EP1153266A1 - Measuring device - Google Patents
Measuring deviceInfo
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- EP1153266A1 EP1153266A1 EP00981382A EP00981382A EP1153266A1 EP 1153266 A1 EP1153266 A1 EP 1153266A1 EP 00981382 A EP00981382 A EP 00981382A EP 00981382 A EP00981382 A EP 00981382A EP 1153266 A1 EP1153266 A1 EP 1153266A1
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- sensor unit
- layer
- measuring device
- detector
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- G—PHYSICS
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- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating
- G01B11/0658—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating with measurement of emissivity or reradiation
Abstract
The invention relates to a measuring device (1) for detecting the thickness of a layer (20) which is applied to a component (100). The thickness is detected in a touchless and nondestructive manner and irrespective of the material the layer (20) is made of. An electromagnetic radiation source (2) is provided which emits radiation in the infrared area. The radiation source (2) is embodied as a solid body laser and is connected to a sensor unit (8) by means of at least one optical waveguide (4). The layer (20) can be scanned with the infrared radiation using the sensor unit. The heat radiation which is emitted by the layer (20) is detected by means of a detector (5) which can be integrated into the sensor unit (8). The thickness of the layer (20) is detected in an evaluation unit (11) according to the measuring signals. Comparative values are stored in said evaluation unit.
Description
Messvorrichtung measuring device
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Ermittlung der Dicke einer Schicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a measuring device for determining the thickness of a layer according to the preamble of patent claim 1.
Solche Messvorrichtungen werden benutzt, um beispielsweise die Dicke einer Schicht aus Lack berührungslos und zerstörungsfrei zu bestimmen. Aus den Messsignalen werden dann Vorgaben zur Regelung des Beschichtungsprozesses ableitet.Such measuring devices are used, for example, to determine the thickness of a layer of lacquer in a contactless and non-destructive manner. Specifications for regulating the coating process are then derived from the measurement signals.
Die bekannten Messvorrichtungen, die zur Bestimmung der Dicke von Schichten verwendet werden, sind mit einem C02-Laser oder einem Diodenlaser als Strahlungsquelle ausgerüstet. Die von einem solchen C02-Laser emittierte Strahlung hat eine Wellenlänge von etwa 9,6μm bis 10,6μm. Damit kann die Dicke von Schichten bestimmt werden, gleichgültig aus welchen Lacken sie hergestellt sind. Von Nachteil ist hierbei die bauliche Größe dieser Laser und die Tatsache, daß für die Übertragung der Strahlung über einen größeren Bereich keine Lichtwellenleiter ausreichender Qualität und Transparenz vorhanden sind. Bei der Verwendung von Diodenlasers kann zwar ein kleinerer konstruktiver Aufbau der Messvorrichtung erreicht werden. Die von einem solchen Diodenlaser emittierte Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner 1 μm wird jedoch von manchen Lacken nicht ausreichend absorbiert, so daß eine Messvorrichtung mit einer solchen Strahlungsquelle nur einen begrenzten Anwendungsbereich hat.The known measuring devices that are used to determine the thickness of layers are equipped with a C0 2 laser or a diode laser as the radiation source. The radiation emitted by such a CO 2 laser has a wavelength of approximately 9.6 μm to 10.6 μm. This enables the thickness of layers to be determined, regardless of the varnish they are made of. A disadvantage here is the structural size of these lasers and the fact that there are no optical waveguides of sufficient quality and transparency for the transmission of the radiation over a larger area. When using diode lasers, a smaller design of the measuring device can be achieved. However, the radiation emitted by such a diode laser with a wavelength of less than 1 μm is not adequately absorbed by some lacquers, so that a measuring device with such a radiation source has only a limited area of application.
Aus der PCT/EP96/04869 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Dicke einer Lackschicht auf einem Bauelement bestimmen werden kann. Die Schicht wird über einen Spiegel mit einer Halogenlampe bestrahlt. Mit einem Detektor und einer Abbil-A device is known from PCT / EP96 / 04869 with which the thickness of a lacquer layer on a component can be determined. The layer is irradiated with a halogen lamp via a mirror. With a detector and an image
BESTATIGUNGSKOPIE
dungsoptik wird das Abklingen der von der Lackschicht reflektierten Wärmestrahlung erfaßt.BESTATIGUNGSKOPIE optics the decay of the thermal radiation reflected by the lacquer layer is detected.
