. Sofern kein direkter Zugang möglich ist, besteht die Möglichkeit, die Messobjekte an der zu untersuchenden Stelle aufzuschneiden, um den Innendurchmesser einer Messung zugänglich zu machen. Allerdings führt dieses Vorgehen zur Zerstörung des Messobjekts.
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Taktile Messungen können auch nicht an Orten im Inneren eines Messobjekts eingesetzt werden, die keine geradlinige Öffnung nach außen haben. Innendurchmesser von Rohrsystemen, die über Kurven und Ecken verfügen, sind nur über Molche erreichbar, sofern die Innendurchmesser ausreichend Platz bieten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung anzugeben, mit denen zumindest ein Teil der vorstehend beschriebenen Nachteile bekannter Vorrichtungen vermieden werden können.
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Diese Aufgabe wird verfahrensgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.
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Das Verfahren ermöglicht eine berührungslose Erfassung zumindest der innen liegenden Geometrien eines Objekts mittels elektromagnetischer Strahlung. Diese elektromagnetische Strahlung wird in einen zu vermessenden Innenraum des entsprechenden Objekts eingestrahlt. Von der elektromagnetischen Strahlung werden Teilstrahlen auf Objektflächen der zu vermessenden Innengeometrie des Objekts unter einem definierten, und somit bekannten, Polarwinkel zu der Einstrahlrichtung und einem definierten, und somit bekannten, Azimutwinkel zueinander gerichtet. Über die Erfassung der Länge des jeweiligen Teilstrahls von einem Referenzpunkt bis zu der Objektfläche wird mindestens eine geometrische Größe des Objekts berechnet. Eine Aufteilung der Strahlung erfolgt in mindestens zwei Teilstrahlen. Die jeweiligen Längen dieser Teilstrahlen werden in einem einzelnen Messvorgang erfasst. Aus diesen Längen wird mindestens eine geometrische Größe des Objekts berechnet.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst mindestens eine Strahlungsquelle, die die elektromagnetische Strahlung in den zu vermessenden Innenraum des Objekts einstrahlt. Weiterhin sind entsprechende Mittel vorhanden, mittels denen die Teilstrahlen der Strahlung auf die Objektflächen der innen liegenden Geometrien unter einem definierten Azimut- und Polarwinkel gerichtet werden. Um die Länge des jeweiligen Teilstrahls von einem Referenzpunkt bis zu der Objektfläche zu erfassen, wird eine Detektionseinrichtung eingesetzt und die geometrische Größe des Objekts, die erfasst werden soll, wird aus den Längen der Teilstrahlen mittels einer Auswerteeinheit berechnet. Die Vorrichtung ist so ausgelegt, dass die Strahlung in mindestens zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und die Detektionseinrichtung zeitgleich in einem einzelnen Messvorgang die jeweiligen Längen der jeweiligen Teilstrahlen erfasst und die Auswerteeinheit aus diesen Längen die mindestens eine geometrische Größe des Objekts berechnet.
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Das beschriebene Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ermöglichen somit berührungslose Abstandsmessungen zur Erfassung innen liegender, geometrischer Merkmale von Messobjekten. Eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens ist die Bestimmung von Innendurchmessern, wobei Sensor und Messobjekt in radialer Richtung zueinander nicht ausgerichtet oder gegeneinander gedreht werden müssen.
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Zur Messung werden ein oder mehrere optische Abstandssensoren verwendet, insbesondere interferometrische Sensoren wie optische Kohärenztomographen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur ein optischer Kohärenztomograph für die gleichzeitige Messung aller Größen verwendet.
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Im Unterschied zu anderen optischen Abstandsmessverfahren, wie der Laser-Triangulation und dem Einsatz von chromatisch-konfokalen Sensoren, können mit einem einzelnen optischen Kohärenztomographen innerhalb des Messbereichs gleichzeitig Abstände zu mehreren Grenzflächen erfasst werden, entweder wenn das Messobjekt für die Messstrahlung teiltransparent ist oder wenn die Messstrahlung in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt wird, bevor sie auf mehrere Grenzflächen trifft.
