DE2906641A1

DE2906641A1 - Verfahren zur optisch-elektrischen messung des abstandes zwischen einer messeinrichtung und einem pruefling

Info

Publication number: DE2906641A1
Application number: DE19792906641
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Lenoir; Winfried Luettig
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1980-08-28
Also published as: GB2043389A

Description

Anmelderin: Firma Carl Freudenberg, Weinheim

Verfahren zur optisch-elektrischen Messung des Abstandes zwischen einer Meßeinrichtung und einem Prüfling

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optisch-elektrischen Messung des Abstandes zwischen einer Meßeinrichtung und einem Prüfling, bei dem ein Lichtstrahl unter einem Winkel auf die Oberfläche des Prüflings geworfen wird, derart, daß in einem vorgegebenen Kontroll bereich ein Lichtfleck entsteht, daß der Kontroll bereich auf einen unter einem anderen Winkel der Oberfläche des Prüflings zugeordneten helligkeitsempfindlichen Empfänger abgebildet wird, der je nach Lage des Lichtfleckes eine unterschiedliche elektrische Spannung abgibt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren wird in einem bekannten Füll Standswächter für Flüssigkeiten oder Pulver angewendet. Dieser ist in einem bestimmten Abstand über der Soll höhe der Flüssigkeit bzw» des Pulvers befestigt, und der von einer Linse gebündelte Lichtstrahl wird durch direkte Reflexion über einen Zwischenspiegel auf einem Photowiderstand abgebildet, der in Abhängigkeit von einer je nach Auftreffwinkel unterschiedlichen Beleuchtungsintensität unterschiedliche Ausgangsspannungen abgibt.

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Diese Spannungen werden einer Meß- und/oder Steuereinrichtung zugeführt, die anzeigt, ob die gewünschte Soll höhe der Flüssigkeit bzw. des Pulvers erreicht ist oder nicht. Eine unmittelbare Schichtdickenmessung der Flüssigkeit oder des Pulvers ist durch die Anwendung dieses Verfahrens jedoch nicht durchführbar, weil keine Proportionalität zwischen den einzelnen Ausgangsspannungen des Photowiderstandes und dem jeweiligen Abstand von der Sollhöhe der Flüssigkeit bzw„ des Pulvers gegeben ist,, Das Verfahren erlaubt außerdem nicht die Bestimmung der Soll höhe von Flüssigkeiten oder Pulvern, deren Oberfläche eine schwingende Bewegung in Richtung auf den Füll Standswächter ausführt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Verfahren derart weiterzuentwickeln, daß eine unmittelbare Messung des Abstandes der Meßeinrichtung von der Oberfläche einer Flüssigkeit, eines Pulvers oder irgendeines anderen Festkörpers möglich ist, ohne daß Oberflächenrauhigkeiten den erhaltenen Meßwert beeinträchtigen»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch, daß der Kontrollbereich mit dem Lichtfleck maßstabgetreu auf einen Empfänger aus mehreren helligkeitsempfindlichen Einzel sensoren projiziert wird, daß jedem Einzel sensor ein bestimmter Abstand zugeordnet wird und daß die relativ zueinander unterschiedlichen Ausgangsspannungen qualitativ und/oder quantitativ für die Angabe des Abstandes der Meßeinrichtung von dem Prüfling verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von der Erkenntnis, daß ein unter einem Winkel auf eine Oberfläche projizierter Lichtstrahl dort einen Lichtfleck bildet, der sich in deren Ebene relativ verschiebt, wenn sich der senkrechte Abstand der Oberfläche von der Meßeinrichtung verändert. Die relative Verschiebung ist umso größer, je kleiner der Einfallswinkel des Lichtstrahls ist. Aus diesem Grunde ist es

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an sich wünschenswert, einen kleinen Einfallswinkel zu wählen. Dieses führt jedoch zwangsläufig zu einer Vergrößerung des absoluten Durchmessers des Lichtfleckes und insbesondere zu einer Vergrößerung der durch Streulicht erhellten Bereiche. Dieses kann bei der nachfolgenden elektrischen Auswertung zu einem unscharf abgegrenzten Bild führen, und zwar insbesondere dann, wenn die gemessene Oberfläche stark reliefartig profiliert ist. Man wird daher vorteilhafterweise den jeweils am besten geeigneten Einfallswinkel durch einfache Vorversuche ermitteln. Wird hingegen ein Lichtstrahl mit einem kleinen Durchmesser aus konvergentem Licht verwendet, so läßt sich ein kleiner Einfallswinkel wählen und damit eine außerordentlich große Meßgenauigkeit erzielen.

