WO2015043583A1 - Messsystem und messverfahren zur messung einer oberflächendehnung mittels eines plasmonischen reflektors - Google Patents

Messsystem und messverfahren zur messung einer oberflächendehnung mittels eines plasmonischen reflektors Download PDF

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WO2015043583A1
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Andreas Schiffler
Jürgen GIERL
Frank Benkert
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance

Definitions

  • the invention relates to a measuring system for measuring a surface strain on a machine part. Furthermore, the invention relates to a measuring method for said measurement.
  • Scope of the Invention Strain gauges are widely used to monitor force loading or torsion loading of various components or machines.
  • the problem usually lies in the fact that such an expansion is not readily apparent, in particular in an optical way can rarely be made statements on the strain of a component.
  • a suitable sensor For a sustained monitoring of loaded components, it is therefore necessary to first of all use a suitable sensor, whereby the measured values of the sensor must be monitored accordingly.
  • strain measurements are usually performed on surfaces, where the surface strain of the component can be determined by a variety of methods.
  • Typical sensors for strain measurements on surfaces are so-called strain gauges, which can assume a wide variety of shapes and are widely used today.
  • the technique of the strain gauges is exemplified by DE 10 2006 012 831 A1, in which the Linearis did and the Khech a strain gauge are made the subject of improvement.
  • a problem with the methods mentioned by way of example from the prior art is the electrical wiring which accompanies the respective sensor and therefore leads to design problems if the strains or the surface expansions of movable machine parts are to be determined.
  • a plasmonic reflector on the machine part for generating plasmons by an interaction of photons of the test light beam with a periodic structure of the plasmonic reflector, wherein a part of an energy of each interacting photon is delivered to a plasmon
  • an analyzer for spectral analysis of a reflected from the plasmonic reflector response beam, wherein the response steel is formed from participating in the interaction photons.
  • Photons are light quanta, which have no rest mass but are clearly defined by their energy and can be assigned in vacuum to a certain wavelength of the electromagnetic light.
  • Plasmons are quantized vibrations of an electron gas, as occurs approximately in crystals or solids and, according to the invention, also in the periodic structure of the plasmonic reflector.
  • an electron gas is to be regarded as a physical model, which describes the group behavior of electrons in a solid.
  • the periodic structure like the atoms in a metal lattice, be able to form a conduction band for plasmons so that they can be optically excited and propagated within the periodic structure.
  • the periodic structure consists, for example, of a polymer, but this polymer must have been doped with particles of at least one conductor or otherwise enriched, so that sufficient electrons are available to form at least approximately an electron gas.
  • electron gas refers to a model of the behavior of groups of electrons, which, after an optical excitation, together carry out a coordinated movement and thus form the plasmon. This is not a free electron gas, but an electron gas, which exists within a conduction band for plasmons, as provided by the periodic structure.
  • the light source generates a test light beam which is directed to the periodic structure of the plasmonic reflector.
  • the light cone of the test light detects the periodic structure over at least one or two periods.
  • the test light excites plasmons in the periodic structure, with the interacting photons giving off part of their energy. This energy is absorbed by the plasmon and dissipated within the periodic structure.
  • a response beam reflected from the plasmonic reflector contains photons which have given off some of their energy to plasmon and thus have a different frequency or a different wavelength. This can be determined by an analyzer, which performs a spectral analysis of the response beam and detects a spectral shift of the reflected light. This spectral shift can be related to the dimensions of the periodic structure.
  • a periodic quantity or a periodic position can now be investigated on the basis of the measured spectral shift for a specific periodic structure. Effects on the periodic structure or the periodic size allow conclusions about the surface strain of the machine part or its torsional state.
  • it can be determined without contact by means of the measuring system according to the invention whether a change has taken place in the periodic structure, which in turn suggests a surface expansion of the machine part.
  • the surface strain is different in different ways to couple indirectly or indirectly with the periodic structure. This can be done for example via an adhesive or welding process or the like.
  • the periodic structure of the plasmonic reflector is connected or coupled to the surface of the machine part such that the surface strain affects at least one periodic size or periodic position of the periodic structure.
  • This change can be recognized in the periodic structure by the optical readout, which detects a spectral shift in comparison between the test light and the response beam.
  • the periodic structure is formed at least partially from periodically arranged microstructures.
  • Microstructures are structures that are smaller than 10 "3 meters and larger than 10 " 6 meters.
  • a rotary measurement can be carried out, which determines a rotation angle of a rotatable machine part.
  • the microstructures are formed from nanostructures.
  • the nanostructures are in the range of 10 "6 to 10 " 9 meters. Since the nanostructures are significantly smaller than the microstructures, it is possible to detect even very small strains and possibly to combine them with a rotation angle measurement. Thus, the nanostructure allows the strain measurement and the microstructure allows the measurement of a rotation angle or a rotation speed.
  • the microstructures and / or the nanostructures form periodically spaced-apart cylinders.
  • the periodic size of the distances or the spaced-apart cylinder wherein the distance or distances is to bring in the simplest way with a wavelength shift in combination.
