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Gerät zur optischen Messung einer Größe eines Meßobjektes
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in der Dimension einer länge
Beschreibung: Die Erfindung
betrifft ein Gerät zur optischen Messung einer Größe eines Meßobjektes in der Dimension
einer Länge, vorzugsweise des Durchmessers einer Faser, eines Drahtes oder dgl.,
in einem Meßfeld mit veränderbarer Lage des Meßobjektes, unter Verwendung einer
monochromatischen Lichtquelle oder eines selbstleuchtenden Meßobjektes eines mit
parallelem Licht als Meßstrahl gleichmäßig ausgeleuchteten Meßfeldes und eines Objektivs,
welches das Feld des Meßobjektes in einem Meßkopf abbildet, der ein digitales und
analoges Signal entsprechend der Meßgröße des abgebildeten Meßobjektes erzeugt.
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Meßgerät zur optischen Messung beispielsweise des Durchmessers einer
Faser, bei denen das Meßobjekt jedoch in dem Meßfeld hinsichtlich der Lage fixiert
sein muß, sind bereits bekannt.
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Bei einem dieser bekannten Geräte wird ein Laserstrahl über einen
Drehspiegel etwa 100 mal in der Sekunde abgelenkt und durch eine Optik als parallel
laufender Strahl durch ein Meßfeld geführt. Mit Hilfe einer zwischen dem Drehspiegel
und der Laserstrahlröhre angebrachten Zylinderlinse wird der kreisförmige Strahl
in einen schmalen Strich umgeformt und durch eine Optik auf eine Fotodiode im Empiänger
abgebildet. Befindet sich beispielsweise im Meßfeld ein Draht oder eine Faser und
wird der Strahl über die Fotodiode geführt, so bildet sich auf dieser ein Schatten
des Neßobjektes ab. Die Laufzeit als Arahles wird aut einem Zähler festgehalten
und die Zählfrequenz steuert gleichzeitig die Geschwindigkeit des Drehspiegels.
Nach beispielsweise zehn oder hundert Abtastungen wird der Z,ählerinhalt auf die
Anzeige übertragen, wobei aus der Zeit, die der konstant umlaufende Lichtstrahl
benötigt,
um das vom Meßobjekt erzeugte Schattenfeld zu durchlaufen,
sich ein Maß für den Durchmesser des Meßobjektes ergibt. Ein Nachteil eines solchen
Meßgerätes besteht darin, daß es nicht wartungsfrei ist und ein erheblicher Aufwand
erforderlich ist, um einen guten Gleichlauf der Rotation des Spiegels einzuhalten.
Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Gerätes besteht darin, daß die Meßgeschwindigkeit
relativ langsam ist, bedingt durch die Abtastgeschwindigkeit des Lichtstrahls, welche
durch die Rotation des Drehspiegels erzeugt wird. Dadurch treten auch relativ große
Fehler bei einer Bewegung des zu messenden Objektes auf, so daß sich ein solches
Gerät nur für Messungen eignet, bei denen das Objekt keinen Verlagerungen im Meßfeld
unterworfen ist.
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Ferner ist ein sogenanntes Digitaldimensionsmeßgerät bekannt, das
zur optischen Messung von beispielsweise Spaltweiten, Kantenpositionen, Linienpositionen,
Materialstärken, Durchmesser und Abstände in der Größenordnung von Millimeter und
Mikrometer dient. Ein derartiges System besteht aus einem Meßkopf, einem Objektiv,
sowie einem Steuergerät mit Leuchte. Die Leuchte ist derartig ausgebildet, daß ein
möglichst paralleles Licht auf das zu messende Objekt fällt. Das den Meßbereich
bestimmende Wechselobjektiv projeziert ein Bild des zu messenden Objekts auf eine
Quantisierebene des Meßkopfes und diese- teilt das Bild in eine Anzahl von gleichen
Teilen auf. Die Auflösung des Meßgerätes wird daher durch den Meßkopftyp bestimmt.
Ein Abtaststrahl im rechten Winkel zu den Teilungslinien stellt die Anzahl der unbelichteten
und belichteten Linien fest und erzeugt ein elektrisches Signal, welches mit einem
Steuersignal im Steuergerät verglichen wird. Daraus ergibt sich das Meßsignal und
die
Anzahl der Meßsignalimpulse pro Abtastperiode sind der Stärke des Prüflings in der
Abtastebene proportional.
