WO2008071337A1 - Verfahren und vorrichtung zur dickenmessung - Google Patents

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WO2008071337A1
WO2008071337A1 PCT/EP2007/010612 EP2007010612W WO2008071337A1 WO 2008071337 A1 WO2008071337 A1 WO 2008071337A1 EP 2007010612 W EP2007010612 W EP 2007010612W WO 2008071337 A1 WO2008071337 A1 WO 2008071337A1
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WO
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distance
measuring device
measuring
light
main surface
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PCT/EP2007/010612
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Peter Schmitt
Günther KOSTKA
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Priority to AT07856417T priority patent/ATE472091T1/de
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Priority to EP07856417A priority patent/EP2100092B1/de
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • 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
    • G01B11/0691—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of objects while moving
    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G—PHYSICS
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    • G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • G01B15/02—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring thickness
    • G01B15/025—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring thickness by measuring absorption

Definitions

  • the present invention is concerned with the thickness measurement of extended geometric objects, and more particularly with how the thickness of web-made materials such as sheets, films or paper can be efficiently determined.
  • the thickness of the objects to be examined can vary within a wide range, for example from 0.01 mm to several centimeters.
  • the problem is that the thickness of a large area of the object with a single Measurement must be determined in order to keep the entire measurement period at an acceptable level.
  • the requirement for the tolerance of the thickness of the web is typically particularly high.
  • the sheet thicknesses are sometimes specified with extremely low tolerances, since compliance with the sheet thickness for the crash behavior of the assembled vehicles is essential.
  • sheets in rolling mills are typically produced at high speed, so that a large sheet metal surface must be checked per unit time.
  • industrial rolling machines are used, which can produce sheets with a width of up to 3 meters.
  • a metal sheet consists of one for conventional opti- see radiation impermeable material, which further complicates the measurement of sheet thickness.
  • Tactile methods which can determine the thickness of them spatially resolved by direct contact of the sheet surfaces, are scarcely suitable for such an application since they would have to grasp a large number of measuring points mechanically, which would considerably increase the outlay and thus the costs for quality control.
  • sheets are often produced so rapidly that they emerge at the exit of a rolling apparatus at such a high speed that these sheets carry out vibrations in a direction perpendicular to the surface. In such cases, the use of tactile methods is not possible in principle. Similar considerations apply in addition to sheet metal for a variety of other planar materials, such as films, paper, glasses or the like, for which the compliance of a specific material thickness with high accuracy is required.
  • the monitoring of the wall thickness during production is extremely complex; in the case of sheet metal, it is generally carried out radiometrically, ie. using radioactive sources or x-ray tubes to generate x-rays and radioactive or x-ray sensitive detectors.
  • the material to be tested is irradiated with X-radiation or gamma radiation and the wall thickness of the transilluminated material is determined by the beam attenuation, which is caused by the absorption of the radiation in the material to be tested.
  • the beam intensity or the original radiation intensity must be known and the radiation intensity remaining after transillumination of the material must be detected by means of suitable detectors.
  • Radiation-sensitive detectors are generally extremely expensive devices.
  • the signal-to-noise ratio is therefore determined by the square root of the detected X-ray quanta. For a given available measuring time, therefore, the spatial resolution or the thickness sensitivity is limited. Although in principle the measuring accuracy can be increased by a longer measuring time or integration time, this is not possible on an industrial scale, since in finite time the material coming from a production line has to be checked. The principle also possible increase in the activity of the X-ray sources used also increases the risk of a radiation accident and thus can only partially contribute to increase the speed of the measurement or the achievable accuracy of measurement.
  • the X-ray method is therefore only conditionally suitable because the typical detectors (counter tubes) which are commercially available, an extension of only a few centimeters have, so, as already mentioned above, a plurality of such detectors must be used.
  • the achievable spatial resolution is greatly limited by the finite extent of the counter tubes, since a single counter tube can only detect the existence of a gamma quantum in the area covered by it, with a further differentiation of the location of the gamma quantum within the counter tube not possible is.
  • the X-ray methods corresponding to the prior art thus have the disadvantage of being able to achieve only a limited spatial resolution, as well as to use detectors whose acquisition and operation is extremely complicated and expensive.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device and a method with which the determination of the material thickness of an object with a higher spatial resolution and more efficient than previously possible.
  • the present invention is based on the finding that the material thickness of extended objects can be efficiently determined by using two distance measuring devices, wherein a first distance measuring device determines the distance to a first main surface of the object and a second distance measuring device determines the distance to a second major surface of the object opposite the first major surface. If potential measurement errors due to the extended geometry are avoided by a reference device determining a reference distance between the first distance-measuring device and the second distance-measuring device, it is possible to perform with high accuracy and speed. The thickness of the object between the first major surface and the second major surface can be determined.
  • Detectors or distance measuring devices are preferably used which can determine the distance to an extended area on the surface of the object by means of a single measurement. This is possible, for example, when using the light cutting method.
  • the basic idea of the invention is thus to determine the thickness of a web material by determining the distance from the top and bottom of the web material to a detector mounted above or below the web material, for example allowing a linear measurement of the distance , Suitable for this example, the light section method.
  • the problem of surface measurement of extended objects is generally that due to the expansion (for example, the large widths of web materials), a mechanical structure is needed to suspend the detectors above and below the object (web material). Due to the large geometric extent, it can not be ensured that vibrations or thermal deformations do not falsify the measurement result, in particular because high-precision measurements in the range of a few micrometers are to be carried out.
  • this problem is met by using a reference device for determining a reference distance between the first distance measuring device and the second distance measuring device.
  • a possible change in the distance between the two detector devices above or below the web material as well as optionally additionally a possible tilting of one or more measuring heads perpendicular to the measuring direction is avoided. If, for example, web material is measured, such a tilting along the feed direction of the product could decorative web material cause an additional measurement error, which can be corrected according to the invention.
  • a first light slit measuring device is used to determine a first distance between the first light slit measuring device and a first main surface of a web material to be measured.
  • a second light slit measuring device is used to determine a second distance from the second light slit measuring device to a second main surface of the web material opposite the first main surface of the web material.
  • the distance of the first light-cutting measuring device from the second light-slit measuring device in the measuring direction is additionally determined as a reference distance.
  • the measuring direction is that direction which is parallel to the thickness of the object, that is perpendicular to the main surfaces.
  • the measuring device is used to check the thicknesses of sheets produced by a press immediately after production.
  • the sheets are moved in a feed direction between the first light-slit measuring device and the second light-slit measuring device.
  • the great advantage of using non-contact light-measuring devices lies in the fact that by means of a single measurement, the distance of the web material or the sheet metal to the measuring head over a width of more than 1 m can be linearly detected. That is, by means of a single measurement, a vertical profile can be obtained perpendicular to the feed direction, which describes more than 1 m of material width.
  • the spatial resolution in comparison to radiation detectors is greatly increased by the fact that the resolution in the feed direction limiting geometric expansion of the projected light strip in the feed direction can be made arbitrarily small in principle.
  • the spatial resolution of the topography information ie the height information on the surface of the material to be examined or of the thickness profile, can thus be varied as desired.
  • a radiation detector is used as a reference device for determining the reference distance between the first and the second light-section measuring device or between the first and the second distance measuring device.
  • the radiation detector determines the material thickness thereof for a position on the surface of the object to be examined by measuring the radiation intensity lost due to absorption.
  • a distance measurement of the surface area to the light-slit measuring device is carried out in the same surface area by the first and the second light-measuring device. Due to the radiometrically determined thickness of the object to be examined in a small geometric range and the measurement of the distances of the light slit measuring devices to just this area can be determined as a reference distance, the exact distance of the first and second light slit measuring device with high accuracy. Any thermally or mechanically induced distance variations can thus be compensated with high precision.
  • the achievable measurement accuracy in the thickness direction can be additionally increased by carrying out a second radiometric measurement by means of an X-ray device, the X-ray device being connected to the first light-slit measuring device and the second light-slicing measuring device. If the measurement with the second X-ray device takes place along a different X-ray direction than by means of the first X-ray device, that is, for example at a different angle relative to the surface of the object to be examined, it is possible to infer any tilting or possible geometric misalignment of the light-slit measuring devices.
  • the measurement accuracy can be additionally increased in an advantageous manner in that, in addition to the distance of the two light-slit measuring devices, a correction for erroneous relative alignment in a further dimension of the two light-slit measuring devices can be performed relative to each other.
  • a reference object of predetermined, known thickness is applied to one or both sides of the web material or object to be measured, so that it is additionally measured by both light-slit measuring devices together with the surface of the object to be measured.
  • the light-slit measuring devices must therefore be arranged such that a portion of the measuring light strips generated by the light-slit measuring devices on the surface of the object are imaged on the surfaces of the reference objects facing the light-slit measuring devices.
  • the determination of the reference distance can then take place in that the distance of the first and the second Light slit measuring device is determined to the surfaces facing them of the reference object simultaneously with the distance to the object to be measured. Since the thickness of the reference object is known exactly, the distance between the first light-slit measuring device and the second light-slit measuring device can be easily calculated as the reference distance. According to the invention, therefore, a material is preferably used for the reference objects, which is subject to a low thermal expansion.
  • the achievable measurement accuracy is additionally increased by the fact that reference objects are applied on both sides of a web material to be examined.
  • the method according to the invention or the device according to the invention has the potential to achieve a higher spatial resolution and overall increase the measuring speed, whereby at the same time the costs of the detectors used can be significantly reduced compared with the prior art.
  • This is achieved by partially or entirely supplementing radiometric detectors with other measurement systems that can detect distances along a line or in a wide geometric range, such as light-sectioning.
  • FIG. 2 shows a comparative example with reference objects for determining the reference distance
  • FIG. 3A shows a further comparative example and FIG. 3B with a plurality of light-slit measuring devices
  • FIG. 5 shows a comparative example of a light section measuring method.
  • Fig. 5 shows the surface of an object to be measured 2, a measuring light projector 4, which in a
  • Fig. 5 simplified shown case of a perfectly flat
  • the measuring light strip 8 is the straight line shown in FIG.
  • the measuring light strip 8 is recorded by means of a suitable sensor 10.