In der EP 0791 818 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum photothermischen Prüfen von Werkstücken beschrieben. Hierfür wird elektromagnetische Anregungsstrahlung auf ein Werkstück gerichtet. Die in dem Messpunkt erzeugte Wärmestrahlung wird erfaßt und ausgewertet. Vor der Messung werden zwei sichtbare sich schneidende Ortungsstrahlen auf das Werkstück gerichtet. Anschließend werden die Richtungen des Werkstücks und der Messvorrichtung so korrigiert, daß der Schnittpunkt und der Messpunkt zusammenfallen.EP 0791 818 A2 describes a method and a device for the photothermal testing of workpieces. For this purpose, electromagnetic excitation radiation is directed onto a workpiece. The thermal radiation generated at the measuring point is recorded and evaluated. Before the measurement, two visible intersecting location beams are directed onto the workpiece. Then the directions of the workpiece and the measuring device are corrected so that the intersection and the measuring point coincide.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung aufzuzeigen, mit der die Dicke von Schichten unabhängig vom Material, aus dem sie hergestellt sind, bestimmt werden kann, und die so ausgebildet ist, und daß damit auch noch in größeren Entfernungen von der verwendeten Strahlungsquelle Messungen durchgeführt werden können.The invention has for its object to provide a measuring device with which the thickness of layers can be determined regardless of the material from which they are made, and which is designed so that measurements can be made even at greater distances from the radiation source used can be carried out.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of patent claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird die Tatsache genutzt, daß zeitlich intensitätsmodulierte infrarot Strahlung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 2μm bis 4μm, an der Oberfläche einer optisch stark absorbierenden Schicht absorbiert wird. Da dadurch werden in der Schicht und im Basismaterial Temperaturoszillationen ausgelöst. Von der Schicht wird thermische Strahlung emittiert, die Informationen über den inneren und äußeren Aufbau der zu untersuchend Schicht und deren Dicke liefert. Die von der Schicht emittierte Wärmestrahlung, die gegenüber der Wärmestrahlung der Umgebung erhöht ist, wird einem Detektor zugeführt, der als Infrarotdetektor ausgebildet ist. Das von dem Detektor erfaßte Messsignal wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und über einen Vorverstärker einer Auswerteeinheit zugeführt, wo mit Hilfe von gespeicherten Kalibrierdaten die Dicke der Schicht ermittelt wird.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist mit einem Festkörperlaser ausgerüstet. Seine emittierte Strahlung wird mit einem geeigneten Lichtleiter zu einer Sensoreinheit übertragen, mit welcher die zu untersuchende Schicht bestrahlt wird. Der Detektor zur Erfassung der Wärmestrahlung, welche von der Schicht emittiert wird, kann beispielsweise auch in die Sensoreinheit eingebaut werden. Die Wärmestrahlung, durch deren Größe und zeitliche Struktur die Schichtdicke widerspiegelt wird, kann jedoch auch über Lichtfasern zu einem Detektor geleitet werden, der außerhalb des Sensors installiert ist. Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird als Strahlungsquelle vorzugsweise ein Erbium-YAG-Laser, eines Holmium-YAG-Lasers oder ein Erbium- YSGG-Lasers verwendet. Es handelt sich um Festkörperlaser, die von Blitzlampen oder Dioden gepumpt werden. Sie arbeiten entweder im Pulsbetrieb oder werden mittels geeigneter Vorrichtungen (hier nicht dargestellt) periodisch harmonisch intensi- tätsmoduliert. Die Strahlung dieser Festkörperlaser liegt im Wellenlängenbereich zwischen 2μm bis 4μm. Die Strahlungsquelle ist über infrarot transparente Lichtwellenleiter mit einer zum Aussenden und Empfangen von Strahlung vorgesehenen Sensoreinheit verbunden. Damit ist es möglich, auch in einer größeren Entfernung von der Strahlungsquelle Messsignale auszusenden und zu empfangen. Die Sensoreinheit umfasst einen Detektor, ein oder zwei optische Systeme, die als Linsensysteme und/oder Spiegelsysteme ausgebildet sind. Der Lichtwellenleiter ist mit einem ersten Ende mit dem Festkörperlaser verbunden, während das zweite Ende innerhalb der Sensoreinheit angeordnet ist. Mit Hilfe eines der optischen Systeme wird die am zweiten Ende des Lichtleiters austretende Strahlung als Lichtfleck auf der Oberfläche einer Schicht abgebildet, deren Dicke ermittelt werden soll. Die von der Schicht emittierte Wärmestrahlung wird mit Hilfe eines optischen Systems und/oder eines Lichtleiters dem als radiometrischen, infrarot empfindlichen Detektor zugeführt. Dieser kann, falls erforderlich auch außerhalb der Sensoreinheit angeordnet sein. Nach Umwandlung der optischen Signale in elektrische Signale werden diese an eine Auswerteeinheit weitergeleitet. Mittels geeigneter Kalibrierdaten können aus den Messsignalen die Schichtdicken ermittelt werden. Das Messergebnis wird angezeigt.
