DE3723933A1

DE3723933A1 - METHOD FOR DETECTING A SMALL-AREA, NEAR POINT-SHAPED AND MOST FORCE-FREE TOUCH BETWEEN A PROBE AND A FIXED OBJECT, AND TOUCH DETECTOR

Info

Publication number: DE3723933A1
Application number: DE19873723933
Authority: DE
Inventors: Dirk-Michael Rupp; Juergen Kising
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1987-07-20
Filing date: 1987-07-20
Publication date: 1989-02-02
Also published as: WO1989000672A1

Abstract

In a process for detecting a virtually pinpoint, essentially force-free contact of small area between a probe (28) and a solid object (70), a rod-shaped resonator (22) having a probe (28) at its free end is excited at its natural oscillation frequency in its longitudinal direction by an electrical frequency generator (30). The resonator (22) is connected to a receiver (32) which monitors the amplitude of these oscillations in order to detect changes in amplitude. A contact signal is emitted if the amplitude drops by a predetermined value, for example 1 decibel, when the probe (28) approaches the object (70).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erfassen einer kleinflächi gen, nahezu punktförmigen und weitgehend kräftefreien Berührung zwischen einer Sonde und einem festen Gegenstand, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens (Berührungsdetektor).The invention relates to a method for detecting a small area almost punctiform and largely force-free contact between a probe and a solid object, and a device for Implementation of this procedure (touch detector).

Bei einer Vielzahl von Meßverfahren ist die Erfassung eines möglichst schonenden Kontaktes zwischen einer Sonde und einem Gegenstand erwünscht, als Beispiel seien die Härteprüfung und die Längenmessung mit einem mechani schen Meßstab genannt.With a large number of measuring methods, the detection of one is possible gentle contact between a probe and an object is desired, as an example are the hardness test and the length measurement with a mechani called dipstick.

Bei der Härteprüfung nach Vickers wird Prüfkraft und Oberfläche des bleiben den Pyramideneindrucks ermittelt. Die Oberfläche kann über die Tiefe des Eindrucks berechnet werden, wenn die Längendifferenz zwischen nahezu kräfte freiem Berührungskontakt und Eindringtiefe nach Abschalten der Prüfkraft bekannt ist. Es muß also zwischen dem rein elastischen Anteil und dem blei benden Anteil der Verformung unter Prüfkraft unterschieden werden. Diese Unterscheidung ist auch für andere Härteprüfverfahren von Vorteil.The Vickers hardness test will leave the test force and surface of the determined the pyramid impression. The surface can be over the depth of the Impression can be calculated if the length difference between nearly forces Free contact and penetration depth after switching off the test force is known. So there must be between the purely elastic part and the lead the proportion of deformation under the test force. These Differentiation is also an advantage for other hardness testing methods.

Bei der Längenmessung, insbesondere einer automatisch durchgeführten Längen messung, ist eine definierte Anlagekraft des mechanischen Längenmeßstabes Voraussetzung für eine präzise Messung. Bei unterschiedlichen Anlagekräften können an einzelnen Meßpunkten unterschiedliche elastische und bleibende Verformungen auftreten, hierdurch wird das Meßergebnis verfälscht. When measuring length, in particular an automatically performed length measurement, is a defined contact force of the mechanical length measuring rod Precondition for a precise measurement. With different investment staff can have different elastic and permanent at individual measuring points Deformations occur, this falsifies the measurement result.

Unter einer kleinflächigen, nahezu punktförmigen Berührung wird eine Berüh rung verstanden, bei der die Diagonale der Vickers-Pyramide im Bereich um einen Mikrometer und noch darunter liegt. Es handelt sich also um Berüh rungsflächen, die zumeist nicht in einem Lichtmikroskop, allenfalls - wenn überhaupt - in einem Elektronenmikroskop, nachweisbar sind. Unter einer weitgehend kräftefreien Berührung werden Berührungskräfte im Bereich mN (milliNewton) und darunter, z. B. 10^-4 N, verstanden.A small-area, almost punctiform contact is understood to be a contact in which the diagonal of the Vickers pyramid is in the range of one micrometer and even less. It is therefore a question of contact surfaces which are usually not detectable in a light microscope, at most - if at all - in an electron microscope. With a largely force-free contact, contact forces in the range mN (milliNewton) and below, e.g. B. 10 ^-4 N, understood.

Bei dem aus der DE-OS 34 24 514 vorbekannten Härteprüfer wird die Differenz zwischen der Eindruckstiefe gegenüber der (ungestörten) Oberfläche des Gegenstandes nicht direkt durch Kontakt der Sonde mit der Oberfläche des Gegenstandes ermittelt. Vielmehr sind neben der Sonde zumindest zwei Auf setzfüße vorgesehen, gegenüber denen die Sonde quer zur Oberfläche verscho ben werden kann. Ausgangspunkt für die Messung der Eindringtiefe ist der Zustand der Sonde, bei dem die Sondenspitze auf einer durch die Aufsetz punkte dieser Füße gehenden Geraden liegt. Die auf diese Weise durchgeführte Messung der (ungestörten) Oberfläche ist aber nur dann genau, wenn die auszumessende Oberfläche zwischen den beiden Aufsetzpunkten geradlinig ver läuft. Alle Abweichungen von einer geradlinigen Verbindung zwischen den beiden Aufsetzpunkten führen zu Fehlern bei der Messung der Eindruckstiefe. Darüber hinaus ist das Maß der Andruckkraft, mit der die Aufsetzfüße auf die Oberfläche des Gegenstandes aufgesetzt werden, nicht konstant, so daß sich weitere Meßfehler dadurch ergeben, daß die Aufsetzfüße mehr oder weniger stark in die auszumessende Oberfläche eingedrückt werden. Dem kann man zwar dadurch entgegenwirken, daß man relativ großflächige Aufsetzfüße, beispiels weise ein Tastfußrohr, benutzt, hierdurch wird aber eine Nullinie bzw. Nullebene definiert, die bei rauhen Oberflächen auszumessender Gegenstände im allgemeinen nicht mit dem tatsächlichen Auftreffpunkt (Erstkontakt) der auf die Oberfläche zu bewegenden Sonde mit der Oberfläche zusammenfällt.In the hardness tester known from DE-OS 34 24 514, the difference between the depth of impression compared to the (undisturbed) surface of the Not directly by contact of the probe with the surface of the Determined object. Rather, in addition to the probe, at least two are open set feet are provided, against which the probe moves across the surface can be used. The starting point for measuring the penetration depth is the State of the probe in which the probe tip is on one by the touchdown points of this straight line. The carried out in this way Measurement of the (undisturbed) surface is only accurate if the ver straight surface between the two touchdown points running. Any deviations from a straight line connection between the Both contact points lead to errors in measuring the depth of indentation. In addition, the degree of contact pressure with which the feet are on the Surface of the object to be placed, not constant, so that further measurement errors result from the fact that the feet more or less be strongly pressed into the surface to be measured. You can do that counteract that you have relatively large feet, for example wise a probe foot tube is used, but this means that a zero line or Zero plane defines the objects to be measured on rough surfaces generally not with the actual point of impact (first contact) of the probe to be moved onto the surface coincides with the surface.