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Die Abtastung der Innengeometrie erfolgt durch Messstrahlen/Teilstrahlen, insbesondere drei Teilstrahlen. Zur Bestimmung des Innendurchmessers ist bei Verwendung von drei oder mehr Messstrahlen keine Rotation von Sonde oder Messobjekt notwendig.
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Die Strahlführung zwischen optischem Sensor und Messobjekt erfolgt mittels einer starren oder flexiblen Sonde im Freistrahl oder faseroptisch, insbesondere in einem Lichtwellenleiter.
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An einer Stelle oder mehreren Stellen der Sonde erfolgt die Auskopplung der Messstrahlen. Die Strahlführung und Strahlformung kann durch spiegelnde, teildurchlässige und fokussierende Elemente, insbesondere durch geeignet bearbeitete Lichtwellenleiterstücke und Mikrooptiken, erfolgen.
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Die Wellenlänge der Messstrahlung liegt im UV-, VIS-(sichtbaren) oder IR-Bereich, wobei der Wellenlängenbereich zwischen 350 nm und 1050 nm bevorzugt ist, da für diesen Bereich eine Vielzahl von Detektoren verfügbar ist.
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Vermessen werden insbesondere Innendurchmesser von Objekten, die größer oder gleich dem Sondendurchmesser sind, insbesondere in der Größenordnung zwischen 0,1 mm und 1 m.
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Durch Rotation von Sonde oder Objekt oder durch Wiederholungsmessungen können weitere Geometriemerkmale im Objektinneren erfasst werden. Eine Rotation ist jedoch, wie bereits erläutert, zur Bestimmung des Innendurchmessers nicht zwingend notwendig.
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Zusätzlich zum Innendurchmesser werden weitere Eigenschaften des Messobjekts vermessen, insbesondere die Wanddicke und damit der Außendurchmesser; hierzu werden die an transparenten oder opaken Messobjekten entstehenden, weiteren Teilstrahlen genutzt und es werden deren Weglängen gemessen.
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Die relative Lage zwischen Sonde und Messobjekt kann in radialer Richtung durch Positionierhilfen, z. B. Ballons, Abstandhalter, eingestellt werden. In axialer Richtung wird die relative Lage von Sonde und Messobjekt durch Vorschubeinrichtungen eingestellt.
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Kreisförmige Innendurchmesser können bestimmt werden, ohne dass eine Rotationsbewegung notwendig ist. Eine radiale Ausrichtung von Sensoren oder Sonden, die beispielsweise eingesetzt werden, und Messobjekt ist für eine solche Bestimmung nicht notwendig. Die eingesetzten Sonden können beispielsweise auch biegsam sein, so dass auch Lichtwellenleiter zur Strahlführung eingesetzt werden können, die dann um Kurven und Ecken an die zu untersuchende Stelle im Objektinneren geführt werden können. Hierbei kann der Durchmesser der flexiblen Sonde und des Messkopfs im Bereich von einigen 10 μm liegen, so dass auch Innendurchmesser im Mikrometerbereich bestimmt werden können, sofern sie größer als solche Sonden- und Messkopfaußendurchmesser sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden mindestens drei Teilstrahlen eingesetzt, die so geführt werden, dass deren Auftreffpunkte auf der Objektfläche auf einer Kreisbahn liegen. Aus den drei Längen der drei Teilstrahlen wird dann der Durchmesser der Kreisbahn berechnet. Wenn darüber hinaus die mindestens drei Teilstrahlen so auf die Objektfläche gerichtet werden, dass die benachbarten Teilstahlen in radialer Richtung jeweils unter gleichem Azimutwinkel beabstandet sind, kann der Durchmesser der Kreisbahn auch dann aus den gemessenen Längen der drei Teilstrahlen berechnet werden, wenn die Sonde innerhalb des Messobjekts nicht zentriert ist und auch nicht gegenüber dem Messobjekt rotiert wird.