Die Sensoreinheit weist so kleine Abmessungen auf, daß sie am Arm eines Arbeitsroboter befestigt werden kann. Mit diesem kann die Schicht, deren Dicke ermittelt werden soll, abgetastet werden. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung kann sowohl zur Bestimmung der Dicke von trockenen als auch von nassen Schichten aus Lack eingesetzt werden, vor allem dann, wenn die Dicke der Schicht berührungslos und zerstörungsfrei ermitteln werden soll.The fact that temporally intensity-modulated infrared radiation of a laser with a wavelength of 2 μm to 4 μm is absorbed on the surface of an optically strongly absorbing layer is used in the measuring device according to the invention. As a result, temperature oscillations are triggered in the layer and in the base material. Thermal radiation is emitted by the layer, which provides information about the inner and outer structure of the layer to be examined and its thickness. The heat radiation emitted by the layer, which is increased compared to the heat radiation of the surroundings, is fed to a detector which is designed as an infrared detector. The measurement signal detected by the detector is converted into an electrical signal and fed via a preamplifier to an evaluation unit, where the thickness of the layer is determined using stored calibration data. The measuring device according to the invention is equipped with a solid-state laser. Its emitted radiation is transmitted with a suitable light guide to a sensor unit with which the layer to be examined is irradiated. The detector for detecting the thermal radiation which is emitted by the layer can, for example, also be installed in the sensor unit. However, the heat radiation, the size and temporal structure of which reflects the layer thickness, can also be conducted via optical fibers to a detector that is installed outside the sensor. An erbium-YAG laser, a holmium-YAG laser or an erbium-YSGG laser is preferably used as the radiation source in the measuring device according to the invention. These are solid-state lasers that are pumped by flash lamps or diodes. They either work in pulse mode or are periodically harmonically intensity-modulated using suitable devices (not shown here). The radiation from these solid-state lasers lies in the wavelength range between 2 μm and 4 μm. The radiation source is connected via infrared-transparent optical waveguides to a sensor unit provided for emitting and receiving radiation. This makes it possible to transmit and receive measurement signals even at a greater distance from the radiation source. The sensor unit comprises a detector, one or two optical systems which are designed as lens systems and / or mirror systems. The optical waveguide is connected to the solid-state laser at a first end, while the second end is arranged within the sensor unit. With the help of one of the optical systems, the radiation emerging at the second end of the light guide is imaged as a light spot on the surface of a layer, the thickness of which is to be determined. The heat radiation emitted by the layer is fed with the aid of an optical system and / or a light guide to the detector, which is sensitive to radiometry and infrared. If necessary, this can also be arranged outside the sensor unit. After the optical signals have been converted into electrical signals, they are forwarded to an evaluation unit. The layer thicknesses can be determined from the measurement signals by means of suitable calibration data. The measurement result is displayed. The sensor unit has such small dimensions that it can be attached to the arm of a work robot. This can be used to scan the layer whose thickness is to be determined. The measuring device according to the invention can be used to determine the thickness of both dry and wet layers of lacquer, especially when the thickness of the layer is to be determined in a contactless and non-destructive manner.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Further inventive features are characterized in the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with the aid of schematic drawings.