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Mit einem solchen bekannten Gerät lassen sich jedoch nur Messungen
an einem Objekt vornehmen, welches während der Messungen im Meßfeld lageunveränderlich
ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur optischen
Messung einer Größe eines Meßobjektes in der Dimension einer Länge vorzuschlagen,
welches in einem Meßfeld einer Lageveränderung unterliegt, wobei die Meßgenauigkeit
voll erhalten bleibt.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Gerät der eingangs
aufgeführten Art der optische Strahlengang mit Lichtquelle, Meßfeld und Meßobjektiv,
sowie der Meßkopf in Abhängigkeit von der Bewegung des Meßobjektes bewegbar gelagert
sind. Gemäß der Erfindung sind mindestens der optische Strahlengang mit Lichtquelle,
Meßfeld und Meßobjektiv, sowie der Meßkopf auf einem Koordinatentisch befestigt,
der in einer definierten Ebene in zwei Komponenten X und Z mit Hilfe je eines Servoantriebs
in Relation zum Meßobjekt bewegbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Lageveränderung des Meßobjektes
in einer definierten Ebene des Meßfeldes mit Hilfe des Meßstrahles meßbar.
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Zur Messung der Veränderung einer Lagekomponente in der definierten
Ebene des MeRfeldes dient ein vom Meßobjekt abgelenkter Anteil des Meßstrahles,
der über ein
Nachführobjektiv einem Lagesensor zugeführt wird,
deren Ausgangssignale zur Steuerung eines Servoantriebs verwendet werden.
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Die Bildverschiebung auf der Diodenzeile im Meßkopf, welche durch
die Lageveränderung des Meßobjektes in der X-Richtung der definierten Ebene erzeugt
wird, wird in Weiterbildung der Erfindung elektronisch ausgewertet und die erzeugten,
der Lageveränderung proportionalen Signale werden dem Servoantrieb zugeführt, welcher
eine entsprechende Bewegung des Koordinatentisches in der X-Richtung bewirkt.
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Vorteilhaft ist es, das gesamte Meßsystem auf dem Koordinat-entisch
anzuordnen.
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Mit dem Gerät nach der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich
selbstleuchtende Meßobjekte zu messen, wobei eine geräteeigene Lichtquelle zur Erzeugung
des Meßstrahles nicht erforderlich ist. Hierfür reicht es aus, die Licht quelle
auszuschalten, denn alle übrigen Geräteelemente bleiben unverändert.
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In kinematischer Umkehr ist es nach der Erfindung weiter möglich,
die Auslenkung des Meßobjektes im Meßfeld mit Hilfe des Neßstrahles zu ermitteln
und diese Werte zur Steuerung von Servoantrieben zu verwenden, welche die Halte-
und/oder Lagervorrichtung des Meßobjektes proportional und umgekehrt der Bewegung
des Neßobjektes hinsichtlich der Lage verändern.
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Bei der Messung eines nicht selbstleuchtenden Meßobjektes wird als
monochromatische Lichtquelle ein Laser verwendet, welcher vorzugsweise eine flache
und gleichmäßige Energieverteilung
über den titrahlellnllerfchnitt
allfweist. Ein solcher Laser ist ansich für andere Zwecke unter der Bezeichnung
t'Flat-Top-Laser" bekannt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist dem Meßobjektiv eine Zylinderlinse
nachgeschaltet, welche im Meßkopf ein Bild des Meßobjektes abbildet, dessen Achse
quer zur Meßachse vergrößert ist. Durch diese Maßnahme werden zwei wesentliche Vorteile
erreicht. Einmal werden die Lichtintensitätsschwankungen des Laser und seine schwarzen
Löcher in seinem ausgesendeten Spektralband ausgeglichen, da mit Hilfe der Zylinderlinse
eine Integration über eine größere Breite des Meßobjektes erfolgt. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil ergibt sich lurch eine bessere Ausleuchtung der Dioden in der
Diodenzeile des Meßkopfes.
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Die Signale, welche der Diodenzeile des Meßkopfes abgetastet werden,
werden nach der Erfindung zur Ermittlung von drei verschiedenen Werten über das
Meßobjekt ausgewertet. So dienen die Vidiosignale der Diodenzeile einmal zur Messung
der Breite des Meßobjektes, ferner zur Bestimmung seiner Position im Meßfeld und
schließlich zur Bestimmung seiner Geschwindigkeit er Lageveränderung im Meßfeld.
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Um auch die Bewegungstendenzen des Meßobjektes im Meßfeld feststellen
zu können, sind die einzelnen Koordinaten des Koordinatentisches mit Positionsgebern
versehen, deren Signale zur Ermittlung der Bewegungstendenz auswertbar sind.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Hierbei zeigen Figur 1 eine schematische Darstellung der Funktion
der Anlage mit den Strahlengängen und
Figur 2 eine schematische
Darstellung des Meßfeldes mit dem Meßobjekt.