Ausgehend von den Verfahren der eingangs genannten Art und der nach diesem Verfahren arbeitenden Vorrichtungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Erfassung des Erstkontaktes einer an die Oberfläche eines festen Gegenstan des herangeführten Sonde möglich ist. Anders ausgedrückt soll ein so klein flächig wie möglich und bei so geringen Berührungskräften wie möglich erfol gender Berührungskontakt der Sonde mit der auszumessenden Oberfläche erfaßt werden.Based on the procedures of the type mentioned above and according to this The object of the invention is to work with devices based on specifying a method and a device with which the Detection of the first contact on the surface of a solid object of the probe introduced is possible. In other words, one should be so small as flat as possible and with as little contact force as possible Contact of the probe with the surface to be measured is detected will.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sonde, die vor zugsweise als Diamantspitze ausgebildet ist, am freien Endbereich eines stabförmigen Resonators angeordnet ist, der durch einen mit ihm verbundenen elektrischen Frequenzgenerator zu Eigenschwingungen in seiner Längsrichtung angeregt wird und mit einem Empfänger verbunden ist, der die Amplituden dieser Schwingungen auf Amplitudenänderungen überwacht und ein Berührungs signal erscheint, wenn die Amplitude bei Annäherung der Sonde an den Gegen stand um einen vorgegebenen Wert, beispielsweise einen Wert von ein Dezibel, abfällt.This object is achieved in that the probe before is preferably designed as a diamond tip, at the free end region rod-shaped resonator is arranged by a connected to it electric frequency generator to natural vibrations in its longitudinal direction is excited and is connected to a receiver that the amplitudes of these vibrations monitored for amplitude changes and a touch signal appears when the amplitude when the probe approaches the opposite stood around a predetermined value, for example a value of one decibel, falls off.

Erfindungsgemäß wird also direkt die Berührung der Sonde selbst mit der auszumessenden Oberfläche erfaßt und angezeigt, die mit einer indirekten Messung, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 34 24 514 bekannt ist, verbun denen Fehler werden umgangen und treten nicht auf. Zugleich können auch kleinen Oberflächenbereiche, beispielsweise Flanken von Zahnrädern, bei denen die Flächen zu klein für das Aufsetzen von zwei Aufsetzfüßen ist, ausgemes sen werden. In Verbindung mit einer Härteprüfung, beispielsweise im Klein lastbereich oder bei der Mikrohärteprüfung, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, daß der Erstkontakt und damit das Niveau der (ungestörten) Ober fläche eben mit der Sonde ermittelt wird, die auch später für die Härte prüfung eingesetzt wird (zum Beispiel Vickers-Diamant). Bei Längenmessungen ergibt sich die Möglichkeit, reproduzierbare Anlagekräfte zu erhalten und auf diese Weise kleinste Längenunterschiede, beispielsweise Stufen, auszu messen. Das Verfahren kann dabei auch benutzt werden, um ein Profil einer Oberfläche präzise abzutasten und wiederzugeben. Dabei eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für ein automatisches Erfassen, beispielsweise eine automatische Härteprüfung oder ein automatisches Ausmes sen eines Gegenstandes. So kann eine beliebig geformte Oberfläche, bei spielsweise eines Werkstücks, einerseits punktweise abgetastet werden, es ist aber bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, die Sonde in der Oberfläche selbst zu bewegen, also ständig mit der Oberfläche in Kontakt zu halten, wobei die Berührungskraft dadurch konstant gehalten wird, daß die Schwingungsamplitude des stabförmigen Resonators innerhalb eines vorgegebe nen Bereiches gehalten wird.According to the invention, the contact of the probe itself with the surface to be measured recorded and displayed with an indirect Measurement, as is known for example from DE-OS 34 24 514, verbun those mistakes are avoided and do not occur. At the same time, too small surface areas, such as flanks of gears, where the area is too small for two feet to be attached, measured will be. In connection with a hardness test, for example in small load range or in microhardness testing, enables the invention Procedure that the first contact and thus the level of the (undisturbed) Ober surface is determined with the probe, which is also used later for the hardness testing is used (for example Vickers diamond). For length measurements there is the possibility of obtaining reproducible investment forces and in this way the smallest differences in length, for example steps measure up. The method can also be used to create a profile Scan and reproduce the surface precisely. This is suitable Method according to the invention, in particular for automatic detection, for example an automatic hardness test or an automatic measurement an object. For example, an arbitrarily shaped surface can example of a workpiece, on the one hand to be scanned point by point, it is also possible in the method according to the invention, the probe in the To move the surface itself, i.e. constantly in contact with the surface hold, the contact force is kept constant by the Vibration amplitude of the rod-shaped resonator within a given NEN area is held.

Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe gelöst durch einen Berührungsdetektor, der ein Gehäuse hat, in dem ein stabförmiger Resonator schwingfähig gelagert ist. An seinem freien Endbereich hat er eine Sonde, die separat ausgeführt oder einstückiges Teil des Resonatorstabes ist. Der Resonatorstab ist an einen Frequenzgenerator angeschlossen, durch den er zu Längseigenschwingun gen angeregt wird. Er ist weiterhin mit einem Empfänger verbunden, der eine Schaltung zur Erfassung von Amplitudenänderungen oder zur Anzeige der Ampli tude der Stabeigenschwingungen hat.In terms of the device, the task is solved by a touch detector, which has a housing in which a rod-shaped resonator is mounted so that it can vibrate is. At its free end area it has a probe that runs separately or is an integral part of the resonator rod. The resonator rod is on connected a frequency generator, through which it to longitudinal natural vibration gene is stimulated. It is still connected to a receiver, the one Circuit for recording amplitude changes or for displaying the ampli tude who has natural vibrations.

Derartige stabförmige Resonatoren sind zwar grundsätzlich aus der US-Patent schrift 31 53 388 bekannt, bei den dort beschriebenen Resonatoren wird aber die Frequenzverschiebung der Schwingungsfrequenz des Stabes bei Kontakt der Stabspitze mit einem festen Gegenstand ermittelt. Bei elastischer Koppelung der Sonde des Stabes mit einer Masse findet eine Verschiebung der Resonanz frequenz des stabförmigen Resonators zu höheren Werten statt, da eine zu sätzliche Rückstellkraft auf das schwingende System wirkt. Die Größe dieser Rückstellkraft und damit die genannte Frequenzverschiebung sind von der Kontaktfläche zwischen Sonde und auszumessender Oberfläche und deren elasti schem Verhalten abhängig. Eine Amplitudenänderung oder Messung der Amplitude ist aus diesem vorbekannten Verfahren nicht ersichtlich. Das vorbekannte Verfahren eignet sich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombiniert zu werden. Bei Messung sowohl einer Amplitudenänderung, also auch einer Fre quenzverschiebung ist eine ausgesprochen universale Härtemessung, insbeson dere eine Härtemessung nach Vickers, möglich. Darüber hinaus können die Erfahrungen, die mit den vorbekannten stabförmigen Resonatoren erhalten wurden, weitgehend auf das erfindungsgemäße Verfahren bzw. den Berührungsde tektor übertragen werden. Insofern wird der Offenbarungsgehalt der genannten US-Patentschrift und auch der Offenbarungsgehalt einer in der DE-OS 37 20 625 beschriebenen Weiterentwicklung in den Offenbarungsgehalt der vorliegen den Anmeldung einbezogen.Such rod-shaped resonators are in principle from the US patent Font 31 53 388 known, but in the resonators described there the frequency shift of the oscillation frequency of the rod when the Rod tip determined with a solid object. With elastic coupling the probe of the rod with a mass finds a shift in the resonance frequency of the rod-shaped resonator to higher values instead of one additional restoring force acts on the vibrating system. The size of this Restoring force and thus the frequency shift mentioned are of the Contact area between the probe and the surface to be measured and its elastic dependent behavior. An amplitude change or measurement of the amplitude is not apparent from this previously known method. The known The method is suitable for combined with the method according to the invention will. When measuring an amplitude change as well as a Fre Quenzverschlag is a very universal hardness measurement, in particular hardness measurement according to Vickers. In addition, the Experience obtained with the previously known rod-shaped resonators were largely on the method according to the invention or the contact end tector are transmitted. In this respect, the disclosure content of the above US patent specification and also the disclosure content of one in DE-OS 37 20 625 described further development in the disclosure content of the present included the registration.

In einer Weiterentwicklung des Berührungsdetektors wird vorgeschlagen, den stabförmigen Resonator aus einem piezoelektrischen Material zu fertigen und Elektroden anzubringen, die mit dem Frequenzgenerator und mit dem Empfänger verbunden sind. Alternativ kann der stabförmige Resonator auch aus einem magnetostriktiven Material hergestellt sein, wobei die Anregung dann über Spulen erfolgt, die wiederum mit dem Frequenzgenerator bzw. Empfänger ver bunden sind. Eine derartige Ausbildung ermöglicht preisgünstige Resonator stäbe, der Stab kann dabei selbst die Sonde ausbilden, so daß eine separate Sonde nicht notwendig ist.A further development of the touch detector suggests that to manufacture rod-shaped resonator from a piezoelectric material and Attach electrodes to the frequency generator and to the receiver are connected. Alternatively, the rod-shaped resonator can also consist of one magnetostrictive material be made, the excitation then over Coils takes place, which in turn ver with the frequency generator or receiver are bound. Such a design enables inexpensive resonators rods, the rod itself can form the probe, so that a separate Probe is not necessary.

In einer anderen Ausbildung kann der Resonator aber auch aus Metall gefer tigt werden, er ist dann mit Ultraschallwandlern verbunden, die ihrerseits an den Frequenzgenerator bzw. an den Empfänger angeschlossen sind. Zur Konstruktion wird auf die bereits erwähnte Offenlegungsschrift 37 20 625 verwiesen, in der auch ausgeführt ist, daß ein vorzugsweise schlank ausge führter Resonator größere Frequenzänderungen bei Kontakt mit einem Gegen stand zeigt, als dicke Resonatoren (gesehen im Verhältnis zur Länge). Bei Versuchen hat es sich herausgestellt, daß dieser Zusammenhang auch für die Amplitudenänderung gilt. Schlanke Resonatoren zeigen größere Amplitudenände rungen bei Kontakt mit einem Gegenstand als dickere Resonatoren. Aufgrund dieses Umstandes lassen sich eine Amplitudenerfassung und eine Frequenzmes sung am selben Resonator günstig kombinieren.In another embodiment, the resonator can also be made of metal be then connected to ultrasonic transducers, which in turn are connected to the frequency generator or to the receiver. To Construction is based on the already mentioned laid-open specification 37 20 625 referenced in which is also stated that a preferably slim guided resonator larger frequency changes in contact with a counter stood shows as thick resonators (seen in relation to length). At Experiments have shown that this connection also applies to Change in amplitude applies. Slim resonators show larger amplitude boundaries in contact with an object than thicker resonators. Because of this fact can be an amplitude detection and a frequency measurement Combine the solution at the same resonator.