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Wenn mindestens vier Teilstrahlen eingesetzt werden, deren Auftreffpunkte auf der Objektfläche auf einer Ellipse liegen, können aus den vier Längen der Teilstrahlen die Halbachsen der Ellipse bestimmt werden. Wenn dieser Ellipsenschnitt einem Innendurchmesser mit festem Radius zugeordnet ist, wobei der Ellipsenschnitt dadurch entstanden ist, dass die Teilstrahlen in einer Ebene auf die Innenfläche des Innenquerschnitts gerichtet sind, die unter einem Winkel zu der Achse des zu vermessenden Körpers liegt, kann aus den Größen der Halbachsen auch der Radius des Innendurchmessers berechnet werden.
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Um die Innengeometrie beliebig geformter Messobjekte, beispielsweise mit rechteckigem oder strukturiertem Querschnitt, zu erfassen, können weitere Messungen durchgeführt werden, indem die Teilstrahlen um einen vorgegebenen Azimutwinkel gegenüber der Strahlrichtung der Teilstrahlen einer vorherigen Messung gedreht werden.
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Falls es erforderlich ist, dass Messobjekte mit absoluter Genauigkeit im Mikrometer- oder Nanometerbereich vermessen werden, wird ein weiterer Teilstrahl eingesetzt, der als Referenzstrahl herangezogen wird. Dieser Referenzstrahl ermöglicht darüber hinaus die weitgehende Kompensation von Umwelteinflüssen wie Lufttemperatur und Erschütterungen von Sensor und Sonde, die verfälschend auf Messergebnisse wirken können.
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In die Sonde können ein oder mehrere Referenzobjekte zur Justierung und Kalibrierung des optischen Abstandssensors integriert werden. Eine solche Möglichkeit kann erreicht werden, indem eine zusätzliche Reflexionsfläche in das distale Ende integriert wird. Dabei genügt eine Teilreflexion an dieser Fläche. In vielen Ausführungen des distalen Endes wird eine solche Referenzfläche bereits durch eine Teilreflexion an der Strahlaustrittsfläche erreicht.
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Wie vorstehend erwähnt ist, werden die Teilstrahlen, die in die innen liegende Geometrie des zu vermessenden Objekts eingestrahlt werden, oder im Innern des Objekts aufgeteilt werden, auf die Objektflächen der innen liegenden Geometrien umgelenkt. Bei den hierfür eingesetzten Mitteln kann es sich um die Strahlung umlenkende Umlenkeinrichtungen handeln, die Teil eines Messkopfs sind.
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Die Richtung und/oder die Position der Einkopplung der Strahlung in die innen liegende Geometrie des Objekts kann durch eine Positionierhilfe festgelegt und/oder erfasst werden. Mit dieser Positionierhilfe kann beispielsweise eine Zentrierung der Sonde erreicht werden, was immer insbesondere bei der Verwendung von Lichtwellenleitern zur Führung der Strahlung von Vorteil ist.
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In Fällen, in denen besonders kleine Geometrien vermessen werden sollen, kann es von Vorteil sein, die Strahlung in die innen liegende Geometrie des Objekts durch eine Single-Mode-Faser einzubringen, an deren Ende die Umlenkeinrichtungen für die Strahlung angeordnet sind. Besonders bevorzugt ist hierbei eine Ausführungsform derart, dass die Umlenkeinrichtungen für die Strahlung durch an der Single-Mode-Faser anpolierte Flächen gebildet sind. Hierdurch ergibt sich ein sehr kompakter und raumsparender Aufbau der Umlenkeinrichtung, da derartig aufgebaute Umlenkeinrichtungen den Durchmesser des Lichtwellenleiters nicht vergrößern.
