-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein optisches Messen einer Dicke von dünnen ebenen Gegenständen. Gemessene ebene Gegenstände sind solche wie etwa Papier, Gewebe, Karton, Folie und Kunststoff.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Eine Herstellung von ebenen Gegenständen wie etwa Papier, Gewebe, Karton, Folie und Kunststoff erfolgt gewöhnlich in einem kontinuierlichen Vorgang. Es gibt viele Orte, an denen eine Messung des Produktes benötigt ist. Eine der Messungen ist die Dicke des Produktes. Eine Dicke kann auf verschiedene Arten gemessen werden. Eine übliche Art zur Messung der Dicke ist es, die Entfernung von Messvorrichtungen zu der Oberfläche des ebenen Gegenstandes von beiden Seiten des ebenen Gegenstandes mechanisch zu messen, und das Ergebnis von einer bekannten Entfernung zwischen den Messvorrichtungen abzuziehen.
-
Ein anderer Ansatz ist es, Strahlungsquellen zu verwenden und die durch den Gegenstand hindurchtretende Strahlung zu messen, und die Dicke dadurch zu berechnen, dass die Dichte bekannt ist. Dieser Ansatz weist Probleme auf. Die radioaktiven Quellen können an einigen Orten verboten sein, und die Genauigkeit kann aufgrund von Dichtevariationen nicht gut genug sein. Die Dichte von Papierprodukten ist selten so konstant, sodass die Messung unter Verwendung von Strahlung zu ungenau ist.
-
Falls die Dicke unter Verwendung einer Entfernung von beiden Seiten des Gegenstandes gemessen wird, gibt es verschiedene Arten, die Entfernung zu messen. Eine übliche Art ist es, einen die gemessene Oberfläche berührenden Gleiter oder Schuh zu verwenden, und die Bewegungen des Gleiters oder Schuhs zu messen. Dieser Ansatz weist verschiedene Probleme hinsichtlich einer Abnutzung der gemessenen Oberfläche und hinsichtlich einer Ansammlung von Kontaminationen auf den sich berührenden Bauelementen auf.
-
Die Entfernung kann auch von beiden Seiten des Gegenstandes kontaktlos gemessen werden. Hierzu wurden verschiedene laserbasierte Lösungen erfunden. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift
EP 486 713 ein Messgerät zur Messung einer nicht unterstützten Bahn mit Triangulationssensoren, die an einem Rahmen auf beiden Seiten der Bahn angebracht sind. Diese kontaktlose Messung stellt eine Punktmessung ohne Informationen über Neigungswinkel der Bahn bereit. Dies verursacht große Unsicherheiten hinsichtlich der Genauigkeit.
-
Andere ähnliche Ansätze mit optikbasierten Lösungen weisen die nachstehenden Probleme auf: die geringen Bewegungen von zur Führung des Lichtes verwendeten Optiken und Detektoren, die durch Vibrationen oder Temperaturänderungen hervorgerufen werden; die Nichtlinearitäten der Optiken; Ausrichtungsfehler von Lichtquellen; eine Synchronisation der Messungen auf beiden Seiten des Gegenstandes. Alle dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn eine Messgenauigkeit in einem Mikrometerbereich benötigt ist. Daher gibt es einen Bedarf für eine genaue kontaktlose Dickenmessung, die die vorstehend genannten Probleme bewältigen kann.
-
Erfindungszusammenfassung
-
Die vorliegende Erfindung versucht eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine verbesserte kontaktlose Dickenmessung eines dünnen ebenen Gegenstands zu beschreiben. Dies wird mit einer Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß Patentanspruch 8 erzielt.
-
Die Erfindung weist viele Vorteile auf. Eine Minimierung der Wirkung einer Wärmeausdehnung und einer Vibration innerhalb einer Messvorrichtung, ein Bewältigen der Wirkung von nichtlinearen Optiken oder falsch ausgerichteten Lichtquellen, und ein Erreichen einer synchronisierten Entfernungsmessung auf beiden Seiten des Gegenstandes.