  • the sensor 10 is a two-dimensional matrix sensor, such as a CCD or a CMOS sensor.
  • the exact nature of the sensor is not significant to the operation of the inventive concept, and other types of sensors may generally be used.
  • a measuring light line 8 is generated as a straight line on the surface 2 of the object, the image of the straight line is imaged on the sensor 10, as shown in FIG. 5.
  • the height information now results from the geometry of the overall structure, in particular from the relative position of the sensor 10 and the measuring light projector 4.
  • the measuring light strip will be at a different position on the surface 2 of the object generated because the light plane 6 remains unchanged in space. Since the sensor 10 is also stationary, the image of the measuring light line (symbolized by black squares) on the sensor will also vary in one direction 14. With knowledge of the geometry of the light plane 6 and of the sensor 10, the position of the surface 2 of the object in the direction 12 can thus be closed, as described above.
  • light-slit measuring methods thus have the considerable advantage that at high speed Height information along a spatially extended measuring line 8 can be obtained.
  • the entire topography of the surface 2 of the object to be examined can be determined within a short time, which is the light-slit measuring method predestined for use in the measurement of spatially extended surfaces.
  • 1 shows an exemplary embodiment of the present invention in which the reference distance is determined by means of a radio-metric measurement.
  • 1 shows schematically in a sectional view an object 20 to be measured whose material thickness 22 (d) is to be determined, wherein the object 20 can be moved in a direction 24 between a first distance measuring device 26 and a second distance measuring device 28.
  • 1 additionally shows a reference device which comprises an X-ray source 30a and an X-ray detector 30b, wherein the X-ray source 30a with respect to the first distance measuring device 26 and the X-ray detector 30b with respect to the second distance measuring device 28 are arranged in a known geometrical position. This may also mean, for example, that they are mechanically connected.
  • the X-ray source 30a is connected, a mirror-image configuration is therefore also possible according to the invention.
  • the first and the second distance measuring devices 26 and 28 are shown only schematically in FIG. 1, as are the x-ray source 30a and the x-ray detector 30b.
  • the exact operating principle of the distance measuring devices 26 and 28 is not essential for the application of the inventive concept. It is advantageous if the distance measuring device 26 and 28 can each determine with a measurement a distance to an extended geometric region on their respectively associated surface of the object 20 to be measured. This is the case, for example, in a cost-effective manner in the case of the light-slit measuring devices described with reference to FIG. 5.
  • a first distance 32a between a first main surface of the object 20 and the first distance measuring device 26 assigned to the first distance measuring device 26 is determined.
  • a second distance 32b between the second distance measuring device 28 and a second main surface of the object 20 facing the second distance measuring device 28 is determined by means of the second distance measuring device 28.
  • the distance between the first and second distance measuring devices 26 and 28 can be determined by means of the X-ray source 30a and the X-ray detector 30b.
  • the reference distance can also be used to determine the thickness of the object in a selected geometric region of the object.
  • the x-ray intensity weakened by the material thickness of the object 20 to be measured, which is emitted by the x-ray source 30a is determined by means of the x-ray detector 30b.
  • X-ray source 30a and X-ray detector 30b are each connected to a distance measuring device, and the thickness 22 of the object 20 is determined by the X-ray measuring device at a location of the surface of the object 20, which is also detected by the distance measurement of the distance measuring device 26 and 28.
  • the distance between the first and the second distance measuring device can be calculated from the sum of the distances 32a, 32b and the thickness 22 as the reference distance.
  • Fig. 2 shows a comparative example in which the reference distance is determined by means of optical measurement.
  • FIG. 2 shows, as first distance measuring device 26, a light-slit measuring device, as already described with reference to FIG. 5.
  • a light-slit measuring device is likewise used.
  • Fig. 2 also shows in a perspective view of the object to be measured 20, as well as a first reference object 40a and a second reference object 40b.
  • the reference objects 40a and 40b each have a first reference main surface, which faces the first distance measuring device 26 or the first light section measuring device 26.
  • a second main surface of the reference objects 40a and 40b faces the second distance measuring device 28 or the second light slit measuring device 28.
  • the reference objects 40a and 40b are further distinguished by the fact that they have a precisely predetermined thickness between the reference main surfaces.
  • the reference objects 40a and 40b are preferably made of materials that are subject to low thermal expansion.
  • the geometrical arrangement of the light-slit measuring devices 26 and 28 and the reference objects 40a and 40b is selected such that parts 42a and 42b of the measuring light strip produced by the first light-slit measuring device 26 are generated on the reference objects 40a and 40b ,
  • the reference device for determining a reference distance between the first light-slit measuring device 26 and the second light-slit measuring device 28 thus comprises two reference objects 40a and 40b.
  • the distance between the first light-slit measuring device 26 and the second light-slit measuring device 28 can be used as a reference distance, for example by linking the distances of the Lichtsammlungmesseinrich to the first main surface of the reference objects 40a and 40b, the thickness of the reference objects 40a and 40b, and the distances of the second light slit measuring device 28 to the second main surface of the reference objects 40a and 40b.
  • the difference of the actual thickness of the reference objects from the thickness determined by means of the light-slit measuring devices may also be used as the reference variable. By means of the difference, the thickness values which are determined by means of the light-slit measuring devices could then be corrected over the entire width of the measuring light strips.
  • the use of two reference objects 40a and 40b in the example shown in FIG. 2 additionally increases the achievable measurement accuracy over using a single reference object, in another example the only one reference object can be used to determine a reference distance.
  • Fig. 2 shows another possibility of obtaining a reference measurement which results when the web width or the width of the object 20 to be measured is smaller than the detection range of light-slitting devices used.
  • reference objects 40a and 40b for example in the form of sheet metal strips of known thickness, can be arranged at a known angle (preferably horizontally as shown in FIG. 2) on the right and left of the web material 20.
  • correction values can be determined which are used to correct the measured data for the web material.
  • a possible tilting of the light-slit measuring devices 26 and 28 perpendicular to a feed direction 44 can also be determined and corrected by means of the measurement of the reference objects.
  • a light stripe of monochromatic light such as light generated by a laser, is used as the measurement light stripe.
  • the reference objects sheets
  • the reference objects can be moved or vibrated so quickly in the vertical (or horizontal) direction that speckle during a light-slit measurement, typically takes several hundred microseconds to be trimmed out. Since only the difference between the distance from the top and bottom of the web material to the respective light-slit measuring device or to the respective measuring head is used for the evaluation or consideration of the thickness and the calculation of the reference distance, the vertical position of the comparison sheets is irrelevant.
  • a white light source can be used to project a light line, with the reference objects then being able to be arranged statically.
  • the feed speed of the object 20 in the feed direction 44 can be selected to be extremely high since light-slit measuring devices allow high measuring frequencies. This greatly increases throughput.
  • a high feed rate in the feed direction 44 also prevents the formation of speckle patterns on the surface of the object, since these then emerge during the measurement period of a measurement phase of the light-slit measuring devices.
  • the height The possible measuring frequency of light-slit measuring method thus makes it possible to project light measuring strips by means of laser, and to make use of a resulting increase in the spatial resolution.
  • FIGS. 3A and 3B show a further comparative example in which the object 20 is spatially expanded such that two light-slit measuring devices are required on each side of the object in order to determine distance information over the entire width of the object. Therefore, in addition to the light slit measuring device 26, which faces a first main surface 46 of the object 20 and the second light slit measuring device 28, which is associated with a second main surface 48 of the object 20, a third light slit measuring device 50 (2a) and a fourth light slit measuring device 52 (2b ) intended.
  • the third light-slit measuring device 50 is the first main surface 46 and the fourth light-slit measuring device 52 faces the second main surface 48.
  • the light planes of the first light-slit measuring device 26 and the third light-slit measuring device 50 are determined by the geometry of the arrangement such that they overlap in a central overlap region 54.
  • the first light-slit measuring device 26 generates a measuring light strip on the surface of the first reference object 40a and the third light-slit measuring device 50 generates on the surface of the second reference surface ject 40b a measuring light strip.
  • the light planes of the second light-slit measuring device 28 and the fourth light-slit measuring device 52 likewise overlap within the central region 54, the second light slit measuring device 28 generates a measuring light strip on the first reference object 40a and the fourth light slit measuring device 52 generates a measuring light strip on the second reference object 40b.
  • the use of the concept makes it possible to determine the thickness of objects which have a geometric extent which exceeds the maximum width that can be achieved with a single light-slit measuring device.
  • the thickness of the object 20 over the entire width thereof can be determined from the data of the four light-slit measuring devices shown in FIG. 3A.
  • FIG. 3B for the simplified case of a perfectly planar surface, the images of the light measuring strips obtained by means of the sensors of the light-slit measuring devices 26, 28, 50 and 52 are shown schematically.
  • first light section receiving segments 60a and 60b of the first light section measuring device 26 light section receiving segments 62a and 62b of the third light section measuring device Direction 50, Lichtsacrificingabilitynsegmente 64a and 64b of the second light-slit measuring device 28 and Lichtieriabilitynsegmente 66a and 66b of the fourth light-slit measuring device 52 assigned.
  • the light section recording segments 60a, 62a, 64a and 66a are thus those parts of the measuring light strips that are generated on the surface of the object 20.
  • the light section receiving segments 60b, 62b, 64b and 66b symbolize those parts of the measuring light strips which are generated on the reference objects 40a and 40b.
  • any possible tilting of the individual measurement light devices 26, 28, 50 or 52 is first corrected, which is analogous to that discussed in FIG Case is possible by means of the reference objects.
  • the results of the first light-slicing measuring device 26 are compared with the results of the third light-slit measuring device 50, ie an angle ⁇ between the measuring light receiving segment 60a and the measuring light receiving segment 62a is varied until both measuring light scans 60a and 62a in the overlap region 54 provide substantially identical values , That is, any non-parallelism of the light plane associated with the first light slit measuring device and the light plane associated with the third light slit measuring device is corrected.
  • This can be done, for example, by a least square fit, which minimizes the quadratic errors of the individual measurements for the value of the light section recordings in the overlap area 54 achieved by adaptation.
