DE19628391C1 - Signalverarbeitungseinheit einer Vorrichtung zum photothermischen Prüfen einer Oberfläche eines Prüfkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungseinheit einer Vor­ richtung zum photothermischen Prüfen einer Oberfläche eines Prüfkörpers mit einem Detektor, der mit einer aus einem Prüfbereich stammenden, durch eine auf den Prüfkörper auffallende Anregungs­ strahlung induzierten Wärmestrahlung beaufschlagbar ist, und mit einer dem Detektor nachgeschalteten Auswerteeinrichtung, mit der aus dem zeitabhängig registrierbaren Ausgangssignal des Detektors Prüfkörpereigenschaften bestimmbar sind.

Eine derartige Signalverarbeitungseinheit ist aus der DE 38 20 862 A1 bekannt, die ein Teil einer Vorrichtung zum photothermischen Prüfen einer Oberfläche eines Prüfkörpers ist. Bei dem photo­ thermischen Prüfen einer Oberfläche wird mittels der Signal­ verarbeitungseinheit die nach intensitätsmoduliertem Beauf­ schlagen mit einer Anregungsstrahlung aus einem Prüfbereich stammende induzierte Wärmestrahlung in ihrem zeitlichen Verlauf registriert und ausgewertet. Aus dem aufgenommenen Tempera­ tur-Zeit-Diagramm lassen sich nach Auswertung beispielsweise Fehlerstellen in dem Prüfkörper erkennen oder nach Ermittlung der Phasenverschiebung zwischen einem Rechteckimpuls der An­ regungsstrahlung sowie dem Einsetzen und Abklingen der Wärme­ strahlung die Schichtdicke einer auf den Prüfkörper aufgebrachten Lack- oder Pulverschicht bestimmen.

Mit dieser Methode sind berührungs- und zerstörungs­ frei wichtige Eigenschaften von Prüfkörpern bestimm­ bar. Dazu ist allerdings Voraussetzung, daß sich der Prüfbereich und der zum Erfassen der induzierten Wärmestrahlung vorgesehene Detektor relativ zu­ einander nicht bewegen, da ansonsten zeitabhängige Intensitätsveränderungen auftreten, welche nicht auf durch Prüfkörpercharakteristika bestimmten Aufwärm- und Abkühlprozessen beruhen. Deshalb wurde insbeson­ dere bei einer Anwendung dieser Technik zur Qualitätskontrolle in kontinuierlich ablaufenden Lackier- oder Beschichtungsprozessen der Prüfkörper entweder zur Messung kurzzeitig angehalten oder der Detektor von einer Anfangs- zu einer Endstellung während eines Meßzyklus derart mitbewegt, daß keine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Detektor und dem weitertransportierten Prüfkörper auftritt.

Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist zum einen, daß entweder der kontinuierliche Herstellungsprozeß gestört wird beziehungsweise bedingt durch das Mit­ bewegen des Detektors ein hoher apparativer Aufwand vonnöten ist. Zum anderen ist es jedoch nicht möglich, daß unvorhergesehene oder unkontrollierbare Relativgeschwindigkeiten wie beispielsweise ein Pen­ deln des Prüfkörpers bei Unterbrechung des Transports oder eine Drift zwischen der Geschwindigkeit des mit­ bewegten Detektors und der Fördergeschwindigkeit des Prüfkörpers berücksichtigt werden. Derartige unkon­ trolliert auftretende Relativgeschwindigkeiten ver­ fälschen das Meßergebnis zum Teil erheblich, ohne daß dies jedoch ohne weiteres erkennbar ist. So ergibt sich beispielsweise bei einer konstanten Relativ­ geschwindigkeit ein systematischer Meßfehler in Rich­ tung einer scheinbar geringeren Schichtdicke gegenüber einer Messung in relativer Ruhe.