-
Figurenliste
-
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung lediglich durch Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in der
- 1 das Messprinzip veranschaulicht; und
- 2 ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung veranschaulicht; und
- 3 einen für die Messung verwendeten Rahmen veranschaulicht; und
- 4 ein zur Entfernungsmessung verwendetes Bild veranschaulicht; und
- die 5a, 5b, 5c und 5d beispielhafte Blendenmuster veranschaulichen;
und
- 6 eine Vergrößerung der Erfindung veranschaulicht; und
die 7a und 7b zur Messung einer Entfernung verwendete Bilder veranschaulichen;
und
- 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung veranschaulicht;
und
- 9 ein erfindungsgemäßes Verfahren veranschaulicht.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
Die Erfindung verwendet zwei optische Sensormodule, um eine Entfernung von dem gemessenen Objekt zu messen. Die Erfindung basiert auf einer Verwendung einer Bezugsblende und einer Beleuchtung, um einen Schatten auf einem ebenen Gegenstand zu erzeugen. Die Bezugsblende und der Schatten werden abgebildet, und eine Entfernung von der gemessenen Ebene wird unter Verwendung der Entfernung der Bezugsblende und des Schattens berechnet. Unter Verwendung einer zusätzlichen Entfernungsmessung auf der anderen Seite des ebenen Gegenstandes ist es möglich, die Dicke des Gegenstandes zu bestimmen, falls die Entfernung zwischen den optischen Sensormodulen bekannt ist.
-
1 zeigt das Messprinzip. Auf der oberen Seite des gemessenen Gegenstandes 30 wird ein im Wesentlichen lineares Licht 62 in Richtung des gemessenen Gegenstandes ausgerichtet. Eine Bezugsblende 13 ist parallel zu dem gemessenen Gegenstand eingestellt. Das Licht ist eingestellt, um die Blende mit einem Winkel φ1 zu passieren. Ein Schatten s1 wird auf dem gemessenen Gegenstand ausgebildet. Die Blende und der Schatten können gleichzeitig gesehen werden 65. Der vertikale Abstand d' zwischen der Blende und dem Schatten ist proportional zu der Entfernung d zwischen der Blende und dem Schatten bei Ansicht von der Oberseite. Die Entfernung kann durch d' = d * tan φ1 berechnet werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des gemessenen Gegenstandes 30 wird eine nahe zu dem gemessenen Gegenstand eingestellte Blende 23 beleuchtet 69, sodass ein Schatten s2 auf dem gemessenen Gegenstand ausgebildet wird. Die Blende und der Schatten können gleichzeitig gesehen werden 66. Die Entfernung w' ist proportional zu dem Verhältnis der Breite der Blende w1 und der Breite des Schattens w2. Die Entfernung w' kann für alle Entfernungen berechnet werden, nachdem das Verhältnis mit zumindest einer bekannten gemessenen Entfernung kalibriert ist. Eine Kenntnis der Entfernung 29 zwischen den Blenden stellt die Möglichkeit bereit, die Dicke des ebenen Gegenstandes durch Subtrahieren der gemessenen Entfernungen von der bekannten Entfernung 29 zu berechnen.
-
Das optische Sensormodul 10 für eine Entfernungsmessung eines ebenen Gegenstandes umfasst eine Lichtquelle 12, eine Bezugsblende 13, einen Abbildungssensor 14, mögliche optische Bauelemente 15 und eine Berechnungsausrüstung 16. Es kann auch Einrichtungen umfassen, um den ebenen Gegenstand in einer konstanten Entfernung von dem Modul zu halten. Alle diese sind nachstehend in den nachfolgenden Absätzen beschrieben.
-
Die Lichtquelle 12, 22, 22" kann ein LED-Licht, ein Laserlicht oder jedes andere Verfahren zur Herstellung eines hellen Lichtes sein. Das Licht kann ferner fokussiert oder geformt sein, um die Bezugsblende mit einem gerichteten Licht zu beleuchten. Die Lichtquelle kann ein Licht mit einer weiten Bandbreite erzeugen, oder ein Licht mit einer gezielten Bandbreite erzeugen. Das Licht kann abhängig von dem verwendeten Abbildungssensor sichtbar, infrarot oder ultraviolett sein. Licht mit kürzeren Wellenlängen ist aufgrund einer genaueren möglichen Abbildung bevorzugt. Das Licht kann in Pulsen mit Intervallen von 5 - 100 ms und einer Dauer von 0,1 - 100 µs erzeugt werden. Die Dauer und Intervalle der Pulse werden mit einer Berechnungsausrüstung 16 oder einer getrennten Elektronik gesteuert.