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Umlenkeinrichtungen, wie sie vorstehend beschrieben sind, können auch durch einen Glaskörper gebildet werden, der auf das Ende der Single-Mode-Faser aufgesetzt ist. Bei einer solchen Ausführungsform kann das Ende vor dem Anspleißen mit den reflektierenden Flächen für die Sondenspitze versehen werden. Diese reflektierenden Flächen können bei konvexen Geometrien z. B. durch Polieren der Flächen eingebracht werden. Im Falle von konkaven Flächen kann dies z. B. durch einen Abtragprozess erfolgen. In diesen Ausführungsformen, bei denen die reflektierenden Flächen vorzugsweise vor dem Ansetzen des Glaskörpers an die Faser eingebracht werden, können auch in einfacher Weise Beschichtungen zur Erhöhung der Reflektion an den reflektierenden Flächen und zur Verringerung der Reflexion an den Austrittsflächen aufgebracht werden.
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In einer besonders einfachen Ausführungsform wird der Glaskörper für die Sondenspitze aus dem Kern einer Glas-Kunststoff-Faser gewonnen. Der Außendurchmesser des Glaskerns kann an den Außendurchmesser der Single-Mode-Faser angepasst werden. Vorzugsweise wird ein Quarzglaskörper eingesetzt. In einer weiteren Ausführungsform wird der Glaskörper durch eine Multi-Mode-Faser gebildet, die an das Ende der Single-Mode-Faser angespleißt wird. Insbesondere kann der Außendurchmesser der Multi-Mode-Faser an den Außendurchmesser der Single-Mode-Faser angepasst werden, wodurch der Spleißvorgang erleichtert wird und der äußere Durchmesser beibehalten wird. In weiteren, möglichen Ausführungsformen werden die Umlenkeinrichtungen für die Strahlung durch eine Gradienten-Index-Faser gebildet, die an das Ende der Single-Mode-Faser angespleißt ist. Auch ist es möglich, dass die jeweiligen Teilstrahlen durch jeweils eine Single-Mode-Faser in die innen liegende Geometrie des Objekts geführt werden.
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Auch können die Teilstrahlen durch einen Lichtwellenleiter bzw. eine Sonde in die innen liegende Geometrie des Objekts geführt werden, die zur Führung jedes Teilstrahls jeweils eine Single-Mode-Faser verwendet.
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Weiterhin ist es möglich, Fasern mit mehreren nicht konzentrischen Kernen einzusetzen. In einem solchen Fall hängt es dann vom Abstand der Kerne zueinander ab, ob die evaneszenten Felder koppeln.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass unter den hier verwendeten Begriff „Single-Mode-Faser” auch photonische Kristallfasern (PCF) fallen sollen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer starren Einrichtung, die zur Strahlführung dient,
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2 eine schematische Darstellung entsprechend der 1, jedoch mit flexiblen Mitteln zur Strahlführung, insbesondere mit Lichtwellenleitern, wie Single-Mode- und Multi-Mode-Fasern, sowie mit einer optionalen Positionierhilfe,
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3 eine Ausführungsform einer Sondenspitze, mit der in der gezeigten Ausführungsform die Strahlung in drei Teilstrahlen aufgeteilt werden kann, wobei diese Sondenspitze in einer perspektivischen Darstellung in 11 gezeigt ist,
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4 eine Darstellung, um eine Bestimmung des Durchmessers einer Innengeometrie eines Messobjekts mittels drei Teilstrahlen zu erläutern,
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5 eine mit der 4 vergleichbare Darstellung, um die Bestimmung des Durchmessers einer Innengeometrie, die kreisförmig mit festem Radius ist, zu erläutern,
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6 schematisch die Darstellung einer Single-Mode-Faser, an deren Ende eine dreiflächige Pyramide aufpoliert ist, wobei diese Sondenspitze in einer perspektivischen Darstellung in 12 gezeigt ist,
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7 schematisch die Darstellung einer Single-Mode-Faser, an deren Ende ein Quarzzylinder oder eine Multi-Mode-Faser angespleißt ist; eine dreiflächige Pyramide ist auf dem Quarzzylinder aufpoliert,
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8 schematisch die Darstellung einer Single-Mode-Faser, an deren Ende ein Stück einer Gradientenindexfaser angespleißt ist, wobei eine dreiflächige Pyramide auf letztere aufpoliert ist,
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9 schematisch die Darstellung einer Single-Mode-Faser, deren Strahlung an einem Innenkegel oder einer Kerbe nach außen reflektiert wird,
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10 eine schematische Darstellung eines Lichtwellenleiters bestehend aus drei Single-Mode-Fasern, deren Strahlung an den Flächen einer Messkopfspitze als Messstrahlen reflektiert werden, und
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11 bis 16 jeweils perspektivische Ansichten verschiedener Messkopfspitzen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass in der nachfolgenden Beschreibung Angaben zu bestimmten Bauelementen in analoger Weise auch auf andere Ausführungsformen übertragen werden können, ohne dass dies ausdrücklich erwähnt ist.
