DE2260090A1 - Einrichtung zum messen der rauhigkeit einer oberflaeche - Google Patents

Einrichtung zum messen der rauhigkeit einer oberflaeche

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Brown Boveri und Cie AG Switzerland
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Description

158/72 Lü /ms
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Einrichtung zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche, wobei diese mit einem Lichtstrahlenbündel beleuchtet und die örtliche Intensitätsverteilung des zurückgestrahlten Lichts fotoelektrisch gemessen wird.
Derartige Mess ein rieh tun gen haben erhebliche Bedeutung bei der Herstellung von Papier, da dessen Oberflächenrauhigkeit bzw. als komplementärer Begriff - Oberflächenglätte massgebend ist für die Bedruckbarkeit.
Einrichtungen zum Messen der Rauhigkeit bzw. Glätte der Oberfläche insbesondere von Papier sind daher schon vielfach be-
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kannt. Ein- Ueberblick darüber wird z.B. in "Wochenblatt für Papierfabrikation" No. 2 (1970), S. 45 - 51, gegeben.
Auf S. 49 der angegebenen Publikation wird eine Einrichtung zur indirekten Glättemessung in Gestalt eines Glanzmessers beschrieben. Bei diesem Glanzmesser wird die zu untersuchende Oberfläche mit einem kollimierten Lichtstrahlenbündel beleuchtet, und die Leuchtdichte des zurückgestrahlten Lichtes im Reflexionswinkel fotoelektrisch gemessen. Für wissenschaftliche Zwecke wurde auch schon die Winkelverteilung des von der Papieroberfläche zurückgestrahlten Lichtes ausgemessen, indem Geräte mit variablen Beleuchtungs- und Beobachtungswinkeln verwendet wurden.
Diese bekannten Glanzmesser haben jedoch den Nachteil, sehr ungenau zu sein. Sie sind auch in der Praxis ziemlich mühsam zu verwenden, da als Mass für die Rauhigkeit nur Analogsignale gewonnen werden können.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine hohe Messgenauigkeit mit einer einfachen und vielseitigen Verwendbarkeit in der Praxis vereint.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss im zurückgestrahlten Licht der Wert der maximalen Intensität I festgestellt wird, und in Richtung der Schnittgeraden χ der Einfallsebene des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels mit einer Ebene senkrecht zur Richtung spekulärer Reflexion als Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche die Entfernung s zwischen den zwei Orten gemessen wird, an welchen die Intensität I des zurückgestrahlten Lichts auf einen bestimmten Bruchteil G der maximalen
Intensität I abgesunken ist. Der den genannten zwei Orten max & b
zugeordnete bestimmte Bruchteil G ist beispielsweise 0.5, so dass die an den -genannten zwei Orten auftretende Lichtintensität gleich I /2 ist. Die maximale Intensität I tritt max max
in Richtung spekulärer Reflexion auf, d.h. in Richtung des Reflexionswinkels bei Reflexion an einem Spiegel, der auch als Glanzwinkel bezeichnet wird.
Die Idee der Erfindung beruht also im wesentlichen darin, in der Nähe des Glanzwinkels die Halbwertsbreite des Streulichtkegels als Mass für die Rauhigkeit der zu untersuchenden Oberfläche zu benutzen. Diese Halbwertsbreite lässt sich, im Gegensatz zur Intensitätsmessung im Glanzwinkel gemäss dem oben beschriebenen, bekannten Glanzmesser, einfach und automatisch quantitativ bestimmen. Ausserdem bildet.sie ein sehr
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- μ . 158/72
genaues Mass für die zu untersuchende Rauhigkeit, jedenfalls solange, wie die die Rauhigkeit ausmachenden Oberflächenirregularitäten statistisch verteilt sind. Die Messung ist von der Farbe und/oder Lichtabsorption der Oberfläche unabhängig.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Anordnung nach der Erfindung mit einem Fotodetektor,
Fig. la eine Anordnung nach der Erfindung allgemeiner Art zur Darstellung der Messorte,
Fig. 2 eine Anordnung nach der Erfindung mit einer Kette von Fotodetektoren,
Fig. 3 eine Anordnung nach der Erfindung mit einer Fernsehkamera als Fotodetektor, und
Fig. 4 schematisch die Abtastung der auf ihre Rauhigkeit zu untersuchenden Oberfläche mit einer Fernsehkamera in der Anordnung nach Fig. 3.