Als alternativer Lösungsweg zum photothermischen Prüfen einer Oberfläche eines bewegten Prüfkörpers ist in der DE 43 43 076 A1 vorgeschlagen, den von der Anregungsstrahlung beaufschlag­ ten Bereich deutlich größer als den von dem Detektor erfaßten Prüfbereich vorzusehen, so daß eine Bewegung des Prüfkörpers innerhalb der Meßzeit insoweit meßtechnisch tolerierbar ist, als der von dem Detektor erfaßte Prüfbereich innerhalb des durch die Anregungsstrahlung beaufschlagten Bereiches der Oberfläche liegt. Dazu ist es allerdings notwendig, daß der von der An­ regungsstrahlung beaufschlagte Bereich mit im wesentlichen homogener Intensität bestrahlt ist, um nicht auf Aufwärm- und Abkühlprozesse zurückzuführende zeitliche Intensitätsvariationen zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil der letztgenannten Vorgehens­ weise liegt darin, daß lediglich eine kleine Zone des mit der An­ regungsstrahlung beaufschlagten Bereiches zur Prüfung tatsäch­ lich ausgenutzt wird, so daß ein Großteil der Energie der An­ regungsstrahlung nutzlos aufgewendet worden ist.

Aus der US 4,697,946 ist eine Vorrichtung zum photother­ mischen Prüfen einer Oberfläche eines Prüfkörpers bekannt, die über einen zweifach segmentierten Detektor verfügt, der mit auf den Prüfkörper auffallender Anregungsstrahlung induzierten Wärmestrahlung beaufschlagbar ist. Der zweifach segmentierte Detektor dient zum einen dem Kompensieren von Störeffekten wie Änderungen der Reflektivität, die sich auf beide Segment gleich­ mäßig auswirken sowie zum anderen über Differenzbildung der Ausgangssignale beider Segmente zur Berechnung eines Querver­ satzes des Prüfkörpers in bezug auf das Gesichtsfeld des Detek­ tors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalver­ arbeitungseinheit der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der auch bei Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Detektor und dem Prüfbereich in energiesparender und apparativ wenig auf­ wendiger Weise zuverlässig gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auswerteeinrichtung über eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung verfügt, mit der die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Detek­ tor und dem Prüfbereich bestimmbar ist, und daß die Auswerte­ einrichtung ferner über ein Korrekturglied verfügt, durch das mit einem Ausgangssignal der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung das Ausgangssignal des Detektors über eine Korrektur der Intensität der detektierten Wärmestrahlung auf einen als ruhend an­ genommenen Prüfbereich korrigierbar ist.

Durch das Vorsehen einer Geschwindigkeitsmeßeinrichtung lassen sich nunmehr auch in unvorhergesehener Weise auftretende Relativgeschwindigkeiten zuverlässig erfassen. Die somit gewon­ nene Geschwindigkeitsinformation ist dann mit dem Korrekturglied zur Berichtigung der Intensitätsmessung auf eine Messung in relativer Ruhe korrigierbar, so daß das Meßergebnis frei von vor­ getäuschten zeitabhängigen Effekten ist. Indem die Korrektur der Relativgeschwindigkeiten signalverarbeitungsseitig vorgenommen wird, kann der von der Anregungsstrahlung beaufschlagte Bereich der Oberfläche im wesentlichen der Größe des Prüfbereiches entsprechen, so daß verhältnismäßig wenig Anregungsenergie notwendig ist. Aus dem gleichen Grund läßt sich der Detektor ortsfest installieren, so daß der apparative Aufwand erheblich reduziert ist.

Grundsätzlich ist als Geschwindigkeitsmeßeinrichtung beispiels­ weise eine Lichtschranke geeignet, bei der die Bewegung einer Kante des Prüfkörpers mittels mehrerer Detektoren erfaßbar ist.

Bei Kenntnis des Ortes der Geschwindigkeitsmessung, der Geo­ metrie des Prüfkörpers und der Lage des Prüfbereiches läßt sich dann die Geschwindigkeit im Prüfbereich berechnen sowie ausge­ ben und deren Einfluß auf das Ausgangssignal des Detektors eliminieren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem wenigstens zweisegmentigen Detektor ist die Geschwin­ digkeit jedoch bereits aufgrund der unterschiedlichen Intensitätsverhältnisse der registrierten Wärmestrah­ lung zwischen einzelnen Segmenten unmittelbar im Prüfbereich bestimmbar, ohne daß es zusätzlicher Meßeinrichtungen bedarf. Dies hat neben einem erheb­ lich geringeren apparativen Aufwand den großen Vor­ teil, daß unmittelbar und unabhängig von der Prüf­ körpergeometrie die Relativgeschwindigkeit direkt am Ort der Prüfung ermittelbar ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels unter Bezug auf die einzige Figur der Zeichnung.