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 ist dazu vorgesehen, berührungslos die innen liegende Geometrie eines Objekts 2, das mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist, zu erfassen. Bei diesem Objekt 2 kann es sich beispielsweise um einen Rohrabschnitt oder eine Bohrung handeln.
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Die Vorrichtung 1 umfasst einen optischen Sensor 3 sowie eine Sonde 4, mit der die elektromagnetische Strahlung 5 einer nicht näher dargestellten Strahlungsquelle als Messstrahl 6 in den Innenraum 7 des Objekts 2 eingestrahlt wird. Die Sonde 4 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel starr ausgebildet, während es sich bei der in dem Ausführungsbeispiel der 2 dargestellten Sonde um eine flexible Sonde 8 in Form eines Lichtwellenleiters handelt.
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Wie die 1 zeigt, wird der Messstrahl 6 über eine Optik 9 und eine Strahlungsaufteilungseinrichtung 10 in Teilstrahlen 11 aufgeteilt, die seitlich unter einem definierten Azimut- und Polarwinkel aus der Strahlungsaufteilungseinrichtung 10 ausgekoppelt und auf die inneren Objektflächen 12 gerichtet werden. Die von den inneren Objektflächen 12 zurückreflektierten Teilstrahlen 11 laufen zurück zu dem Sensor 3. Mittels dieser drei Teilstrahlen 11 werden mindestens drei Abstandsmessungen durchgeführt, indem die Länge des jeweiligen Teilstrahls 11 von einem Referenzpunkt bis zu der Objektfläche 12 erfasst wird. Aus diesen Längen wird mit einer Auswerteeinheit mindestens eine geometrische Größe des Objekts 2 berechnet. Der Referenzpunkt kann an irgendeiner Stelle der Vorrichtung festgelegt werden.
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Bei Zugrundelegung einer kreisförmigen Innengeometrie des Innenraums 7 des Objekts 2 kann aus den mindestens drei Abstandswerten unmittelbar der Innendurchmesser berechnet werden, ohne dass die Sonde 4 oder das Objekt 2 gedreht werden müssen.
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In der Ausführungsform der 2 ist eine optionale Positionierhilfe 13, beispielsweise in Form einer Lochblende, eingesetzt, die verhindert, dass die Sonde 8 bzw. der Messkopf mit der Strahlungsaufteilungseinrichtung 10 in einen direkten Kontakt mit inneren Objektflächen 12 gelangen kann.
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Die 3 und 11 zeigen eine mögliche Ausführungsform einer Sondenspitze 14, die auf das Lichtwellenleiterende 15 aufgebracht oder aufgesetzt ist. Diese Sondenspitze 14, die die Strahlungsaufteilungseinrichtung 10 bildet, umfasst drei anpolierte Flächen 16, an denen von der Strahlung 5 die drei Teilstrahlen 11 ausgekoppelt werden.
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Die drei Abstandsmessungen durch die drei Teilstrahlen 11 können sukzessive, vorzugsweise aber simultan vorgenommen werden.
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Das Prinzip der Bestimmung eines Durchmessers eines Innenraums 7 eines Objekts 2 wird anhand der 4 deutlich. In 4 ist der Mittelpunkt des Kreises, der den Innenumfang eines Objekts darstellt, mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Unabhängig von einem radialen Versatz 18 zwischen dem Mittelpunkt 17 und der Achse 19 der Sonde spannen die drei Teilstrahlen 11 bzw. die drei über die Teilstrahlen 11 gemessenen Abstände ein Dreieck 20 auf, dessen Kantenlängen sich aus den Azimutwinkeln, den Polarwinkeln und den Messabständen ergeben.
