DE4220501A1

DE4220501A1 - Optische Dickenmessung an bahnförmigen Materialien

Info

Publication number: DE4220501A1
Application number: DE19924220501
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Massen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-06-23
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 1994-01-05

Description

Bei der Herstellung von bahnförmigen Materialien wie Folien, Verbund folien, beschichtete Gewebe u. ä. muß die Dicke kontinuierlich und berührungslos gemessen werden. Oft werden hierfür auf der Triangulation basierende optische Abstandsensoren eingesetzt. So stellt und vertreibt z. B. die Fa. EyeTec GmbH, Am Seerhein 8, 7750 Konstanz, unter der Bezeich nung "Deltamaster" ein Dickenmeßgerät, welches auf einem modifizierten Triangulations-Lichtschnittverfahren beruht. Eine auf die Materialoberfläche projizierte Laserlichtlinie wird unter einem Winkel von einer CCD-Matrixka mera beobachtet. Aus der Position der Linie im Bildfeld der Kamera kann auf die Distanz vom Meßkopf zur Materialoberfläche geschlossen werden. Zahlreiche andere Hersteller liefern Abstandssensoren, welche auf der Pro jektion eines Lichtpunktes und der Auswertung der Position dieses Punktes mit einem Zeilensensor oder einer Positions-empfindlichen Diode beruhen.

Allen diesen auf der Triangulation beruhenden Dickenmeßgeräten ist gemein sam, daß sie lediglich den Abstand d₁ der Materialoberfläche zum Meßkopf bestimmen. Um eine Materialdicke zu messen, muß in einer Kalibrations phase erst der Abstand d_ref einer Referenzebene, auf welcher das Material aufliegt, bestimmt werden. Die Materialdicke D ergibt sich aus der Differenz

D= d_ref-d₁ (1).

Diese Messung setzt allerding voraus, daß nach der Kalibration die Raumla ge sowohl dieser Referenzebene wie auch der Meßkopfaufhängung bzw. -Traversiereinrichtung mit hoher Genauigkeit konstant bleibt.

Bei heute üblichen Produktionsbreiten bis zu 6 m und einer geforderten Genauigkeit der Dickenmessung von typ. 5 µm stellt dies extreme Anforde rungen an die Stabilität der mechanischen Konstruktion. Es ist bekannt, die Problematik der stabilen Referenzebene dadurch zu lösen, daß die Material dicke aus der Differenz eines von oben mit Hilfe eines Meßkopfes A gemessenen Abstandes d₁ und eines von unten mit Hilfe eines Meßkopfes B gemessenen Abstandes d₂ bestimmt wird

D = D_ab-(d₁ + d₂) (2).

D_ab ist der vertikale Abstand beider Meßköpfe, welcher ebenfalls bekannt und konstant bleiben muß. Somit ist die Frage der konstanten Raumlage der beiden Meßköpfe immer noch nicht gelöst. Insbesondere bei traversie renden Meßköpfen ist es extrem schwierig, über den gesamten Temperatur bereich und bei allen Meßkopf-Positionen eine Durchhängung von nur weni gen µm bei solchen großen Bahnbreiten einzuhalten.

Die geschilderte Problematik hat dazu geführt, daß heute solche Messungen praktisch ausschließlich mit radioaktiven Meßverfahren durchgeführt wer den. Hierbei wird die Absorption zumeist einer Gamma-Strahlungsquelle durch das Material ausgemessen und daraus unabhängig von der Raumlage des Materials oder des Meßgerätes auf die Materialdicke geschlossen. Aller dings werfen radioaktive Meßverfahren bei der Herstellung, beim Betrieb und bei der Entsorgung eine ganze Reihe von Strahlenschutz-Probleme auf, welche die Gesamtkosten erheblich beeinflussen und auch im Sinne eines gesteigerten Umweltbewußtseins als mit erheblichen Nachteilen behaftet erscheinen lassen.

Rein optisch arbeitende Abstands-Meßgeräte besitzen diese Nachteile nicht, leiden allerdings unter den oben geschilderten Problemen der schwierig zu erreichenden konstanten Raumlage der Köpfe.

