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Dokumentenidentifikation DE102004053659B3 13.04.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche
Anmelder My Optical Systems GmbH, 97232 Giebelstadt, DE
Erfinder Jurca, Marius, 63755 Alzenau, DE
Vertreter Ostertag & Partner, Patentanwälte, 70597 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 03.11.2004
DE-Aktenzeichen 102004053659
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G01J 5/08(2006.01)A, F, I, 20051116, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 11/24(2006.01)A, L, I, 20051116, B, H, DE   G01N 21/55(2006.01)A, L, I, 20051116, B, H, DE   G01N 13/04(2006.01)A, L, I, 20051116, B, H, DE   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche entlang einer Linie (24) wird das von der Objektoberfläche emittierte und/oder reflektierte Licht erfaßt. Erfindungsgemäß wird im Strahlengang einer Fokussierlinse (22) zur Erfassung der temperaturbedingten Emission der Objektoberfläche ein transparanter drehbar gelagerter Polygonscanner (16) mit einer geraden Anzahl von paarweise gegenüberliegend parallel angeordneten Facetten (A, AA, B, BB) zwischengeschaltet. Entsprechend der Winkellage des Polygonscanners wird kontinuierlich die temperaturbedingte Emission und/oder die reflektierte Strahlung der Objektoberfläche entlang der Linie (24) durch den vom Polygonscanner verursachten parallelen Versatz (d) des Strahlungsgangs der Fokussierlinse (22) erfaßt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 4.

In vielen Bereichen der Technik kommt es darauf an, Temperaturprofile punktgenau zu erfassen. Dies ist im Prinzip auch mit diskreten punktförmigen Temperatursensoren möglich, die auf die zu erfassende Prüflingsoberfläche entlang einer gewünschten Linie appliziert werden. In der Regel setzt diese Vorgehensweise eine stationäre und hier nicht in Betracht gezogene möglicherweise einmalige Applikation voraus. Bei der vorliegenden Anwendung geht es um kontinuierliche Prozesse, so daß eine solche Lösung nicht in Frage kommt.

Um die hier vorgeschlagene Messung möglichst lückenlos durchführen zu können, muß sie berührungslos und sehr schnell erfolgen.

Es sind Sensoren bekannt, die die Temperatur eines Meßpunktes berührungslos erfassen. Mit den meisten bekannten Sensoren dieser Art lassen sich nur Temperaturprofile der abgetasteten Oberfläche entlang der Bewegungsrichtung des Prozesses erfassen. Die vorliegende Aufgabe ist, eine (nahezu) lückenlose und ortsauflösende Erfassung von Temperaturprofilen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Prozesses zu implementieren. Die bekannten Sensoren lassen eine solche Messung nicht zu, da sie entweder stationär angebracht sind und somit nur die im „Sichtfeld" des Sensor befindliche Werkstückoberfläche und entlang der Bewegungslinie die Temperatur erfassen können oder, wenn dieselben hin und her quer zur Bewegungslinie geschwenkt oder translatorisch mit einem übergeordneten elektromechanischen System bewegt werden, niemals bei schnell ablaufenden Prozessen wegen der vorhandenen mechanischen Trägheit des Sensors und des übergeordneten Bewegungssystems die gewünschte Werkstück-Oberflächentemperatur lükkenlos (oder nahezu lückenlos) erfassen können.