Die Schaltung zur Erfassung einer Amplitudenänderung bzw. zur Anzeige der Amplituden der Stabeigenschwingungen im Empfänger ist an sich beliebig und kann nach dem Stand der Technik ausgeführt werden. Die Amplitude kann digi tal oder auch analog ausgemessen und gegebenenfalls kann eine Mittlung über einige oder mehrere Amplituden durchgeführt werden. Anstelle einer unmittel baren Amplitudenmessung ist auch ein Erfassen der vom Signal mit der Nul linie eingeschlossenen Fläche (über eine Integration) möglich. Ebenso ist eine punktweise Abtastung der Elongation denkbar. Zur Erfassung einer Ampli tudenänderung eignen sich Brückenschaltungen, Diskriminatoren, Komparatoren und dergleichen.The circuit for detecting an amplitude change or for displaying the The amplitudes of the rod's natural vibrations in the receiver are arbitrary and can be carried out according to the prior art. The amplitude can digi valley or also measured analogously and, if necessary, an averaging over some or more amplitudes are performed. Instead of an immediate The amplitude measurement is also a detection of the signal from the zero line enclosed area possible (via an integration). Likewise a point-by-point scanning of the elongation is conceivable. To detect an ampli bridging circuits, discriminators, comparators are suitable and the same.

Für eine Längenmessung ist es vorteilhaft, wenn entweder die Sonde selbst oder vorzugsweise der stabförmige Resonator im Bereich eines Schwingungskno tens mit einem Längenmesser, beispielweise einer Mikrometerschraube, dem Spiegel eines Interferometers, einem induktiven Weggeber, einem Strichgit ter oder dergleichen verbunden ist. Insbesondere die Anordnung des Längen messers im Bereich eines Schwingungsknotens des Resonators ist vorteilhaft, weil hierdurch die Abmessungen des Berührungsdetektors im Bereich der Sonde ausgesprochen klein bleiben und nach wie vor kleinste Bereiche ausgemessen werden können. Die Amplitude der longitudinalen Schwingungen des Resonators liegen im Bereich nm, so daß sie ohnehin die Längenmessung praktisch nicht beeinflussen würden. Durch Ankopplung des Längenmessers in einem Schwin gungsknoten wird aber der Vorteil erzielt, daß in das Schwingungsverhalten des Resonators nicht eingegriffen wird. Der Resonator muß ohnehin in einem Teilbereich seiner Gesamtlänge s vorzugsweise bei s/4 mechanisch eingespannt werden. Diese Einspannung kann zugleich der Verbindung mit dem Längenmesser dienen.For a length measurement, it is advantageous if either the probe itself or preferably the rod-shaped resonator in the region of a vibration node is connected to a length meter, for example a micrometer screw, the mirror of an interferometer, an inductive displacement sensor, a line grid or the like. In particular, the arrangement of the length meter in the region of an oscillation node of the resonator is advantageous because the dimensions of the touch detector in the region of the probe remain extremely small and the smallest regions can still be measured. The amplitude of the longitudinal vibrations of the resonator are in the nm range, so that they would practically not influence the length measurement anyway. By coupling the length meter in a vibra- tion node, however, the advantage is achieved that no intervention is made in the vibration behavior of the resonator. The resonator must anyway be mechanically clamped in a partial area of its total length s, preferably at s / 4 . This clamping can also be used to connect the length measuring device.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert werden. In dieser zeigtFurther advantages and features of the invention result from the others Subclaims and the following description are not restrictive understanding embodiments of the invention, with reference to FIG the drawing will be explained in more detail. In this shows

Fig. 1 eine Prinzipskizze des erfindungsgemäßen Berührungsdetektors, das Gehäuse ist durch das gestrichelte Viereck angedeutet, zum Berüh rungsdetektor gehört ein separates Anzeigegerät, das mit dem Gehäuse über eine Verbindungsleitung verbunden ist, Fig. 1 is a schematic diagram of the contact detector according to the invention, the housing is indicated by the dashed rectangle, for Berüh presence detection device has a separate display device that is connected to the housing via a connecting line,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Berührungsdetektor, der zugleich als Kleinlast-Härteprüfgerät ausgebildet ist, Fig. 2 is a longitudinal section through a touch detector, which is also formed as low-load hardness tester,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines stabförmigen Resonators, der mit einer Längenmeßeinrichtung verbunden ist, die hier zur besseren Veran schaulichung als Mikrometeruhr ausgeführt ist, und Fig. 3 is a side view of a rod-shaped resonator, which is connected to a length measuring device, which is designed here for better clarification as a micrometer clock, and

Fig. 4 eine schematische Darstellung in Seitenansicht einer Vorrichtung zur Ausmessung einer Oberfläche (eines Reliefs). Fig. 4 is a schematic representation in side view of a device for measuring a surface (a relief).

Der Berührungsdetektor nach Fig. 1 hat ein gestrichelt angedeutetes Gehäuse 20, das gemäß Fig. 2 als Handgerät mit im wesentlichen Griffelform ausge führt ist. In diesem Gehäuse 20 ist schwingfähig ein schlanker, stabförmiger Resonator 22 gelagert. Er ist insgesamt etwa sechzig Millimeter lang und besteht aus zwei zylindrischen Teilen, die über einen Kegelstumpfteil mit einander verbunden sind. In einem oberen, etwa dreißig Millimeter langen Teilstück hat er einen Durchmesser von drei Millimeter, wodurch eine noch gerade ausreichend große Fläche für das Anbringen von Ultraschallwandlern 24, 26 auf dem metallischen Stab vorliegt. Im unteren Bereich hat er einen Durchmesser von zwei Millimetern, dieser Bereich ist etwa zwanzig Millimeter lang. Aufgrund dieser schlanken Ausbildung des Resonators 22 wird für den Meßvorgang nur wenig Platz und auch nur ein beschränkter Zugang benötigt. Es können also auch unzugängliche Teile, beispielsweise Flanken von Zahnrädern, Innenwände von Rohren, Sackbohrungen und dergleichen ausgemessen werden.The touch detector of FIG. 1 has a housing 20 indicated by dashed lines, which according to FIG. 2 is a handheld device with a substantially stylus shape. In this housing 20 , a slender, rod-shaped resonator 22 is mounted so that it can vibrate. It is a total of about sixty millimeters long and consists of two cylindrical parts that are connected to each other by a truncated cone. In an upper, approximately thirty millimeter long section, it has a diameter of three millimeters, as a result of which there is just a sufficiently large area for attaching ultrasonic transducers 24, 26 to the metallic rod. In the lower area it has a diameter of two millimeters, this area is about twenty millimeters long. Due to this slim design of the resonator 22 , only little space and only limited access are required for the measuring process. Inaccessible parts, for example flanks of gear wheels, inner walls of pipes, blind bores and the like, can also be measured.