  • measuring devices may also comprise more than two light slit measuring devices per surface. If this is necessary in order to cover the entire width of the object 20, it is possible to proceed in a manner similar to that outlined in FIGS. 3A and 3B.
  • the angular error of the measuring heads is determined perpendicular to the feed direction in the first step for the two outer measuring arrangements, each of which detect a horizontally (or at a known angle) reference object.
  • the tilting is determined successively from outside to inside, by using the overlap areas to approximate the measurement cures.
  • the thickness over the entire width of the object 20 then results analogously to the method described above by using the known thicknesses of the reference objects 40a and 40b.
  • the left measuring arrangement detects the left reference part (reference object 40a)
  • the right measuring arrangement detects the right reference part 40b.
  • a possible tilting of the individual measuring heads perpendicular to the feed direction which runs perpendicular to the plane of representation in the case shown in FIG. 3A, is determined and corrected with the aid of the horizontally mounted reference objects.
  • the results of the measuring heads 1a and 2a or 1b and 2b are matched to one another, so that both measuring heads deliver largely identical values in the overlapping area (eg by least-square-fit). This produces continuous measurement results for the upper or lower measuring arrangement.
  • the results are compared by comparison with the known thicknesses of the reference objects.
  • thickness values for the web material are available for each measuring point.
  • FIGS. 3A and 3B for the sake of simplicity, it is assumed that the object 20 or a web material to be examined has a flat surface.
  • it is also possible to measure uneven objects for example sheets which are curved in the feed direction or profile sheets which may have a triangular or square or rectangular profile.
  • a radiometric sensor would be required for such a radiometric reference measurement for each opposing light-slit measuring device, that is to say for the pairs of light-slit measuring devices 26 and 28 or the light-slit measuring devices 50 and 52.
  • the reference objects 40a and 40b can then be omitted.
  • a single radiation detector is required in order to determine a change in distance between the two light-section measuring heads arranged above or below the object 20 or the web material, which would lead to an error in the thickness measurement.
  • a possible tilting of the light-section measuring heads can be corrected at the same time if a second radio-metric measuring device is additionally used for each pair of light-slit measuring devices lying opposite one another.
  • each light-slit measuring device has at least one radiometric measuring unit for determining the reference distance assigned to it.
  • a first distance between a distance measuring device and a first main surface of the object is determined.
  • a second distance between a second distance measuring device and a second main surface of the object opposite the first main surface is determined.
  • a third step 84 information about a reference distance that allows a determination of a deviation of an actual distance between the first distance measuring device (26) and the second distance measuring device (28) from a nominal distance is provided.
  • the material thickness of the object is determined from the first distance, the second distance and the reference distance.
  • measuring devices other than the light-section measuring method described in the exemplary embodiments can be used.
  • runtime methods such as ultrasonic echo methods or radar echo methods, which can use, for example, interferences of the reflected and the transmitted signals in order to obtain precise distance information
  • reference objects with cuboid geometry are shown in FIGS. 2 and 3A or 3B, according to the invention, reference objects of any other geometries can be used.
  • a reference object in the form of a rotating circular disk is used. On the one hand, this ensures that no speckle patterns that degrade the accuracy of measurement are formed when using lasers.
  • any unevennesses caused during production in the surface of the circular object are averaged out by the rotation, so that in general as a result the measuring accuracy can be additionally increased.

Abstract

Die Materialstärke ausgedehnter Objekte kann dadurch effizient bestimmt werden, dass zwei Abstandsmesseinrichtungen verwendet werden, die einen Messlichtstreifen auf das zu vermessende Objekt projizieren und als Lichtschnittmesseinrichtung arbeiten. Dabei bestimmt die erste Abstandsmesseinrichtung den Abstand zur ersten Hauptoberfläche des Objekts und die zweite Abstandsmesseinrichtung den Abstand zur zweiten Hauptoberfläche des Objekts, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt. Potentielle Messfehler aufgrund von Veränderungen des Abstandes zwischen den beiden Abstandsmesseinrichtungen durch Vibrationen oder thermischen Deformationen werden dadurch vermieden, dass zusätzlich mit einer Röntgeneinrichtung die Materialstärke des Objekts aufgrund der durch das Objekt verursachten Abschwächung der Röntgenstrahlung bestimmt wird. Anhand der gemessenen Abstände zu den Hauptoberflächen des Objekts und der durch die Röntgeneinrichtung bestimmten Materialstärke kann die Materialstärke des Objekts zwischen der ersten und der zweiten Hauptoberfläche mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit bestimmt werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Dickenmessung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Dickenmessung von ausgedehnten geometrischen Objekten und insbesondere damit, wie die Dicke von in Bahnen hergestellten Materialien, wie Blechen, Folien oder Papier effizient bestimmt werden kann.
Bei der Dickenmessung von geometrisch ausgedehnten Objekten ergeben sich eine Reihe von Problemen, insbesondere wenn, wie beispielsweise bei industriell vorgefertigten Blechen, die Dicke der zu untersuchenden Objekte in einem weiten Bereich variieren kann, wie beispielsweise von 0,01 mm bis zu mehreren Zentimetern. Ist dabei die geometrische Ausdehnung relativ zur Dicke der Objekte groß oder in einer Richtung sogar annäherungsweise unendlich, wie beispiels- weise bei auf Rollen aufgewickelten Materialien wie Folien, Papier oder Blechen, besteht das Problem, dass die Dicke einer großen Fläche des Objekts mit einer einzigen Messung bestimmt werden muss, um die gesamte Messdauer auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Zusätzlich ergibt sich das Problem, dass gerade bei den Materialien, die in Form von Bahnen produziert werden, der Anspruch an die Toleranz der Dicke der Bahn typischerweise besonders groß ist. Beispielsweise werden im Automobilbau die Blechstärken teilweise mit äußerst geringen Toleranzen spezifiziert, da die Einhaltung der Blechstärke für das Crash-Verhalten der fertig montierten Fahrzeuge wesentlich ist. Bei der Kontrolle von Blechdicken ist darüber hinaus zu beachten, dass Bleche in Walzwerken typischerweise in hoher Geschwindigkeit produziert werden, so dass pro Zeiteinheit eine große Blechfläche überprüft werden muss. Unter anderem kommen auch industrielle Walzmaschinen zum Einsatz, die Bleche mit einer Breite von bis zu 3 Metern erzeugen können. Darüber hinaus besteht ein Blech aus einem für herkömmliche opti- sehe Strahlung undurchlässigen Material, was die Messung der Blechstärke zusätzlich erschwert. Taktile Verfahren, die ortsaufgelöst durch direkte Berührung der Blechoberflächen deren Dicke bestimmen können, kommen für einen solchen Einsatz kaum in Frage, da diese eine Vielzahl von Messpunkten mechanisch erfassen müssten, was den Aufwand und somit die Kosten für die Qualitätskontrolle erheblich erhöhen würde. Bei industriellen Herstellungsverfahren werden Bleche oftmals so schnell erzeugt, dass diese am Ausgang einer Walzvorrichtung mit so hoher Geschwindigkeit austreten, dass diese Bleche in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche Schwingungen durchführen. In solchen Fällen ist die Anwendung taktiler Verfahren prinzipiell nicht möglich. Ähnliche Überlegungen treffen neben Blechen für eine Viel- zahl anderer ebener Materialien zu, wie beispielsweise Folien, Papier, Gläser oder ähnlichem, für die die Einhaltung einer spezifischen Materialstärke mit hoher Genauigkeit gefordert wird.
Aufgrund der oben skizzierten Probleme ist die Überwachung der Wandstärke während der Produktion äußerst aufwändig, bei Blechen erfolgt sie in der Regel radiometrisch, d. h.. unter Verwendung von radioaktiven Quellen oder Röntgenröhren um Röntgenstrahlung zu erzeugen und auf radioaktive Strahlen bzw. auf Röntgenstrahlen sensitiven Detektoren. Dabei wird das zu prüfende Material mit Röntgenstrahlung oder Gamma-Strahlung durchleuchtet und die Wandstärke des durchleuchteten Materials wird durch die Strahlschwächung, die durch die Absorption der Strahlung im zu überprüfenden Material hervorgerufen wird, bestimmt. Dazu muss die Strahlintensität bzw. die ursprüngliche Strahlungsintensität bekannt sein und die nach dem Durchleuchten des Materials verbleibende Strahlungsintensität muss mittels geeigneter Detektoren nachgewiesen werden. Strahlungsempfindliche Detektoren sind im Allgemeinen äußerst aufwändige Apparate. Beispielsweise werden momentan üblicherweise Zählrohre eingesetzt, also Gas gefüllte, mit Hochspannung beaufschlagte Detektorrohre, da diese relativ langzeitstabil sind und eine geringe Drift (beispielsweise temperaturinduziert) aufweisen. Bei der Überwachung der Produktion von breiten Blechen, müssen teilweise bis zu 100 solcher Detektoren und gegebenenfalls mehrere Röntgenquellen einge- setzt werden, um über die gesamte Breite der bis zu 3 m breiten Bleche die erforderliche Ortsauflösung bzw. Empfindlichkeit der Dickenmessung zu erreichen. Dabei liegen realistisch erzielbare Messgenauigkeiten im Bereich von 0,1 % der Wandstärke, somit bei beispielsweise 10 mm dicken Blechen etwa bei 10 μm. Ein evidenter Nachteil besteht dabei in den hohen Kosten, die eine solche Messapparatur mit sich bringt. Beispielsweise muss für jedes der Zählrohre einen Hochspannungskanal einer Hochspannungsversorgung und ein Auslese- bzw. Auswertkanal einer Signalverarbei- tungselektronik bereitgehalten werden.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die erzielbare
Messgenauigkeit durch die Statistik der Röntgenstrahlung
(Poisson-Statistik) bestimmt wird. Der Signal-Rausch- Abstand wird daher durch die Quadratwurzel der detektierten Röntgenquanten bestimmt. Bei gegebener zur Verfügung stehender Messzeit ist daher die Ortsauflösung bzw. die Dickenempfindlichkeit begrenzt. Obwohl prinzipiell die Messgenauigkeit durch längere Messdauer bzw. Integrationszeit erhöht werden kann, ist dies im industriellen Maßstab nicht beliebig möglich, da in endlicher Zeit das aus einer Produktionsstraße kommende Material überprüft werden muss. Die prinzipiell auch mögliche Erhöhung der Aktivität der verwendeten Röntgenquellen erhöht auch das Risiko bei einem Strahlungsunfall und kann somit nur bedingt dazu beitragen, die Geschwindigkeit der Messung bzw. die erzielbare Messgenauigkeit zu steigern.