Es sind beispielsweise auch Sensoren bekannt, bei denen nur der Meßstrahl über einen oder mehrere hin und her schwenkbaren Spiegel so umgelenkt wird, daß eine senkrecht (oder nahezu senkrecht) zur Bewegungslinie liegende Meßspur entsteht. Hier wird tatsächlich eine gewisse Ortsauflösung erzielt, aber das Verfahren hat weiterhin erhebliche Einschränkungen, da die schwenkbaren Spiegel aufgrund der eigenen mechanischen Trägheit keine lineare, sondern meistens eine sinusförmige Bewegung ausführen, so daß die Verweilzeit des Meßflecks auf der Werkstückoberfläche positionsabhängig ist und somit auch den erfaßten Meßwert beeinflußt. Zwar ist die erzielbare Meßgeschwindigkeit relativ hoch, aber durch die Spiegelträgheit trotzdem begrenzt, so daß die Messung bei sehr schnellen Prozessen nicht lückenlos erfolgen kann. Ein weiterer wichtiger Nachteil des erwähnten Verfahrens besteht darin, daß der Meßstrahl stets den Winkel und damit auch den Abstand zur Werkstückoberfläche während der Schwenkbewegung ändert und damit die Messung von der meist unbekannten Abstrahlcharakteristik der zu messenden Oberfläche stark beeinflußt wird. Hinzu kommt außerdem die „Feldwölbung" der Meßlinie, d.h. daß ohne eine teuere korrigierende Optik die Meßpunkte auf einer gekrümmten Linie in der Scanebene liegen. Die „punktförmig berührungslos messenden Temperatursensoren" messen außerdem die Oberflächentemperatur nicht in einem nahezu dimensionslosen Punkt, sondern üblicherweise in einem runden Meßfleck mit einem Durchmesser von ca. 3 bis 15mm. Diese Sensoren erfassen lückenlos das Integral der Temperatur einer breiten Spur gemäß dem Meßfleckdurchmesser entlang der Bewegungsrichtung der Werkstückoberfläche, wobei hier aufgrund von optischen Abbildungsnichtlinearitäten, aufgrund der Form des Meßflecks und aufgrund der zu erfassenden Temperaturprofilen quer zur Bewegungsrichtung systematische Meßfehler auftreten, die eine ortsauflösende Temperaturmessung unmöglich machen. Als Hinweis hierzu sei bemerkt, daß ein kreisförmiger Temperaturmeßfleck eine wesentlich höhere nichtlineare Meßempfindlichkeit in der Mitte als am Rande des Meßflecks aufweist, da die Länge der Meßstrecke in der Mitte des Meßflecks dem Durchmesser entspricht und am Rande des Meßflecks kürzer ist, daß der schließlich erfaßte temperaturabhängige Meßwert von der örtlichen Emissivität und von der vierten Potenz der örtlich vorhandenen Temperatur sowie von der ortsabhängigen Abstrahlcharakteristik des Werkstückoberfläche abhängt.

Eine weitere bekannte Klasse von Sensoren, die eine ortsaufgelöste Temperaturmessung quer zur Bewegungsrichtung ermöglicht, besteht aus zeilenförmig angeordneten punktförmigen temperaturempfindlichen Sensoren (ähnlich wie Zeilenkameras). Diese Sensoren kommen der gestellten Aufgabe am nächsten, aber sie haben ebenfalls schwerwiegende Nachteile. So ist die Materialauswahl des Sensors eingeschränkt und somit hängt der meßbare Temperaturbereich von den verfügbaren Sensormaterialien ab. Ferner weist die Sensorzeile Lücken zwischen den einzelnen Sensoren auf, so daß bei scharf abbildenden Optiken die Lükkenlosigkeit der Messung nicht mehr gegeben ist. Ein weiterer Nachteil besteht in der ungleichmäßigen Empfindlichkeit der einzelnen Punktsensoren der Zeile (Herstellungstoleranz). Das läßt sich in der Regel kalibrieren, aber stellt eine weitere Verkomplizierung und Verteuerung des Meßsystems dar. Die Kosten eines solchen Meßsystems sind sehr hoch und fast exponentiell abhängig von der Anzahl der Einzelsensoren der Zeile, wobei auch die komplizierte erforderliche Abbildungsoptik einen erheblichen Anteil hat. Bedingt durch die Zeilenkosten und verfügbaren Materialien sowie bedingt durch die Größe von solchen Komponenten ist die Realisierung von Zwei- oder Mehr-Wellenlängen-Pyrometern nicht denkbar und im industriellen Maßstab auch bislang nicht realisiert.