Der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Empfänger kann dem Kontroll bereich aus jeder beliebigen Richtung zugeordnet sein, außer aus der Richtung der gleichzeitig verwendeten Lichtquelle, Auch die Entfernung, in der die beiden Einheiten von dem Kontroll bereich angeordnet sind, kann unterschiedlich sein und nahezu jeden beliebigen Wert annehmen. Die beiden Pinheiten können infolgedessen außerhalb einer gegebenenfalls bestehenden Gefährdungszone angebracht werden, und es kann dadurch grundsätzlich die Gefahr ausgeschlossen werden, daß das erzielte Meßergebnis durch gegebene Umgebungseinflüsse in irgendeiner Weise verfälscht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich deshalb besonders gut für die berührungslose Dickenmessung beliebiger Stoffe unter schwierigen Bedingungen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Abstand der Meßeinrichtung von der Oberfläche des Prüflinges und damit dessen Dicke sehr präzise gemessen werden. Das kann qualitativ geschehen, indem die Vielzahl der Einzel sensoren des Empfängers nur darauf überprüft wird, ob das erwünschte Signal, das den Lichtfleck repräsentiert, anliegt oder nicht. In den meisten Fällen liegt dieses Signal jedoch nicht nur an einem einzelnen Sensor an, sondern es erscheint

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mit abnehmender Höhe auch auf den Nachbarsensoren. Es wird im wesentlichen durch die Streuung des Lichts beim Auftreffen auf die Oberfläche des Prüflinges verursacht. Ein daraus möglicherweise verursachter Störeffekt kann ausgeschlossen werden, indem nur diejenigen von den Einzelsensoren ausgehenden Spannungen weiterverarbeitet werden, die einen bestimmten Mindestwert überschreiten bzw. ausschließlich die Maximal spannung. Diese kann dann unmittelbar einem bestimmten Sensor und damit einem bestimmten Abstand der Meßeinrichtung von der Oberfläche des Prüflinges zugeordnet werden. Eine unmittelbare Eichung auf die Dicke des Prüflinges ist ohne weiteres möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in sinngemäßer Weise auch zur Messung der Dicke von Schichten verwendet werden, die eine in Richtung auf die Meßeinrichtung schwingende Bewegung durchführen. Eine entsprechende Problematik ist beispielsweise gegeben, wenn die Dicke eines noch unausgehärteten Kunstleders gemessen werden soll, das in praxisüblicher Weise über eine Transportrolle mit einer gewissen Exzentrizität läuft, oder die absolute Schichtdicke einer Flüssigkeitsoder einer Pulverschicht, die durch eine Rüttel- oder eine Paddelbewegung gleichzeitig egalisiert wird. ■

Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in beiden Fällen eine Erregung der Einzel sensoren erhalten, die in gleichbleibender Weise zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert schwankt und denen somit jeweils ein bestimmter Minimal- und ein bestimmter Maximal abstand der Meßeinrichtung von der Oberfläche des Prüflings zugeordnet werden kann. Durch eine einfache Integration beider Werte unter Anwendung bekannter Technologien läßt sich ein Durchschnittswert erhalten, der unmittelbar auf die absolute Schichtdicke geeicht werden kann. Bei der Herstellung von Endlosmaterialien läßt sich die diesbezügliche Skala gegebenenfalls auch auf alle übrigen vorkommenden Werte eichen,, Die Integration der vorkommenden Maximal- und Minimalwerte kann auf einfache Weise durchgeführt werden, indem die zeitliche Länge der jeweiligen Periode ermittelt wird und indem derjenige

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Einzel sensor ermittelt wird, der das maximale Ausgangssignal bei 0,5mal der Zeitdauer der Gesamtperiode nach deren Beginn führt.