Für den Einsatz in Verbindung mit ausgedehnten Materialien, wie beispielsweise Blech-Rollen ist darüber hinaus das Röntgenverfahren deswegen nur bedingt geeignet, da die typischen Detektoren (Zählrohre) die kommerziell erhältlich sind, eine Ausdehnung von lediglich einigen Zentimetern aufweisen, so dass, wie bereits oben erwähnt, eine Vielzahl solcher Detektoren verwendet werden muss. Zusätzlich wird die erzielbare Ortsauflösung durch die endliche Ausdehnung der Zählrohre stark begrenzt, da ein einzelnes Zählrohr jeweils nur die Existenz eines Gamma-Quants in der von ihm überdeckten Fläche nachweisen kann, wobei eine weitere Differenzierung des Ortes des Gamma-Quants innerhalb des Zählrohrs nicht möglich ist.
Die dem Stand der Technik entsprechenden Röntgenverfahren haben also den Nachteil, nur eine begrenzte Ortsauflösung erzielen zu können, sowie Detektoren zu verwenden, deren Anschaffung und Betrieb äußerst aufwändig und kostenintensiv ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Bestimmung der Materialstärke eines Objekts mit höherer Ortsauflösung und effizienter als bisher möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die Materialstärke ausgedehnter Objekte dadurch effizient bestimmt werden kann, dass zwei Abstands- messeinrichtungen verwendet werden, wobei eine erste Ab- standsmesseinrichtung den Abstand zu einer ersten Haupt- Oberfläche des Objekts und eine zweite Abstandsmesseinrich- tung den Abstand zu einer zweiten Hauptoberfläche des Objektes, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, bestimmt. Werden potentielle Messfehler aufgrund der ausgedehnten Geometrie dadurch vermieden, dass eine Referenzein- richtung einen Referenzabstand zwischen der ersten Ab- standsmesseinrichtung und der zweiten Abstandsmesseinrich- tung bestimmt, kann mit hoher Genauigkeit und Geschwindig- keit die Dicke des Objekts zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche bestimmt werden.
Dabei kommen bevorzugt Detektoren bzw. Abstandsmesseinrich- tungen zum Einsatz, die mittels einer einzigen Messung den Abstand zu einem ausgedehnten Bereich auf der Oberfläche des Objekts bestimmen können. Dies ist beispielsweise bei Anwendung des LichtSchnittverfahrens möglich.
In anderen Worten besteht der Grundgedanke der Erfindung also darin, die Dicke eines Bahnmaterials dadurch zu bestimmen, dass der Abstand von Ober- und Unterseite des Bahnmaterials zu einem über bzw. unter dem Bahnmaterial angebrachten Detektor bestimmt wird, der beispielsweise eine linienförmige Messung des Abstands ermöglicht. Geeignet ist hierfür beispielsweise das Lichtschnittverfahren. Das Problem der Oberflächenvermessung ausgedehnter Objekte besteht generell darin, dass aufgrund der Ausdehnung (beispielsweise der großen Breiten von Bahnmaterialien) ein mechanischer Aufbau zur Aufhängung der Detektoren über und unter dem Objekt (Bahnmaterial) erforderlich ist. Aufgrund der großen geometrischen Ausdehnung kann nicht sichergestellt werden, dass Vibrationen oder thermische Deformationen das Messergebnis nicht verfälschen, insbesondere, da hochpräzise Messungen im Bereich einiger Mikrometer durchgeführt werden sollen. Solche Vibrationen oder Deformationen könnten daher zu einem Messfehler außerhalb der üblicherweise geforderten Toleranzen führen. Erfindungsgemäß wird diesem Problem dadurch begegnet, dass eine Referenz- einrichtung zum Bestimmen eines Referenzabstands zwischen der ersten Abstandsmesseinrichtung und der zweiten Ab- standsmesseinrichtung verwendet wird. Dadurch wird eine etwaige Veränderung des Abstands der beiden Detektoreinrichtungen ober- bzw. unterhalb des Bahnmaterials sowie zusätzlich optional eine mögliche Verkippung eines oder mehrerer Messköpfe senkrecht zur Messrichtung vermieden. Wird beispielsweise Bahnmaterial vermessen, könnte eine solche Verkippung entlang der Vorschubrichtung des produ- zierten Bahnmaterials einen zusätzlichen Messfehler verursachen, der erfindungsgemäß korrigiert werden kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird daher eine erste Lichtschnittmesseinrichtung eingesetzt, um einen ersten Abstand zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung und einer ersten Hauptoberfläche eines zu vermessenden Bahnmaterials zu bestimmen. Eine zweite Lichtschnittmesseinrichtung wird verwendet, um einen zweiten Abstand von der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung zu einer zweiten, der ersten Hauptoberfläche des Bahnmaterials gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Bahnmaterials zu bestimmen. Mittels einer Referenzeinrichtung wird zusätzlich als Referenzabstand der Abstand der ersten Licht- Schnittmesseinrichtung von der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung in Messrichtung bestimmt. Die Messrichtung ist dabei diejenige Richtung, die zur Dicke des Objekts parallel verläuft, also senkrecht auf den Hauptoberflächen steht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Messeinrichtung dazu verwendet, die Dicken von Blechen, die von einer Presse produziert werden, unmittelbar nach der Produktion zu überprüfen. Dazu werden die Bleche in einer Vorschubrichtung zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung bewegt.
Der große Vorteil des Verwendens von berührungslosen Licht- Schnittmesseinrichtungen liegt dabei darin, dass mittels einer einzigen Messung der Abstand des Bahnmaterials bzw. der Blechbahn zum Messkopf über eine Breite von mehr als 1 m linienförmig erfasst werden kann. Das heißt, mittels nur einer einzigen Messung kann ein Höhenprofil senkrecht zur Vorschubrichtung gewonnen werden, das mehr als 1 m Materialbreite beschreibt. Dabei ist zusätzlich die Ortsauflösung im Vergleich zu Strahlungsdetektoren dadurch stark erhöht, dass die die Auflösung in Vorschubrichtung begrenzende geometrische Ausdehnung des projizierten Lichtstreifens in Vorschubrichtung prinzipiell beliebig klein gemacht werden kann. Durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit des aus der Presse kommenden Blechmaterials lässt sich somit die Ortsauflösung der Topographie-Information, also der Höheninformation auf der Oberfläche des zu untersuchenden Materials bzw. des Dickenprofils, beliebig variieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird als Referenzeinrichtung zum Bestimmen des Referenzabstands zwischen der ersten und der zweiten Lichtschnitt- messeinrichtung bzw. zwischen der ersten und der zweiten Abstandsmesseinrichtung ein Strahlungsdetektor verwendet. Der Strahlungsdetektor bestimmt dabei für eine Position auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts die Materialstärke desselben durch Messung der durch Absorption verlorenen Strahlungsintensität. Erfindungsgemäß wird im selben Oberflächenbereich von der ersten und der zweiten Licht- schnittmesseinrichtung eine Abstandsmessung des Oberflä- chenbereichs zur Lichtschnittmesseinrichtung durchgeführt. Aufgrund der radiometrisch bestimmten Dicke des zu untersuchenden Objekts in einem kleinen geometrischen Bereich und der Messung der Abstände der Lichtschnittmesseinrichtungen zu eben diesem Bereich kann als Referenzabstand der genaue Abstand der ersten und zweiten Lichtschnittmesseinrichtung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Eventuelle thermisch- oder mechanisch- induzierte Abstandsvariationen können somit mit hoher Präzision kompensiert werden.
Der große Vorteil des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung besteht dabei darin, dass entgegen dem Stand der Technik, aufwändige und kosteninten- sive radiometrische Abstandsmessverfahren nur für einen begrenzten Bereich auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts, bzw. einmal je Abstandsmesseinrichtung, verwendet werden müssen. Dadurch können die Kosten deutlich reduziert werden. Aus den oben genannten Gründen wird darüber hinaus die erzielbare Ortsauflösung des zu vermessenden Dickenprofils mittels des Lichtschnittverfahrens erheblich erhöht.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die erzielbare Messgenauigkeit in Dickenrichtung dadurch zusätzlich erhöht werden, dass eine zweite radiometrische Messung mittels einer Röntgeneinrichtung durchgeführt wird, wobei die Röntgeneinrichtung mit der ersten Lichtschnittmesseinrichtung und der zweiten Licht- Schnittmesseinrichtung verbunden ist. Erfolgt die Messung mit der zweiten Röntgeneinrichtung entlang einer anderen Röntgenrichtung als mittels der ersten Röntgeneinrichtung, also beispielsweise unter einem anderen Winkel relativ zur Oberfläche des zu untersuchenden Objekts, kann auf eine eventuelle Verkippung bzw. ein eventuelles geometrisches Misalignment der Lichtschnittmesseinrichtungen geschlossen werden. Dadurch lässt sich auf vorteilhafte Art und Weise die Messgenauigkeit zusätzlich steigern, indem zusätzlich zum Abstand der beiden Lichtschnittmesseinrichtungen auch eine Korrektur auf fehlerhafte relative Ausrichtung in einer weiteren Dimension der beiden Lichtschnittmesseinrichtungen zueinander durchgeführt werden kann.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird auf einer oder auf beiden Seiten des zu vermessenden Bahnmaterials bzw. Objekts ein Referenzobjekt vorbestimmter, bekannter Dicke angebracht, so dass dieses zusätzlich von beiden Lichtschnittmesseinrichtungen zusammen mit der Oberfläche des zu vermessenden Objekts vermes- sen wird. Die Lichtschnittmesseinrichtungen müssen also so angeordnet sein, dass ein Teil der von den Lichtschnittmesseinrichtungen auf der Oberfläche des Objekts erzeugten Messlichtstreifen auf den den Lichtschnittmesseinrichtungen zugewandten Oberflächen der Referenzobjekte abgebildet werden.