Die einzige zur Beschreibung gehörige Figur zeigt eine Messvorrichtung 1 , die eine elektromagnetische Strahlungsquelle 2, eine Versorgungseinheit 3, einen Lichtwellenleiter 4, einen Detektor 5, ein Linsensystem 6, eine Spiegelsystem 7, einen Signalvorverstärker 9, eine Auswerteeinheit 10 und eine Anzeigevorrichtung 11 umfaßt. Der Detektor 5, das optische Linsensystem 6 und das Spiegelsystem 7 sind bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zu der eine Baueinheit bildenden Sensoreinheit 8 zusammengefaßt. Die Strahlungsquelle 2 ist als Festkörperlaser ausgebildet, der elektromagnetische Strahllung im infraroten Bereich mit einer Wellenlänge zwischen 2μm und 4μm emittiert. Hierfür kann beispielsweise ein Erbium-YAG-Laser, ein Hol- mium-YAG-Laser oder eine Erbium-YSGG-Laser verwendet werden. YAG steht hierbei für Yttrium Aluminium Granulat und YSGG für Yttrium Scandium Gallium Granulat. Diese Laser gehören bereits zum Stand der Technik. Ihr Aufbau wird deshalb hier nicht näher erläutert.The only figure belonging to the description shows a measuring device 1, which comprises an electromagnetic radiation source 2, a supply unit 3, an optical waveguide 4, a detector 5, a lens system 6, a mirror system 7, a signal preamplifier 9, an evaluation unit 10 and a display device 11. In the exemplary embodiment shown here, the detector 5, the optical lens system 6 and the mirror system 7 are combined to form the sensor unit 8 forming a structural unit. The radiation source 2 is designed as a solid-state laser which emits electromagnetic radiation in the infrared region with a wavelength between 2 μm and 4 μm. For example, an erbium-YAG laser, a holmium-YAG laser or an erbium-YSGG laser can be used for this. YAG stands for Yttrium Aluminum Granulate and YSGG for Yttrium Scandium Gallium Granulate. These lasers are already state of the art. Their structure is therefore not explained in more detail here.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Erbium-YAG-Laser 2 verwendet, dessen emittierte Strahlung eine Wellenlänge von 2,94μm aufweist. Der Laser 2 steht mit der Versorgungseinheit 3 in elektrischer und mechanischer Verbindung. Von ihr aus erfolgt die elektrische Spannungsversorgung und die Kühlung des Lasers 2. Die von dem Laser emittierte Strahlung wird in das erste Ende 4A des Lichtwellen-
leiter 4 eingespeist, das mit dem Laser 2 verbunden ist. Die Fasern (hier nicht dargestellt) des Lichtwellenleiter 4 sind aus einem infrarot transparenten Material gefertigt, das beispielsweise aus Saphir, GeO, ZrF2 besteht. Damit wird sichergestellt, dass die Dämpfung der Strahlung innerhalb des Lichtwellenleiters 4 klein bleibt. Das zweite Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 ist innerhalb der Sensoreinheit 8 in einem definierten Abstand von dem ersten Hohlspiegel 7A des Spiegelsystems 7 installiert. Dieser Hohlspiegel 7A ist mit einer Durchbohrung 7D versehen und vor der Öffnung 8A der Sensoreinheit 8 angeordnet. Zwischen dem zweiten Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 und der Durchbohrung 7D des ersten Hohlspiegel 7A ist das optische Linsensystem 6 angeordnet. Es umfaßt zwei bikonvexe Linsen 6A und 6B, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander und von dem Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 bzw. der Durchbohrung 7D angeordnet sind. Die Brennweiten der beiden Sammellinsen 6A und 6B sind so gewählt, daß die Fläche am zweiten Ende 4B des Lichtwellenleiters 4 auf einer Schicht 20 als Lichtfleck 21 abgebildet wird. Dieser Lichtfleck 21 hat eine Größe 0,5cm2, wenn die Sensoreinheit 8 in einem Abstand von maximal 15cm über die Schicht 20 bewegt wird. Bei der Schicht 20 handelt um einen Überzug aus Lack, der auf ein Bauelement 100 aufgetragen ist.In the exemplary embodiment shown here, an erbium-YAG laser 2 is used, the emitted radiation of which has a wavelength of 2.94 μm. The laser 2 is in electrical and mechanical connection with the supply unit 3. The electrical power supply and the cooling of the laser 2 take place from it. The radiation emitted by the laser