In Fig. 1 ist eine Beleuchtungsquelle 21, z.B. ein Laser, vor-
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gesehen, dessen Lichtstrahl in einem Teleskop 22 au einem pa~ rallelen bgw, kollimierten Lichtstra.hlenbündel 1 von ca, X bin 2Q mm Durchmesser .aufgeweitet wird, "
Mit dem Lichtstrahlenbündal ι #ird dann die zu ,untersuchende Oberfläche g unter· einem EinfallswinkeloC (Fig, la) von SQ bis gs° beleuchtet. Die Oberfläche 8 ist vorzugsweise die Oberfläche eine§ Papier-? 28* Meg es wird für labormäsisige Un« ' tersuehungen an. einer elektrastatischen Haltevorrichtung 2H, 25 featgehalte.n, wie sie 3.B, von x«y-Schreibern bestens bekannt ist*(^sB, Hewlett Packard),
Das beleuchtende Lie.htstrghlenbündel 1 wird an der Oberfläche 8 in Form des Lichtes g zurückgestrahlt. Der Glanzwinkel Oi (Fig, la) ist durch die Richtung 7 spekulärer Reflexion ge« kennzeichnet.
In dem zurückgestrahlten Licht 6 ist ein Fotodetektor 11 mit kleiner wirksamer Flache» ζ,δ» mit einem oder einigen Milli« metern Durchmesser, im Abstand vo^ mindestens 10 Lichtstrahl-1· durchmessesrn von der Oberfläche 8 angeordnet, Eg wird in Rieh« tung der Pfeile A und B entlang dßv· Schnittgeraden x der Einfallsebene H (Fig, la) des beleuchtenden Liehtstrahlenbündels 1 mit einer Ebene 5 (Fig, la) senkreeht zur Richtung 7 speku-
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lärer Reflexion durch den Glanzwinke IOC hindurch bewegt und der Fotostrom dabei in Funktion des Ortes χ aufgezeichnet.
Damit ergibt sich dann das Bild 23, in welchem die dem Fotostrom proportionale Lichtintensität I als Funktion des Ortes χ aufgetragen ist. Wie ersichtlich, weist die gezeigte Kurve einen ersten Ort 2, welcher auf der Richtung 7 liegt» auf, an welchem die Intensität den Maximalwert I besitzt. Fer-
max
ner sind zwei zweite Orte 3 zu erkennen, an welchen die Intensität auf einen bestimmten Bruchteil G, hier 0.5 bzw.
I /2, abgesunken ist.
max * b
Die Entfernung s der zwei Orte 3 ist dann das Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche 8.
Eine günstige Ausgestaltung besteht darin, eine Beleuchtungsquelle 21 mit monochromatischem Licht zu verwenden, und zwischen dem Detektor 11 und dem Licht 6 ein Interferenzfilter 10 anzuordnen. Dadurch kann der Störeinfluss des Uragebungslichtes 9 eliminiert werden,
In Fig, 2 ist die Anordnung zur Beleuchtung der Oberfläche 8 gleich der in Fig. 1 bzw. Fig. la dargestellten. Im weiteren ist hier eine Sammellinse 16 vorgesehen, in deren Brennebene F
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eine Kette von Fotodetektoren 12a, 12b ... 12m, 12n, 13a ... 13m und 14 angeordnet ist. Die Kette erstreckt sich in Richtung der oben in bezug auf Fig. la definierten Schnittgeraden x. Im Schnittpunkt dieser Schnittgeraden χ mit der Richtung 7 spekulärer Reflexion tritt maximale Intensität I ° max
des Lichtes 6 auf, welche mit dem Fotodetektor 14, z.B. einer Fotodiode, gemessen wird. .
Die Ausgänge der Fotodetektoren 12a ... IU sind in der dargestellten V/eise mit bistabilen elektronischen Kippelementen 17a, 17b ... 17m, 17n ... 18 in der Form von Komparatoren verbunden. Der Ausgang des Fotodetektors 14 ist ferner mit einem Spannungsteiler R-R verbunden, an dessen Anzapfpunkt sich der Wert I /2 ergibt. Die Ausgänge der Komparatoren sind mit
ΙΏ3.Χ
Lampen 19 verbunden. Statt dieser können aber auch ohmsche Widerstände 29 an die Komparatoren angeschlossen sein, die über einen Verstärker zu einem Messinstrument 30 führen.