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Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der Strahlengänge des
Meßgerätes, welches insbesondere zur Messung der Faserstärke beispielsweise einer
Glasfaser, eines Drahtes oder dgl. dient.
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Insbesondere bei der Herstellung von Glasfasern für optische Zwecke
ist es von Bedeutung, die Herstellung derselben möglichst ohne Durchmesserschwankungen
durchführen zu können.
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Hierfür ist es erforderlich, den Durchmesser des erzeugten und aus
einer Ziehzwiebel oder einer Düse gezogenen Fadens fortlaufend zu messen und die
ermittelten Durchmesserwerte zur Korrektur einer Durehmesserschwankung zu verwenden.
Hierbei werden an die Genauigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt und da die Meßgenauigkeit
durch die Lageveränderung ungünstig beeinflußt wird, sind Mittel vorgesehen, um
Lageveränderungen des Meßobjektes im Meßfeld auszugleichen bzw.
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zu korrigieren.
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Bei dem dargestellten Meßgerät befindet sich das nichtleuchtende Meßobjekt
6 in einem Meßfeld 1, welches von parallelen Lichtstrahlen durchlaufen wird. Diese
Lichtstrahlen werden von einem Laser erzeugt, dessen Licht eine Wellenlänge von
638 Nanometer aufweist. Durch Verwendung eines derartigen monochromatischen Lichtes
werden chromatische Abbildungsfehler vermieden. Der von dem Laser 3 erzeugte Lichtstrahl
2 wird über einen ersten Spiegel 13 umgelenkt und durch das Meßfeld 1 geführt. Ein
Meßobjektiv 4 bildet das Meßobjekt 6 in einem Meßkopf 5 ab, wobei die Lichtstrahlen
von einem zweiten Spiegel 14 um 900 umgelenkt werden und durch eine Zylinderlinsenanordnung
15 gelangen. Hinter dieser Zylinderlinsenanordnung
15 befindet
sich ein teildurchlässiger Spiegel 16, der die Lichtstrahlen zur Abbildung des Meßobjektes
6 auf einer Diodenzeile im Meßkopf 5 erneut um 900 umlenkt. Hierbei gelangt etwa
eine Lichtmenge von 90 % auf die Diodenzeile. Mit Hilfe des teildurchlässigen Spiegels
16 ist eine direkte Beobachtung des Meßobjektes zu jeder Zeit möglich, welches auf
einer Mattscheibe 17 ebenfalls abgebildet wird.
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Mit Hilfe eines Nachführobjektives 8 werden vom Meßobjekt 6 gebeugte
und reflektierte Lichtstrahlen zur Bestimmung der Lageveränderung des Meßobjektes
verwendet. Das Nachführobjektiv 7 bildet ein Beugungsbild des Meßobåektivs 6 in
beispielsweise einer Differenzfotozelle 9 sb, wodurch bei jeder Lageveränderung
des Neßobjektes 6 Signale erzeugt werden, mit deren Hilfe ein Servomotor 11 beaufschlagt
wird, der auf die Z-Koordinate eines nicht näher dargestellten Koordinatentisches
einwirkt und eine solche Bewegung der Z-Koordinate durchführt, daß die gemessene
Auslenkung des Meßobjektes 6 in der Z-Richtung korrigiert bzw. ausgeglichen wird.
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i)ie Bewegungsänderung des Meßobjektes 6 in der X-Richtung (siehe
hierzu auch Figur 2) erfolgt mit Hilfe des Meßkop-;'es 5, wobei die Bildverschiebung
auf der nicht näher dargestellten Diodenzeile im Meßkopf 5 elektronisch ausgewertet
wird. Der Meßkopf 5 erzeugt dabei Signale, die der Bildverschiebung und damit der
Verschiebung des Meßobjektes 6 in X-Richtung proportional sind, so daß diese über
ein Steuergerät 18 zur Beaufschlagung eines Servomotors 12 verwendet werden können.
Der Servomotor 12 wirkt auf die X-Koordinate des nicht näher dargestellten Koordinatentisches
und erzeugt eine entsprechende Lage veränderung derart, daß die Auslenkung des Meßobjektes
6
im Meßfeld 1 korrigiert bzw. ausgeglichen wird.
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Mit der dargestellten Meßeinrichtung laßt sich eine außerordentlich
hohe Meßgeschwindigkeit erreichen und das Meßobjekt kann langsamen Verlagerungen
unterworfen werden, ohne daß die Meßgenauigkeit dadurch negativ beeinflußt wird.