Erfindungsgemäß wird der Einsatz von preiswerten optischen Abstandsmeß geräten zur genauen Dickenmessung bei bahnförmigen Materialien dadurch erreicht, daß die Materialdicke aus der Differenz eines von oben mit einem ersten Abstandsmeßgerät gemessenen Abstandes mit dem von unten mit einem zweiten Meßgerät gemessenen Abstand des jeweiligen Meßkopfes zur Materialoberfläche bestimmt wird, daß die Raumlage beider Meßköpfe da durch gemessen wird, daß ein fein fokussierter, außerhalb der Material bahn fixierter Laser-Punktprojektor mit Hilfe einer optischen Einkopplung auf den zur Abstandmessung verwendeten oder auf einen zusätzlich im je weiligen Meßkopf eingebauten Positions-empfindlichen Sensor eingespiegelt wird, daß aus der Position dieses Lichtpunktes die Raumlage des jeweiligen Meßkopfes bestimmt und als Korrekturwerte für die aus der Differenz der beiden Abstände bestimmten fehlerbehafteten Materialdicke verwendet wer den.

Der Erfindungsgedanke sei beispielhaft, aber nicht ausschließend an einer zur Dickenmessung eingesetzten Anordnung der o.g. "Deltamaster" Meß geräte erklärt. Hierbei wird auf folgende Abbildungen Bezug genommen:

Fig. 1 zeigt, wie sich bei einer Differenzanordnung von zwei traversierenden Abstandsensoren durch die thermisch oder mechanisch bewirkte Durchhängung der Traversen Meßfehler ergeben,

Fig. 2 zeigt, wie durch einen Ausrichtlaser eine virtuelle konstante horizontale Referenzachse für jeden Meßkopf gebildet wird, aus welcher die Raumlage der Meßköpfe bestimmt werden kann,

Fig. 3 zeigt am Beispiel des "Deltamaster" Meßgerätes, wie durch Einspiegelung des Laserpunktes in das Blickfeld des zur Triangulation verwendeten CCD-Matrix-Sensors eine kosten günstige Ausführung des Erfindungsgedanken gefunden wird,

Fig. 4 zeigt das Blickfeld des CCD-Matrix-Sensors im Meßkopf mit der zur Abstandsmessung auf das Material projizierten Laserlinie und dem zur Messung der Raumlage eingeblendeten Laserpunkt.

Beispielhaft wird von dem technisch besonders schwierigen, aber wichtigen Fall einer Differenzanordnung von zwei traversierenden Abstandssensoren nach Fig. 1 ausgegangen. An einer oberen Traversiereinrichtung 1 ist ein Abstandssensor 2, an einer unter der Materialbahn 3 befindlichen unte ren Traversiereinrichtung 4 ist ein zweiter Abstandsensor 5 befestigt. Die Materialbahn schwebt frei im Blickfeld beider Sensoren, welche mecha nisch gemeinsam in die jeweilige Meßposition quer zur Bahn verschoben wer den können.

Infolge der ortsveränderlichen Belastung biegen sich beide Traversen um den Betrag ∂1(x, t₁) und ∂2 (x, t₂) durch. x ist die Koordinate quer zur Bahn, t die lokale Temperatur. Infolge geringer konstruktiver und Materia lunterschiede sind beide Durchbiegungen nicht gleich. Auch Tempertatur unterschiede zwischen Ober- und Unterseite bewirken unterschiedliche Durchbiegungen ∂X und ∂y. Mit Hilfe der Auswerteeinheit wird die Material dicke nach der Vorschrift (2) berechnet

D=D_ab-(d₁+d₂) (3).

Werden die Durchbiegungen berücksichtigt, so ergibt sich für die tatsächlich gemessene Materialdicke D

D = D_ab+(∂x-∂y)-((d₁-∂x)+(d₂+∂y))

D = D+2∂x-2∂y (4).

Nur für den Sonderfall, daß beide Durchbiegungen gleich sind, kompensiert sich die Durchbiegung. Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß bei einer Meßgenauigkeit von typ. 5 µm und bei Trasversierbreiten von 6 m dies in der Praxis entweder überhaupt nicht oder nur mit einem extremen me chanisch/konstruktiven Aufwand zu erreichen ist.