Die einzige Temperatursensor-Klasse, die prinzipiell eine Lösung der gestellten Aufgabe ermöglicht, besteht aus Einzelsensoren, wobei der Meßstrahl über rotierende Spiegel (wie z.B. Polygonscannern) umgelenkt wird. In diesem Fall werden die Probleme aufgehoben, die mit der mechanischen Trägheit des Scanners zusammenhängen. Bei sehr großen Drehgeschwindigkeiten müssen zwar die Scanner ausgewuchtet und mit Luftlager (o.ä.) ausgestattet werden, aber mit dieser Technik können prinzipiell ausreichend große und konstante Meßgeschwindigkeiten erreicht werden. Problematisch bei Polygonscannern sind jedoch: a) die Polygon-Größe, b) das in der Drehachse des Polygons liegendes Antriebselement mit seiner Größe, c) die o.g. Feldwölbung, die nur mit teueren Objektiven kompensiert werden kann, d) der meist ungenutzte relativ große Meßwinkel und e) die ständige Änderung des Meßwinkels zur Werkstückoberfläche. Ausgehend von einer gängigen Facettengröße von 10mm × 10mm beträgt beispielsweise der Durchmesser eines 12-fachen Polygons bereits ca. 40mm. Die übrigen hier genannten Nachteile wurden bereits bei den anderen Sensorklassen behandelt.

Im Bereich der berührungslosen Temperaturmeßtechnik sind zahlreiche Patente angemeldet worden, die aber gegenüber der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere Nachteile aufweisen, wobei das vorliegende Verfahren und die Beispielvorrichtung nicht die Temperaturmessung selbst, sondern die erfindungsgemäße Ortsauflösung der Messung und die technisch vorteilhafte Lösung beansprucht. Für die Ein- oder Zwei-Wellenlängen-Pyrometer mit und/oder ohne Verwendung einer Referenzstrahlungsquelle werden im Einzelnen folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert: US 3,433,052/ US 3,442,591/US 3,611,806/US 3,619,059/US 3,796,099/US 4,225,230/US 4,465,382/US 4,470,710/US 4,647,774/US 4,647,775/US 4,924,478/US 5,231,595 A. Für die multispektralen Meßmethoden mit und ohne Verwendung einer Referenzmessung werden folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert: US 3,822,098/US 4,708,493/US 4,880,314/US 5,868,496 A.

Für Meßmethoden mit gezielter Messung der Oberflächenreflektivität werden folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert: US 4,417,822/US 4,579,463. Für Temperaturscanner wird die US 4,439,049 zitiert. Für Meßmethoden zur Ermittlung der Lage der Planck-Kurve wird die US 4,605,314 und schließlich werden die US 4,605,314 und US 5,231,595 A für die wellenlängenabhängigen Trennung der Meßsignale zitiert. Für die konfokale Entfernungsmessung werden folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert: US 3,788,741/ US 4,081,215/

US 4,600,831/US 4,711,578/US 5,033,856 und GB 2 077 421 A. Die zitierten Schutzrechte weisen starke Abweichungen von der hier beanspruchten Vorrichtung und insbesondere durch das beanspruchte Scannverfahren auf. Vollständigkeitshalber werden hier in Bezug auf das beanspruchte Profilmeßverfahren der Objektoberfläche die Klasse der Triangulationsmeßmethoden mit fester Strahlprofil-Projektion oder der mit Hilfe von bewegten Umlenkspiegel erzeugten Projektion genannt, ohne konkrete Schutzrechte zu zitieren, da sie gegenüber der beanspruchten Meßmethode wesentliche Nachteile aufweisen und außerdem prinzipiell im Stand der Technik beschrieben wurden.

Aus dem Stand der Technik ist das Prinzip der Planparallelen-Platte zur Korrektur des Versatzes eines Strahlenganges bekannt. Dies wird meistens stationär als manuelle Feinjustage verwendet. Der erzeugte parallele Strahlversatz hängt vom Winkel der verwendeten Platte zur optischen Achse, von der Dicke und vom Brechungsindex der Platte ab.