-
Die Bezugsblende 13, 23, 23" kann Drähte, Stäbe, gedruckte oder anders verarbeitete Schichten, Glas mit einer Farbe oder einer Oxidation oder eine andere Art von Gegenstand für ein Licht umfassen. Die Blende bildet ein Blendenmuster aus, das auch als ein Schatten auf der gemessenen Oberfläche gefunden werden kann. Dieses Muster kann drei oder mehr Punkte, Linien oder andere zweidimensionale Muster umfassen. Beispiele von Blenden sind in den 5a, 5b, 5c und 5d gezeigt. Die Linien wie in 5a können Linien sein, die 0,001 mm - 1 mm breit sind. Die Punkte wie in 5b können einen Durchmesser von 0,001 mm - 1 mm aufweisen, die 0,1 mm - 5 mm voneinander entfernt gelegen sind. Die 2D-Muster können jede Form aufweisen, die zumindest zwei Dimensionen aufweist. Die Bezugsblende kann Muster mit verschiedenen Farben umfassen. Die zweidimensionalen Muster stellen einen zweidimensionalen Schatten bereit, der die Erfassung einer Neigung der gemessenen Oberfläche ermöglicht.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel sind zwei oder mehr Lichtquellen 12 in dem Modul zur Beleuchtung desselben Ziels eingebaut. Diese Lichtquellen können derart eingebaut sein, dass es verschiedene Winkel φ1 oder Orientierung in einer x,y-Ebene für das Licht gibt. Zwei oder mehr Lichtquellen, die die Bezugsblende 13 beleuchten, stellen zwei oder mehr Schatten bereit. Verschiedene Lichtquellen stellen eine Beleuchtung mit verschiedenen Wellenlängen bereit, und somit können die Schatten durch Auswählen verschiedener Farben aus den durch den Abbildungssensor aufgenommenen Bildern unterschieden werden. Beispielsweise können eine blaue und eine grüne Farbe gleichzeitig verwendet werden. Zusätzliche Lichtquellen stellen mehrere Kombinationen von Blenden und Schatten bereit, und somit eine genauere Messung. Verschiedene Lichtquellen können auch zu verschiedenen Zeitpunkten beleuchtet werden. In dieser Weise stören sich die Lichter nicht gegenseitig.
-
Der Abbildungssensor 14, 14', 14" kann ein komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS), ein n-Metall-Oxid-Halbleiter (NMOS), ladungsgekoppelte Halbleitervorrichtungen (CCD) oder ein Quanten-Bildsensor (bzw. „quanta image sensor“, QIS) sein. Der Abbildungssensor kann sichtbare Wellenlängen, ultraviolette oder zusätzlich nahinfrarote Wellenlängen erfassen. Der Abbildungssensor wandelt das Bild in elektrische Signale um, die dem Bild entsprechen. Der Abbildungssensor weist eine Auflösung von 1 - 15 Megapixel mit einer Größe von 17 mm2 - 1000 mm2 auf.
-
Es kann zusätzliche optische Bauelemente 15, 15', 15" zwischen dem Abbildungssensor und dem Abbildungsziel geben. Die optischen Bauelemente wie etwa Linsen werden verwendet, um den Abbildungssensor zu fokussieren, oder um eine verschiedene Brennweite für den Abbildungssensor bereitzustellen. Die optischen Bauelemente wie etwa optische Filter können auch für eine Polarisation oder eine Filterung des Lichts verwendet werden. Die Bauelemente wie etwa Spiegel und Prismen können auch verwendet werden, um Licht abzulenken, sodass der Abbildungssensor einer anderen Richtung als direkt dem Abbildungsziel zugewandt sein kann. Die optischen Bauelemente können an dem Abbildungssensor oder an anderen Teilen des Moduls angebracht sein.