is emitted into the first end 4A of the light wave fed conductor 4, which is connected to the laser 2. The fibers (not shown here) of the optical waveguide 4 are made of an infrared transparent material, which consists for example of sapphire, GeO, ZrF 2 . This ensures that the attenuation of the radiation within the optical waveguide 4 remains small. The second end 4B of the optical waveguide 4 is installed within the sensor unit 8 at a defined distance from the first concave mirror 7A of the mirror system 7. This concave mirror 7A is provided with a through hole 7D and arranged in front of the opening 8A of the sensor unit 8. The optical lens system 6 is arranged between the second end 4B of the optical waveguide 4 and the through-hole 7D of the first concave mirror 7A. It comprises two biconvex lenses 6A and 6B, which are arranged at a predetermined distance from one another and from the end 4B of the optical waveguide 4 or the through-hole 7D. The focal lengths of the two converging lenses 6A and 6B are selected such that the area at the second end 4B of the optical waveguide 4 is imaged on a layer 20 as a light spot 21. This light spot 21 has a size of 0.5 cm 2 when the sensor unit 8 is moved over the layer 20 at a maximum distance of 15 cm. Layer 20 is a coating of lacquer that is applied to a component 100.
Mit Hilfe der Messvorrichtung 1 kann die Dicke der Schicht 20 sowohl bei feuchtem als auch bei schon ausgetrocknetem Lack ermittelt werden. Der von dem Lichtfleck 21 bestrahlte Bereich der Schicht 20 wird von der Strahlung aufgeheizt. Die von der Schicht 20 emittierte, gegenüber der Umgebung erhöhte Wärmestrahlung wird dem Detektor 5 zugeführt, der als Infrarotdetektor ausgebildet ist. Hierfür werden die beiden Hohlspiegel 7A und 7B des Spiegelsystems 7 genutzt. Die von der Schicht 20 kommende Wärmestrahlung wird durch die Öffnung 8A der Sensoreinheit 8 auf den ersten Hohlspiegel 7A geleitet. Wie die Fig. zeigt, ist der zweite Hohlspiegel 7B im Strahlengang des ersten Hohlspiegeis 7A so angeordnet, daß die Wärmestrahlung vom ersten Hohlspiegel 7A auf den zweiten Hohlspiegel 7B geleitet von dort unmittelbar dem Signaleingang 5A des Detektors 5 zugeführt wird. Zu diesem Zweck ist der Signaleingang 5A des Detektors 5 im Strahlengang des zweiten Hohlspiegels 7B installiert. Muß die Sensoreinheit 8 noch kleiner ausbildet werden als hier dargestellt, so kann
auf den zweiten Hohlspiegel 7B auch verzichtet werden. In diesem Fall wird der Signaleingang 5A des Detektors 5 im Strahlengang des ersten Hohlspiegels 7A angeordnet. Soll die Sensoreinheit 8 am Arm eines mit geringer Tragfähigkeit ausgebildeten Roboters (hier nicht dargestellt) befestigt werden soll, und ist ihr Gewicht hierfür noch zu groß, so können der Detektor 5 und das Siegelsystem 7 auch außerhalb der Sensoreinheit 8 installiert werden (hier nicht dargestellt). Die von der Schicht 20 emittierte Wärmestrahlung kann dem außerhalb der Sensoreinheit 8 installierten Detektor 5 beispielsweise über einen Lichtleiter (hier nicht dargestellt) zuführt sind, der ebenfalls optische Fasern aus infrarot transparentem Material aufweist. Die Wärmestrahlung kann dem Detektor 5 auch dann über einen solchen Lichtleiter (hier nicht dargestellt) zugeführt werden, wenn er innerhalb der Sensoreinheit 8 installiert ist. Falls erforderlich, sind zusätzliche optische Systeme zwischen der Schicht 20 und einem solchen Lichtleiter bzw. dem Detektor 5 und diesem Lichtleiter anzuordnen.With the aid of the measuring device 1, the thickness of the layer 20 can be determined both when the lacquer is moist and when it is already dry. The region of the layer 20 irradiated by the light spot 21 is heated by the radiation. The increased thermal radiation emitted by the layer 20 compared to the surroundings is fed to the detector 5, which is designed as an infrared detector. The two concave mirrors 7A and 7B of the mirror system 7 are used for this. The heat radiation coming from the layer 20 is conducted through the opening 8A of the sensor unit 8 to the first concave mirror 7A. As shown in the