  • the cylinders of the periodic structure are at least locally pulled apart or pushed together, so that the associated wavelength shift is detectable. It may well be that elsewhere the distance or the distances between the cylinders also adapt accordingly. Thus, attention must be paid to the size of the light cone of the test beam, so that one can ensure a reliable local assignment of the observed strain.
  • the machine part is a movable, in particular rotatable, machine part.
  • the machine part is a movable, in particular rotatable, machine part.
  • the non-contact measuring technology also offers an advantage for movable or even rotating machine parts, as they occur, for example, in industry or automotive technology.
  • the machine part is a shaft, a hub or a rolling element. All machine parts mentioned are subject to a certain load, which is well worth a measurement of the surface strain in one or the other application.
  • the plasmonic reflector is formed on the machine part, in particular applied as a coating, or fixed on the machine part, in particular glued.
  • a corresponding coupling transfers the surface expansion of the machine part to the periodic structure such that a periodic variable or a periodic position or its changes remain spectrally recognizable.
  • the periodic structure includes a first and a second coding.
  • a microstructure could vary depending on the NEN position show a slightly modified variant of another microstructure, so that for example in a wave on the basis of the partial beam illuminated microstructure is immediately apparent in which state of rotation is the wave.
  • the nanostructure could be used to perform the strain measurement by observing periodic sizes of the nanostructure from time to time, or in different microstructures, which allows two measurement methods to be combined in one measurement system.
  • codings are conceivable which relate, for example, to characteristic features of a machine or of the machine part.
  • a microstructure or a nanostructure is made of a bar code or a two-dimensional point code.
  • a measuring method for measuring a surface strain on a machine part which includes measuring method:
  • a plasmonic reflection on a periodic structure on the machine part wherein a part of an energy of each interacting photon is delivered to a plasmon by an interaction of photons of the test light beam with the periodic structure, and a spectral analysis of a response beam originating from the plasmonic reflection consisting of the photons involved in the interaction.
  • FIG. 1A shows periodically arranged microstructures with integrated nanostructure
  • FIG. 1B shows a simple microstructure
  • FIG. 1 D shows a third microstructure
  • FIG. 1 E shows a simple nanostructure
  • FIG. 5 shows a diagram with a spectrum of the test light beam in comparison to the spectrum of a corresponding reflected response beam.
  • 1A shows a periodic structure 10, 1 1 or at least part of a periodic structure in the micro-region (10 "6 ) .
  • Together, 16 of the microstructures 10 are periodically arranged in two directions. consists of a nanostructure 1 1, both of which can be used for a separate coding.
  • the nanostructure 1 1 is used for a strain measurement or an indirect torsion measurement by monitoring periodic variables within the nanostructure 1 1 and thus in some way changing a property of the back-reflected photons. In addition to a spectral shift, this may alternatively or additionally include a change in the amplitude and the phase position.
  • Figures 1 B, 1 C, 1 D show examples of microstructures suitable for a double encoding.
  • microstructures such as the microstructures 12 of Figure 1 B, consist of a further, not shown, nanostructure and indicate by a slight modification of the macrostructure, for example, to a specific position or a certain angle of rotation of the machine part, wherein the information content the nanostructure of which can be read untouched.
  • FIG. 1E shows a nanostructure of the simplest type, wherein the distance A forms a periodic quantity which can be measured by the optical measuring method.
  • the distance A changes with a spectral shift in comparison of the test light with the response beam. If the dependence between the distance A and the spectral shift is known, then this dependence can be used as a calibration curve.
  • the nanostructure shown it is possible to excite plasmons, with which part of the photon energy of the test light beam can be dissipated.
  • the plasmons absorb the energy, with the amount of energy depending on the structure in which the plasmons have been generated. In this way lets the energy loss of each photon or the associated wavelength shift close to a very specific distance A.
  • the distance A may typically be on the order of 200 to 300 nanometers.
  • FIG. 2 shows a microstructure based on stars, wherein a Y-permutation PY can be distinguished from an X-permutation PX. As a result, it can be recognized at which point of the XY grid the measurement takes place. It is given an absolute information to the reading position, wherein a strain measurement based on a star shown, or by its nanostructure, is possible at any time.
  • Figure 3 shows a cylindrical roller bearing with differently loaded cylindrical rollers during a rotation D.
  • the load zone in which the elastic load of the cylindrical rollers is highest.
  • On the end face of the cylindrical rollers shown thus sets in response to the forces acting on the cylindrical roller force F1, F2 or F3, a different surface strain.
  • periodic structures are attached, each forming a plasmonic reflector.
  • a periodic quantity such as the distance between cylindrical elements in the nanostructure, can be used to detect a surface strain.
  • the periodic variable changes as a function of the position of the cylindrical roller or as a function of the force F1, F2 or F3 acting on it. Since the propagation conditions of plasmons change due to different strains in the periodic structure, the plasmon energy required for plasmone production also changes. Consequently, an interacting photon of the test light beam has to give off more or less energy and thus undergoes a different spectral shift.
  • Each participating periodic structure 31, 32, 33 can thus be assigned a corresponding spectral shift as a function of the load state of the associated cylindrical roller. In this way, it is recognized to which load the respective cylindrical rollers are exposed. Therefore, for example, after a corresponding calibration, the forces F1, F2 and F3 have become optically readable. It is important that the periodic structure, which may, for example, be glued to the end face, is the same on each cylindrical roller, so that individual cylindrical rollers do not have to be distinguished per se.