Als besonders vorteilhaft für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich eine Vorrichtung erwiesen, bestehend aus einer Punktlichtquelle, die der Oberfläche des Prüflings unter einem Winkel zugeordnet ist, und aus einem helligkeitsempfindlichen Empfänger, der der Oberfläche des Prüflings unter einem anderen Winkel zugeordnet ist, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist und mit einer Meß- und/oder Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger aus mehreren flächenhaft zusanmengefaßteη Einzel sensoren mit einem beleuchtungsproportionalen Spannungsausgang zusammengesetzt ist, daß jeder Einzelsensor mit der Meß- und/oder Steuereinrichtung verbunden ist und daß in dieser gegebenenfalls ein Integrator für die Spannungen enthalten ist. Eine entsprechende Vorrichtung kann beispielsweise eine Punktlichtquelle umfassen und einen Empfänger in Gestalt einer Fernsehkamera, die mit einem Bildschirmgerät verbunden ist, dessen Mattscheibe unmittelbar mit einer Skala für verschiedene Abstände der Fernsehkamera von der Oberfläche des Prüflinges versehen ist. Die Fernsehkamera kann senkrecht über dem Kontrollbereich angeordnet sein und die Punktlichtquelle in einer Ebene, die parallel zur Unterkante des Fernsehempfängers liegt. Ein günstiger Einfallwinkel der Punktlichtquelle für viele Stoffe liegt in einer Größenordnung von 10 bis 70°.

Bei Materialien, die eine Oberflächenrauhigkeit haben oder die sich in einer periodischen Schwingung parallel zu der Richtung des Empfängers befinden oder in einer Bewegung senkrecht zu dem Empfänger, ist es zur Erzielung eines eindeutigen Auswertungsergebnisses erforderlich, einen Mittelwert aus mehreren Meßwerten zu bilden. Auch diese Auswertung kann ähnlich der vorstehend beschriebenen quantitativ erfolgen, beispielsweise durch Bestimmung des Einzelsensors, der im Intensitätsmaximum der Lichtpunktabbildung liegt und durch nachfolgende Bestimmung des Mittelwertes bei mehreren aufeinanderfolgenden Meßzyklen.

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Eine qualitative Auswertung der von den Einzel sensoren abgegebenen Spannungen in entsprechender Weise kann beispielsweise dazu benutzt werden, das Reflexionsverhalten oder die Oberflächenrauhigkeit des Prüflings im Kontrollbereich kontinuierlich in eine konkrete Beziehung zu den entsprechenden Durchschnittswerten der gesamten Oberfläche zu bringen. Die Einhaltung bestimmter Gütenormen der Oberfläche läßt sich auf diese Weise vollautomatisch kontrollierten.

Neben der vorstehend beschriebenen, relativ aufwendigen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch unter Verwendung einfacherer Vorrichtungen durchgeführt werden. Dabei kann man sich vorteilhafterweise insbesondere die Tatsache zunutze machen, daß der Lichtfleck in dem Kontrollbereich bei einer Abstandsveränderung nur in linearer Richtung seine Lage zu verändern vermag. Es ist deshalb grundsätzlich ausreichend, wenn die Einzel sensoren in einer geraden Linie in dem Empfänger zusammengefaßt sind, die parallel zur Ebene des Lichtstrahles der Punktlichtquelle liegt. Als Einzelsensoren können verschiedene Elemente verwendet werden, beispielsweise Photowiderstände, Photodiode oder Photodioden-Arrays,, Die elektrische Schaltung bereitet dem erfahrenen Regelungstechniker unter Anwendung der vorstehend angegebenen grundsätzlichen Lehre keine grundlegenden Schwierigkeiten.

Die in der Anlage beigefügte Zeichnung zeigt in beispielhafter Weise die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Sie wird nachfolgend näher beschrieben:

Aus einer Punkt!ichtquelle 1 wird ein gebündelter Strahl 2 unter einen Winkel o( gegen die Oberfläche eines Prüflings 3 gerichtet. Auf der Oberfläche wird von dem Lichtstrahl ein Lichtfleck abgebildet.