figure, the second concave mirror 7B is arranged in the beam path of the first concave mirror 7A in such a way that the heat radiation is conducted from the first concave mirror 7A to the second concave mirror 7B and is fed directly from there to the signal input 5A of the detector 5. For this purpose, the signal input 5A of the detector 5 is installed in the beam path of the second concave mirror 7B. If the sensor unit 8 has to be made even smaller than shown here, it can the second concave mirror 7B can also be dispensed with. In this case, the signal input 5A of the detector 5 is arranged in the beam path of the first concave mirror 7A. If the sensor unit 8 is to be attached to the arm of a robot with a low load-bearing capacity (not shown here) and if its weight is still too great for this, the detector 5 and the sealing system 7 can also be installed outside the sensor unit 8 (not shown here) ). The heat radiation emitted by the layer 20 can be supplied to the detector 5 installed outside the sensor unit 8, for example via an optical fiber (not shown here), which likewise has optical fibers made of infrared-transparent material. The heat radiation can also be supplied to the detector 5 via such a light guide (not shown here) if it is installed within the sensor unit 8. If necessary, additional optical systems are to be arranged between the layer 20 and such a light guide or the detector 5 and this light guide.
Der Signalausgang des Detektors 5 liefert eine elektrisches Signal, welches zunächst einem Vorverstärker 9 zugeführt wird, dessen Signalausgang mit einer Auswerteinheit 10 in Verbindung steht. Letztere ist beispielsweise als Mikroprozessor ausgebildet. Vorzugsweise ist der Auswerteeinheit 10 eine Anzeigevorrichtung 11 nachgeschaltet. Die Auswerteeinheit 10 ist über eine Signalleitung 12 mit dem Laser 2 verbunden. In dem Augenblick, in dem der Laser 2 seine Strahlung emittiert, wird die Auswerteeinheit 10 durch ein Signal aktiviert. Das Messsignal, das der Auswerteeinheit 10 zugeführt wird, liefert eine Aussage über die zeitliche Oszillation der Temperatur bzw. die zeitliche Abnahme der Temperatur in der Schicht 20. Je dünner die Schicht 20 ist, um so schneller nimmt die Temperatur ab. Durch einen Vergleich des Messsignals mit Vergleichswerten, die in der Auswerteeinheit 10 gespeichert sind, wird die Dicke der Schicht 20 bestimmt und an der Anzeigevorrichtung 11 angezeigt.The signal output of the detector 5 supplies an electrical signal, which is first fed to a preamplifier 9, the signal output of which is connected to an evaluation unit 10. The latter is designed, for example, as a microprocessor. A display device 11 is preferably connected downstream of the evaluation unit 10. The evaluation unit 10 is connected to the laser 2 via a signal line 12. At the moment when the laser 2 emits its radiation, the evaluation unit 10 is activated by a signal. The measurement signal that is fed to the evaluation unit 10 provides information about the temporal oscillation of the temperature or the temporal decrease in the temperature in the layer 20. The thinner the layer 20, the faster the temperature decreases. The thickness of the layer 20 is determined by a comparison of the measurement signal with comparison values that are stored in the evaluation unit 10 and is displayed on the display device 11.
Neben der Messung der Dicke der Schicht 20 kann gleichzeitig der Feuchtigkeitsgehalt der Schicht 20 ermittelt werden, sofern die Schicht 20 noch nicht ausgetrocknet ist. Diese Messung wird vorzugsweise mittels einer Infrarot-Reflexionsspektroskopie
bestimmt. Dieses Verfahren gehört bereits seit längerer Zeit zum Stand der Technik und wird deshalb hier nicht näher erläutert.
In addition to measuring the thickness of layer 20, the moisture content of layer 20 can also be determined if layer 20 has not yet dried out. This measurement is preferably carried out by means of infrared reflection spectroscopy certainly. This method has been part of the prior art for a long time and is therefore not explained in more detail here.