  • FIG. 4 shows a measuring system with a light source 43, which radiates a test light beam 45 onto a plasmonic reflector 40 and spectrally analyzes the back-reflected response beam 44 in an analyzer 42 and possibly otherwise.
  • the plasmonic reflector 40 has a periodic structure which is intended to characterize the surface tension on the shaft 41 by being applied thereto, for example by gluing. Thanks to the nano-structure applied to the plasmonic reflector 40, a strain measurement is possible, whereby the torque of the shaft 41 can also be directly closed. This measurement can be accomplished by a prior calibration, where each surface tension is assigned the corresponding torsion or torque.
  • the shaft 41 is mounted with the roller bearings 38 and rotates about the axis of rotation R. Also in this application, it is conceivable information about external loads (kinetics) and kinematic states such as the angular position or a speed of the shaft 41 query.
  • the wavelengths of the test light beam 45 can be in the range of visible light, but also in the infrared and / or on frequencies of the gigahertz and Terrazertz Suitees lie. Accordingly, the nanostructure must be adapted so that the generation of a plasmone is possible.
  • FIG. 5 shows by way of example a spectral shift of approximately 80 nanometers, wherein the spectrum 50 is the spectrum of the test light beam 45 and the spectrum 51 is the spectrum of the response beam 44 of FIG.
  • the exact spectral difference of the respective center wavelength can be determined and a corresponding change of the periodic variable can be assigned.
  • the invention relates to a measuring system and a measuring method for measuring a surface strain on a machine part 41.
  • a test light beam 45 it is proposed to follow an optical approach involving the generation of a test light beam 45 and to generate a plasmonic reflector 40 having a periodic structure 10, 1, 12 for generating plasmons.
  • the periodic structure 10, 1, 12 which is formed by a nanostructure 1 1, which may optionally be embedded in a microstructure 10, 12
  • part of an energy of each interacting photon is used to generate a plasmone the periodic structure 10,1 1, 12 delivered.
  • the reflected response beam 45 contains photons that are different from the photons of the test light beam 44. Based on this discrepancy, it is possible to detect a change in the periodic structure 10, 1, 12 and thus to determine the surface expansion or even a torque of the machine component 41.
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Messverfahren zur Messung einer Oberflächendehnung auf einem Maschinenteil (41). Um bisherige Methoden des Standes der Technik zu verbessern wird vorgeschlagen einen optischen Ansatz zu verfolgen, der die Generierung eines Testlichtstrahls (45) beinhaltet und einen plasmonischen Reflektor (31, 32, 33, 40) mit einer periodischen Struktur (10, 11, 12) dazu verwendet, Plasmonen zu generieren. In Abhängigkeit der Verzerrung der periodischen Struktur (10, 11, 12), die im Wesentlichen eine Nanostruktur (11) ist, die gegebenenfalls in einer Mikrostruktur (10, 12) eingebettet sein kann, wird ein Teil einer Energie jedes wechselwirkenden Photons zur Generierung eines Plasmons an die periodische Struktur (10, 11, 12) abgegeben. Somit enthält der reflektierte Antwortstrahl (44) Photonen, die im Vergleich zu den Photonen des Testlichtstrahles (45) anders beschaffen sind. Anhand dieser Diskrepanz ist es möglich eine Änderung der periodischen Struktur (10, 11, 12) zu erkennen und damit die Dehnung oder sogar ein Drehmoment des Maschinenbauteils (41) zu ermitteln.

Description

Bezeichnung der Erfindung
Messsystem und Messverfahren zur Messung einer Oberflächendehnung mittels eines plasmonischen Reflektors
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Messung einer Oberflächendehnung auf einem Maschinenteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messverfahren für die genannte Messung.
Gebiet der Erfindung Dehnungsmessungen werden weitläufig dazu eingesetzt eine Kräftebelastung oder Torsionsbelastung diverser Bauteile oder Maschinen zu überwachen. Die Problematik liegt normalerweise darin, dass eine derartige Dehnung nicht ohne weiteres erkennbar ist, insbesondere auf optische Weise können selten Aussagen zur Dehnungsbelastung eines Bauteils gemacht werden. Für eine nach- haltige Überwachung belasteter Bauteile ist es von daher notwendig zunächst einen geeigneten Sensor einzusetzen, wobei die Messwerte des Sensors entsprechend überwacht werden müssen.
Hintergrund der Erfindung
Dehnungsmessungen werden in der Regel an Oberflächen ausgeführt, wobei die Oberflächendehnung des Bauteils mittels unterschiedlichsten Methoden bestimmt werden kann. Typische Sensoren für Dehnungsmessungen an Oberflächen sind sogenannte Dehnungsmessstreifen, die unterschiedlichste Formen annehmen können und heute auf breiter Basis eingesetzt werden. Zur Technik der Dehnungsmessstreifen sei beispielhaft die DE 10 2006 012 831 A1 genannt, in der die Lineari- tat und das Khechverhalten eines Dehnungsmessstreifens zum Gegenstand einer Verbesserung gemacht werden.