-
Der Abbildungssensor und mögliche optische Bauelemente stellen eine Brennweite 17, 17', 17" bereit, an der scharfe Bilder aufgenommen werden können. Die Fokusfläche 61, 61' ist abhängig von dem verwendeten Bildsensor und optischen Bauelementen gewöhnlich 0,5 - 2,5 mm, und dies ist gewöhnlich ein begrenzender Faktor für die Entfernung zwischen der Blende 13 und der gemessenen Ebene 11.
-
Die Berechnungsausrüstung 16, 26 ist eine oder mehrere Mikroverarbeitungseinrichtung(en) (Mikroprozessor), ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder eine ähnliche Verarbeitungseinrichtung und ein Speicher, mit einer Software, die dazu in der Lage ist, die Blende und den Schatten zu unterscheiden und die Entfernung zwischen der Blende und dem Schatten aus dem aufgenommenen Bild zu messen. Die Berechnungsausrüstung ist mit dem Abbildungssensor verbunden. Da die Blende statisch ist, kann sie derart ausgeführt werden, dass sie durch die Software leicht erfassbar ist. Ihr Ort ist in dem Bild auch sehr stabil, und somit können kleinere Bewegungen in dem Erfassungsalgorithmus vorprogrammiert werden. Die Erfassung des Schattens aus dem Bild kann auf verschiedene Arten erfolgen. Ein Weg ist eine einfache Kantenerfassung des Schattens. Zusätzlich stellt eine Suche des Mittelpunktes des Schattens einen guten Punkt für eine Entfernungsberechnung bereit. Dies kann durch eine Erfassung der Kanten des Schattens und durch eine Suche des Mittelpunktes gefunden werden. Falls die Kanten nicht deutlich sichtbar sind, kann der Mittelpunkt auch durch Anwenden einer Kurve, die die Beleuchtung des Bildes beschreibt, und durch Betrachten der Null-Ableitung auf der Fläche des Schattens gefunden werden. Auf diese Weise kann der Ort des Schattens auch bestimmt werden, auch falls die Auflösung des Bildsensors nicht sehr hoch ist. Es gibt viele bekannte Merkmalserfassungsalgorithmen für eine Bildextrahierung, zum Beispiel eine Canny-Kantenerfassung, ein Sobel-Filter oder einen Förstner-Detektor. Jeder weitere geeignete Merkmalserfassungsalgorithmus kann verwendet werden. Falls eine Blende mit linearen Mustern verwendet wird, kann zusätzlich ein Kurvenanpassungsalgorithmus verwendet werden, um den möglicherweise weichen Schatten zu erfassen. Sobald der Schatten erfasst ist, kann der Abstand zwischen einer geeigneten Blende und ihrem Schatten gemessen werden. Die Blende kann derart entworfen sein, dass es keinen Zweifel über eine Korrelation zwischen der Blende und dem Schatten gibt.
-
Die Entfernung zwischen einer Blende und einem Schatten wird in allen sichtbaren Flächen A gemessen. Dieser Ansatz stellt einen vollen Schatten bereit, der gemäß den Entfernungsunterschieden verzerrt ist. Die Software findet diese Verzerrungen, und berechnet, ob es bei der gemessenen Ebene eine Neigung gibt. Falls eine Neigung gefunden wird, kann ihre Wirkung auf die Dickenmessung abgezogen werden. Die Entfernungsberechnung kann rein mathematisch durch Kenntnis der Winkel φ1, φ2, φ3 oder bevorzugter durch eine Verwendung von Kalibrierdaten als Basis erfolgen.
-
Die Software kann auch dazu programmiert sein, die Länge der Schatten zu messen. Diese Länge kann auch für die Berechnung der Entfernung verwendet werden. Die Software kann auch dazu programmiert sein, Kurvenlinien bei den Schatten zu erfassen. Diese können eine unebene Oberfläche aufdecken. Die berechneten Entfernungsdaten können in einem lokalen flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein.