Der Prüfling besteht aus einer wässrigen Fasersuspension, die durch eine Rohrleitung einem an der Vorderseite offenen Kasten zugeführt wird. Die Unterseite des Kastens wird durch ein endloses Band aus einem Drahtgewebe gebildet, das über zwei Rollen geführt ist und

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dessen oberes Trum sich mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit von dem Kasten fortbewegt. Die Fasersuspension wird währenddessen durch das Drahtgewebe hindurch entwässert und auf dessen Oberseite kommt es zur Ablagerung einer Faserschicht, die auf der rechten Seite der Darstellung als ein eigenfestes Faservlies von dem Band abgenommen werden kann. Im Bereich des Kastens sind Einrichtungen enthalten, die eine gleichmäßige Verteilung der Suspension über die Bandbreite bewirken,, In der Zeichnung sind diese Einrichtungen vereinfacht als eine sich in Querrichtung hin- und herbewegende Rohrleitung für den Zulauf der Fasersuspension und als Paddeleinrichtung dargestellt. Die Paddel einrichtung-besteht aus einem sich über die ganze Bandbreite erstreckenden,zylindrischen Tauchkörper, der durch einen exzentrischen Antrieb in eine senkrecht schwingende Bewegung versetzt wird» Die dabei entstehenden Wellen in der Suspenpension bewirken deren gleichmäßige Verteilung. Das Verhältnis der Schichtdicke der Suspension vor und nach der Entwässerung liegt in einer Größenordnung von 100 : 1 bis 10 000 : 1. Bei einer automatischen Regelung der je Zeiteinheit zugeführten Suspensionsmenge ist man deshalb bestrebt, den Kontroll bereich möglichst nahe an den Kasten zu legen« Nur dadurch läßt sich eine hohe Meßgenauigkeit erziehen. Die Oberfläche der Flotte ist in diesem Bereich aber nicht ruhend, sondern sie weist eine VJeIlenbewegung auf, die sich auch senkrecht zur Oberfläche auswirkt. Diese Bewegung ist für das erfindungsgemäße Verfahren nicht mit einer Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit beim Ermitteln der Schichtdicke des Prüflings verbunden.

Bei einer Veränderung des Abs+andes der Oberfläche des Prüflings von dem Empfänger bzw. der Schichtdicke des Prüflings verlagert sich der Lichtfleck in der dargestellten Weise um den Wert L, wobei man die relative Verlagerung formel mäßig angeben kann durch

Δ L = Δ d . tan cf

Senkrecht über dem Kontroll bereich ist der Empfänger 4 angeordnet, der in seinem rückwärtigen Teil mehrere Einzel sensoren 5 enthält

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und in seinem vorderen Bereich ein optisches Linsensystem 6„ Das optische Linsensystem ist so ausgelegt, daß der gesamte Kontrollbereich, der beispielsweise dem dargestellten Probenausschnitt entspricht, maßstabsgerecht auf dem eigentlichen, aus mehreren Einzel sensoren zusammengesetzten Empfänger abgebildet wird.

Die Erregung der Einzel sensoren erfolgt unter Ausnutzung der von dem Lichtfleck innerhalb des Kontrollbereiches ausgehenden diffusen Reflexion. Es ist zwar ebenso möglich, die direkte Reflexion im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden. Dabei können sich jedoch aus einer reliefartigen Strukturierung der Oberfläche eines Prüflinges oder einer fehlenden Eignung zur direkten Reflexion Schwierigkeiten ergeben, die sich unter Anwendung des Prinzips der Verwendung der diffusen Reflexion vermeiden lassen.Die Auswertung des maßstabgerecht auf dem Empfänger wiedergegebenen Bildes des Kontrollbereiches erfolgt zyclisch und ausgehend von der jeweiligen Kontrolle eines jeden Einzelsensors 5, ob dort das Signal des Lichtfleckes anliegt oder nicht» Jedem Einzelsensor braucht infolgedessen lediglich ein bestimmter Abstand des Empfängers von der Oberfläche des Prüflings 3 zugeordnet zu werden, um bei einer Erregung durch den Lichtfleck die schlüssige Aussage zuzulassen, daß sich die Oberfläche des Prüflings in einem bestimmten Abstand von dem Empfänger befindet. Es ist dann lediglich noch eine Frage der Eichung der verwendeten Skala, um aus dieser Aussage unmittelbar in eine Angabe über die Schichtdicke der gemessenen Probe zuzulassen. Bedingt durch die im Kontrollbereich in vorliegendem Fall gegebenen Wellenbewegung der Oberfläche des Prüflings ergeben sich bei einem Vergleich des Ergebnisses verschiedene Maßzyclen unterschiedlicher Werte. Diese können beispielsweise in einem Bereich von 1 - 2 mm schwanken* Um zu der tatsächlichen Schichtdicke zu gelangen ist es deshalb erforderlich unter Berücksichtigung des eingegebenen Störfaktors einen Mittelwert zu bilden. In vorliegendem Falle, in dem die Wellenbewegung durch eine sinusförmige Schwingung der Paddeleinrichtung verursacht wird, genügt eine einfache Mittelwertbildung