Zur Messung nicht metallischer Maschinenbauteile kennt der Stand der Tech- nik auch andere Messwertaufnehmer zur Erfassung hoher örtlicher Oberflächendehnungen, wie sie beispielsweise aus der EP 0 227 036 A2 bekannt sind. Dehnungen werden hier mittels eines mit Quecksilber gefüllten Schlauches gemessen, wobei die Quecksilbersäule elektrisch leitend mit Anschlussdrähten verbunden ist und damit in einen elektrischen Stromkreis integriert werden kann.
Problematisch an den exemplarisch aus dem Stand der Technik genannten Methoden ist die elektrische Verkabelung, die mit dem jeweiligen Sensor einhergeht und von daher zu konstruktiven Problematiken führt, wenn die Deh- nungen, beziehungsweise die Oberflächendehnungen, von bewegbaren Maschinenteilen ermittelt werden sollen.
Was für eine elektrische kabelbasierte Anbindung gilt, gilt auch entsprechend für eine Anbindung per Lichtwellenleiter, wie sie bei optischen Dehnungsmess- streifen (fiber-Bragg-grating, FBG) verwendet werden. Mit anderen Worten, die bisherigen optischen Messmethoden liefern im Falle eines bewegbaren Maschinenteils keine sinnvolle Lösung. Beispielhaft sei hier die DE 10 2005 030 751 A1 genannt. In dessen Lehre wird der Einsatz eines Bragg-Gitters vorgeschlagen, welches per Glasfaser optisch abgefragt werden kann, ob ein Verformungskörper, wie zum Beispiel ein Bauteilbereich, einer Spannung oder einer Torsion unterliegt.
Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine berührungslose Messung der Oberflächendehnung eines Maschinenteils zu ermöglichen, wobei die Methode kosteneffizient und einfach umsetzbar sein soll. Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einem Messsystem der eingangs genannten Art da- durch gelöst, dass es folgendes aufweist:
eine Lichtquelle zur Generierung eines Testlichtstrahls,
einen plasmonischen Reflektor auf dem Maschinenteil zur Generierung von Plasmonen durch eine Wechselwirkung von Photonen des Testlichtstrahls mit einer periodischen Struktur des plasmonischen Reflek- tors, wobei ein Teil einer Energie jedes wechselwirkenden Photons an ein Plasmon abgegeben wird, und
einen Analysator zur spektralen Analyse eines vom plasmonischen Reflektor reflektierten Antwortstrahls, wobei der Antwortstahl aus an der Wechselwirkung beteiligten Photonen gebildet ist.
Photonen sind Lichtquanten, die keine Ruhemasse aufweisen, jedoch durch ihre Energie eindeutig definiert sind und im Vakuum einer bestimmten Wellenlänge des elektromagnetischen Lichtes zugeordnet werden können. Plasmonen sind quantisierte Schwingungen eines Elektronengases, wie es näherungsweise in Kristallen oder Festkörpern und gemäß der Erfindung auch in der periodischen Struktur des plasmonischen Reflektors vorkommt. Hierbei ist ein Elektronengas als physikalisches Modell zu betrachten, welches das Gruppenverhalten von Elektronen in einem Festkörper beschreibt. Für die Plasmonenbildung ist erforderlich, dass die periodische Struktur, ähnlich wie die Atome in einem Metallgitter, ein Leitungsband für Plasmonen ausbilden können, sodass diese optisch angeregt werden und innerhalb der periodischen Struktur propagieren können. Dabei besteht die periodische Struktur beispielsweise aus einem Polymer, jedoch muss dieses Polymer mit Partikeln mindes- tens eines Leiters dotiert oder anderweitig angereichert worden sein, sodass ausreichend Elektronen zur Verfügung stehen, um wenigstens näherungsweise ein Elektronengas auszubilden. Unter dem Begriff Elektronengas ist ein Modell der Verhaltensweise von Elektronengruppen zu sehen, welche nach einer optischen Anregung zusammen eine koordinierte Bewegung ausführen, und damit das Plasmon ausbilden. Dabei handelt es sich nicht um ein freies Elektronengas, sondern um ein Elektro- nengas, welches innerhalb eines Leitungsbandes für Plasmonen, wie es durch die periodische Struktur zur Verfügung gestellt wird, existiert.
Die Lichtquelle generiert einen Testlichtstrahl, welcher auf die periodische Struktur des plasmonischen Reflektors gerichtet wird. Der Lichtkegel des Test- lichtes erfasst hierbei die periodische Struktur über mindestens eine oder zwei Perioden hinweg. Das Testlicht regt in der periodischen Struktur Plasmonen an, wobei die hierfür wechselwirkenden Photonen einen Teil ihrer Energie abgeben. Diese Energie wird vom Plasmon aufgenommen und innerhalb der periodischen Struktur abgeführt. Dies führt dazu, dass ein vom plasmonischen Reflektor reflektierter Antwortstrahl Photonen enthält, die einen Teil ihrer Energie an Plasmonen abgegeben haben und somit eine andere Frequenz beziehungsweise eine andere Wellenlänge aufweisen. Dies lässt sich durch einen Analysator feststellen, der eine spektrale Analyse des Antwortstrahls durchführt und eine spektrale Verschiebung des reflektierten Lichts feststellt. Diese spekt- rale Verschiebung kann in Verbindung mit den Abmessungen der periodischen Struktur gebracht werden.