Die Figur zeigt eine Signalverarbeitungseinheit mit einem zweisegmentigen Detektor zur unmittelbaren Er­ fassung der Relativgeschwindigkeit des Prüfkörpers im Prüfbereich.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen an sich bekannten optischen Teil 1 einer Vorrichtung zum photothermischen Prüfen einer Oberfläche eines Prüf­ körpers. Der optische Teil 1 weist eine Lichtquelle 2, beispielsweise einen Laser im infraroten Spektral­ bereich, auf, deren intensitätsmoduliertes Ausgangs­ licht als Anregungsstrahlung 3 beispielsweise in Form von Rechteckimpulsen, in einer sinusähnlichen Modu­ lation oder als kurze δ-artige Impulse über eine Anregungsoptik 4 und durch einen dichroitischen Spiegel 5 umgelenkt auf einen Prüfkörper 6 fällt. Die den Prüfkörper 6 beaufschlagende Anregungsstrahlung 3 induziert in einem Prüfbereich 7 Wärmestrahlung 8, deren kollinear in einem Überlagerungsabschnitt 9 verlaufender Teil nach Durch­ tritt durch den dichroitischen Spiegel 5 und eine Abbildungsoptik 10 einen Segmentdetektor 11 einer Signalverarbeitungseinheit 12 beaufschlagt. Der von dem Segmentdetektor 11 erfaßbare Prüf­ bereich 7 entspricht im wesentlichen dem von der Anregungs­ strahlung 3 beaufschlagten Bereich oder ist geringfügig größer.

In der Figur ist ein bei der Herstellung von beschichteten Prüfkör­ pern 6 häufig anzutreffender Fall dargestellt, bei dem der Prüfkör­ per 6 über Aufhängungen 13, 14 verschiebbar an einer Lauf­ schiene 15 angebracht ist. Dabei wird der Prüfkörper 6 bei­ spielsweise in einer durch einen Pfeil 16 dargestellten Richtung quer zu dem Überlagerungsabschnitt 9 verschoben. Zusätzlich zu dieser Verschiebung mit einer auch variierenden Relativ­ geschwindigkeit kann insbesondere auch bei abrupten Änderungen der Relativgeschwindigkeit ein durch einen Pfeil 17 angedeutetes Pendeln des Prüfkörpers 6 auftreten. Diese Vorgänge beeinflussen neben den Aufheiz- und Abkühlprozessen zusätzlich den zeitlichen Verlauf der auf den Segmentdetektor 11 auftreffenden Intensität der Wärmestrahlung 8.

Zur Erfassung der Relativgeschwindigkeit des Prüfkörpers 6 in bezug auf den optischen Teil 1 und den Segmentdetektor 11 ist der Segmentdetektor 11 mit einem ersten Segment 18 und einem zweiten Segment 19 ausgestattet, die in Gestalt von halbkreisför­ mig umrandeten Scheiben mit ihren Kreisdurchmessern bündig aneinander grenzen. Die Kreisdurchmesser der Segmente 18, 19 sind quer zu der Verschiebe- und Pendelrichtung ausgerichtet. Jedes Segment 18, 19 ist über jeweils einen Verstärker 20, 21 an jeweils einen Analog/Digital-Wandler 22, 23 angeschlossen. Mit den Analog/Digital-Wandlern 22, 23 sind von einem Taktgeber 24 gesteuert die von den Segmenten 18, 19 des Segmentdetektors 11 erfaßten Intensitäten der Wärmestrahlung 8 in digitale Aus­ gangssignale umwandelbar.

Die Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler 22, 23 sind einem Summierglied 25 einspeisbar, mit dem die Summe der Ausgangssignale als Wert für die gesamte auf den Segmentdetek­ tor 11 fallende Intensität der Wärmestrahlung 8 bildbar ist. Wei­ terhin sind die Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler 22, 23 einem Divisionsglied 26 einspeisbar, mit dem ein Relativwert aus dem Verhältnis des Ausgangssignals eines Segmentes 18, 19 zu dem Ausgangssignal des anderen Segmentes 19, 18 bestimmbar ist. Das diesem Relativwert zugeordnete Ausgangssignal des Divisionsgliedes 26 ist einem Driftkorrekturglied 27 einspeisbar. Dem Summierglied 25 und dem Driftkorrekturglied 27 sind weiter­ hin das Ausgangssignal des Taktgebers 24 als Meßtaktsignale einspeisbar.