Die Bestimmung des Referenzabstands kann dann dadurch erfolgen, dass der Abstand der ersten und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung zu den ihnen zugewandten Oberflächen des Referenzobjekts gleichzeitig mit dem Abstand zum zu vermessenden Objekt bestimmt wird. Da die Dicke des Referenzobjekts exakt bekannt ist, kann als Referenzabstand der Abstand zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung einfach berechnet werden. Erfindungsgemäß wird daher bevorzugt ein Material für die Referenzobjekte verwendet, das einer geringen thermischen Ausdehnung unterliegt.
Sofern es geometrisch möglich ist, entsprechende Referenzobjekte gleichzeitig mit dem zu untersuchenden Objekt von den Lichtschnittmesseinrichtungen aufnehmen zu lassen, kann durch einfaches Einbringen kostengünstiger Referenzobjekte die Einhaltung der Messgenauigkeit sichergestellt werden. Die Verwendung von kostspieligen Röntgendetektoren kann somit vollständig entfallen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die erzielbare Messgenauigkeit dadurch zusätzlich erhöht, dass auf beiden Seiten eines zu untersuchenden Bahnmaterials Referenzobjekte angebracht werden.
Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass das erfin- dungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung das Potential besitzt, eine höhere Ortsauflösung zu erreichen und insgesamt die Messgeschwindigkeit zu erhöhen, wobei gleichzeitig die Kosten der verwendeten Detektoren gegenüber dem Stand der Technik deutlich gesenkt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass radiometrische Detektoren teilweise oder ganz durch andere Messsysteme ergänzt werden, die Abstände auf einer Linie oder in einem ausgedehnten geometrischen Bereich ermitteln können, wie beispielsweise Lichtschnittverfahren.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen, näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit radiometrischer Bestimmung des Referenzabstands;
Fig. 2 ein Vergleichsbeispiel mit Referenzobjekten zur Bestimmung des Referenzabstands;
Fig. 3A ein weiteres Vergleichsbeispiel und 3B mit mehreren Lichtschnittmesseinrichtungen;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung der Materialstärke eines Objekts; und
Fig. 5 ein Vergleichsbeispiel eines Lichtschnittmessver- fahrens .
Da in den folgenden Absätzen das erfindungsgemäße Konzept unter Verwendung von Lichtschnittmesseinrichtungen be- schrieben wird, soll anhand von Fig. 5 kurz das Licht- schnittmessverfahren an einem einfachen Beispiel beschrieben werden.
Fig. 5 zeigt dabei die Oberfläche eines zu vermessenden Objekts 2, einen Messlichtprojektors 4, welcher in eine
Lichtebene 6 Licht emittiert, so dass auf der Oberfläche des Objekts 2 ein Messlichtstreifen 8 erzeugt wird. Im in
Fig. 5 vereinfacht gezeigten Fall einer perfekt ebenen
Oberfläche 2 ist der Messlichtstreifen 8 die in Fig. 5 gezeigte Gerade.
Der Messlichtstreifen 8 wird mittels eines geeigneten Sensors 10 aufgezeichnet. Im in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist der Sensor 10 ein zwei-dimensionaler Matrixsensor, wie beispielsweise eine CCD- oder ein CMOS-Sensor. Die genaue Art des Sensors ist für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Konzeptes nicht erheblich, es können generell auch andere Arten von Sensoren verwendet werden. Wird auf der Oberfläche 2 des Objekts eine Messlichtlinie 8 als Gerade erzeugt, wird das Bild der Geraden, wie in Fig. 5 gezeigt, auf dem Sensor 10 abgebildet. Die Höheninforma- tion ergibt sich nunmehr aus der Geometrie des Gesamtaufbaus, insbesondere aus der Relativposition des Sensors 10 und des Messlichtprojektors 4. Wird beispielsweise die Oberfläche 2 des Objekts in einer Richtung 12 bewegt, wird der Messlichtstreifen an anderer Position auf der Oberflä- che 2 des Objekts erzeugt, da die Lichtebene 6 im Raum unverändert bleibt. Da auch der Sensor 10 ortsfest ist, wird auch das Bild der Messlichtlinie (symbolisiert durch schwarze Quadrate) auf dem Sensor in einer Richtung 14 variieren. Bei Kenntnis der Geometrie der Lichtebene 6 und des Sensors 10 kann also, wie oben beschrieben, auf die Position der Oberfläche 2 des Objekts in Richtung 12 geschlossen werden.
Äquivalente Überlegungen gelten, wenn die Oberfläche des Objekts nicht eben ist. Mittels des in Fig. 5 gezeigten Lichtschnittverfahrens kann somit Topographie-Information bzw. Höheninformation über die gesamte Breite der Oberfläche 2 mittels einer einzigen Aufnahme des Sensors 10 bestimmt werden.
Es werden für Lichtschnittmessverfahren spezialisierte Sensoren 10 verwendet, die in hoher Geschwindigkeit selbst eine Signalverarbeitung durchführen können, so dass diese beispielsweise lediglich die Information über den hellsten belichteten Pixel des Sensors 10 als Messergebnis zur Verfügung stellen. Solche hoch-spezialisierten Sensoren eignen sich daher insbesondere für eine schnelle Messung, da aufwändige Signalnachverarbeitung, wie sie beispielsweise bei einer herkömmlichen CCD erforderlich wird, vermieden werden kann.
Zusammenfassend weisen Lichtschnittmessverfahren also den erheblichen Vorteil auf, dass mit hoher Geschwindigkeit die Höheninformation entlang einer räumlich ausgedehnten Messlinie 8 erhalten werden kann.
Wird die Oberfläche 2 in einer Richtung senkrecht zur Messlichtlinie 8 und in einer Richtung 16 unter der Lichtebene bewegt und werden sukzessive Aufnahmen mittels des Sensors 10 durchgeführt, kann innerhalb kurzer Zeit die gesamte Topographie der Oberfläche 2 des zu untersuchenden Objekts bestimmt werden, was das Lichtschnittmessverfahren für den Einsatz bei der Vermessung räumlich ausgedehnter Oberflächen prädestiniert.
Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden daher zur Illustration des erfindungsgemäßen Konzepts jeweils Lichtschnittmessver- fahren verwendet. Das erfindungsgemäße Konzept ist in seiner Anwendung jedoch in keinster Weise auf das verwendete Lichtschnittmessverfahren beschränkt. Vielmehr können jedwede anderen Messverfahren, die die Topographie einer Oberfläche durch Abstandsmessung vermessen können, erfindungsgemäß verwendet werden.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem der Referenzabstand mittels einer radio- metrischen Messung bestimmt wird. Fig. 1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht ein zu vermessendes Objekt 20, dessen Materialstärke 22 (d) bestimmt werden soll, wobei das Objekt 20 in einer Richtung 24 zwischen einer ersten Abstandsmesseinrichtung 26 und einer zweiten Abstandsmess- einrichtung 28 bewegt werden kann. Fig. 1 zeigt zusätzlich eine Referenzeinrichtung, die eine Röntgenquelle 30a und einen Röntgendetektor 30b umfasst, wobei die Röntgenquelle 30a bezüglich der ersten Abstandsmesseinrichtung 26 und der Röntgendetektor 30b bezüglich der zweiten Abstandsmessein- richtung 28 in bekannter geometrischer Lage angeordnet sind. Dies kann beispielsweise auch bedeuten, dass diese mechanisch verbunden sind. Für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Konzepts ist es unerheblich, mit welchem der beiden Abstandsmesseinrichtungen die Röntgenquelle 30a verbunden ist, eine spiegelbildliche Konfiguration ist daher ebenfalls erfindungsgemäß möglich.
Die erste und die zweite Abstandsmesseinrichtung 26 bzw. 28 ist in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt, ebenso wie die Röntgenquelle 30a und der Röntgendetektor 30b. Das genaue Funktionsprinzip der Abstandsmesseinrichtungen 26 bzw. 28 ist für die Anwendung des erfindungsgemäßen Kon- zepts nicht wesentlich. Vorteilhaft ist, wenn die Abstandsmesseinrichtung 26 und 28 mit einer Messung jeweils einen Abstand zu einem ausgedehnten geometrischen Bereich auf der ihnen jeweils zugeordneten Oberfläche des zu vermessenden Objekts 20 bestimmen können. Dies ist beispielsweise auf kostengünstige Art und Weise bei den anhand von Fig. 5 beschriebenen Lichtschnittmesseinrichtungen der Fall. Erfindungsgemäß wird also ein erster Abstand 32a zwischen einer der ersten Abstandsmesseinrichtung 26 zugeordneten ersten Hauptoberfläche des Objekts 20 und der ersten Ab- Standsmesseinrichtung 26 bestimmt. Ein zweiter Abstand 32b zwischen der zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 und einer der zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 zugewandten zweiten Hauptoberfläche des Objekts 20 wird mittels der zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 bestimmt.
Als Referenzabstand kann mittels der Röntgenquelle 30a und dem Röntgendetektor 30b der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Abstandsmesseinrichtung 26 und 28 bestimmt werden. Alternativ kann als Referenzabstand auch die Dicke des Objekts in einem ausgewählten geometrischen Bereich des Objekts bestimmt werden. Dazu wird mittels des Röntgende- tektors 30b die durch die Materialstärke des zu vermessenden Objekts 20 geschwächte Röntgenintensität bestimmt, die von der Röntgenquelle 30a emittiert wird. Durch Kenntnis des Absorptionsverhaltens des Materials des Objekts 20 kann somit auf die Dicke 22 des Objekts 20 geschlossen werden. Erfindungsgemäß sind Röntgenquelle 30a und Röntgendetektor 30b mit jeweils einer Abstandsmesseinrichtung verbunden, und die Dicke 22 des Objekts 20 wird von der Röntgenmess- einrichtung an einer Stelle der Oberfläche des Objekts 20 bestimmt, die ebenfalls von der Abstandsmessung der Ab- standsmesseinrichtung 26 und 28 erfasst wird. Erfindungsge- maß kann also als Referenzabstand der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Abstandsmesseinrichtung aus der Summe der Abstände 32a, 32b und der Dicke 22 berechnet werden.