Beispielsweise durch eine Eichung oder durch eine theoretische Berechnung kann nunmehr für eine bestimmte periodische Struktur eine periodische Größe oder eine periodische Position anhand der gemessenen spektralen Verschiebung untersucht werden. Auswirkungen auf die periodische Struktur oder die periodische Größe lassen Rückschlüsse auf die Oberflächendehnung des Maschinenteils oder dessen Torsionszustand zu. Vorteilhafterweise lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Messsystems berührungslos feststellen, ob in der periodischen Struktur eine Änderung stattgefunden hat, die wiederum auf eine Oberflächendehnung des Maschinenteils schließen lässt. Die Oberflächendehnung ist auf unterschiedliche Weisen un- mittelbar oder mittelbar mit der periodischen Struktur zu koppeln. Dies kann beispielsweise über einen Klebe- oder Schweißvorgang oder dergleichen geschehen. Vorteilhafterweise ist die periodische Struktur des plasmonischen Reflektors derart mit der Oberfläche des Maschinenteils verbunden oder gekoppelt, dass die Oberflächendehnung wenigstens eine periodische Größe oder periodische Position der periodischen Struktur beeinflusst. Diese Änderung ist an der periodischen Struktur durch die optische Auslesung erkennbar, indem eine spekt- rale Verschiebung im Vergleich zwischen Testlicht und Antwortstrahl festgestellt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die periodische Struktur zumindest teilweise aus periodisch angeordneten Mikrostrukturen gebildet. Unter Mikro- strukturen werden Strukturen verstanden, die kleiner als 10"3 Meter sind und größer als 10"6 Meter. Durch die periodische Anordnung der Mikrostrukturen kann beispielsweise eine Drehmessung durchgeführt werden, die einen Drehwinkel eines rotierbaren Maschinenteils ermittelt. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Mikrostrukturen aus Nanostrukturen gebildet. Die Nanostrukturen liegen im Bereich von 10"6 bis 10"9 Metern. Da die Nanostrukturen deutlich kleiner sind als die Mikrostrukturen ist es möglich, auch sehr kleine Dehnungen zu erkennen und gegebenenfalls mit einer Drehwinkelmessung zu kombinieren. Somit erlaubt die Nanostruktur die Dehnungsmessung und die Mikrostruktur die Messung eines Drehwinkels oder einer Drehgeschwindigkeit.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die Mikrostrukturen und/oder die Nanostrukturen periodisch voneinander beabstandete Zylinder aus. Auf diese Weise ist es vergleichsweise einfach, als periodische Größe den oder die Abstände der beabstandeten Zylinder auszuwählen, wobei der oder die Abstände auf einfachste Weise mit einer Wellenlängenverschiebung in Verbindung zu bringen ist. Findet also eine Oberflächendehnung auf dem Maschinen- teil statt, so werden die Zylinder der periodischen Struktur zumindest lokal auseinandergezogen oder zusammengeschoben, sodass die zugehörige Wellenlängenverschiebung detektierbar wird. Es kann durchaus sein, dass an anderer Stelle sich der Abstand oder die Abstände zwischen den Zylindern eben- falls entsprechend anpassen. Somit muss darauf geachtet werden, welche Größe der Lichtkegel des Teststrahles aufweist, sodass man eine verlässliche örtliche Zuordnung der festgestellten Dehnung gewährleisten kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Maschinenteil ein bewegbares, insbesondere rotierbares, Maschinenteil. Zum einen lohnt sich der Einsatz der Erfindung bei feststehenden Maschinenteilen, die schwer zugänglich sind, wie zum Beispiel Maschinenteile die in einem Vakuum oder anderweitig schwer zugänglichen Orten angeordnet sind. Alternativ bietet die berührungslose Messtechnik auch einen Vorteil für bewegbare oder sogar rotierende Maschi- nenteile, wie sie beispielsweise in der Industrie oder der Automobiltechnik vorkommen.
Vorteilhafterweise ist das Maschinenteil eine Welle, eine Nabe oder ein Wälzkörper. Alle genannten Maschinenteile unterliegen einer gewissen Belastung, womit sich eine Messung der Oberflächendehnung in dem einen oder anderen Anwendungsfall durchaus lohnen wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der plasmonische Reflektor am Maschinenteil ausgebildet, insbesondere als Beschichtung aufgebracht, oder auf dem Maschinenteil befestigt, insbesondere aufgeklebt. Hierbei ist beabsichtigt, dass eine entsprechende Kopplung die Oberflächendehnung des Maschinenteils derart auf die periodische Struktur überträgt, sodass eine periodische Größe oder eine periodische Position beziehungsweise deren Änderungen spektral erkennbar bleiben. Vorteilhafterweise ergibt sich eine breite Palette von Aufbringungsmöglichkeiten.