Claims
1. Messvorrichtung zur Ermittlung der Dicke einer auf ein Bauelement (100) aufgetragen Schicht (20), dadurch gekennzeichnet, dass eine elektromagnetische Strahlungsquelle (2), die Strahlung im infraroten Bereich emittiert, über wenigstens einen Lichtwellenleiter (4) mit einer Sensoreinheit (8) in Verbindung steht, welche zum Abtasten der Schicht (20) und zum Empfang von Meßsignalen vorgesehen ist.1. Measuring device for determining the thickness of a layer (20) applied to a component (100), characterized in that an electromagnetic radiation source (2) that emits radiation in the infrared range has at least one optical waveguide (4) with a sensor unit (8 ) is connected, which is provided for scanning the layer (20) and for receiving measurement signals.
2. Messvorrichtung nach einem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (2) als Blitzlampen gepumpter oder Dioden gepumpter Festkörperlaser ausgebildet ist, der im Pulsbetrieb oder periodisch harmonisch intensitätsmo- duliert arbeitet.2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the radiation source (2) is designed as a flash lamp pumped or diode-pumped solid-state laser which works in pulse mode or periodically harmonic intensity modulated.
3. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser als Erbium-YAG-Laser, als Holmium-YAG-Laser oder als Erbium-YSGG-Laser ausgebildet ist, und über einen Lichtwellenleiter (4), dessen optische Faser aus infrarot transparentem Material in Form von Saphir, GeO, ZrF2 gefertigt sind, mit der Sensoreinheit (8) verbunden ist.3. Measuring device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the solid-state laser is designed as an erbium-YAG laser, as a holmium-YAG laser or as an erbium-YSGG laser, and via an optical waveguide (4) whose optical Fiber made of infrared transparent material in the form of sapphire, GeO, ZrF 2 are connected to the sensor unit (8).
4. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (8) wenigstens einen Detektor (5) und zwei optische System (6 und 7) aufweist, die zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.4. Measuring device according to one of claims 1 to 2, characterized in that the sensor unit (8) has at least one detector (5) and two optical systems (6 and 7), which are combined to form a structural unit.
5. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste optische System als Linsensystem (6) mit zwei bikonvexen Linsen (6A, 6B) ausgebildet ist, und dass das zweite optische System (7) mit wenigstens einem Hohlspiegel (7A, 7B) versehen ist.5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the first optical system is designed as a lens system (6) with two biconvex lenses (6A, 6B), and that the second optical system (7) with at least one concave mirror (7A , 7B) is provided.
6. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem (7) zwei Hohlspiegel (7A, 7B) aufweist, und der erste Hohlspiegel (7A) mit einer Durchbohrung (7D) versehen ist, welche im Abstand vor dem in der Sensoreinheit (8) installierten zweiten Ende (4B) des Lichtwellenleiters (4) und vor der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) angeordnet ist, dass zwischen der Durchbohrung (7D) und dem zweiten Ende (4B) des Lichtwellenleiters (4) das erste optische System (6) angeordnet ist, mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strahlung auf der Schicht (20) abbildbar ist, daß der zweite Hohlspiegel (7B) im Strahlengang des ersten Hohlspiegel (7A) installiert ist, und dass die von der Schicht (20) emittierte Wärmestrahlung durch die Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) dem Spiegelsystem (7) und von dort dem optischen Signaleingang (5A) des Detektors (5) zuführbar ist, der in dem Strahlengang des Spiegelsystems (7) installiert ist.6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the mirror system (7) has two concave mirrors (7A, 7B), and the first concave mirror (7A) is provided with a through-hole (7D) which is spaced apart the second end (4B) of the optical waveguide (4) installed in the sensor unit (8) and in front of the opening (8A) of the sensor unit (8) that between the through hole (7D) and the second end (4B) of the optical waveguide ( 4) the first optical system (6) is arranged, with which the radiation emitted by the solid-state laser (2) can be imaged on the layer (20), that the second concave mirror (7B) is installed in the beam path of the first concave mirror (7A), and that the heat radiation emitted by the layer (20) can be fed through the opening (8A) of the sensor unit (8) to the mirror system (7) and from there to the optical signal input (5A) of the detector (5) which is in the beam path of the mirror system (7) is installed.