Dies hat den großen Vorteil, dass die aufwändige Röntgentechnik nur an einem geometrisch stark begrenzten Teil der Oberfläche des Objekts 20 verwendet werden muss, um mit deren Hilfe den Abstand der beiden Abstandsmesseinrichtun- gen zueinander zu bestimmen, bzw. zeitlich zu verfolgen. Die erfindungsgemäße hohe Messgenauigkeit der Materialstärke des Objekts kann somit auch bei thermisch oder mechanisch verursachten Variationen des Abstands der beiden Abstandsmesseinrichtungen 26 und 28 aufrecht erhalten werden.
Fig. 2 zeigt ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Referenzabstand mittels optischer Messung bestimmt wird.
In Fig. 2 und in den vier folgenden Figuren sind funktions- ähnliche bzw. funktionsidentische Komponenten mit den selben Bezugszeichen versehen, so dass die Beschreibung der einzelnen Komponenten wechselseitig auf unterschiedliche Figuren anwendbar ist. Darüber hinaus können mit identischen Bezugszeichen versehene Objekte innerhalb der einzel- nen im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ verwendet werden.
Fig. 2 zeigt als erste Abstandsmesseinrichtung 26 eine Lichtschnittmesseinrichtung, wie sie anhand von Fig. 5 bereits beschrieben wurde. Als zweite Abstandsmesseinrichtung 28 wird ebenfalls eine Lichtschnittmesseinrichtung verwendet. Fig. 2 zeigt darüber hinaus in einer perspektivischen Ansicht das zu vermessende Objekt 20, sowie ein erstes Referenzobjekt 40a und ein zweites Referenzobjekt 40b. Die Referenzobjekte 40a und 40b weisen jeweils eine erste Referenzhauptoberfläche auf, die der ersten Abstands- messeinrichtung 26 bzw. der ersten Lichtschnittmesseinrich- tung 26 zugewandt ist. Eine zweite Hauptoberfläche der Referenzobjekte 40a und 40b ist der zweiten Abstandsmess- einrichtung 28 bzw. der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 zugewandt. Die Referenzobjekte 40a und 40b zeichnen sich darüber hinaus dadurch aus, dass diese zwischen den Refe- renzhauptoberflächen eine präzise vorbestimmte Dicke aufweisen. Bevorzugt sind die Referenzobjekte 40a und 40b darüber hinaus aus Materialien hergestellt, die einer geringen thermischen Ausdehnung unterliegen.
Wie es in Fig. 2 zu sehen ist, ist die geometrische Anordnung der Lichtschnittmesseinrichtungen 26 und 28 bzw. der Referenzobjekte 40a und 40b so gewählt, dass Teile 42a und 42b des von der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 erzeugten Messlichtstreifens auf den Referenzobjekten 40a und 40b erzeugt werden. Gleiches gilt für Lichtschnittmesseinrichtung 28, wobei aufgrund der teil-perspektivischen Ansicht in Fig. 2 die auf den zweiten Hauptoberflächen der Referenzobjekte 40a und 40b erzeugten Lichtmessstreifen in Fig. 2 nicht zu sehen sind.
Im in Fig. 2 gezeigten Vergleichsbeispiel umfasst die Referenzeinrichtung zum Bestimmen eines Referenzabstands zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 also zwei Referenz- Objekte 40a und 40b.
Da die Dicke der Referenzobjekte 40a und 40b genau bekannt ist und die Abstände zu den Referenzobjekten 40a und 40b im laufenden Betrieb der Messeinrichtung von Fig. 2 jeweils mit ermittelt werden, kann als Referenzabstand beispielsweise der Abstand zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 durch Verknüpfung der Abstände der Lichtschnittmesseinrich- tung 26 zur ersten Hauptoberfläche der Referenzobjekte 40a und 40b, der Dicke der Referenzobjekte 40a und 40b sowie der Abstände der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 zur zweiten Hauptoberfläche der Referenzobjekte 40a und 40b bestimmt werden. Alternativ kann auch die Differenz der tatsächlichen Dicke der Referenzobjekte von der mittels den Lichtschnittmesseinrichtungen bestimmten Dicke als Referenzgröße verwendet werden. Mittels der Differenz könnten dann die Dickenwerte, die mittels der Lichtschnittmessein- richtungen bestimmt werden, über die gesamte Breite der Messlichtstreifen korrigiert werden.
Obwohl die Verwendung von zwei Referenzobjekten 40a und 40b im in Fig. 2 gezeigten Beispiel die erzielbare Messgenauig- keit gegenüber dem Verwenden eines einzigen Referenzobjekts zusätzlich erhöht, kann in einem weiteren Beispiel der lediglich ein Referenzobjekt verwendet werden, um einen Referenzabstand zu bestimmen.
Mit anderen Worten zeigt Fig. 2 eine weitere Möglichkeit, eine Referenzmessung zu erhalten, die sich ergibt, wenn die Bahnbreite bzw. die Breite des zu vermessenden Objekts 20 geringer ist als der Erfassungsbereich verwendeter Lichtschnittvorrichtungen. In diesem Fall können rechts und links vom Bahnmaterial 20 Referenzobjekte 40a und 40b, beispielsweise in Form von Blechstreifen bekannter Dicke, unter einem bekannten Winkel (vorzugsweise wie in Fig. 2 gezeigt horizontal) angeordnet werden. Durch Vergleich der aus der Messung mit den Lichtschnittmessköpfen ermittelten Dicke dieser Blechstreifen mit der bekannten Dicke können Korrekturwerte ermittelt werden, die zur Korrektur der Messdaten für das Bahnmaterial herangezogen werden. Auch eine eventuelle Verkippung der Lichtschnittmesseinrichtungen 26 bzw. 28 senkrecht zu einer Vorschubrichtung 44 kann mittels der Vermessung der Referenzobjekte ermittelt und korrigiert werden. Bei einem Beispiel wird als Messlichtstreifen ein Lichtstreifen monochromatischen Lichts, beispielsweise Licht, das durch einen Laser erzeugt wird, verwendet. Um auf den Oberflächen der statischen Referenzobjekte 40a und 40b die Bildung von Speckle-Mustern zu verhindern, können die Referenzobjekte (Bleche) so schnell in vertikaler (oder horizontaler) Richtung bewegt bzw. in Vibration versetzt werden, dass Speckle während einer Lichtschnittmessung, die typisch mehrere Hundert Mikrosekunden dauert, herausgemit- telt werden. Da für die Auswertung bzw. Berücksichtigung der Dicke und die Errechnung des Referenzabstands lediglich die Differenz des Abstands von Ober- und Unterseite des Bahnmaterials zur jeweiligen Lichtschnittmesseinrichtung bzw. zum jeweiligen Messkopf herangezogen wird, ist die vertikale Position der Vergleichsbleche unerheblich. Ist dass Blech, wie bevorzugt, an jeder Stelle gleich dick, gilt dies auch für die horizontale Position, was erfindungsgemäß auf einfache Art und Weise, die Unterdrückung von Speckle-Mustern ermöglicht. Dies hat den großen Vor- teil, dass Laserlicht verwendet werden kann, welches aufgrund seiner geringen Divergenz die Bildung „dünnerer" Messlichtstreifen ermöglicht. Dies erhöht zusätzlich die erzielbare Ortsauflösung des Verfahrens.
Alternativ zur Verwendung von Laserlicht kann eine Weiß- lichtguelle zur Projektion einer Lichtlinie herangezogen werden, wobei die Referenzobjekte dann statisch angeordnet sein können.
Werden Lichtschnittmesseinrichtungen verwendet, kann die Vorschubgeschwindigkeit des Objekts 20 in der Vorschubrichtung 44 äußerst hoch gewählt werden, da Lichtschnittmesseinrichtungen hohe Messfrequenzen erlauben. Dadurch wird der Durchsatz stark erhöht. Eine hohe Vorschubgeschwindig- keit in Vorschubrichtung 44 verhindert zudem die Bildung von Speckle-Mustern auf der Oberfläche des Objektes, da diese sich dann während der Messdauer einer Messphase der Lichtschnittmesseinrichtungen herausmitteln. Die hohe mögliche Messfrequenz von Lichtschnittmessverfahren erlaubt es also Lichtmessstreifen mittels Laser zu projizieren, und sich eine daraus resultierende Erhöhung der Ortsauflösung zu Nutze zu machen.
Darüber hinaus kann durch Mittelung des Messsignals über mehrere Spuren des Sensors und durch zeitliche Filterung der Messdaten eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Dickenbestimmung erreicht werden, wenn Lichtschnittmessvor- richtungen verwendet werden. Dies ist möglich, da Lichtschnittsensoren selbst bei 1,5 m Breite des Lichtschnitt- messstreifens eine Auflösung von 1 mm senkrecht zur Vorschubrichtung erlauben und die Messfrequenz von Lichtschnittsensoren wesentlich höher als die typischerweise erforderliche Zeitauflösung ist.
Die Fig. 3A und 3B zeigen ein weiteres Vergleichsbeispiel, bei dem das Objekt 20 räumlich so ausgedehnt ist, dass je Seite des Objekts zwei Lichtschnittmesseinrichtungen erfor- derlich sind, um Abstandsinformationen über die gesamte Breite des Objekts zu bestimmen. Daher sind zusätzlich zu der Lichtschnittmesseinrichtung 26, die einer ersten Hauptoberfläche 46 des Objekts 20 zugewandt ist und zu der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28, die einer zweiten Hauptoberfläche 48 des Objekts 20 zugeordnet ist, eine dritte Lichtschnittmesseinrichtung 50 (2a) und eine vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 (2b) vorgesehen. Die dritte Lichtschnittmesseinrichtung 50 ist dabei der ersten Hauptoberfläche 46 und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 ist der zweiten Hauptoberfläche 48 zugewandt. Die Lichtebenen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 und der dritten Lichtschnittmesseinrichtung 50 sind durch die Geometrie der Anordnung derart festgelegt, dass diese sich in einem zentralen Überlappbereich 54 überschneiden. Dar- über hinaus erzeugt die erste Lichtschnittmesseinrichtung 26 auf der Oberfläche des ersten Referenzobjekts 40a einen Messlichtstreifen und die dritte Lichtschnittmesseinrichtung 50 erzeugt auf der Oberfläche des zweiten Referenzob- jekts 40b einen Messlichtstreifen. Gleiches gilt spiegelverkehrt für die zweite Lichtschnittmesseinrichtung 28 und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52. Die Lichtebenen der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 und der vierten Lichtschnittmesseinrichtung 52 überlappen also ebenfalls innerhalb des zentralen Bereichs 54, die zweite Lichtschnittmesseinrichtung 28 erzeugt einen Messlichtstreifen auf dem ersten Referenzobjekt 40a und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 erzeugt einen Messlichtstreifen auf dem zweiten Referenzobjekt 40b.