Die Schwankungen des Meßobjektes 6 können in einem quadratischen Feld mit einer
Seitenkante von beispielsweise 50 mm stattfinden, wobei eine exakte Messung des
Durchmessers des Meßobjektes mit konstanter Genauigkeit und unabhängig von der Lage
des Objektes im Meßfeld durchgeführt wird. Eine solche Genauigkeit kann mit einer
optischen Abbildung nicht erreicht werden, da allein schon die optischen Fehler
Neßgrenzen bedingen, beispielsweise durch die Aberration.
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Die Messung des Durchmessers einer Glasfaser (Meßobjekt 6) erfolgt
im Durchlicht. Als Laserquelle wird vorzugsweise ein sogenannter "Flat-Top-Laser"
verwendet, dessen Energieverteilung über dem Strahlenquerschnittkeine sonst übliche
Gauß'sche Verteilung aufweist, sondern die Verteilungskurve weist eine weitgehendst
flache und gleichmäßige Energieverteilung auf. Dadurch wird eine gleichmäßige Beleuchtungsintensität
im Meßfeld erreicht.
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Der Meßkopf 5 ist mit einer großen Anzahl lichtempfindlicher Dioden,
die in einer Zeile angeordnet sind, versehen, wobei die Anzahl der Dioden etwa 1
000 auf 2,5 cm beträgt. Die Abtastung einer Zeile erfolgt mit Hilfe eines elektronischen
Schalters, so daß dadurch ermittelt wird, wieviel Dioden beleuchtet und wieviel
unbeleuchtet sind.
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Die Anzahl der unbeleuchteten Dioden ist proportional dem Durchmesser
des Meßobjektes, wobei zu beachten ist,
daß das Meßobjektiv 4 auf
der Diodenzeile im Meßkopf 5 ein vergrößertes Bild abbildet. Die Meßgenauigkeit
der Meßanordnung wird daher durch den Abstand der Diodenfotoelemente in der Diodenzeile
des Meßkopfes und durch den Vergrößerungsmaßstab des Objektivs 4 bestimmt.
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Nach dem Meßobjektiv 4 ist im Strahlengang eine Zylinderlinse 15 nachgeordnet,
welche im Meßkopf 5 ein Bild des Meßobjektes 6 abbildet, dessen Achse quer zur Meßachse
vergrößert ist. Mit dem Einsatz einer solchen Zylinderlinse werden zwei wesentliche
Vorteile erzielt.
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Laser zeigen im allgemeinen über den ßtrehlquerschnitt punktförmige
Energleeinbrüche (schwarze Löcher). Mit Hilfe der r;ySinderlinse wird eine Integratiorl
iiber eine größere Jeite des Meßobjektes und somit des trahlquerschnittes, so daß
sich dadurch die Lichtintensitätsschwankungen des Lasers und auch seine punktförmigen
Energieeinbrüche nicht mehr negativ auswirken. Ein weiterer Vorteil besteht noch
darin, daß eine bessere Ausleuchtung der Dioden in der Diodenzeile des Meßkopfes
erfolgt.
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Die von der Diodenzeile erzeugten Vidiosignale lassen sich mit Hilfe
der nachgeschalteten Elektronik für drei wichtige Meßwerte auswerten. So dienen
die Meßwerte einmal zur Messung der Breite des Meßobjektes, zum anderen zur Bestimmung
seiner Position im Meßfeld und schließlich zur Bestimmung seiner Geschwindigkeit
der Lageveränderung im Meßfeld. Weiter werden die Werte der Breite des Meßobjektes
zeitlich miteinander verglichen und die Änderungen angezeigt und zur Steuerung ausgewertet.
Die Anzeige der Position und Veränderung der Position des Meßobjektes im Meßfeld
wird zur Steuerung des Servomotors 12 verwendet, der das Meßobjekt in X-Richtung
bewegt und damit seiner Lageveränderung wieder ausgleicht.
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Die Faserbewegungen setzen sich aus sehr schnellen und relativ langsamen
überlagerten Bewegungen zusammen. Die schnellen Bewegungen, d.h. Schwingungen mit
hoher Frequenz, entstehen durch Resonanzeffekte und weisen eine relativ geringe
Amplitute auf. Bei den langsamen Bewegungen handelt es sich um Verlagungen in der
Größenordnung von 1 mm pro Minute. Der Servomechanismus, der relativ träge arbeitet,
trägt diesen langsamen Bewegungen Rechnung. Die schnelle Bewegung der Faser dagegen
wird durch das Meßgerät sofort erfaßt, ohne daß eine Nachführung, d.h. ein Ansprechen
des Servomechanismus erforderlich ist.