Bei. der in Fig. 2 dargestellten Anordnung sei nun die Intensität des Lichts 6 in der Ebene F an den Orten der Fotodetektoren 13a ... 14 ... 13n grosser bzw. gleich, und an den Orten der Fotodetektoren 12a, 12b ... 12m, 12n kleiner als I /2.
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Dann werden die den Fotodetektoren 13a ... 14 ... 13n zugeordneten Lampen 19 aufleuchten, die den Fotodetektoren 12a, 12b ... 12m, 12n zugeordneten aber dunkel bleiben. Die Zahl der leuchtenden Lampen 19 ist dann das Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche 8.
Sind statt der Lampen 19 Widerstände 29 mit dem Messinstrument 30 an die Komparatoren angeschlossen, so wird durch die den leuchtenden Lampen entsprechenden Widerstände 29 ein Strom fliessen, und durch die den dunklen Lampen entsprechenden Widerständen nicht. Dann ist der Ausschlag des Messinstrumentes 30, welcher der Summe der Ströme durch die Widerstände 29 proportional ist, das Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche 8.
Die Kette der Fotodetektoren 12a ... 14 braucht nicht nur aus einer einzigen Reihe bestehen. Vielmehr ist es vorteilhaft, in nicht gezeichneter Weise mehrere Reihen nebeneinander zu legen. Dadurch ist die Anordnung unempfindlich gegen ein allfälliges Wandern der Richtung 7 und damit des Ortes des Intensitätsmaximums I .
max
In Fig. 3 ist ein Fotodetektor in Form einer Fernsehkamera 15, z.B. mit einem Vidikon 32, dargestellt. Die auf ihre
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Rauhigkeit zu untersuchende Oberfläche 8 wird wieder (wie in Fig. 1 bzw. la) mit einem in einem Teleskop 22 ausgeweiteten, kollimierten Lichtstrahlenbündel 1 beleuchtet. Die Optik 33
der Fernsehkamera 15 ist auf unendlich eingestellt, wobei die lichtempfindliche Schicht 31 des Vidikons 32 in der Brennebene der genannten Optik 33 liegt. Die von der Oberfläche 8 zurückgestrahlten Parallellichtbündel 6 werden daher wie dargestellt auf das Vidikon fokussiert.
Die Abtastzeilen 20 (Fig. 4) der Fernsehkamera 15 werden
senkrecht zur Einfallsebene 4 (Fig. la) des beleuchtenden
Lichtstrahlenbündels 1 eingestellt.
Der Messvorgang verläuft nun so, dass im ersten Halbbild des im Zeilensprungverfahren betriebenen Vidikon 32 mit einem
nicht gezeichneten Spitzenwertdetektor der Wert I der maximalen, im abgetasteten Bild auftretenden Lichtintensität
festgestellt wird. Dabei wird eine Fläche abgetastet, die
grosser ist als die in Fig. 4 dargestellte Streulichtellipse 26, die sich durch die Abbildung des an der Oberfläche 8 gestreuten bzw. zurückgestrahlten Lichtstrahlenbündels 1 durch die Optik 33 der Fernsehkamera 15.ergibt. Mit 27 ist ein ,
Fleck maximaler Lichtintensität I angedeutet, der in der
max
Richtung 7 spekulärer Reflexion liegt.
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Der ermittelte Wert I wird dann gespeichert, und während
max .ff >
des zweiten Halbbildes dann die Anzahl N der Abtastzeilen gezählt, bei welchen ein Helligkeitswert I auftritt, der grosser ist als ein bestimmter Bruchteil G, beispielsweise die Hälfte des gespeicherten Wertes I . Die derart festgestellte Anzahl N ist unmittelbar ein Mass für die Papierrauhigkeit.
Das am Ausgang der Fernsehkamera 15 zur Verfügung stehende, der Anzahl N proportionale Signal kann in vielfacher V/eise weiterverwendet werden.
Z.B. kann es in digitaler Form eine Leuchtanzeige steuern. Es kann aber auch eine Analoganzeige, beispielsweise ein Zeigerinstrument beaufschlagen.
Da das die Anzahl N der Abtastzeilen 20, bei denen ein Helligkeitswert über I /2 auftritt, anzeigende Signal der Fernsehkamera 15 in der Regel ohnehin binär-dezimalkodiert zur Verfügung steht, kann dieses Signal auch sehr vorteilhaft zur Steuerung oder Regelung des das Papier erzeugenden Prozesses verwendet werden.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung wird mit besonderem Vorteil bei der Untersuchung laufender Papierbahnen eingesetzt.