An seinem freien, gemäß Fig. 2 außerhalb des Gehäuses 20 befindlichen Endbereich ist am Resonator 22 eine Sonde 28 befestigt, die allgemein als Diamantspitze ausgebildet ist, in vereinfachter Ausführung aber auch eine Metallspitze oder einstückig mit dem Resonator verbundene Spitze sein kann. Zur Ausbildung des stabförmigen Resonators 22, seiner Ultraschallwandler 24, 26 und der Sonde 28 wird auf die Literatur zum UCI (Ultrasonic Contact- Impedance)-Verfahren verwiesen.A probe 28 is fastened to the resonator 22 at its free end region, which is located outside of the housing 20 according to FIG. 2, and is generally designed as a diamond tip, but in a simplified embodiment it can also be a metal tip or a tip integrally connected to the resonator. For the formation of the rod-shaped resonator 22 , its ultrasonic transducers 24, 26 and the probe 28 , reference is made to the literature on the UCI (Ultrasonic Contact Impedance) method.

Die am oberen Ende des Resonators 22 einander gegenüberliegend angeordneten Ultraschallwandler 24 sind mit einem Frequenzgenerator 30 verbunden, der in Fig. 1 als Sender bezeichnet ist. Die beiden etwa in der Längsmitte des Resonators 22 angeordneten anderen Ultraschallwandler 26 sind mit einem Empfänger 32 verbunden. Der metallische Resonator 22 sowie Sender 30 und Empfänger 32 sind mit Masse verbunden. Der Resonator 22 hat eine Gesamtlänge von s und ist bei s/4 (Pfeil 34 in Fig. 1) eingespannt und somit an dieser Stelle mit dem Gehäuse 20 verbunden. Aufgrund der beschriebenen Einspannung kann sich nur die erste Oberschwingung einer Eigenschwingung in longitudina ler Richtung ausbilden, diese wird durch den Sender 30 angeregt. Über den Empfänger wird die entstandene Schwingung abgefragt, der Empfänger 32 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel eine - hier nicht näher dargestellte - Schaltung zur Erfassung der Schwingungsamplitude bzw. zur Feststellung einer Änderung der Schwingungsamplitude. Im einfachsten Fall ist an den Empfänger ausgang ein Oszillograph angeschlossen, mit dem die Schwingungsamplitude überwacht werden kann. In einer Alternative, die für eine automatische Messung geeignet ist, hat der Empfänger 32 einen Speicher, in dem jeweils die Amplitude der letzten Schwingung (oder ein Mittelwert der Amplituden aus einer Anzahl vergangener Schwingungen) abgespeichert ist. Mit diesem ge speicherten Wert wird der aktuelle Wert der Amplitude verglichen, wobei auch hier eine Mittelwertbildung stattfinden kann. Weichen die verglichenen Si gnale um einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise ein dB, voneinander ab, so wird vom Empfänger 32 an eine im Gehäuse 20 befindliche Steuerschal tung 36 ein Berührungssignal abgegeben, das in einem Grundgerät 38, das separat vom Gehäuse 20 ist und mit diesem über eine Leitung 40 verbunden ist, weiterverarbeitet wird.The ultrasonic transducers 24 arranged opposite one another at the upper end of the resonator 22 are connected to a frequency generator 30 , which is referred to in FIG. 1 as a transmitter. The two other ultrasonic transducers 26 arranged approximately in the longitudinal center of the resonator 22 are connected to a receiver 32 . The metallic resonator 22 and the transmitter 30 and receiver 32 are connected to ground. The resonator 22 has a total length of s and is clamped at s / 4 (arrow 34 in FIG. 1) and is therefore connected to the housing 20 at this point. Because of the clamping described, only the first harmonic of a natural oscillation can develop in the longitudinal direction; this is excited by the transmitter 30 . The resulting vibration is queried via the receiver; in the exemplary embodiment shown, the receiver 32 has a circuit (not shown here in more detail) for detecting the vibration amplitude or for determining a change in the vibration amplitude. In the simplest case, an oscillograph is connected to the receiver output, with which the vibration amplitude can be monitored. In an alternative which is suitable for automatic measurement, the receiver 32 has a memory in which the amplitude of the last oscillation (or an average of the amplitudes from a number of past oscillations) is stored in each case. The current value of the amplitude is compared with this stored value, and averaging can also take place here. If the compared signals deviate from one another by a predetermined threshold value, for example a dB, the receiver 32 transmits a touch signal to a control circuit 36 located in the housing 20 , which is in a basic device 38 which is separate from the housing 20 and with it is connected via a line 40 , is further processed.