Eine schnelle Profil-Messung läßt sich nur realisieren, indem in erster Linie die Trägheit aus dem mechanischen Scannersystem minimiert oder eliminiert wird. Dies läßt sich am einfachsten durch die Umwandlung der hin und her Bewegung in eine Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit realisieren. Ferner sind die geometrischen Bedingungen einer Temperaturmessung für die Genauigkeit der Messung entscheidend, d.h. der Meßwinkel zur Objektoberfläche muß für eine genaue Messung gleich sein, denn die Emissivität ist meßwinkelabhängig und sollte daher beim Scannen möglichst gleich sein. In der Annahme, daß die meisten technischen zu messenden Flächen flach sind, müßte daher eine entsprechende Profilmessung sicher stellen, daß der Meßstrahl in jedem Punkt der Profilmessung diese Bedingung erfüllt, d.h. es wird eine telezentrische Meßanordnung benötigt. Ferner ist die Aufgabe dieser Erfindung, die Begrenzung des Scannwinkels auf den erforderlichen Bereich zu begrenzen.

Die DE-OS 2 310 472 offenbart eine Anordnung, mit der ein Infratorbild eines Objekts zeilenweise abgetastet und auf einem Videomonitor dargestellt wird.

Die JP 05 026 733 A offenbart ein Thermometer mit einem rotierenden Spiegel.

Die EP 1 118 848 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung der Oberflächentemperatur eines Heizelements, dessen Wärmestrahlung mit Hilfe eines rotierenden Reflektors auf ein Pyrometer gerichtet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß mit einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit eine (nahezu) lückenlose und ortsauflösende Erfassung von Temperaturprofilen erzielt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Darin zeigen:

1 Prinzipdarstellung eines Temperaturscanners gemäß der Erfindung;

2 perspektivische Darstellung eines Scannerkäfigs mit Luftantriebstaschen und Haltern mit Luftdüsen;

3 Prinzipdarstellung einer Justagevorrichtung mit einer sichtbaren Laserdiode;

4 Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Temperaturscanners mit integriertem konfokalen Abstandsmesser;

5 perspektivische Darstellung eines transparenten Standard-Würfelscanners;

6 Seitenansicht des in der 5 gezeigten Würfelscanners, in der die Erzeugung eines Versatzes des Strahlengangs senkrecht auf die Scanebene erkennbar ist.

Zur Umsetzung des Meßverfahrens gemäß der Erfindung ist hier ein Sensorsystem 10 vorgeschlagen, in dem ein Meßstrahl 12 zwischen einem Meßpunkt auf der Objektoberfläche und einer Detektoreinrichtung 14 zur Erfassung der Objektoberflächentemperatur über einen für die Meßwellenlängen transparenten Polygonscanner 16 mit einer gerade Anzahl von Facetten A, AA, B, BB (siehe 5) in einem drehbar gelagerten und luftangetriebenen Käfig 18 (siehe 2) montiert ist, so daß der Meßstrahl 12 gemäß dem Planparalellen-Platten-Prinzip vom drehenden Polygonscanner 16 umgelenkt wird, wobei zur Erfassung der aktuellen Scanner-Winkellage eine zweite Meßvorrichtung 20 verwendet wird, die vorzugsweise optisch (wie eine Lichtschranke) funktioniert und quer zur optischen Achse OA des Sensorsystems 10 angeordnet ist. Die Winkellageerfassung des Polygons kann natürlich auch mit anderen Mitteln erfolgen.

In der 1 ist mit 21 eine Blende und mit 23 ein Filter angedeutet.

Der Käfig 18 verfügt über die gleiche gerade Anzahl von Öffnungen wie der transparente Polygonscanner 16, und die Lage der Käfigöffnungen entspricht der Lage der Polygonfacetten. Die gegenüber liegenden Facetten sind parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Polygonfacetten 4, d.h. der transparente Polygonscanner 16 ist ein transparenter Würfelscanner. Im folgenden wird nur auf den Würfelscanner Bezug genommen. Die übrig bleibenden Stege zwischen den Käfigöffnungen der zylindrischen Außenwand dienen der Befestigung des transparenten Würfels (an den Ecken) und zur Abdeckung des optisch unwirksamen Winkels des Scanners (s. 1 und 2).