-
Der Ort einer benötigten Computerausrüstung ist nicht beschränkt. Diese kann innerhalb des optischen Sensormodules 10, 20 integriert sein, oder sie kann irgendwo sonst innerhalb einer Netzwerkverbindung gelegen sein, sodass die elektrischen Signale von dem Abbildungssensor verarbeitet werden können. Die Computerausrüstung kann innerhalb des Sensorträgers 32, 33 oder des Rahmes 31 verteilt sein 16', 16". Der Grund, die Computerausrüstung nach außerhalb des Modulgehäuses zu bewegen, kann in Temperaturproblemen oder einem benötigten Raum liegen. Es kann eine zusätzliche Benutzerschnittstelle 35 für eine Steuerung, eine Überwachung und eine Kalibrierung der Sensoranordnung geben. Die Computerausrüstung kann auch eine Netzwerkkommunikationsschnittstelle wie etwa eine Ethernet-Schnittstelle oder eine Industrie-Feldbus-Schnittstelle umfassen. Diese Schnittstelle kann dazu verwendet werden, die Messanordnung mit einem Automatisierungssystem zu verbinden.
-
Das optische Sensormodul 10, 20 kann auch Einrichtungen umfassen, um den ebenen Gegenstand in einer verwendbaren konstanten Entfernung 18, 19 von den optischen Sensormodulen zu halten. Diese können Luftdüsen von beiden Seiten des ebenen Gegenstandes umfassen. Auch können andere luftstrombasierte Lösungen verwendet werden, um den gemessenen Gegenstand in einer z-Richtung im Wesentlichen stabil zu halten. Das Ziel dieser Einrichtungen ist es, die Entfernung der gemessenen Oberfläche 11, 21 innerhalb des optischen Fokusbereiches der Brennweite 17 zu halten.
-
Eine Messvorrichtung für einen dünnen planaren Gegenstand erfordert Entfernungsmessmodule, die auf beiden Seiten des Gegenstandes gegenüberliegend angeordnet sind. Die Entfernung zwischen den Modulen muss bekannt sein.
-
2 zeigt eine Messvorrichtung, bei der zwei optische Sensormodule 10, 20 auf einander gegenüberliegenden Seiten auf beiden Seiten des gemessenen ebenen Gegenstandes 30 angeordnet sind. Das optische Sensormodul 10 weist einen Abbildungssensor 14 mit optischen Bauelementen 15 auf, die es mit einer Brennweite 17 bereitstellen. Der Fokus bedeckt den gemessenen Gegenstand, und eine nahe zu dem Gegenstand eingestellte Blende. Die Bezugsblende 13 mit einem Blendenmuster ist derart eingestellt, dass der Abbildungssensor das Blendenmuster und den gemessenen Gegenstand gleichzeitig mit einer Messfläche A von 10mm2 - 400mm2 erfassen kann. Eine Lichtquelle 12 ist bei einem Winkel φ1 eingestellt, der 10° - 80°, vorzugsweise 45° beträgt, die einen im Wesentlichen linearen Lichtstrahl bereitstellt, der die Blende beleuchtet und einen Schatten auf der Oberseite der Oberfläche 11 des gemessenen Gegenstandes erschafft. Das Modul 20 weist einen Abbildungssensor 14' mit optischen Bauelementen 15' auf, die es mit einer Brennweite 17' bereitstellen. Der Abbildungssensor und die optischen Bauelemente sind an einem Winkel φ2+ φ3 eingestellt. Wobei der Winkel φ2 zwischen 10° - 80°, vorzugsweise 45° ist, und der Winkel φ3 zwischen 70° - 110° ist. Die Winkel sind relativ zu der Ebene der 2D-Blende definiert. Dieses neigt auch die Fokusfläche 61' des Abbildungssensors derart, dass sie nicht zu dem gemessenen Gegenstand parallel ist. Die Bezugsblende 23 mit dem Blendenmuster ist derart eingestellt, dass der Abbildungssensor das Blendenmuster innerhalb der Fokusfläche erfassen kann. Eine Lichtquelle 22 ist auf einen Winkel φ2 eingestellt, sodass sie sich an einem Winkel φ3 in Richtung des Abbildungssensors befindet, um ein Licht für die Blende und den gemessenen Gegenstand hinter der Blende bereitzustellen. Die Lichtquelle muss mit einer möglichen Hinzunahme von Optiken einen Lichtstrahl an einem Winkel φ4 bereitstellen, der zumindest 5° beträgt. Der Winkel des Strahles hängt von der Entfernung zwischen der Lichtquelle und der Blende 23 ab. Je weiter der Strahl ist, umso größer ist der Schatten, den das Blendenmuster ausbildet, und das die Erfassung des Schattens und weitere Messungen erleichtert. Da der Abbildungssensor sich an einem Winkel in Richtung des gemessenen Gegenstandes befindet, ist der gemessene Gegenstand nicht gesamt in einem Fokusbereich, sondern es befindet sich lediglich ein Teil des gemessenen Gegenstandes im Fokus. Aufgrund des im Wesentlichen rechten Winkels φ3 zu der Lichtquelle 22 und der Brennweite 17' sind die Schatten auf der Oberfläche 21 des gemessenen Gegenstandes jedoch immer scharf.