Zur Erfassung der Amplitude der vom Empfänger 32 erfaßten Schwingungen können die für diesen Zweck bekannten Verfahren eingesetzt werden, bei spielsweise kann ein Spitzenwertdetektor vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, die mit der Nullinie eingeschlossene Fläche der Signalkurve zu integrieren. In der Steuerschaltung 36 können individuelle Parameter des stabförmigen Resonators 22 in einem vorzugsweise nicht flüchtigen Speicher abgespeichert sein. Auf diese Weise sind die für einen speziellen Resonator 22 charakteristischen Werte innerhalb des als Handgerät ausgebildeten Ge häuses 20 verfügbar, so daß das Grundgerät 38 mit unterschiedlichen Handge räten verbunden werden kann. Zu den Parametern des stabförmigen Resonators 22 gehören auch die Parameter der mit ihm verbundenen Ultraschallwandler 24, 26, deren individuelle Ausbildung auf das Schwingungsverhalten des Resona tors 22 selbst einen Einfluß hat. Auch die konkreten Verhältnisse der Halte rung im Bereich der Einspannung 34 sind berücksichtigt.To detect the amplitude of the vibrations detected by the receiver 32 , the methods known for this purpose can be used, for example a peak value detector can be provided, but it is also possible to integrate the surface of the signal curve enclosed with the zero line. Individual parameters of the rod-shaped resonator 22 can be stored in the control circuit 36 in a preferably non-volatile memory. In this way, the characteristic values for a special resonator 22 are available within the housing 20 designed as a hand-held device, so that the basic device 38 can be connected to different hand-held devices. The parameters of the rod-shaped resonator 22 also include the parameters of the ultrasonic transducers 24, 26 connected to it , the individual design of which has an influence on the vibration behavior of the resonator 22 itself. The specific conditions of the retention in the area of the clamping 34 are also taken into account.

Fig. 2 zeigt schnittbildlich ein Handgerät zur Mikrohärteprüfung unter Last, anhand eines derartigen kombinierten Gerätes soll der Vorteil einer an sich bekannten UCI-Messung durch Erfassen der Frequenzverschiebung und der erfindungsgemäßen Überwachung der Amplitude gezeigt werden: Fig. 2 shows figuratively cut a handheld device for micro hardness testing under load, on the basis of such a combined instrument is to the advantage of a known per se UCI measurement by detecting the frequency shift and the monitoring of the amplitude of the invention are shown:

Der Resonator 22 ragt mit seinem unteren, mit der Sonde 28 verbundenen Ende etwa zehn Prozent seiner Gesamtlänge s frei aus dem unteren Ende eines als Rohrkörper ausgebildeten Gehäuses 20 heraus. Der Resonator 22 ist innerhalb dieses Rohrkörpers von einem Führungsrohr 42 umgeben. Es bildet im unteren Bereich mehrere, quer zu seiner Axialrichtung verlaufenden Gewinde aus, in die Fixierschrauben 44 eingedreht sind, die den Resonator 22 an der Stelle 34 fixieren. In entsprechender Entfernung vom anderen Endbereich des Resona tors 22 ist ein O-Ring 46 zwischen dem Führungsrohr 42 und dem Resonator 22 angeordnet. Beidseitig von ihm befinden sich jeweils zwei Ultraschallwandler 24, 26, die in entsprechende Ausnehmungen des metallischen Stabes eingesetzt und mit diesem dauerhaft verbunden sind.The resonator 22 projects with its lower end, which is connected to the probe 28 , about ten percent of its total length s freely from the lower end of a housing 20 designed as a tubular body. The resonator 22 is surrounded by a guide tube 42 within this tubular body. It forms in the lower region a plurality of threads running transversely to its axial direction, into which fixing screws 44 are screwed, which fix the resonator 22 at point 34 . In a corresponding distance of the resonator gate 22 from the other end portion of an O-ring 42 is arranged and the resonator 22 between the guide tube 46th On both sides of it there are two ultrasonic transducers 24, 26 , which are inserted into corresponding recesses in the metallic rod and are permanently connected to it.

Das Führungsrohr 42 wird von zwei zylinderringförmigen Gleitlagern 48 um griffen, von denen sich eines im unteren Endbereich und das andere etwa in der Mitte des Rohrkörpers befindet. Zwischen den Gewindestutzen für die Fixierschrauben 44 und der unteren Ringfläche des oberen Gleitlagers 48 ist eine Druckschraubenfeder 50 angeordnet, die das Führungsrohr 42 und damit den Resonator 22 gegen das untere Ende des griffelähnlichen Gehäuses 20 preßt. Dort ist im Inneren des Gehäuses 20 eine Stufe vorgesehen, die einen Anschlag bildet.The guide tube 42 is gripped by two cylindrical ring-shaped slide bearings 48 , one of which is located in the lower end region and the other approximately in the middle of the tubular body. Between the threaded connector for the fixing screws 44 and the lower annular surface of the upper slide bearing 48 , a compression coil spring 50 is arranged, which presses the guide tube 42 and thus the resonator 22 against the lower end of the handle-like housing 20 . There is a step inside the housing 20 which forms a stop.

Bei einer Messung wird das Gehäuse in ein absenkbares Stativ (nicht darge stellt) eingespannt und motorisch gegen eine auszumessende Oberfläche gefah ren. Die Bewegung gegenüber dieser Oberfläche wird mittels eines Längenmes sers (nicht dargestellt) erfaßt. Kommt beim Vorschub die Sonde 28 in Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes, wird ein Amplitudenabfall im Empfänger 32 registriert. Die zu diesem Zeitpunkt erreichte Anzeige des Längenmessers wird erfaßt und abgespeichert. Wird nun das Gehäuse 20 in Fortführung der Bewegung zunehmend gegen die Oberfläche gedrückt, so federt der Resonator 22 und damit sein Führungsrohr 42 gegen die Wirkung der Feder 50 nach innen ein.During a measurement, the housing is clamped in a tripod (not shown) and driven by motor against a surface to be measured. The movement relative to this surface is recorded by means of a length measuring device (not shown). If the probe 28 comes into contact with the surface of the object during feed, an amplitude drop is registered in the receiver 32 . The display of the length meter reached at this point is recorded and saved. If the housing 20 is now increasingly pressed against the surface as the movement continues, the resonator 22 and thus its guide tube 42 spring inwards against the action of the spring 50 .