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Im einfachsten Fall hat der Azimutwinkel eine Größe von 0°. Unter Verwendung des Sinus-Satzes wird der Radius 21 des Umkreises des Dreiecks 20 berechnet, der dem Innendurchmesser des Objekts 2 entspricht.
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Ist der Normalenvektor der Ebene der Messstrahlen 11 gegen die Achse 19 des zu messenden, runden Objekts 2 gekippt, so wird eine Ellipse an drei Punkten abgetastet. Ist dieser Kippwinkel bekannt, so lässt sich der Durchmesser des Kreiszylinders als Nebenachse der Ellipse bestimmen (Geometrie eines schrägen Schnitts durch einen Kreiszylinder). Ist der Winkel nicht bekannt, so kann er entweder durch Rotation des Messkopfs und damit der Teilstrahlen 11, wobei dann wiederholt Abstandsmessungen unter den unterschiedlichen Rotationsstellungen durchgeführt werden, oder durch Verwendung eines Messkopfs mit vier Teilstrahlen 11 bestimmt werden. Diese Anordnung setzt allerdings voraus, dass die Teilstraßen 11 in einer Ebene liegen und zum Beispiel keinen Kegel bilden. Dies gilt sowohl für eine Ausführungsform mit drei Teilstrahlen als auch für eine solche mit vier Teilstrahlen.
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Die Sonde bzw. Sondenspitze 14 kann in verschiedenen Ausführungsformen ausgeführt werden, die in den 6 bis 16 dargestellt sind.
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In der in 6 dargestellten Ausführungsform werden die drei Flächen, über die die Strahlung 5 in drei Teilstrahlen 11 aufgeteilt wird, direkt auf das Ende einer Single-Mode-Faser 22 auf- oder anpoliert, so dass die drei Teilstrahlen (Messstrahlen) 11 unter einem radialen Winkel zueinander von vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, 120° abgestrahlt werden (siehe auch 3). Die Fertigung einer solchen Sondenspitze 14 muss insofern präzise erfolgen, als dass der Schnittpunkt der Flächen innerhalb der Single-Mode-Faser (22) liegen sollte.
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In den weiteren Ausführungsformen, wie sie in den 7 bis 9 dargestellt sind, wird die Anforderung an die Poliergenauigkeit reduziert, indem der aus der Single-Mode-Faser 22 austretende Strahl zunächst aufgeweitet wird. In der Ausführungsform der 7 wird hierzu an das Ende der Single-Mode-Faser ein Quarzzylinder oder eine Multi-Mode-Faser angespleißt. Die dreiflächige Pyramide wird auf diesen Quarzzylinder aufpoliert. Die im Lichtwellenleiter geführte Single-Mode-Strahlung kann in der Multi-Mode-Faser aufweiten, bevor sie an den Flächen der Pyramide aufgeteilt wird. Das an dem Faserende angespleißte Stückchen Quarz kann in einfacher Weise im richtigen Durchmesser zu dem Faserende und mit den nötigen Material- und optischen Eigenschaften angepasst werden; hierzu kann eine Quarz-Polymer-Faser geeigneter Dicke, die von ihrem Polymer-Coating befreit wird, verwendet werden.
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8 zeigt eine Single-Mode-Faser 22, an deren Ende ein Stück einer Gradientenindexfaser angespleißt ist. Die dreiflächige Pyramide ist auf letztere aufpoliert. Es kann aber auch eine Gradientenindexfaser angespleißt werden.
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Die Länge des angespleißten Elementes bestimmt hierbei die Aufweitung des aus der Single-Mode-Faser 22 kommenden Strahls. Dabei reduzieren sich mit zunehmender Strahlaufweitung zum einen die Anforderungen an die Zentrizität der aufpolierten Spitze und zum anderen vergrößert sich die Fläche der Innenwand des Objekts, die mit dem Strahl ausgeleuchtet und gemittelt wird.