-
Die Messvorrichtung kann eine Kombination von zwei optischen Sensormodulen 10 sein, wobei eine Abbildungssensorfokusfläche derart eingestellt ist, dass sie den gemessenen Gegenstand voll abdeckt. Dies kann mit zwei Modulen 20 mit einer geneigten Bildsensorfokusfläche erfolgen, die derart eingestellt ist, dass sie nur einen Teil des gemessenen Gegenstandes abdeckt. Die Messvorrichtung kann auch eine Kombination dieser sein. Jeder der Ansätze weist seine Vorteile auf. Eine Vorrichtung mit zwei den vollen Fokus abdeckenden Modulen 10 stellt eine gute Genauigkeit für eine ebene Entfernungsmessung auf beiden Seiten bereit. Eine Vorrichtung mit Modulen 20 mit geneigten Fokusflächen, die lediglich einen Teil des gemessenen Gegenstandes abdecken, stellt einen größeren Messbereich in einer z-Richtung bereit. In dieser Weise kann die Entfernung zwischen den Modulen groß sein, und der gemessene Gegenstand kann sich in einer y-Richtung bewegen. Falls die Messvorrichtung verschiedene Module auf verschiedenen Seiten des gemessenen Gegenstandes aufweist, ist die genaue ebene Messung auf einer Seite mit einem großen Bereich auf einer anderen Seite kombiniert. In dieser Weise können die Module eine größere Entfernung mit einer guten Genauigkeit aufweisen.
-
3 zeigt einen Rahmen 31, der in einer Papier- und Kartonherstellungsindustrie verwendet wird. Der Rahmen ist um den gemessenen Gegenstand 30 angebracht, der eine Papierbahn oder Kartonbahn sein kann, sodass die Bahn durch den Rahmen hindurchgeht. Es gibt zwei Sensorträger 32, 33, die an dem Rahmen derart angebracht sind, dass sie eine x-Achse überspannen. Das erste optische Sensormodul 10 ist in einem der Sensorträger 32 angebracht. Der andere Sensorträger 33 kann ein weiteres optisches Sensormodul 20 aufweisen. Die Entfernung von einer ersten Oberfläche 11 zu einem ersten Modul 10 wird gemessen, und die Entfernung von einer zweiten Oberfläche 12 zu dem zweiten Sensormodul 20 wird gemessen. Die Entfernung zwischen einem ersten und einem zweiten Modul wird gemessen, und die Dicke der Bahn wird durch Subtrahieren der ersten gemessenen Entfernungen von der Entfernung zwischen den Modulen abgezogen. Die Entfernung zwischen Trägern kann in einer z-Achse abweichen, während die Träger eine x-Achse überspannen. Diese Änderung ist gewöhnlich auf einer Skala von Millimetern oder weniger.