Zur Unterscheidung der unterschiedlichen Messlichtstreifen im Überlappbereich, der von zwei Lichtschnittmesseinrich- tungen gleichzeitig beobachtet wird, können beispielsweise unterschiedliche Lichtwellenlängen mit korrespondierenden Wellenlängenfiltern verwendet werden. Prinzipiell sind auch andere Methoden denkbar, beispielsweise eine Feinstruktu- rierung der unterschiedlichen Messlichtstreifen, etwa indem der Messlichtstreifen in bestimmten Abständen unterbrochen ist, sodass eine Identifizierung über dieses Muster erreicht werden kann.
Wie im Folgenden nochmals beschrieben, ist es durch die Verwendung des Konzepts also möglich, die Dicke von Objek- ten zu bestimmen, welche eine geometrische Ausdehnung besitzen, die über die maximal mit einer einzigen Lichtschnittmesseinrichtung zugänglichen Breite hinausgeht. Anhand der Fig. 3B ist beispielhaft exemplarisch dargestellt, wie aus den Daten der vier in Fig. 3A gezeigten Lichtschnittmesseinrichtungen die Dicke des Objekts 20 über die gesamte Breite desselben bestimmt werden kann. Dabei sind in Fig. 3B zunächst für den vereinfachten Fall einer perfekt planaren Oberfläche die mittels der Sensoren der Lichtschnittmesseinrichtungen 26, 28, 50 und 52 erhaltenen Aufnahmen der Lichtmessstreifen schematisch dargestellt. Dabei sind erste Lichtschnittaufnahmensegmente 60a und 60b der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26, Lichtschnittaufnahmensegmente 62a und 62b der dritten Lichtschnittmessein- richtung 50, Lichtschnittaufnahmensegmente 64a und 64b der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 und Lichtschnittaufnahmensegmente 66a und 66b der vierten Lichtschnittmesseinrichtung 52 zugeordnet. Die Lichtschnittaufnahmensegmente 60a, 62a, 64a und 66a sind also diejenigen Teile der Messlichtstreifen, die auf der Oberfläche des Objekts 20 erzeugt werden. Die Lichtschnittaufnahmensegmente 60b, 62b, 64b und 66b symbolisieren diejenigen Teile der Messlichtstreifen, die auf den Referenzobjekten 40a und 40b erzeugt werden.
Im in Fig. 3B gezeigten Fall sind die Abweichungen, die sich durch eventuelle Schrägstellung bzw. NichtParallelität der einzelnen Lichtschnittmesseinrichtungen ergeben können, übertrieben dargestellt, um das Verfahren bzw. das Konzept deutlicher zu machen.
Um aus den in Fig. 3B stilisiert gezeichneten Messlichtaufnahmen der einzelnen Messlichtstreifen die Dicke über die gesamte Breite des Objekts 20 bestimmen zu können, werden zunächst eventuelle Verkippungen der einzelnen Messlichteinrichtungen 26, 28, 50 oder 52 korrigiert, was analog zum in Fig. 2 diskutierten Fall mittels der Referenzobjekte möglich ist. Danach werden die Ergebnisse der ersten Licht- Schnittmesseinrichtung 26 mit den Ergebnissen der dritten Lichtschnittmesseinrichtung 50 abgeglichen, d. h. ein Winkel α zwischen dem Messlichtaufnahmensegment 60a und dem Messlichtaufnahmensegment 62a wird so lange variiert, bis beide Messlichtaufnahmen 60a und 62a im Überlappbereich 54 im Wesentlichen identische Werte liefern. Das heißt, eine eventuelle Nicht-Parallelität der der ersten Lichtschnittmesseinrichtung zugeordneten Lichtebene und der der dritten Lichtschnittmesseinrichtung zugeordneten Lichtebene wird korrigiert. Dies kann beispielsweise durch einen Least- Square-Fit geschehen, der die quadratischen Fehler der Einzelmessungen zum durch Anpassung erzielten Wert der Lichtschnittaufnahmen im Überlappbereich 54 minimiert. Selbiges Verfahren wird für die zweite Lichtschnittmessein- richtung 28 und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 durchgeführt, so dass sich nach Angleichung der unterschiedlichen Messköpfe ein in Fig. 3B gezeigtes Bild ergibt. Durch Bestimmung des Referenzabstands zwischen den einzelnen Lichtschnittmesseinrichtungen unter Verwendung der zu den Referenzobjekten 40a und 40b gemessenen Abstände kann nun die Dicke des zu vermessenden Objekts 20 auf dessen Gesamtbreite bestimmt werden.
Obwohl in Fig. 3A und 3B das Konzept unter Verwendung von lediglich zwei Lichtschnittmesseinrichtungen pro Seite des zu vermessenden Objekts illustriert ist, können Beispiele von Messeinrichtungen auch mehr als zwei Lichtschnittmesseinrichtungen je Oberfläche aufweisen. Ist dies erforder- lieh, um die gesamte Breite des Objekts 20 abzudecken, kann ähnlich wie in Fig. 3A und 3B skizziert, vorgegangen werden. In diesem Fall wird im ersten Schritt für die beiden äußeren Messanordnungen, die jeweils ein horizontal (oder unter einem bekannten Winkel) liegendes Referenzobjekt erfassen, der Winkelfehler der Messköpfe senkrecht zur Vorschubrichtung bestimmt. Für die weiter innen liegenden Messanordnungen wird die Verkippung sukzessive von außen nach innen bestimmt, indem die Uberlappbereiche zur Angleichung der Messkuren verwendet werden. Die Dicke über die gesamte Breite des Objekts 20 ergibt sich dann analog zum oben beschriebenen Verfahren durch Verwendung der bekannten Dicken der Referenzobjekte 40a und 40b.
Zusammenfassend kann man also sagen, dass selbst wenn die Bahnbreite größer ist als diejenige Breite, die mit einer einzelnen Abstandsmesseinrichtung bzw. Anordnung von jeweils einem über und einem unter dem Bahnmaterial bzw. dem Objekt 20 angeordneten Lichtschnittdetektor abgedeckt werden kann, mehrere solche Anordnungen nebeneinander angeordnet werden können, um eine größere Breite abzudecken. In diesem Fall erfassen nur die äußeren Messeinrichtungen bzw. Abstandsmesseinrichtungen jeweils ein Referenzteil bzw. Referenzobjekt. Überlappen sich die Messbereiche der Anordnungen ausreichend, können jedoch Relativbewegungen und eine eventuelle Verkippung der Messköpfe senkrecht zur Vorschubrichtung korrigiert werden. Da ein Licht- schnittmesskopf nur Abstände erfasst, würde eine Verkippung eines Messkopfs ohne Korrektur zu falschen Dickenwerten führen. Eine schematische Darstellung des Problems gibt, wie bereits oben beschrieben, beispielsweise Fig. 3B. Die linke Messanordnung (Lichtschnittmesseinrichtungen 26 und 28) erfasst das linke Referenzteil (Referenzobjekt 40a), die rechte Messanordnung (Lichtschnittmesseinrichtung 50 und 52) erfasst das rechte Referenzteil bzw. das rechte Referenzobjekt 40b. Eine eventuelle Verkippung der einzelnen Messköpfe senkrecht zur Vorschubrichtung, die im in Fig. 3A gezeigten Fall senkrecht zur Darstellungsebene verläuft, wird mit Hilfe der horizontal angebrachten Referenzobjekte ermittelt und korrigiert. Nach Korrektur der Winkelfehler werden die Ergebnisse der Messköpfe Ia und 2a bzw. Ib und 2b aufeinander abgeglichen, so dass beide Messköpfe im Überlappbereich weitgehend identische Werte liefern (z. B. durch Least-Square-Fit) . Hierdurch entstehen durchgehende Messergebnisse für die obere bzw. untere Messanordnung .
Im letzten Schritt werden die Ergebnisse durch Vergleich mit den bekannten Dicken der Referenzobjekte abgeglichen. Nach diesem Schritt liegen für jeden Messpunkt Dickenwerte für das Bahnmaterial vor. Im in Fig. 3A und 3B gezeigten Fall wird zur vereinfachenden Darstellung angenommen, dass das Objekt 20 bzw. ein zu untersuchendes Bahnmaterial eine ebene Oberfläche aufweist. Ohne Beschränkung der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Konzepts können jedoch erfindungsgemäß auch unebene Objekte vermessen werden, so beispielsweise Bleche, die in Vorschubrichtung gekrümmt sind bzw. Profilbleche, die ein dreieckiges bzw. quadratisches oder rechteckiges Profil aufweisen können.
Obwohl in Fig. 3 ein Beispiel für die Verwendung von mehr als einer Lichtschnittmesseinrichtung je Seite des zu vermessenden Objekts 20 gezeigt ist, bei dem der Referenzabstand mittels Referenzobjekten bestimmt wird, ist das Konzept mit mehreren Lichtschnittmesseinrichtungen auch bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbin- düng mit den in Fig. 1 gezeigten radiometrischen Sensoren zur Bestimmung des Referenzabstands möglich. Dabei wäre für eine solche radiometrische Referenzmessung je einander gegenüberliegender Lichtschnittmesseinrichtung, also für die Paare der Lichtschnittmesseinrichtungen 26 und 28 bzw. der Lichtschnittmesseinrichtungen 50 und 52 ein radiometrischer Sensor erforderlich. Die Referenzobjekte 40a und 40b können dann entfallen. Wie bereits anhand von Fig. 1 diskutiert, ist dabei zur Bestimmung einer Abstandsänderung zwischen den beiden über bzw. unter dem Objekt 20 bzw. dem Bahnmaterial angeordneten Lichtschnittmessköpfen, welche zu einem Fehler in der Dickenmessung führen würde, nur ein einziger Strahlungsdetektor benötigt.
