Messvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Ermittlung der Dicke einer Schicht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 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.
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.
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-
BESTATIGUNGSKOPIE
dungsoptik wird das Abklingen der von der Lackschicht reflektierten Wärmestrahlung erfaßt.
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.
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.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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.
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.
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.
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.
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.