Vorteilhafterweise enthält die periodische Struktur eine erste und eine zweite Codierung. Beispielsweise könnte eine Mikrostruktur in Abhängigkeit der eige- nen Position eine leicht geänderte Variante einer anderen Mikrostruktur zeigen, sodass beispielsweise bei einer Welle anhand der mit dem Teilstrahl beleuchteten Mikrostruktur sofort erkennbar ist in welchem Drehzustand sich die Welle befindet. Damit ist es für eine Drehpositionsbestimmung nicht erforderlich die Welle am Laufen zu halten, sondern man kann anhand des nicht bewegten Maschinenteils die Position der Welle bestimmen. Zugleich könnte die Nanostruktur dazu verwendet werden die Dehnungsmessung durchzuführen, indem periodische Größen der Nanostruktur von Mal zu Mal, beziehungsweise in unterschiedlichen Mikrostrukturen, beobachtet werden, womit sich zwei Messme- thoden in einem Messsystem kombinieren lassen. Grundsätzlich sind auch andere Codierungen denkbar, die beispielsweise charakteristische Eigenschaften einer Maschine oder des Maschinenteils betreffen. Beispielsweise ist es denkbar, dass eine Mikrostruktur oder eine Nanostruktur aus einem Strichcode oder einem zweidimensionalen Punktecode hergestellt ist.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein Messverfahren zur Messung einer Oberflächendehnung auf einem Maschinenteil gelöst, das Messverfahren beinhaltet:
eine Generierung eines Testlichtstrahles,
- eine plasmonischen Reflektion an einer periodischen Struktur auf dem Maschinenteil, wobei durch eine Wechselwirkung von Photonen des Testlichtstrahles mit der periodischen Struktur einen Teil einer Energie jedes wechselwirkenden Photons an ein Plasmon abgegeben wird, und eine spektrale Analyse eines von der plasmonischen Reflektion stam- menden Antwortstrahls, bestehend aus den an der Wechselwirkung beteiligten Photonen.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu ent- nehmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Fig. 1A periodisch angeordnete Mikrostrukturen mit integrierter Nano- struktur,
Fig. 1 B eine einfache Mikrostruktur,
Fig. 1 C eine zweite Mikrostruktur,
Fig. 1 D eine dritte Mikrostruktur, Fig. 1 E eine einfache Nanostruktur,
Fig. 2 eine zweifach codierte periodische Struktur,
Fig. 3 ein Zylinderrollenlager mit auf der Stirnseite der Zylinderrollen angebrachten periodischen Strukturen,
Fig. 4 ein Messsystem mit Lichtquelle und Analysator, und
Fig. 5 ein Diagramm mit einem Spektrum des Testlichtstrahles im Ver- gleich zum Spektrum eines korrespondierenden reflektierten Antwortstrahles.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1A zeigt eine periodische Struktur 10,1 1 oder zumindest einen Teil einer periodischen Struktur im Mikrobereich (10"6). Insgesamt sind 16 der Mikrostrukturen 10 in zwei Richtungen periodisch angeordnet. Jede Mikrostruktur 10 be- steht aus einer Nanostruktur 1 1 , die beide für eine separate Codierung herangezogen werden können.
Die Nanostruktur 1 1 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel für eine Deh- nungsmessung oder eine mittelbare Torsionsmessung herangezogen, indem periodische Größen innerhalb der Nanostruktur 1 1 überwacht werden und diese somit eine Eigenschaft der zurückreflektierten Photonen in irgendeiner Weise ändern. Dies kann neben einer spektralen Verschiebung auch alternativ oder zusätzlich eine Änderung der Amplitude und der Phasenlage beinhalten. Somit stehen drei Parameter zur Auswertung zur Verfügung, die gegebenenfalls auf eine Oberflächendehnung hinweisen können, die auf einem Maschinenteil auftritt, auf welchem die Mikrostruktur 10 und die Nanostruktur 1 1 aufgebracht sind. Die Figuren 1 B,1 C,1 D zeigen Beispiele von Mikrostrukturen, die sich für eine zweifache Codierung eignen. Die Mikrostrukturen, wie zum Beispiel die Mikrostrukturen 12 der Figur 1 B, bestehen aus einer weiteren, nicht gezeigten, Nanostruktur und weisen durch eine geringfügige Modifizierung der Makrostruktur beispielsweise auf eine ganz bestimmte Position oder einen bestimmten Dreh- winkel des Maschinenteils hin, wobei der Informationsgehalt der Nanostruktur davon unberührt ausgelesen werden kann.
Figur 1 E zeigt eine Nanostruktur der einfachsten Art, wobei der Abstand A eine periodische Größe bildet, die durch das optische Messverfahren gemessen werden kann. Der Abstand A ändert sich mit einer spektralen Verschiebung im Vergleich des Testlichtes mit dem Antwortstrahl. Ist die Abhängigkeit zwischen dem Abstand A und der spektralen Verschiebung bekannt, so kann diese Abhängigkeit als Eichkurve verwendet werden. In der gezeigten Nanostruktur ist es möglich Plasmonen anzuregen, womit ein Teil der Photonenenergie des Testlichtstrahls abgeführt werden kann. Die Plasmonen nehmen die Energie auf, wobei sich die Energiemenge nach der Struktur richtet, in der die Plasmonen generiert worden sind. Auf diese Weise lässt der Energieverlust des einzelnen Photons beziehungsweise die zugehörige Wellenlängenverschiebung auf einen ganz bestimmten Abstand A schließen. Der Abstand A kann typischerweise in der Größenordnung von 200 bis 300 Nanometern liegen.