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Die Bewegung der Papierbahn mit der Oberfläche 8 ist in Fig. U durch den Pfeil M angedeutet. Es ist selbstverständlich, dass dabei dafür Sorge getragen werden muss, dass am Ort der Beleuchtung durch das Lichtstrahlenbündel 1 die Papierbahn so geführt ist, dass sich durch die Bewegung keine allzu grossen örtlichen Aenderungen der Ebene, in welcher die Papierbahn läuft, ergeben, derart, dass die Streulichtellipse nicht aus dem Abtastfeld der Fernsehkamera 15 herausläuft. Das wird z.B. dadurch erreicht, dass der beleuchtete Fleck gerade auf einer Rolle oder auch zwischen nahe beieinander befindlichen Rollen gewählt wird. -
In der dargestellten Weise wird nur die über etwa 2—4 Abtastbilder, d.h. über 80 bis 16 0 m see gemittelte Rauhigkeit der durchlaufenden Oberfläche 8 angezeigt. Will man die Rauhigkeit der durchlaufenden Papierbahn von Ort zu Ort gesondert erfassen, so können der. das beleuchtende Lichtstrahlenbündel 1 erzeugende.Laser gepulst und die Messwerte zeitlich hintereinander abgespeichert und/oder ausgegeben werden. Dadurch können zeitlich kurzfristige Fluktuationen der Oberflächenrauhigkeit erfasst werden. Die Dauer, eines Beleuchtungsimpulses kann dabei wesentlich kleiner sein als die Dauer zweier Halbbilder, da die lichtempfindliche Schicht des Vidikon die Information bis zum Lesen durch den Elektronenstrahl speichert. .
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Die Vorteile der Anordnungen nach der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik ganz allgemein liegen unter anderem darin, dass
- die Rauhigkeit über eine grössere Fläche gemittelt gemessen wird,
- die Grosse dieser Fläche z.B. zwischen 1 und 300 mm wählbar ist,
- ein Signal in Echtzeit erzeugt wird, das deingemäss zur Verwendung in einem Prozessregler geeignet ist, und
- die Messung berührungsfrei ist.
Die Vorteile der Anordnung nach Fig. 3, 4 im besonderen liegen unter anderem darin, dass
- durch die Integrationsfähigkeit der fotoleitenden Schicht des Vidikons der Detektor eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweist,
- statistische RauhigkeitsVariationen, die nicht interessieren, durch diese Integrationsfähigkeit ausgemittelt werden,
- der Anordnung digitale Genauigkeit inhärent ist,
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- die Anordnung unempfindlich gegen Verschiebungen der Streulichtell'ipse ist, solange diese auf dem Vidikon aufgefangen wird, und ·
- das System sehr preisgünstig ist, da industriell zu verwendende Fernsehkameras in grosser Anzahl preiswert zur Verfügung stehen.
Ausser bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung bzw. dem Bedrukken von Papier kann die Erfindung auch mit Vorteil bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Kunststoff- und Metallfolien eingesetzt werden.
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Claims (21)

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Patentansprüche
l.J Einrichtung zum Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche, wobei diese mit einem Lichtstrahlenbündel beleuchtet und die örtliche Intensitätsverteilung des zurückgestrahlten Lichtes fotoelektrisch geinessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im zurückgestrahlten Licht (6) der Wert der maximalen Intensität I festgestellt wird, und in Richtung der Schnittgeraden χ der Einfallsebene (4) des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels (1) mit einer Ebene (5) senkrecht zur Richtung (7) spekulärer Reflexion als Mass für die Rauhigkeit der Oberfläche (8) die Entfernung (s) zwischen den zwei Orten (3) gemessen wird, an welchen die Intensität I des zurückgestrahlten Lichts (6) auf einen bestimmten Bruchteil G der maximalen gemessenen Intensität .I abgesunken ist.
max
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bestimmte Bruchteil G gleich 0,5 ist.
3· Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
/die auf ihre Rauhigkeit zu untersuchende Oberfläche (8) beleuchtende Lichtstrahlenbündel (1) kollimiert ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das die auf ihre Rauhigkeit zu untersuchende Oberfläche (8)
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beleuchtende Lichtstrahlenbündel (l) monochromatisch ist und ein das Umgebungslicht (9) vom Fotodetektor (11,12,13, 14,15) fernhaltendes Filter (10) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ■ die auf ihre Rauhigkeit zu untersuchende Oberfläche (8) mit einem kollimierten Lichtstrahl (l) eines Durchmessers von etwa 1 - 20 mm unter einem Einfallswinkel <>( von 50 - 85 beleuchtet wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fotodetektor (11) entlang der genannten Schnittgeraden χ durch das zurückgestrahlte Licht (6) geführt, der örtliche Verlauf der Intensität I (x) gemessen und die Entfernung (s) zwischen den genannten zwei Orten (3) ermittelt wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kette von Fotodetektoren (12a ... 14) entlang der genannten Schnittgeraden χ vorgesehen ist, und einerseits die Intensität I des zurückgestrahlten Lichtes an dem Detektor (14) festgestellt wird, der in der Richtung spekulärer Reflexion liegt, und andererseits die Zahl der Detektoren (13a ... 13n), an welchen der Wert der Intensität des zurückgestrahl ten Lichts den genannten bestimmten Bruchteil G des Wertes -
I am Detektor (14) in Richtung (7) spekulärer Reflexion max
übersteigt. 409822/0672
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8. Einrichtung nach den Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Fotodetektoren (11 ... 14) in der Brennebene (f) einer in dem zurückgestrahlten licht (6) angeordneten Sammellinse (16) angeordnet sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an die Fotodetektoren (12 ... 14) über elektronische Kippelemente (17, 18) Lampen (19) derart angeschlossen sind, dass diese eingeschaltet sind, wenn die Intensität des zurückgestrahlten Lichts (6) an dem zugeordneten Fotodetektor (12 ... 14) grosser ist als der genannte bestimmte Bruchteil G des Wertes I an dem Detektor (14), der in Richtung (7) der spekulären Reflexion liegt.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von den Fotodetektoren (12 ... 14) über elektronische Kippelemente (17 ... 18) ein elektrischer Strom abgeleitet wird, der proportional ist zu der Zahl der Detektoren (12 ... 14), an welchen die Intensität des zurückgestrahlten Lichts (6) grosser ist als der genannte bestimmte Bruchteil G des Wertes I
am Detektor (14) in Richtung (7) der spekulären Reflexion, und der elektrische Strom ein Anzeigeinstrument (30) steuert.
11. Einrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6 oder 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fotodetektor (11) eine wirksame Fläche von 0,2 - 4 mm Durchmesser hat.
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12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zurückgestrahlten Licht (6) in Richtung (7) der spekulären Reflexion eine auf unendlich eingestellte Fernsehkamera (15) derart angeordnet ist, dass die Richtung der Abtastzeilen senkrecht zur Einfallsebene (4) des beleuchtenden Lichtstrahlenbündels (l) liegt, und im ersten Halbbild der V/ert der maximalen Intensität I ermittelt und gespeichert
max
wird, und im zweiten Halbbild die Anzahl N der Abtastzeilen (20) festgestellt wird, bei welchen das abgetastete Bild eine Lichtintensität aufweist, die grosser ist als der genannte bestimmte Bruchteil G des Wertes der maximalen Intensität I
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der im ersten Halbbild zu ermittelnde Wert der maximalen Intensität I mittels eines Spitzenwertdetektors festgestellt wird.
14. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Fernsehkamera (15) ein der genannten Anzahl N der Abtastzeilen (20) proportionales digitales Signal zwecks Ansteuerung einer Leuchtanzeige abgeleitet wird.
15. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Fernsehkamera (15) ein der genannten Anzahl N der Abtastzeilen (20) proportionales Analogsignal zwecks Aussteuerung eines Zeigermessgerätes abgeleitet wird,
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16. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Fernsehkamera (15) ein der genannten Anzahl N der Abtastzeilen (20) proportionales BGD-Signal zwecks Steuerung des das Material, dessen Oberflächen-Rauhigkeit gemessen werden soll, erzeugenden Prozess abgeleitet wird,
17. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das die bzgl. ihrer Rauhigkeit zu messende Oberfläche (8) beleuchtende Lichtstrahlenbündel (l) gepulst wird, wobei die Dauer eines Beleuchtungsimpulses kleiner ist als die Dauer des Durchlaufs zweier Halbbilder der abtastenden Fernsehkamera (15).
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Beleuchtungsquelle (21) ein Laser vorgesehen ist.
19. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Papier.
20. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 bei der Erzeugung und/oder Bearbeitung von Kunststoffolien.
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158/72 - 19 . -"
21. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 bei der Erzeugung, und/oder Bearbeitung von Metallfolien.
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
AO 9-8 22/0672
eerseite
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