-
Es ist nicht zwingend erforderlich, den Punkt vorzudefinieren, an dem die Entfernungsmessung anfängt. Jeder Punkt innerhalb des optischen Sensormodules 10 kann als der Startpunkt betrachtet werden, zum Beispiel das Niveau der Blende 13, 23. Es ist jedoch wichtig, die Messvorrichtung zu kalibrieren, sodass die Entfernung zwischen den Modulen bestimmt ist und es möglich ist, genaue Messungen durchzuführen. Die Kalibrierung kann unter Verwendung von dünnen Gegenständen mit bekannten Dicken durchgeführt werden. Die Kalibrierung muss auch den gemessenen Gegenstand in einer z-Achse bewegen, um Änderungen der Schattenpositionen herauszufinden. Sobald die Extreme kalibriert sind, können die Mittenwerte interpoliert werden, da das Messprinzip linear ist. Im Gegensatz dazu kann die Kalibrierung auch mit einem Punkt durchgeführt werden, der die Kantenwerte extrapoliert.
-
Die Dickenmessung benötigt eine genaue Positionierung für die optischen Sensormodule. Die Entfernungsmessung, die auf beiden Seiten der Bahn erfolgt, muss im Wesentlichen an derselben x,y-Position durchgeführt werden. Diese Positionierung kann mit verschiedenen Verfahren erfolgen. Das Hauptverfahren bezieht sich auf die Rahmensteuerung und die Art, wie der Rahmen die Sensorträger 32, 33 bei einer synchronisierten Bewegung hält. Dies ist gewöhnlich ausreichend. Eine ausführlichere Steuerung kann beispielsweise mit einer Magnetowiderstandsmessung erfolgen, wobei eine Magnetowiderstandsbrücke genaue Informationen über die Abweichung in einer x,y-Ebene bereitstellt.
-
Die Entfernungsmessung
29 zwischen optischen Sensormodulen kann mit verschiedenen Verfahren erfolgen. Ein exemplarisches Verfahren ist eine elektromagnetische Messung, die in der Druckschrift
US 4 160 204 beschrieben ist. Andere Beispielverfahren können eine Messung auf der Basis von Akustik mit einer Ultraschallmessung oder eine induktive Messung mit Wirbelströmen sein. Ein Beispiel einer Wirbelstrommessung ist in der Druckschrift FI
111 991 beschrieben. Falls die Entfernung
29 festgestellt bleibt, kann sie einmal gemessen werden und in einen Speicher einer Berechnungsausrüstung
16 gespeichert werden.
-
Die Dickenmessung einer sich schnell bewegenden Bahn erfordert eine genaue Zeitsynchronisation für die Messung der Entfernung auf beiden Seiten 11, 12 der Bahn und der Entfernung 29 zwischen den optischen Sensormodulen 10, 20. Die Synchronisation der Entfernungsmessungen auf beiden Seiten 11, 12 muss innerhalb von 0,1 ms sein, um es zu ermöglichen, dass die Messung die Dicke von ungefähr demselben Quadratmillimeter erfasst, falls die Bahn mit 30 m/s durchläuft. Diese Synchronisation ist leicht zu bewerkstelligen, da die Messung auf einer gleichzeitigen Beleuchtung des Gegenstandes von beiden Seiten für die Messung basiert. Eine genaue Beleuchtungssynchronisation zwischen mehreren Lichtquellen ist eine bekannte Technologie.
-
4 zeigt das durch den Abbildungssensor aufgenommene Bild der Messfläche A. Die Blende ist unter Verwendung von parallelen Linien 41 ausgeführt, von denen jede einen Schatten 42 erschafft. Die Entfernung zwischen den Blenden und den Schatten d1, d2 fluktuiert aufgrund einer Dicke, einer Neigung und einer Biegung des gemessenen Gegenstands. Die Entfernung von einem optischen Sensormodul 10 zu der Oberfläche 11 ist am unteren Ende des Bildes kürzer als die Entfernung, an dem oberen Ende des Bildes. Die Stelle 43, die in dem Bild gezeigt ist, zeigt ein Laserlicht von der gegenüberliegenden Seite des gemessenen Gegenstandes.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel gibt es eine oder mehrere Lichtquellen 27 wie etwa Laser, die an dem zweiten Modul 20 angebracht sind, sodass sie zumindest einen Punkt 43 in der durch den Abbildungssensor 14, 14' auf beiden Seiten erfassten Fläche beleuchten. Diese Stelle oder eine Vielzahl von ähnlichen Stellen oder ein Muster, die/das durch einen Laser erzeugt ist/sind, kann/können verwendet werden, um einen gemeinsamen Ort für eine Entfernungsmessung auf beiden Seiten des Gegenstandes 27 anzuzeigen. Die verwendeten Lichtquellen können innerhalb des sichtbaren Bandes beispielsweise ein roter Laser sein, aber können auch in anderen Banden vorzugsweise Infrarot sein. Falls mehr als eine Stelle verwendet wird oder das Muster groß genug ist, können die Stelle oder das Muster verwendet werden, um eine Neigung des Bildsensors oder der optischen Bauelemente aufzudecken.