Figur 2 zeigt eine Mikrostruktur basierend auf Sternen, wobei eine Y- Permutation PY von einer X-Permutation PX unterschieden werden kann. Dadurch kann erkannt werden an welcher Stelle des XY-Gitters die Messung stattfindet. Es wird eine absolute Information zur Leseposition gegeben, wobei eine Dehnungsmessung anhand eines gezeigten Sternes, beziehungsweise anhand dessen Nanostruktur, zu jeder Zeit möglich ist.
Figur 3 zeigt ein Zylinderrollenlager mit unterschiedlich belasteten Zylinderrollen während einer Drehung D. Im unteren Bereich zwischen dem Innenring 35 und dem Außenring 34 befindet sich die Lastzone, in der die elastische Beanspruchung der Zylinderrollen am höchsten ist. In Abhängigkeit der Position der Zylinderrolle steigt die auf ihr lastende Kraft F1 , F2 oder F3. Somit gilt F1 < F2 < F3. Auf der Stirnfläche der gezeigten Zylinderrollen stellt sich somit in Abhängigkeit der auf die Zylinderrolle wirkende Kraft F1 , F2 oder F3 eine andere Oberflächendehnung ein. Auf den gezeigten Stirnflächen der Zylinderrollen sind periodische Strukturen angebracht, die jeweils einen plasmonischen Reflektor ausbilden. Eine periodische Größe, wie zum Beispiel der Abstand zwischen zylin- derförmigen Elementen in der Nanostruktur können dazu herangezogen werden eine Oberflächendehnung zu detektieren. Die periodische Größe ändert sich in Abhängigkeit der Position der Zylinderrolle beziehungsweise in Abhängigkeit der auf diese wirkende Kraft F1 , F2 oder F3. Da sich die Ausbreitungsbedingungen von Plasmonen durch unterschiedliche Dehnungen in der perio- dischen Struktur ändern, ändert sich auch die für die Plasmonenerzeugung erforderliche Plasmonenenergie. Folglich muss ein wechselwirkendes Photon des Testlichtstrahles mehr oder weniger Energie abgeben und erleidet somit eine andere spektrale Verschiebung. Jeder beteiligten periodischen Struktur 31 ,32,33 kann somit in Abhängigkeit des Belastungszustandes der zugehörigen Zylinderrolle eine korrespondierende spektrale Verschiebung zugeordnet werden. Auf diese Weise wird erkannt, welcher Belastung die jeweiligen Zylinderrollen ausgesetzt sind. Daher sind auch, beispielsweise nach einer entsprechenden Eichung, die Kräfte F1 , F2 und F3 optisch auslesbar geworden. Dabei ist wichtig, dass die periodische Struktur, die beispielsweise auf die Stirnfläche aufgeklebt sein kann, auf jeder Zylinderrolle die gleiche ist, womit einzelne Zylinderrollen nicht per se unter- schieden werden müssen.
Figur 4 zeigt ein Messsystem mit einer Lichtquelle 43, die einen Testlichtstrahl 45 auf einen plasmonischen Reflektor 40 strahlt und in einem Analysator 42 den zurückreflektierten Antwortstrahl 44 spektral und gegebenenfalls anderwei- tig analysiert.
Der plasmonische Reflektor 40 weist eine periodische Struktur auf, die die Oberflächenspannung auf der Welle 41 charakterisieren soll, indem sie an diese beispielsweise durch Kleben aufgebracht ist. Dank der auf dem plasmoni- sehen Reflektor 40 aufgebrachten Nanostruktur ist eine Dehnungsmessung möglich, wodurch auch auf das Drehmoment der Welle 41 unmittelbar geschlossen werden kann. Diese Messung kann durch eine vorausgehende Eichung bewerkstelligt werden, wobei jeder Oberflächenspannung die entsprechende Torsion beziehungsweise das entsprechende Drehmoment zugeordnet wird.
Die Welle 41 ist mit den Wälzlagern 38 gelagert und rotiert um die Rotationsachse R. Auch in dieser Anwendung ist es denkbar Informationen zu externen Belastungen (Kinetik) und kinematische Zustände wie die Winkelposition oder eine Geschwindigkeit der Welle 41 abzufragen.
Die Wellenlängen des Testlichtstrahls 45 können im Bereich des sichtbaren Lichts, aber auch im infraroten und/oder auf Frequenzen des Gigahertz und Terrahertzbereiches liegen. Dazu entsprechend ist die Nanostruktur anzupassen, sodass die Generierung eines Plasmons möglich ist.