Wie ebenfalls bereits anhand von Fig. 1 diskutiert, kann bei Verwendung solcher radiometrischer Verfahren (Strahlungsquelle und Strahlungsdetektor) gleichzeitig eine mögliche Verkippung der Lichtschnittmessköpfe korrigiert werden, wenn für jedes Paar einander gegenüberliegender Lichtschnittmesseinrichtungen zusätzlich eine zweite radio- metrische Messeinrichtung verwendet wird.
Ebenso wie im in Fig. 3A gezeigten Fall können auch bei Verwendung radiometrischer Detektoren zur Bestimmung der Referenzabstände mehr als zwei Lichtschnittmesseinrichtun- gen je Seite verwendet werden, wobei dann jede Lichtschnittmesseinrichtung zumindest eine radiometrische Messeinheit zur Bestimmung des ihm zugeordneten Referenzabstands aufweist.
Anhand von Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Materialstärke eines Objekts schematisch in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Zur Bestimmung der Materialstärke wird dabei zunächst in einem ersten Abstandsmessschritt 80 ein erster Abstand zwischen einer Abstandsmesseinrichtung und einer ersten Hauptoberfläche des Objekts bestimmt.
In einem zweiten Abstandsmessschritt 84 wird ein zweiter Abstand zwischen einer zweiten Abstandsmesseinrichtung und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten .Hauptoberfläche des Objekts bestimmt.
In einem dritten Schritt 84 wird eine Information über einen Referenzabstand, der eine Bestimmung einer Abweichung eines tatsächlichen Abstands zwischen der ersten Abstandsmesseinrichtung (26) und der zweiten Abstandsmesseinrichtung (28) von einem Sollabstand erlaubt, bereitgestellt.
In einem Auswerteschritt 86 wird aus dem ersten Abstand, dem zweiten Abstand und dem Referenzabstand die Materialstärke des Objekts ermittelt.
Als Abstandsmesseinrichtungen können andere Messeinrichtungen, als die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Lichtschnittmessverfahren verwendet werden. Hier kommen beispielsweise Laufzeitverfahren, wie Ultraschall- Echoverfahren oder Radar-Echoverfahren in Betracht, die beispielsweise Interferenzen der reflektierten und der ausgesendeten Signale verwenden können, um eine präzise Abstandsinformation zu erhalten. Obwohl in den Fig. 2 und 3A bzw. 3B Referenzobjekte mit quaderförmiger Geometrie gezeigt sind, können erfindungsgemäß Referenzobjekte beliebiger anderer Geometrien verwendet werden. Bei einem weiteren Vergleichsbeispiel wird ein Referenzobjekt in Form einer rotierenden Kreisscheibe verwendet. So wird zum einen erreicht, dass sich keine die Messgenauigkeit verschlech- ternden Speckle-Muster beim Einsatz von Lasern bilden. Darüber hinaus werden etwaige während der Produktion verursachten Unebenheiten in der Oberfläche des kreisförmigen Objekts durch die Rotation herausgemittelt, so dass insge- samt die Messgenauigkeit dadurch zusätzlich erhöht werden kann .

Claims

Patentansprüche
1. Messvorrichtung zur Bestimmung der Materialstärke eines Objekts, mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Abstandsmesseinrichtung (26) zum Bestimmen eines ersten Abstands (32a) zwischen der ersten Abstandsmesseinrichtung (26) und einer der ersten Ab- Standsmesseinrichtung zugewandten ersten Hauptoberfläche (46) des Objekts (20) in einer Messrichtung;
einer zweiten Abstandsmesseinrichtung (28) zum Bestimmen eines zweiten Abstands (32b) zwischen der zweiten Abstandsmesseinrichtung (28) und einer der ersten Hauptoberfläche (46) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (48) des Objekts (20) in Messrichtung;
einer bezüglich der ersten (26) und der zweiten Ab- Standsmesseinrichtung (28) in räumlich fester Orientierung angeordneten Röntgeneinrichtung (30a, 30b) , um aus einer entlang einer Röntgenrichtung durch das Objekt (20) verursachten Abschwächung von Röntgenstrahlung auf eine erste Materialstärke des Objekts (20) in der Röntgenrichtung zu schließen; und
einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Materialstärke (22) des Objekts (20) zwischen der ersten Hauptoberfläche (46) und der zweiten Hauptoberfläche (48) unter Verwendung des ersten Abstands (32a), des zweiten Abstands (32b) und der ersten Materialstärke.
2. Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, bei der die erste Abstandsmesseinrichtung und die zweite Abstands- messeinrichtung ausgebildet sind, den ersten Abstand und den zweiten Abstand berührungslos zu bestimmen.
3. Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 oder 2, bei der die Messrichtung zur ersten Hauptoberfläche (46) des Objekts (20) senkrecht ist.
4. Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei der die erste Abstandsmesseinrichtung und die zweite Abstandsmesseinrichtung ausgebildet sind, einen Abstand zu einem in einer Messrichtung ausgedehnten Oberflächenbereich des Objekts zu bestim- men, wobei die Röntgeneinrichtung (30a, 30b) ausgebildet ist, die erste Materialstärke für einen in Messrichtung weniger ausgedehnten Oberflächenbereich zu bestimmen.
5. Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei der die Röntgeneinrichtung bezüglich der ersten (26) und der zweiten Abstandsmesseinrichtung derart angeordnet ist, dass die Röntgenrichtung parallel zur Messrichtung verläuft.
6. Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, die ferner eine bezüglich der ersten (26) und der zweiten Abstandsmesseinrichtung (28) in einer räumlich festen weiteren Orientierung angeordnete zweite Röntgeneinrichtung umfasst, um aus einer entlang einer zweiten Röntgenrichtung durch das Objekt verursachten Abschwächung von Röntgenstrahlung auf eine zweite Materialstärke des Objekts (20) entlang der zweiten Röntgenrichtung zu schließen; wobei
die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, aus der ersten und der zweiten Materialstärke auf eine relative räumliche Anordnung zwischen der ersten (26) und der zweiten Abstandsmesseinrichtung (28) zu schließen.
7. Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Abstandsmesseinrichtung eine erste Lichtschnittmesseinrichtung mit einer ersten Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Messlichtstreifens (42a, 42b, 42c) auf der ersten Hauptoberfläche (46) des Objekts (20) umfasst; und die zweite Ab- standsmesseinrichtung (28) eine zweite Lichtschnitt- messeinrichtung mit einer zweiten Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Messlichtstreifens auf der zweiten Hauptoberfläche des Objekts (20) umfasst.
8. Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 7, bei der die erste Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Messlichtstreifens und die zweite Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Messlichtstreifens je einen Laser umfassen.
9. Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 7, bei der die erste Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Messlichtstreifens und die zweite Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Messlichtstreifens je eine Weisslichtquelle umfassen.
10. Vorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 7 bis 9, bei der die erste Einrichtung zum Erzeugen eines ersten Messlichtstreifens und die zweite Einrichtung zum Erzeugen eines zweiten Messlichtstreifens so angeord- net sind, dass sich der erste Messlichtstreifen (42a, 42b, 42c) und der zweite Messlichtstreifen auf einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Objekts (20) gegenüberliegen.
11. Messvorrichtung gemäß einem der Patentansprüche 7 bis 10, bei der die erste Abstandsmesseinrichtung (26) eine dritte Lichtschnittmesseinrichtung (50) mit einer dritten Einrichtung zum Erzeugen eines dritten Messlichtstreifens auf der ersten Hauptoberfläche des Ob- jekts (20) umfasst; und
die zweite Abstandsmesseinrichtung (28) eine vierte Lichtschnittmesseinrichtung (52) mit einer vierten Einrichtung zum Erzeugen eines vierten Messlichtstreifens auf der zweiten Hauptoberfläche des Objekts (20) umfasst, wobei von der ersten Einrichtung zum Erzeugen eines Messlichtstreifens und von der dritten Einrich- tung zum Erzeugen eines dritten Messlichtstreifens auf der Oberfläche des Objekts (20) erzeugte Messlichtstreifen in einem Überlappbereich auf der Oberfläche des Objekts räumlich überlappen, und wobei von der zweiten Einrichtung zum Erzeugen des zweiten Mess- lichtstreifens und von der vierten Einrichtung zum Erzeugen des vierten Messlichtstreifens auf der zweiten Hauptoberfläche des Objekts (20) erzeugte Messlichtstreifen in einem Überlappbereich auf der zweiten Hauptoberfläche des Objekts (20) räumlich überlappen.
12. Messvorrichtung gemäß Patentanspruch 11, bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, eine Abstandsinformation der ersten und der dritten Lichtschnittmess- einrichtung im Überlappbereich aufeinander anzupassen um eine angepasste Abstandsinformation zu erhalten, so dass die erste und die dritte Lichtschnittmesseinrich- tung im Überlappbereich eine Abweichung zur angepass- ten Abstandsinformation aufweisen, die innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
13. Verfahren zur Bestimmung der Materialstärke eines Objekts, mit folgenden Schritten:
Bestimmen eines ersten Abstands zwischen einer ersten Abstandsmesseinrichtung und einer der ersten Abstands- messeinrichtung zugewandten ersten Hauptoberfläche des Objekts in einer Messrichtung;
Bestimmen eines zweiten Abstands zwischen einer zwei- ten Abstandsmesseinrichtung und einer der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche des Objekts in Messrichtung; Bestimmen einer ersten Materialstärke des Objekts aus einer entlang einer Röntgenrichtung durch das Objekt verursachten Abschwächung von Röntgenstrahlung in der Röntgenrichtung; und
Bestimmen der Materialstärke des Objekts in Messrichtung zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche unter Verwendung des ersten Ab- Stands, des zweiten Abstands und der ersten Materialstärke.
14. Verfahren gemäß Patentanspruch 13, in dem der erste Abstand, der zweite Abstand berührungslos ermittelt werden.
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