Der Erfindungsgedanke sei anhand von Fig. 2 erläutert. Neben der Traver siereinrichtung wird aus einem temperaturstabilen Material, z. B. Granit oder Temperatur-kompensierter Stahl ("INVAR"), eine Halterung 1 für zwei Ausrichtlaser 2 und 3 mit feinfokussiertem Strahl angebracht. Beide Laserstrahle bilden im Raum eine (virtuelle) Referenzlinie 4 und 5, an welchen sich die beide Meßköpfe ausrichten und ihre Raumlage be stimmen können. Ein weiterer Erfindungsgedanke ist, die Halterung für die beiden Laser mit einer Temperatur-Meßeinrichtung zu versehen, um die ver bleibende thermische Ausdehnung der Halterung aus der gemessenen Tem peratur und dem für das Material bekannten Langenausdehnungskoeffizien ten berechnen zu können und somit rechnerisch die Lage der beiden virtuel len Referenzlinien zu korrigieren.

Ein weiterer Erfindungsgedanke ist es, das Laserlicht der beiden Laser 2 und 3 mit einer Linienoptik zu versehen, so daß ein feines Muster in Form einer kurzen Linie projiziert wird. Dieses Muster erlaubt in einer im nächsten Abschnitt erklärten Weise nicht nur die vertikale Durchhängung der Traverse, sondern auch die Torsion der Traverse an der Stelle des Meßkopfes zu erfassen.

Fig. 3 zeigt am Beispiel des "Deltamaster" Meßkopfes, wie die virtuelle Refe renzlinie meßtechnisch erfaßt und ausgewertet wird. Der Meßkopf besteht wie alle auf der Triangulation basierenden Abstandsensoren aus einem Pro jektor und einem positionsempfindlichen Detektor. Beim "Deltamaster" pro jiziert der Halbleiterlaser 1 über eine Zylinderoptik eine feine Linie auf die zu vermessende Oberfläche 2. Das Bild dieser Linie wird über die Optik 4 auf einen Matrix-CCD-Sensor 3 abgebildet. Die Materialdicke bestimmt die Position der Linie auf dem CCD-Sensor. Aus der Position dieser Linie wird nach dem Fachmann bekannten Verfahren der Triangulation der Abstand vom Sensorkopf zur Materialoberfläche berechnet. Erfindungsgemäß wird die virtuelle Referenzlinie 5 des seitlich angebrachten Ausrichtlasers über einen Strahlteiler auf den gleichen CCD-Matrix-Sensor abgebildet, vorzugs weise am Rande des Bildfeldes.

Wie in Fig. 4 gezeigt, empfängt der Matrix-Sensor zwei Bilder:

a) das zur Abstandsmessung erforderliche, durch Rauhigkeiten der Materialoberfläche und durch speckle-Bildung verzerrte Bild der auf die Oberfläche projizierten Linie (2 bzw. 3). Mit wachsender Materialdicke wandert diese Linie in horizontaler Richtung, z. B. von der Position 2 in die Position 3. Aus ihrer entsprechend gemittelten Position läßt sich der Abstand vom Meßkopf zur Materialoberfläche bestimmen.
b) am oberen Rande eingespiegelt das, ebenfalls durch speckle gestörte Bild des Lichtflecks des Ausrichtlasers. Die Position dieses Lichtflecks wandert mit wachsender Durchbiegung der Traverse ebenfalls am Bildrand entlang. Aus seiner Position läßt sich damit die Durchbiegung der Transverse und damit die Raumlage des Meßkopfes berechnen und als Korrekturwert in Gl. (4) verwenden.
Durch eine entsprechend gewählte Optik 7 kann die Empfindlichkeit (d. h. das Verhältnis von Positionsverschiebung zu Durchbiegung) in weiten Grenzen so gewählt werden, daß die Durchbiegung mit einer ausreichenden und von der eigentlichen Abstandmessung abweichen den Auflösung bestimmt werden kann.

Bei der Einspiegelung einer kurzen Linie statt eines Lichtpunktes kann neben der Durchbiegung auch die Verdrehung des Meßkopfes, z. B. infolge einer Torsion der Traversiereinrichtung bestimmt werden. Eine solche Torsion bewirkt ein Kippen der Linie im Blickfeld des Sensors.

Selbstverständlich läßt sich der Erfindungsgedanke auch bei andern Abstandsmeßgeräten als dem beispielhaft aufgeführten "Deltamaster" ein setzen. Verwendet ein Abstandsensor z. B. eine positionsempfindliche Diode als Meßwertelement, so ist es nicht möglich, zwei gleichzeitig auf die Diodenfläche projizierten Punkte anhand der erzeugten Spannungssignale zu identifizieren. In diesem Fall werden der Triangulationslaser und der Aus richtlaser im zeitlichen Wechsel ein- und ausgeschaltet und über eine entsprechend synchronisierte Auswertung einmal der Abstand und dann die Raumlage bestimmt.