Mit dem Driftkorrekturglied 27 ist mittels einer Kalibrierwerte­ tabelle unter Berücksichtigung des Strahlprofiles sowie des Strahl­ querschnittes der Anregungsstrahlung 3 und den geometrischen Abmessungen der Segmente 18, 19 des Segmentdetektors 11 jedem Intensitätsverhältnis eine Relativgeschwindigkeit des Prüf­ körpers 6 in bezug auf den zu dem optischen Teil 1 fest an­ geordneten Segmentdetektor 11 zuweisbar. Dabei ist die relative Lage des Segmentdetektors 11 in bezug auf den Prüfbereich 7 von Bedeutung.

Beispielsweise ist bei zentrierter Anordnung des Segmentdetektors 11 in bezug auf den Prüfbereich 7 bei ruhendem Prüfkörper 6 jedes Segment 18, 19 mit gleicher Intensität an Wärmestrahlung 8 beaufschlagt. Bewegt sich hingegen der Prüfkörper 6 mit kon­ stanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 16, so verlagert sich in der Abkühlphase der größere Teil der Intensität der von dem Segmentdetektor 11 erfaßten Wärmestrahlung 8 auf das in Richtung des Pfeiles 16 angeordnete Segment 19.

Auch während der Aufheizphase ergibt sich bei in Ruhe zentrierter Anordnung des Segmentdetektors 11 eine über den Segment­ detektor 11 ungleichmäßige Verteilung der Intensität der Wärme­ strahlung 8 auf die Segmente 18, 19, falls sich der Prüfkörper 6 relativ zu dem Segmentdetektor 11 bewegt. In diesem Fall rührt die unterschiedliche Intensitätsverteilung daher, daß die verschie­ denen Zonen des Prüfbereiches 7 im Moment der Messung unter­ schiedlich lange mit Anregungsstrahlung 3 beaufschlagt worden sind.

Bei bekannter und im wesentlichen konstanter Relativgeschwin­ digkeit als Normgeschwindigkeit ist es zweckmäßig, den Segmentdetektor 11 in bezug auf den Prüfbereich 7 so versetzt anzuordnen, daß bei der Normgeschwindigkeit beide Segmente 18, 19 des Segmentde­ tektors 11 mit jeweils gleicher Intensität von Wärmestrahlung 8 beaufschlagt sind. Dadurch ist zum einen eine maximale Signal­ ausbeute erzielt, zum anderen eine Abweichung von der Normge­ schwindigkeit in einfacher Weise als von dem Wert 1 verschie­ denes Ausgangssignal des Divisionsgliedes 26 detektierbar.

Das Ausgangssignal des Driftkorrekturgliedes 27 ent­ spricht einem von der Relativgeschwindigkeit ab­ hängigen, aus der Kalibrierwertetabelle ausgelesenen Korrekturfaktor und ist einem Intensitätskorrektur­ glied 28 eingespeist. Mit diesem Korrekturfaktor ist das dem Intensitätskorrekturglied 28 ebenfalls einge­ speiste Ausgangssignal des Summiergliedes 25 aus den addierten Einzelintensitäten der Segmente 18, 19 des Segmentdetektors 11 auf einen ruhenden Prüfbereich 7 korrigierbar, indem die durch die Relativgeschwin­ digkeit verursachte Abnahme der durch den Segment­ detektor 11 erfaßten Gesamtintensität ausgleichbar ist, welche beispielsweise eine geringere Schicht­ dicke einer Lack- oder Pulverschicht vortäuschen würde.

Zweckmäßigerweise sind die mit dem Driftkorrekturglied 27 bestimmten Geschwindigkeiten in einem nicht darge­ stellten Speicher- und Ausgabeteil zur Kontrolle eingespeist.

Das Ausgangssignal des Intensitätskorrekturgliedes 28 ist von dem Taktgeber 24 gesteuert in einen Speicher 29 unter Zuordnung zu der Meßzeit einlesbar. Nach Abschluß eines Meßzyklus ist mittels eines dem Spei­ cher 29 nachgeschalteten Prüfkurvenanalysators 30 die korrigierte zeitabhängige Intensitätskurve beispiels­ weise zur Ermittlung der Schichtdicke einer auf den Prüfkörper 6 aufgebrachten Lack- oder Pulverschicht von Meßfehlern aufgrund der Relativgeschwindigkeit des Prüfkörpers 6 in bezug auf den optischen Teil 1 und den Segmentdetektor 11 korrigiert bestimmbar.