Der obere Endbereich des Führungsrohres 42 ist abgeschlossen, ihm ist ein Schalter 52 zugeordnet, dessen Schaltteil bei einer gewissen Relativbewegung zwischen Führungsrohr 42 und Gehäuse 20 betätigt wird. Diese Relativposition ist so eingestellt, daß bei ihr der gewünschte Prüfdruck vorliegt. Der Schalter 52 ist mit einer Elektronik 54 verbunden, die sich im oberen Innen raum des Gehäuses 20 befindet und die den Empfänger 32, den Sender 30 und die Steuerschaltung 36 umfaßt. Sie ist wiederum mit einem Steckverbinder 56 verbunden, der im oberen Abschlußbereich des Gehäuses 20 angeordnet ist.The upper end region of the guide tube 42 is closed, a switch 52 is assigned to it, the switching part of which is actuated with a certain relative movement between the guide tube 42 and the housing 20 . This relative position is set so that it has the desired test pressure. The switch 52 is connected to electronics 54 which is located in the upper inner space of the housing 20 and which includes the receiver 32 , the transmitter 30 and the control circuit 36 . It is in turn connected to a plug connector 56 which is arranged in the upper end region of the housing 20 .

Ist die vorgegebene Prüfkraft erreicht, wird die Frequenzverschiebung der Resonatorfrequenz ermittelt und hieraus die Größe der Kontaktfläche zwischen Sonde 28 und dem von ihr hervorgerufenen Eindruck auf der Oberfläche des auszumessenden Gegenstandes bestimmt. Der Vorschub des Gehäuses 20 gegenüber der Oberfläche wird nicht weitergeführt, um die Prüfkraft nicht zu über schreiten. Die Messung der Frequenzverschiebung erfolgt in einer sehr kurzen Zeitspanne, beispielsweise in zwanzig Millisekunden, es wird hierzu auf den Offenbarungsgehalt der bereits genannten DE-OS 37 20 625 verwiesen. Unmit telbar nach Erreichen der Prüfkraft wird der motorische Vorschub des Gehäu ses 20 umgepolt, das Gehäuse 20 also wieder von der Oberfläche wegbewegt. Es wird nun wieder auf eine Amplitudenänderung geachtet: Verliert die Sonde 28 ihren Kontakt mit der Oberfläche des auszumessenden Gegenstandes, so steigt die Amplitude wieder an. Die zu diesem Zeitpunkt vorliegende Anzeige des Längenmessers wird erfaßt und mit derjenigen verglichen, die beim Erstkon takt festgestellt wurde. Die Differenz beider Anzeigen ist die Tiefe des bleibenden Eindrucks, den die Sonde 28 in der Oberfläche hervorgerufen hat.Once the specified test force has been reached, the frequency shift of the resonator frequency is determined and from this the size of the contact area between the probe 28 and the impression it produces on the surface of the object to be measured is determined. The advance of the housing 20 against the surface is not continued so as not to exceed the test force. The frequency shift is measured in a very short period of time, for example in twenty milliseconds. For this purpose, reference is made to the disclosure content of the already mentioned DE-OS 37 20 625. UNMIT ly after reaching the test load of the motor feeding the Gehäu is reversed ses 20, the housing 20 thus moved away from the surface. Attention is again paid to a change in amplitude: if the probe 28 loses contact with the surface of the object to be measured, the amplitude increases again. The present display of the length measuring device is detected and compared with that which was found during the initial contact. The difference between the two displays is the depth of the permanent impression that the probe 28 has created in the surface.

Das Prinzip der Längenmessung soll im folgenden anhand der Fig. 3 verdeut licht werden: In Fig. 3 ist ein Resonator 22 gezeigt, wie er im Gerät nach Fig. 2 verwendet ist. Er hat an seinem unteren, freien Ende eine axiale Sackbohrung 58, in die lösbar und austauschbar die Sonde 28, die in Fig. 3 nicht dargestellt ist, eingesetzt werden kann. Im Unterschied zur Abbildung gemäß Fig. 2 hat der Resonator 22 nach Fig. 3 in seinem Einspannungsbe reich einen Kragen 60, der im gezeigten Ausführungsbeispiel denselben Durchmesser wie der obere, zylindrische Endbereich des Resonators 22 hat (drei Millimeter). Im Bereich des der Einspannung dienenden Kragens 60 hat der Resonator 22 einen Schwingungsknoten. Am Kragen 60 liegt ein Meßstößel 62 einer Mikrometeruhr 64 an. Sie ist so befestigt, daß die Relativbewegun gen des Resonators 22 gegenüber einer Referenz, beispielsweise gegenüber einem Wagen einer Stativführung, erfaßt werden können.The principle of length measurement will be illustrated below with reference to FIG. 3: FIG. 3 shows a resonator 22 as used in the device according to FIG. 2. It has at its lower, free end an axial blind bore 58 , into which the probe 28 , which is not shown in FIG. 3, can be detachably and exchangeably inserted. In contrast to the illustration according to FIG. 2, the resonator 22 according to FIG. 3 has a collar 60 in its clamping area, which in the exemplary embodiment shown has the same diameter as the upper, cylindrical end region of the resonator 22 (three millimeters). The resonator 22 has an oscillation node in the region of the collar 60 used for clamping. A measuring plunger 62 of a micrometer watch 64 bears against the collar 60 . It is attached in such a way that the relative movements of the resonator 22 with respect to a reference, for example with respect to a carriage of a tripod guide, can be detected.

Bei einer reinen Längenmessung beispielsweise, wie sie in Fig. 4 näher dargestellt ist, ist der Resonator 22 mit einem heb- und senkbaren Schlitten (Pfeil 67) eines Stativs 68 verbunden, die Mikrometeruhr 64 selbst ist mit dem Wagen 76 des Stativs 68 verbunden, so daß die Verschiebung des Schlit tens 66 im Sinne des Pfeils 67 erfaßt und gemessen werden kann.In the case of a pure length measurement, for example, as is shown in more detail in FIG. 4, the resonator 22 is connected to a liftable and lowerable slide (arrow 67 ) of a stand 68 , the micrometer clock 64 itself is connected to the carriage 76 of the stand 68 , so that the displacement of the slide tens 66 in the direction of arrow 67 can be detected and measured.

In der Darstellung gemäß Fig. 4 ist ein Gegenstand 70, dessen nach oben gewandte Oberfläche ausgemessen werden soll, auf eine Platte 72 aufgespannt. In the illustration according to FIG. 4, an object 70 , whose upward-facing surface is to be measured, is clamped onto a plate 72 .