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Das Meßgerät nach der Erfindung gestattet die Anzeige des absoluten
Meßwertes, d.h. die Breite bzw. der Durchmesser des Meßobjektes, Jeder Vidioimpuls
bedeutet dabei aufgrund des Geräteabgleichs eine Größe von 0,5 Mikrometer. Bei der
Auswertung der Vidiosignale werden die Impulse ausgezählt, wobei die durch die Mittentransparenz
entstehenden Impulse nicht mitgezählt werden.
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Um dies zu erreichen, wird der rechte und der linke Anteil der Impulse
ausgezählt und von der Gesamtzahl subtrahiert, so daß sich dadurch mit Sicherheit
der absolute Durchmesserwert des Objektes ergibt. Im Meßgerät sind zwei digitale
Meßkreise vorhanden, wobei der eine Meßkreis be jcder Abtastung ein Signal erzeugt,
welches sich für schnelle Auswertungen am Ausgang verwenden läßt. Beide Kreise nehmen
eine Aufsummierung vor, wobei drei Werte pro Sekunde zur Anzeige gelangen. Dies
entspricht dem Unterscheidungsvermögen des Auges. Weiter weist das Gerät nach der
Erfindung Schaltkreise zur Mittelwertbildung auf, wobei in einem Ausführungsbeispiel
5 Meßwerte aufaddiert werden. Ferner ist ein Korrekturschalter vorgesehen, mit dessen
Hilfe eine Korrektur der Beugungsfehler
durchgeführt werden kann.
Eine Faser, die mit monochromatischem Licht beleuchtet wird, erzeugt Beugungsbilder,
wodurch der absolute Durchmesser zu klein gemessen wird. Hierdurch entsteht ein
konstanter Fehler, der durch eine entsprechende Eichung korrigiert werden kann.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiele werden zur Steuerung der
Koordinaten des Koordinatentisches Servomotoren verwendet.
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Anstelle der Servomotoren können auch andere Servoantriebe verwendet
werden, wie beispielsweise hydraulische oder pneumatische Kolben oder dgl.
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Zur Ermittlung der Auslenkung des Meßobjektes 6 in Z-Richtung wird
bei dem Ausführungsbeispiel eine Differenzfotozelle 9 benutzt. Diese Fotozelle läßt
sich selbstverständlich auch durch andere Elemente ersetzen, welche in der Lage
sind, Lichtsignale in elektrische Signale umzuwandeln.
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Weiter ist es mit dem Gerät nach der Erfindung möglich, auch selbstleuchtende
Meßobjekte zu messen. Hierbei wird die Lichtquelle 3 abgeschaltet und das vom Meßobjekt
6 ausgesendete Licht als Meßstrahl verwendet, um die gewünschten Werte des Menobjektes,
d.h. beispielsweise seinen Durchmesser, seine Lage im Meßfeld und seine Veränderung
der Position im Meßfeld zu messen und auszuwerten.
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Um die Bewegungstendenz des Meßobjektes zu erkennen, sind an den Koordinaten
des Koordinatentisches Sensoren angeordnet, mit deren Hilfe die Lage und Lageveränderung
der einzelnen Koordinaten erkannt und ausgewertet werden können.
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Das Gerät nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Messung
einer Glasfaser, die aus einer Ziehzwiebel gezogen wird. Eine solche Glasfaser besteht
aus verschiedenen Glassorten
mit unterschiedlichen Brechungsindizes
und da derartige Fasern für Signalübertragungen verwendet werden, werden hinsichtlich
der Genauigkeit des Durchmessers und der Querschnittsform höchste Ansprüche gestellt.
Erfolgt das Abziehen der Faser aus der Ziehzwiebel unter einem bestimmten Winkel,
wodurch sich eine Lageveränderung der Faser im Meßfeld einstellt, so resultieren
,daraus Unregelmäßigkeiten der Faser, welche höchst unerwünscht sind.
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Aus diesen Gründen ist es für die Produktionsüberwachung nicht nur
erforderlich die Werte des Durchmessers ständig zu messen und miteinander zu vergleichen
um Anderungen festzustellen, sondern es ist auch von Bedeutung, die Tendenz einer
Lageveränderung zu erkennen, so daß dadurch Produktionafehler der Faser rechtzeitig
vermieden werden können. Das Gerät nach der Erfindung erfüllt alle diese Forderungen,
welche bisher durch den Stand der Technik nicht realisiert werden konnten.
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