Durch den Würfelscanner wird die Brennweite einer Fokussierlinse 22 etwas verkürzt, und es entsteht außerdem eine kleine, für normale Applikationen vernachlässigbare Feldwölbung von ca. 50&mgr;m bei einer Meßlinienlänge der Meßstrecke 24 von ±2 mm. Gleichzeitig ändert sich die Transmission des Würfelscanners in Abhängigkeit vom augenblicklichen Winkel der durchstrahlten optischen Flächen zur optischen Achse OA der Meßvorrichtung und ist maximal bei 90° (senkrecht auf die optischen Achse OA).

Die Vorrichtung 10 ist so ausgelegt, daß die Feldwölbung in Bezug auf den erfaßten Temperaturmeßwert bei einer flachen Objektoberfläche die winkelabhängige Transmission des Würfelscanners zumindest teilweise kompensiert. Diese Kompensation läßt sich auch für anders geformte Objektoberflächen realisieren.

In einer vorteilhaften Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist mindestens ein Paar der o.g. Polygonfacetten nicht parallel mit der Scanner-Rotationsachse 29 ausgelegt, wodurch der Strahlengang aus der Drehebene des Scanners austritt, so daß auf der Objektoberfläche zwei oder mehr Meßlinien versetzt in der Richtung der Prozeßbewegung, bzw. senkrecht auf die Scannebene entstehen (s. 6). Dies ist vorteilhaft, da die Messung ein quasistationäres Gesamtbild der zu messenden Stelle auf der Objektoberfläche anbietet.

Falls erforderlich (z.B. begrenzte Platzverhältnisse für den Sensoreinbau), kann der Strahlengang zwischen dem Würfelscanner und der Objektoberfläche über weitere Spiegel umgelenkt werden (ohne Abbildung).

Der Luftantrieb wurde hierzu vorgesehen, um die Größe des Scanners möglichst klein zu halten. Die Scannerdrehzahl läßt sich über den Luftdruck einstellen und wird aus Kosten- und Platzgründen nicht geregelt. Es sind auch andere konstruktive Varianten für den Antrieb des Scanners denkbar. Beispielsweise kann der hier benötigte Antrieb elektromagnetisch, berührungslos wie ein Rührstab in der chemischen Industrie wirken. Der hier genannte Luftantrieb besteht aus einer oder mehreren Düsen, die tangential auf die seitlichen Endflächen des Käfigs blasen, wo kleine Taschen 25 in der Außenwand des Käfigs ausgeformt sind. Vorzugsweise werden zwei Luftdüsen 27 (eine auf jeder Seite des Käfigs) verwendet (s. 2).

Da die Drehzahl des Scanners erfaßt wird, kann im Falle von höheren Ansprüchen an die Genauigkeit der Einhaltung einer konstanten Drehzahl der Luftdruck des Scannerantriebes über eine steuerbare Drossel oder über ein Ventil und einem entsprechenden Regler so geregelt werden, daß eine gewünschte Drehzahl eingestellt und gehalten wird.

Die Winkellage des Würfelscanners entspricht indirekt der Lage des Temperaturmeßflecks in der Drehebene des Scanners. Als Lichtquelle für die Winkellageerfassung ist vorzugsweise eine fasergekoppelte LED 26 und zur Positionserfassung eine positionsempfindliche Diode (PSD) 28 verwendet. Die Auflösung der Referenzmessung ist praktisch unendlich, da die PSD 28 mikrometergenau die Lage des Schwerpunktes des auftreffenden Lichtstrahls bildet. Durch die Verwendung eines kurzen Stücks einer optischen Faser wurde der Referenzstrahl ausreichend gut geformt, so daß er homogen und vollständig auf die Fläche der PSD 28 projiziert wurde (s. 1). Der oder die erfaßten Meßwert(e) werden mit der jeweiligen Winkellage des Würfelscanners korreliert und entsprechend durch eine übergeordnete Auswerteeinrichtung berücksichtigt.