7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelsystem (7) nur einen Hohlspiegel (7A) aufweist, der mit einer Durchbohrung (7D) versehen ist, welche vor der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) und im Abstand vor dem in der Sensoreinheit (8) installierten zweiten Ende (4B) des Lichtwellenleiters (4) angeordnet ist, dass zwischen der Durchbohrung (7D) und dem zweiten Ende des Lichtwellenleiters (4) das erste optische System (6) installiert ist, mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strahlung auf der Schicht (20) abbildbar ist, und dass die von der Schicht (20) emittierte Wärmestrahlung durch die Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) über den Hohlspiegel (7A) dem optischen Signaleingang (5A) des Detektors (5) zuführbar ist, der in dem Strahlengang des Hohlspiegels (7A) installiert ist.7. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the mirror system (7) has only a concave mirror (7A) which is provided with a through-hole (7D) which is in front of the opening (8A) of the sensor unit (8) and at a distance in front of the second end (4B) of the optical waveguide (4) installed in the sensor unit (8), the first optical system (6) is installed between the through-hole (7D) and the second end of the optical waveguide (4) , with which the radiation emitted by the solid-state laser (2) can be imaged on the layer (20), and that the heat radiation emitted by the layer (20) through the opening (8A) of the sensor unit (8) via the concave mirror (7A) Optical signal input (5A) of the detector (5) can be fed, which is installed in the beam path of the concave mirror (7A).
8. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Sensoreinheit (8) neben dem zweiten Ende (4B) des Lichtleiters (4) nur ein optisches System (6) angeordnet ist, das im Abstand von dem zweiten Ende (4B) des Lichtleiters (4) und der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) installiert und mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strahlung auf der Schicht (20) abbildbar ist, und dass der Detektor (5) außerhalb der Sensoreinheit (8) installiert ist.8. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that within the sensor unit (8) next to the second end (4B) of the light guide (4) only one optical system (6) is arranged, which is at a distance from the second end (4B) of the light guide (4) and the opening (8A) of the sensor unit (8) installed and with which the radiation emitted by the solid-state laser (2) can be imaged on the layer (20), and that the detector (5) outside the Sensor unit (8) is installed.
9. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Detektor (5), dem zweiten Ende des Lichtleiters (4) nur ein er- stes optisches System (6) innerhalb der Sensoreinheit (8) angeordnet ist, das im Abstand von dem zweiten Ende (4B) des Lichtleiters (4) und der Öffnung (8A) der Sensoreinheit (8) installiert und mit dem die von dem Festkörperlaser (2) emittierte Strahlung auf der Schicht (20) abbildbar ist.9. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in addition to the detector (5), the second end of the light guide (4) only one stes optical system (6) is arranged within the sensor unit (8), which is installed at a distance from the second end (4B) of the light guide (4) and the opening (8A) of the sensor unit (8) and with which the solid-state laser ( 2) emitted radiation can be imaged on the layer (20).
10. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 .dadurch gekennzeichnet, dass die von der Schicht (20) emittierte Wärmestrahlung dem außerhalb oder innerhalb der Sensoreinheit (8) installierten Detektor (5) über einen Lichtleiter zuführt sind, der optische Fasern aus infrarot transparentem Material aufweist, die aus Saphir, GeO, ZrF2 gefertigt sind.10. Measuring device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the heat radiation emitted by the layer (20) is fed to the detector (5) installed outside or inside the sensor unit (8) via a light guide which contains optical fibers made of infrared-transparent Has material that are made of sapphire, GeO, ZrF 2 .
1 1. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) als Infrarot-Detektor ausgebildet und der elektrische Signalausgang des Detektors (5) über einen Signalvorverstärker (9) an eine Auswerteeinheit (10) angeschlossen ist.1 1. Measuring device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the detector (5) is designed as an infrared detector and the electrical signal output of the detector (5) via a signal preamplifier (9) is connected to an evaluation unit (10).
12. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dass die Auswerteeinheit (10) als Mikroprozessor ausgebildet und über eine Signalleitung (12) mit dem Laser (2) und einer Anzeigevorrichtung (11) in Verbindung steht. 12. Measuring device according to one of claims 1 to 1 1, that the evaluation unit (10) is designed as a microprocessor and is connected via a signal line (12) with the laser (2) and a display device (11).
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