Es ist keine Einschränkung des Erfindungsgedanken, wenn die Referenzli nie nicht auf den gleichen, zur Abstandsmessung verwendeten Sensor abge bildet wird, sondern auf einen separaten eigenen Sensor.

Ebenfalls Teil des Erfindungsgedanken ist es, wenn nur ein Meßkopf und eine stabile Referenzebene, auf welcher das Material aufliegt, eingesetzt wird und die Kompensation der Durchbiegung der Aufhängung lediglich auf den Meßkopf angewendet wird.

Claims

1. Verfahren zur genauen Messung der Dicke von bahnförmigen Materia lien mit optischen Abstandssensoren dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von Materialoberfläche zu Meßkopf von jeweils einem oberhalb und unterhalb der Materialbahn angebrachten Abstandssen sor gemessen wird, daß jeweils ein außerhalb der Bahnführung raum fest und temperaturstabil angebrachter Lichtstrahlprojektor eine virtu elle Referenzlinie in Form einer Lichtlinie auf den jeweilig ihm zugeord neten Meßkopf richtet, daß zusätzlich zur Abbildung des Lichtflecks oder der Lichtlinie, welche der Meßkopf zur Triangulations-Abstands messung auf die Materialbahn projiziert, gleichzeitig der den Meßkopf treffende Lichtpunkt auf eine separate Zone des bei der Abstands messung verwendeten Positions-empfindlichen Detektors wie CCD-Matrix- oder CCD-Zeilensensor abgebildet wird, daß aus der Lage des Lichtflecks welche die Referenzlinie auf dem Positions-emp findlichen Sensor erzeugt die Raumlage des Meßkopfes bezüglich die ser Referenzlinie bestimmt wird und als Korrekturwert für die me chanisch oder thermisch bedingten Durchbiegungen und Lageverän derungen der Meßkopfaufhängung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzlinie zur Bestimmung der Raumlage des Meßkopfes auf einen separaten Positions-empfindlichen Detektor abgebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor einen Halbleiter-Matrix oder Zeilensensor oder eine Positions-empfindliche Diode verwendet, daß die Projektionsquelle im Meßkopf und die raumfeste Referenzquelle außerhalb des Meßkopfes im zeitlichen Wechsel eingeschaltet werden, so daß aus dem Bild beider Quellen auf dem Positions-empfindlichen Detektor eindeutig alternierend der Abstand oder die Meßkopf-Raumlage bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb der Bahnführung raumfest angebrachte Referenzlinien projektor eine kurze waagrechte Linie in den Meßkopf projiziert, daß aus der Lage der Linie auf dem Positions-empfindlichen Detektor die vertikale Raumlage bezüglich der projizierten Linie und aus der Verdre hung der Linie die Torsion der Meßkopfaufhängung bestimmt und als Korrekturwerte zur Bestimmung der Materialdicke aus dem oder den gemessenen Abständen verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn auf einer stabilen Referenzebene geführt ist und nur einseitig der Abstand zu einem oder mehreren Meßköpfen bestimmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßköpfe traversierend angebracht sind.

7. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß einseitig oder beidseitig einer Materialbahn einer oder mehrere optische Abstandsensoren fest oder traversierend angeordnet sind, daß außer halb der Bahnführung seitlich auf einer raum- und temperaturfesten Halterung für jeden Meßkopf ein Lichtpunktprojektor angebracht und auf den Meßkopf gerichtet wird, daß über eine getrennte Optik der Lichtpunkt auf den zur Abstandmessung verwendeten Positions-emp findlichen Detektor gleichzeitig mit dem Abbild des vom Meßkopf auf die Materialoberfläche gerichteten Lichtmusters eingespiegelt wird, daß durch eine getrennte Auswertung einerseits der Position des Lichtmu sters von der Materialoberfläche und andererseits der Position des Lichtpunktes des seitlich angebrachten Projektors mit der gleichen oder jeweils einer eigenen Auswertelektronik der Abstand zur Materialober fläche und die Raumlage des Meßkopfes bezüglich der Lichtlinie des Lichtpunktprojektor gemessen wird und in einem die Materialdicke bestimmenden Rechner als Korrekturwert für eine nicht stabile Aufhängung des Meßkopfes verwendet wird.