Der Aufbau wurde beispielsweise mit einem schnellen Ge-Detektor 14 ausgestattet, wodurch Temperaturen ab ca. 300°C erfaßt werden können. Eine zwei-Wellenlängen-Temperaturmessung läßt sich auch in der vorgestellten Art realisieren. Durch die Chopperwirkung des Würfelscanners lassen sich auch preiswerte IR-Pyrodetektoren als Sensoren zur Erfassung der Objektoberflächentemperatur einsetzen.

Die örtliche Auflösung der Temperatur-Messung ist in der Praxis < 0,1 mm. Am Rande des Meßbereiches nimmt die Sensorempfindlichkeit ab, da die Transparenz des Würfels bei großen Umlenkwinkeln abnimmt. Dieser systematische Fehler läßt sich jedoch wegkalibrieren. Der Arbeitsabstand des Scanners beträgt beispielsweise 130mm und die Scanstrecke auf der Objektoberfläche ±2 mm. Bei der maximal erreichbaren Drehzahl des Würfelscanners erreicht die tatsächliche Scangeschwindigkeit 120 m/s. Trotz des geringen Druckluftverbrauches sind Drehzahlen von bis zu 60.000min-1zuverlässig erzielt worden, d.h. 4.000 Temperaturprofile pro Sekunde (4 Profile pro Umdrehung). Für einen dauerhaften Einsatz bei dieser Drehzahl muß der Scanner ausgewuchtet und eventuell Luftlager verwendet werden. Die hier beispielhaft genannten Abmessungen lassen sich beliebig skalieren. Die verwendete Druckluft muß frei von Partikeln, Öl und Wasser sein.

Um den praktischen Einsatz der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu verbessern, ist eine sichtbare Markierung auf der Objektoberfläche erforderlich, um die genaue Lage des Meßbereiches für Justagezwecke sichtbar zu machen. Aufgrund der Besonderheiten der Vorrichtung werden hier zwei prinzipielle applikationsabhängige Anordnungen für eine vorteilhafte Einkopplung der sichtbaren Strahlung einer Laserdiode in den Strahlengang des Scanners vorgeschlagen:

  • a) Falls ein unbeweglicher Punkt in der Mitte der Meßstrecke auf der zu messenden Objektoberfläche benötigt wird, so ist die Einkopplung zwischen Scanner und Objekt vorzunehmen, oder
  • b) Falls ein sichtbarer Strich im Bereich der Meßstrekke auf der Objektoberfläche benötigt wird, so ist die Einkopplung im kollimierten Teil des Strahlenganges zwischen Würfelscanner und Temperaturmeßvorrichtung vorzunehmen.

Besonders vorteilhaft ist eine getrennte Anordnung, bei der die kollimierte Strahlung einer sichtbaren Laserdiode 30, der eine Kollimationsoptik zugeordnet ist, durch ein 90°-Prisma 32 zwei gleiche Strahlen geteilt wird, die mit Hilfe zweier einstellbarer Spiegel 34 symmetrisch zur optischen Achse der Meßvorrichtung derart umgelenkt werden, daß sie sich genau in der Mitte bei 36 der Scanner-Temperaturmeßstrecke kreuzen. Damit wird die genaue Lage der Meßstrecke 24 angezeigt (s. 3). Diese Vorrichtung kann entweder in der Scanebene oder im Befestigungsflansch des Scanners (ohne Abbildung) und derart geneigt zur optischen Achse des Scanners, daß der Schnittpunkt der beiden Markierungsstrahlen der sichtbaren Laserdiode genau in der Mitte der Scannerstrecke liegt.

Es kann die sichtbare Markierungsvorrichtung mit einer auf derselben Wellenlänge messenden Vorrichtung kombiniert werden, um den Rückreflex von der Objektoberfläche zwecks Gewinnung von weiteren Oberflächeninformationen zu messen. Unter anderem ist eine solche Messung zur Ermittlung der Oberflächenreflektivität und/oder Emissivität geeignet und kann für komplexe und unregelmäßige Verläufe der besagten Eigenschaften um eine oder mehreren sichtbaren und/oder unsichtbaren Wellenlängen erweitert werden. In diesem Fall ist eine sehr präzise und schnelle Messung der Temperatur entlang der Scanner-Temperaturmeßstrecke möglich.