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Die Verwendung einer Gradientenindexfaser, wie sie in 8 gezeigt ist, führt aufgrund der fokussierenden Eigenschaften der Gradientenindexfaser bei geeigneter Länge zu einem aufgeweiteten, kollimierten Strahl.
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Die zur Aufteilung der Teilstrahlen 11 gebildeten Flächen der Faserspitze können sowohl konvex als auch konkav durch Abtragen oder Aufbringen von Material erzeugt werden. 9 zeigt eine Sondenspitze 14 mit konkav in das Faserende eingebrachten Flächen. In 9 ist darüber hinaus ein Lichtwellenleiter bestehend aus zwei Single-Mode-Fasern gezeigt, deren Licht an einem Innenkegel oder einer Kerbe nach außen reflektiert wird. Ein solches konkaves Ende kann z. B. durch Verwendung eines Laserablationsverfahrens geformt werden. Die Messstrahlen 11 werden direkt nach außen reflektiert, ohne sich im Inneren des Lichtwellenleiters noch einmal zu überkreuzen. Dies hat mehrere Vorteile. Durch die konkave Form sind die reflektierenden Flächen besser gegen mechanische Beschädigungen geschützt, die ansonsten beim Einführen des Lichtwellenleiters in den Prüfling entstehen können. Bei der dreiflächigen Geometrie, wie beispielsweise in 3, werden die reflektierten Messstrahlen 11 nicht durch die gegenüberliegenden Kanten beeinflusst. Durch die Abstrahlung über die zylindrische Außenwand des Lichtwellenleiters werden die Messstrahlen in der Messebene fokussiert.
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Generell kann die Faserspitze separat gefertigt und erst später auf die Single-Mode-Faser mit den dafür gängigen Verfahren, wie Spleißen oder Ankleben, aufgesetzt werden. Ein solches Vorgehen erlaubt in einfacher Weise das Beschichten der einzelnen Flächen, ohne dass die gesamte Messfaser in die Beschichtungsanlage eingebracht werden muss.
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Das Material der Faserspitze ist nicht auf (dotierte) Quarze beschränkt. Es kann prinzipiell jedes in der Optik gängige Material verwendet werden.
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Anstelle von Lichtwellenleitern mit einem Kern können auch Lichtwellenleiter mit mehreren Kernen, insbesondere bestehend aus mehreren Single-Mode-Fasern, verwendet werden. Die einzelnen Messstrahlen werden dann bereits im Lichtwellenleiter bzw. in der Sonde getrennt voneinander geführt und in der Faserspitze einzeln oder getrennt abgebildet.
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In 10 ist eine Anordnung dargestellt, in der die Strahlung der drei Single-Mode-Fasern 23 des Lichtwellenleiters 22 jeweils über eine Spiegelfläche der Faserspitze auf das Messobjekt abgebildet wird. Hierbei sind prinzipiell alle Variationen vorgesehen, wie sie oben für einen Lichtwellenleiter bestehend aus einer einfachen Single-Mode-Faser dargestellt wurden. Dazu zählen sowohl die Strahlaufweitung als auch die invertierte, konkave Spitzengeometrie, wie sie beispielsweise in 11 dargestellt ist.
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12 zeigt in perspektivischer Ansicht nochmals eine Messkopfspitze, die derjenigen der 6 entspricht, während die 13 eine solche mit drei Single-Mode-Fasern 23 darstellt, die derjenigen der 10 entspricht.
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Die 14 und 15 sind mit denjenigen der 11 und 12 vergleichbar, allerdings sind die Sondenspitzen 14 mit einer Abflachung 24 versehen, die als Referenzfläche dient. Schließlich zeigt die 16 eine Ausführungsform, die mit derjenigen der 10 vergleichbar ist, die konkav nach innen eingeschliffene Flächen für die Strahlungsaufteilung besitzt.
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Wie die vorstehende Beschreibung verdeutlicht, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung optische Messungen von innen liegenden Geometriemerkmalen, insbesondere Innendurchmessern, durchgeführt werden.