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aus dem oberen und dem unteren Grenzwert um den tatsächlichen Wert der Schichtdicke mit 1,5 mm zu erhalten. Es ist einfach einzusehen, daß eine Veränderung der Grenzwerte unmittelbar in das Ergebnis eingeht. Tendenzen bei einer Veränderung lassen sich deshalb unmittelbar bei ihrer Entstehung erkennen.

Die vorstehend beschriebene Auswertungsmethode geht von der vereinfachten Annahme aus, daß ausschließlich die Ausgangsspannung des maximal erregten Einzelsensors verarbeitet wird. Sie hat den Vorteil, daß die Anzeige unabhängig ist von der absoluten Höhe des jeweiligen Maximalwertes und damit von einem sich gegebenenfalls ändernden Reflexionsverhalten des gemessenen Stoffes. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einer entsprechenden Durchführung ohne Zwischenjustierung unmittelbar für die Messung der Schichtdicke von Stoffen unterschiedlicher Oberflächenstruktur und Farbe verwendet werden. Für die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das von besonders großer Bedeutung. Diese spezifische Art der Durchführung schließt jedoch nicht aus, daß gegebenenfalls auch die Amplitude des an den Einzel sensoren anliegenden Signals für die Auswertung des Meßergebnisses verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahret) zur optisch-elektrischen Messung des Abstandes zwischen einer Meßeinrichtung und einem Prüfling, bei dem ein gebündelter Lichtstrahl unter einem Winkel auf die Oberfläche des Prüflings geworfen wird, derart, daß in einem vorgegebenen Kontroll bereich ein Lichtfleck entsteht, daß der Kontroll bereich auf einen unter einem anderen Winkel der Oberfläche des Prüflings zugeordneten, helligkeitsempfindlichen Empfänger abgebildet wird, der je nach Lage des Lichflecks eine unterschiedliche elektrische Spannung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontroll bereich mit dem Lichtfleck maßstabgetreu auf einen Empfänger aiis mehreren helligkeitsempfindlichen Einzel sensoren abgebildet wird, daß jedem Einzel sensor ein bestimmter Abstand der Meßeinrichtung von der Oberfläche des Prüflings zugeordnet wird und deß die relativ zueinander unterschiedlichen Ausgangsspannungen qualitativ und/oder quantitativ für die Angabe des Abstandes verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch I₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der Einzel sensoren aus mehreren Meßzyclen qualitativ und/oder quantitativ für die Angabe des Abstandes verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahl ai:s konvergentem Licht verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Angabe des Abstandes nur Spannungen verwendet werden, die eine Mindestspannung überschreiten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Angabe des Abstandes nur die Maximal spannung verwendet wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

daß bei einem sich in einer zeitlichen Periode verschiebenden Spektrum der Ausgangsspannungen die Ausgangsspannungen bei o,5mal der Zeitdauer der Periode nach deren Beginn für die Angabe des Abstandes verwendet werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1 bis 6, bestehend aus einer Punkt!ichtquelle, die der Oberfläche eines Prüflinges unter einem Wjnkel zugeordnet ist, und aus einem heliigkeitsempfindlichen Empfänger, der der Oberfläche des Prüflings unter einem anderen Winkel zugeordnet ist, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist und mit einer Meß- und/oder Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger aus mehreren flächenhaft zusammengefaßten Einzelsensoren mit einem beleuchtungsproportionalen Spannungsausgang zusammengesetzt ist, daß jeder Einzelsensor mit der Meß- und/oder Steuereinrichtung verbunden ist und daß in dieser gegebenenfalls ein Integrator für die Sapnnungen enthalten ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine Fernsehkamera ist und daß die Meßeinrichtung ein Fernsehempfänger ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzel sensoren in einer geraden Linit nebeneinander angeordnet sind, die parallel zur Ebene des Strahls der Punktlichtquelle liegt.

lo. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelsensoren Photowiderstände, Photodioden und/oder Photo-Jioden-Arrays sind.

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