Figur 5 zeigt beispielhaft eine spektrale Verschiebung von etwa 80 Nanometer, wobei es sich bei dem Spektrum 50 um das Spektrum des Testlichtstrahls 45 und bei dem Spektrum 51 um das Spektrum des Antwortstrahls 44 der Figur 4 handelt. Durch beispielsweise einen Funktionsfit kann die genaue spektrale Differenz der jeweiligen Mittenwellenlänge bestimmt und eine entsprechende Änderung der periodischen Größe zugeordnet werden.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Messsystem und ein Messverfahren zur Messung einer Oberflächendehnung auf einem Maschinenteil 41 . Um bisherige Methoden des Standes der Technik zu verbessern, wird vorgeschlagen einen optischen Ansatz zu verfolgen, der die Generierung eines Testlicht- Strahls 45 beinhaltet und einen plasmonischen Reflektor 40 mit einer periodischen Struktur 10,1 1 ,12 dazu verwendet Plasmonen zu generieren. In Abhängigkeit der Verzerrung der periodischen Struktur 10,1 1 ,12, die durch eine Nanostruktur 1 1 gebildet ist, die gegebenenfalls in einer Mikrostruktur 10,12 eingebettet sein kann, wird ein Teil einer Energie jedes wechselwirkenden Pho- tons zur Generierung eines Plasmons an die periodische Struktur 10,1 1 ,12 abgegeben. Somit enthält der reflektierte Antwortstrahl 45 Photonen, die im Vergleich zu den Photonen des Testlichtstrahles 44 anders beschaffen sind. Anhand dieser Diskrepanz ist es möglich eine Änderung der periodischen Struktur 10,1 1 ,12 zu erkennen und damit die Oberflächendehnung oder sogar ein Drehmoment des Maschinenbauteils 41 zu ermitteln. Bezugszeichenliste
A Abstand, periodische Größe
F1 ,F2,F3 Kräfte in der Lastzone
I Intensität
D Drehrichtung
R Rotationsachse
PX X-Permutation
PY Y-Permutation
X,Y Koordinate
λ Wellenlänge
10 Mikrostruktur
1 1 Nanostruktur
12 Mikrostruktur
30 Zylinderrollenlager
31 ,32,33 plasmonischer Reflektor
34 Außenring
35 Innenring
38 Wälzlager
40 plasmonischer Reflektor
41 Welle
42 Analysator
43 Lichtquelle
44 Antwortstrahl
45 Testlichtstrahl
50 Spektrum des Testlichtstrahls
51 Spektrum des Antwortstrahls

Claims

Patentansprüche
Messsystem zur Messung einer Oberflächendehnung auf einem Maschinenteil (41 ) mit
- einer Lichtquelle (43) zur Generierung eines Testlichtstrahles (45),
- einem plasmonischen Reflektor (31 ,32,33,40) auf dem Maschinenteil (41 ) zur Generierung von Plasmonen durch eine Wechselwirkung von Photonen des Testlichtstrahles (45) mit einer periodischen Struktur (10,1 1 ,12) des plasmonischen Reflektors (31 ,32,33,40), wobei ein Teil einer Energie jedes wechselwirkenden Photons an ein Plasmon abgegeben wird, und
- einem Analysator (42) zur spektralen Analyse eines vom plasmonischen Reflektor (31 ,32,33,40) reflektierten Antwortstrahls (44), wobei der Antwortstrahl (44) aus an der Wechselwirkung beteiligten Photonen gebildet ist.
Messsystem nach Anspruch 1 , wobei die periodische Struktur (10,1 1 ,12) des plasmonischen Reflektors (31 ,32,33,40) derart mit der Oberfläche des Maschinenteils (41 ) verbunden oder gekoppelt ist, dass die Oberflächendehnungen wenigstens eine periodische Größe (A) oder eine periodische Position der periodischen Struktur (10,1 1 ,12) beeinflusst.
Messsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die periodische Struktur (10,1 1 ,12) zumindest teilweise aus periodisch angeordneten, Mikrostrukturen (10,12) und/oder periodisch angeordneten Nanostrukturen (1 1 ) gebildet ist.
Messsystem nach Anspruch 3, wobei die Mikrostrukturen (10,12) aus den Nanostrukturen (1 1 ) gebildet sind.
Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrostrukturen (10,12) und/oder die Nanostrukturen (1 1 ) periodisch voneinander beabstandete Zylinder ausbilden.
6. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Maschinenteil (41 ) ein bewegbares, insbesondere rotierbares, Maschinenteil (41 ) ist.
7. Messsystem nach Anspruch 6, wobei das Maschinenteil (41 ) eine Welle (41 ), eine Nabe oder ein Wälzkörper eines Wälzlagers ist.
8. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der plas- monische Reflektor (31 ,32,33,40) am Maschinenteil (41 ) ausgebildet, insbesondere als Beschichtung aufgebracht, oder auf dem Maschinenteil (41 ) befestigt, insbesondere aufgeklebt, ist.
9. Messsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die perio- dische Struktur (10,1 1 ,12) eine erste und eine zweite Codierung enthält.
10. Messverfahren zur Messung einer Oberflächendehnung auf einem Maschinenteil (41 ) mit
- einer Generierung eines Testlichtstrahls (45),
- einer plasmonischen Reflektion an einer periodischen Struktur
(10,1 1 ,12) auf dem Maschinenteil (41 ), wobei durch eine Wechselwirkung von Photonen des Testlichtstrahles (43) mit der periodischen Struktur (10,1 1 ,12) ein Teil einer Energie jedes wechselwirkenden Photons an ein Plasmon abgegeben wird, und
- einer spektralen Analyse eines von der plasmonischen Reflektion stammenden Antwortstrahls (44), bestehend aus an der Wechselwirkung beteiligten Photonen.
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