Oberhalb des Gegenstandes 70 befindet sich ein Stativ 68, das zwei seitliche Träger und eine von diesen gehaltene Führungsschiene 74 hat, auf der ein Wagen 76 im Sinne des Doppelpfeiles 78 verschiebbar geführt ist. An ihm ist rechtwinklig zur Führungsschiene 74 der Schlitten 66 angeordnet, der moto risch im Sinne des Doppelpfeiles 67 verfahren werden kann.Above the object 70 there is a tripod 68 which has two lateral supports and a guide rail 74 held by them, on which a carriage 76 is displaceably guided in the direction of the double arrow 78 . On it, the slide 66 is arranged at right angles to the guide rail 74 , which can be moved in the sense of the double arrow 67 .

Mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 4 kann der Verlauf der Oberfläche des Gegenstandes 70 entweder durch punktweises Abtasten oder durch kontinuier liches Abtasten erfaßt werden. Bei punktweisem Abtasten wird das Gehäuse 20, das am Schlitten 66 festgespannt ist, jeweils von der Oberfläche des Gegen standes 70 abgehoben, ein gewisses Maß im Sinne des Doppelpfeiles 78 (zum Beispiel ein Millimeter) weitergeschoben, anschließend wird der Schlitten 66 wieder abgesenkt und die Strecke ermittelt, bis die Sonde 28 des Gehäuses 20 wieder Kontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes 70 hat. Schrittweise wird so weiterverfahren.By means of the device according to Fig. 4, the profile of the surface of the object 70 are detected by either point-scanning or by kontinuier pending scanning. When scanning point by point, the housing 20 , which is clamped to the slide 66, is lifted from the surface of the object 70 , a certain amount in the sense of the double arrow 78 (for example, a millimeter) pushed, then the slide 66 is lowered again and the Distance determined until the probe 28 of the housing 20 is again in contact with the surface of the object 70 . This is followed step by step.

Bei der kontinuierlichen Abtastung werden die Motoren des Wagens 76 einer seits und des Schlittens 66 andererseits so gesteuert, daß die Sonde 28 stets in Berührungskontakt mit der Oberfläche des Gegenstandes 70 bleibt. Diese Steuerung erfolgt durch Überwachen der vom Empfänger 32 aufgenommenen Schwingungsamplitude des Resonators 22. Das Grundgerät 38 ist ausgangsseitig mit den Antriebsmotoren verbunden (Leitung 80). Die Antriebsmotoren werden so betätigt, daß die vom Empfänger 32 aufgenommene Schwingungsamplitude innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite bleibt.In continuous scanning, the motors of the carriage 76, on the one hand, and the carriage 66, on the other hand, are controlled so that the probe 28 always remains in contact with the surface of the object 70 . This control takes place by monitoring the vibration amplitude of the resonator 22 picked up by the receiver 32 . The basic device 38 is connected on the output side to the drive motors (line 80 ). The drive motors are operated in such a way that the vibration amplitude received by the receiver 32 remains within a predetermined bandwidth.

Claims

1. A method for detecting a small-area, preferably point-shaped and largely force-free contact between a probe ( 28 ) and a solid object ( 70 ), characterized in that the probe ( 28 ) preferably formed as a diamond tip at the free end region of a rod-shaped resonator ( 22nd ) is arranged, which is excited by an electrical frequency generator ( 30 ) connected to natural vibrations in its longitudinal direction and is connected to a receiver ( 32 ) which monitors the amplitudes of these vibrations for changes in amplitude and a touch signal appears when the amplitude approaches the probe ( 28 ) to the object ( 70 ) drops by a predetermined value, for example a decibel.

2. The method according to claim 1, characterized in that on the receiver at the same time changes in the frequency of the vibrations are detected.

3. The method according to claim 1, characterized in that for measuring a surface of the object ( 70 ), the probe ( 28 ) is motorized relative to the surface and the motors used for this are controlled via the amplitude signal detected by the receiver so that the amplitude of the detected vibration remains at a height corresponding to its height after an initial contact.

4. Apparatus for performing the method according to claim 1 or 2, characterized by a housing ( 20 ) in which the rod-shaped resonator ( 22 ) is mounted such that it can vibrate, by means of a probe ( 28 ) on the free end region of the resonator ( 22 ) a connected to the rod-shaped resonator ( 22 ) and exciting it to longitudinal natural vibrations Fre quency generator ( 30 ) and a to the resonator ( 22 ) connected receiver ( 32 ) having a circuit for detecting amplitude changes or for displaying the amplitudes of the rod natural vibrations.

5. The device according to claim 4, characterized in that the resonator ( 22 ) has a length s and at s / 4 with the housing ( 20 ) (at 34 ) is connected.

6. Apparatus according to claim 4 or 5, characterized in that the resonator ( 22 ) is made of a piezoelectric material and has electrodes which are connected to the frequency generator ( 30 ) and to the receiver ( 32 ), or that it consists of a magnetostrictive material is made and connected to the frequency generator ( 30 ) or the receiver ( 32 ) via coils.

7. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the resonator ( 22 ) made of metal and is connected to ultrasonic transducers ( 24, 26 ), which in turn are connected to the frequency generator ( 30 ) or to the receiver ( 32 ) .

8. Device according to one of claims 4 to 7, characterized in that the probe ( 28 ) is integrally or detachably connected to the resonator ( 22 ).

9. Device according to one of claims 4 to 8, characterized in that the receiver ( 32 ) has an amplitude discriminator.

10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the resonator ( 22 ) in the region of a vibration node with a length meter, for example micrometer clock ( 64 ), a mirror of an interferometer, an inductive displacement sensor or the like, is connected.

11. Device according to one of claims 4 to 10, characterized in that the resonator ( 22 ) in the housing in the longitudinally displaceable gela gert and is supported relative to the housing via a spring ( 50 ), and that in the receiver ( 32 ) a frequency meter or a timer for the period of the oscillation frequency of the resonator rod is provided.