-
6 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der gemessenen Fläche. Hierbei ist der gemessene ebene Gegenstand 30 in einem Winkel α geneigt, der bei einer Messung der Dicke berücksichtigt werden muss. Das Licht 62 von einer Lichtquelle 12 dringt durch die Bezugsblende 13 hindurch, und das Abschattungsmuster 13' erschafft Schatten auf der Oberfläche 11 des gemessenen Gegenstands. Die Bezugsblende und die Schatten werden durch den Abbildungssensor oberhalb erfasst. Die erfassten Unterschiede d3, d4, d5 können in die reale Entfernungen d3', d4' und d5' umgerechnet werden. Das von der Lichtquelle 22 kommende Licht 63 tritt teilweise durch die Bezugsblende 23 hindurch, und erschafft ein Schattenmuster auf der Oberfläche 21. Zusätzlich erschafft ein Laser 27 einen Strahl 64 und beleuchtet eine Stelle, die von beiden Seiten des Gegenstandes 30 her gesehen werden kann.
-
Die 7a und 7b zeigen das Bild des Abbildungssensors mit einer Vorrichtung gemäß 8. 7a zeigt das Bild, während die Oberfläche 11 sich nahe an der Blende 23" befindet, und 7b zeigt das Bild, während die Oberfläche 11 von der Blende 23" weit entfernt ist. Der Schatten s2 dehnt sich aus, während die Entfernung zu der gemessenen Oberfläche zunimmt. Die fokussierte Fläche 73, 73' bewegt sich jeweils. Die Bilder zeigen auch die fokussierte Fläche 75, 75' auf der gegenüberliegenden Seite des gemessenen Gegenstandes, die sich jeweils bewegt. Eine gemeinsame fokussierte Fläche 74, die sich für Abbildungssensoren auf beiden Seiten im Fokus befindet, ist auch markiert.
-
8 zeigt eine Dickenmessvorrichtung mit zwei optischen Sensormodulen 10', 20. Diese Module können ähnlich sein, jedoch ist das zweite Modul um 90° in der z-Achse gedreht. Dies stellt einen Weg bereit, eine Neigung des gemessenen Gegenstandes sowohl in einer x- als auch einer y-Achse zu unterscheiden. Beide Module sind wie in 2 und der Beschreibung des zweiten Moduls 20 erklärt. Der größte Unterschied besteht in Bezug auf die Verarbeitungsanordnung. Die Berechnungsausrüstung in einem zweiten Modul 20 berechnet lediglich eine Entfernung 19 zwischen dem Modul und der Oberfläche 21, die diese Informationen an das erste Modul 10' einer Computerausrüstung 16 für eine Berechnung der Dicke des Gegenstandes bereitstellen. Diese Module können streng parallel zueinander sein, jedoch falls sie leicht, d.h. kleiner 5°, in einer x- oder y-Achse geneigt sind, kann dies mit einem Kalibriervorgang kompensiert werden.
-
Die Erfindung stellt einen neuen Weg für eine kontaktlose Dickenmessung für dünne ebene Gegenstände bereit. Der Erfindungsansatz minimiert die Wirkung einer Wärmeausdehnung und einer Vibration, da die relative Entfernung zwischen einer Blende und einem Schatten vergleichsweise stabil bleibt, auch falls es kleinere Bewegungen bei der Lichtquelle oder dem Abbildungssensor gibt. Auch beeinträchtigen optische Nichtlinearitäten oder Fehleinstellungen von Lichtquellen nicht eine relative Entfernung zwischen einer Blende und einem Schatten bei einer gegenwärtigen Messanordnung.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 486713 [0005]
- US 4160204 [0030]