In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Segmentdetektor 11 eine Vielzahl von an­ einandergrenzenden, rechteckförmigen und quer zu der Verschiebe- und Pendelrichtung ausgerichteten Seg­ menten auf, deren Ausgangssignale Summiergliedern und Divisionsgliedern mit einer entsprechenden Anzahl von Eingängen einspeisbar sind. Bei dieser vielkanaligen Ausführung ist nunmehr durch Auswertung verschiedener paarweise gebildeter Intensitätsverhältnisse ein größerer Bereich von Relativgeschwindigkeiten erfaß­ bar sowie eine komplexere Bewegungsbahn des Prüf­ körpers 6 wie beispielsweise bei einer Pendelbewegung mit Horizontal- und Vertikalkomponente auswertbar.

Durch die Verwendung der unmittelbar in dem Prüf­ bereich 7 erzeugten Wärmestrahlung 8 zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit des Prüfkörpers 6 ist sichergestellt, daß auch exakt die Relativ­ geschwindigkeiten im Prüfbereich 7 selbst erfaßt sind. Durch diese implizit durchgeführte Geschwindig­ keitsmessung sind zum einen zusätzliche Einrichtungen zur Bestimmung der Relativgeschwindigkeit des Prüf­ körpers 6 wie beispielsweise eine Lichtschranke mit Zeilendetektoren, zum anderen die Notwendigkeit einer genauen Kenntnis der Geometrie des Prüfkörpers 6 zur Rückrechnung auf die Relativgeschwindigkeit im Prüf­ bereich 7 bei Ermittlung der Geschwindigkeit bei­ spielsweise im Kantenbereich vermieden.

Claims (7)

1. Signalverarbeitungseinheit einer Vorrichtung zum photo­ thermischen Prüfen einer Oberfläche eines Prüfkörpers mit einem Detektor, der mit einer aus einem Prüfbereich stammenden, durch eine auf den Prüfkörper auffallende Anregungsstrahlung induzierten Wärmestrahlung beaufschlagbar ist, und mit einer dem Detektor nachgeschalteten Auswerteeinrichtung, mit der aus dem zeitabhängig registrierbaren Ausgangssignal des Detektors Prüfkörpereigenschaften bestimmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung über eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (Divisionsglied 26, Driftkor­ rekturglied 27) verfügt, mit der die Relativgeschwindigkeit (Pfeil 16, Pfeil 17) zwischen dem Detektor (Segmentdetektor 11) und dem Prüfbereich (7) bestimmbar ist, und daß die Auswerteeinrichtung ferner über ein Korrekturglied (Inten­ sitätskorrekturglied 28) verfügt, durch das mit einem Ausgangssignal der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (Divi­ sionsglied 26, Driftkorrekturglied 27) das Ausgangssignal des Detektors (Segmentdetektor 11) über eine Korrektur der Intensität der detektierten Wärmestrahlung (8) auf einen als ruhend angenommenen Prüfbereich (7) korrigierbar ist.

2. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Detektor (Segmentdetektor 11) über wenigstens zwei Segmente (18, 19) verfügt, mit denen eine entsprechende Anzahl von Segmentausgangssignalen erzeug­ bar sind.

3. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ein Divisionsglied (26) zur Bestimmung des Verhältnisses wenigstens zweier Segmentausgangssignale aufweist.

4. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung ein Korrekturglied (Driftkorrekturglied 27) aufweist, mit dem aus den zeitab­ hängig registrierbaren Ausgangssignalen des Divisionsgliedes (26) mittels einer Kalibrierwertetabelle die Relativgeschwin­ digkeit zwischen dem Detektor (Segmentdetektor 11) und dem Prüfbereich (7) bestimmbar ist.

5. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung über ein Summierglied (25) zur Addition wenigstens zweier Segmentausgangssignale verfügt.

6. Signalverarbeitungseinheit nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Summiergliedes (25) korrigierbar ist.

7. Signalverarbeitungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigevorrichtung zur Ausgabe der mit der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung (Divi­ sionsglied 26, Driftkorrekturglied 27) bestimmten Geschwin­ digkeitsmeßwerte vorgesehen ist.