Ferner ist der Einbau einer Matrix-Kamera in den Strahlengan der Vorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen, um den praktischen Einsatz der Vorrichtung zu verbessern, wobei die Kamera stets an einer bestimmten vorwählbaren Winkelposition des Scannerwürfels getriggert wird, um ein stehendes Bild zu erhalten (ohne Abbildung). Da die Scannergeschwindigkeit viel größer als die Bildwiederholfrequenz der Matrix-Kamera ist, erfolgt der Triggerzeitpunkt der Kamera jeweils nach einer einstellbaren Anzahl von Scannerumdrehungen. Vorzugsweise wird die Kamera in der 0-Position des Würfels getriggert, d.h. wenn die Scannerwürfelflächen senkrecht auf die optischen Achse der Vorrichtung stehen. Dabei ist der durch den Scannerwürfel erfaßte Bildausschnitt der Objektoberfläche groß genug, um den gesamten Meßbereich für Dokumentation und Kontrollzwecke sichtbar zu machen.

Ein typisches Einsatzfeld einer solchen Meßvorrichtung ist die Erfassung der thermischen Eigenschaften einer gerade hergestellten Schweißnaht oder die Überwachung von thermischen Prozessen an endlosen Werkstücken wie beispielsweise das Ziehen von Draht.

In diesen Fällen sind auch die geometrischen Eigenschaften der zu erfassenden Objekte in Verbindung und gleichzeitig mit deren thermischen Eigenschaften von größter Bedeutung. Zum einen bietet die beanspruchte Vorrichtung eine gute laterale Auflösung, so daß z.B. die Breite einer heißen Schweißnaht oder des Schmelzbades beim Schweißen oder der Drahtdurchmesser beim Drahtziehen zuverlässig und schnell erfaßt werden können.

Einfache Aufgaben lassen sich mit Hilfe der o.g. Markierungsvorrichtungen mit sichtbarem Licht realisieren, jedoch unregelmäßige Strukturen wie eine Schweißraupe lassen sich nur mit Hilfe einer zusätzlichen Erweiterung der Meßvorrichtung um eine konfokalen Entfernungsmessung ausreichend genau vermessen, wie dies in der 4 gezeigt ist. Eine konfokale Entfernungsmessung kann nach dem Rückreflex-Prinzip mit einer oder mehreren Wellenlängen, die vorzugsweise auch als sichtbare Lichtmarkierung dienen, durchgeführt werden. Dabei wird die Fokussierlinse 22 der beanspruchten Vorrichtung mit einem möglichst großen und linear verlaufenden chromatischen Fehler ausgelegt, so daß die Brennpunkte von unterschiedlichen Wellenlängen, die gleichzeitig auf das zu messende Objekt projiziert werden, in unterschiedlichen Entfernungen liegen. Es wird dann die o.g. Rückreflex-Meßvorrichtung mit einer spektralen Trenn- und Analysevorrichtung ergänzt, die in der Lage ist, die Wellenlänge und die Intensität des Rückreflexes außerhalb und/oder einschließlich des Wellenlängenmeßbereiches, in dem die Temperaturmessung erfolgt, kontinuierlich zu erfassen.

Für einfache Aufgaben reichen zwei oder drei diskrete Wellenlängen zur Ermittlung eines groben geometrischen Höhenprofils aus dem Fokus der beanspruchten Vorrichtung aus. Für komplexe Aufgaben kann weißes Licht verwendet werden, wobei die Fokussierlinse der beanspruchten Vorrichtung das vorhandene Spektrum der Weißlichtquelle im Bereich der Temperaturmeßlinie in spektrale Bestandteile zerlegt, so daß eine in diesem Bereich liegende Oberfläche nur die Lichtanteile zurückreflektiert, die exakt auf die zu messenden Oberfläche fokussiert sind. Demnach entspricht die Wellenlänge des Rückreflexes der Lage der Objektoberfläche im Fokus, so daß in Verbindung mit der Scannerbewegung die gesamte Profilform der Objektoberfläche im Fokus vier Mal pro Scannerumdrehung gemessen wird.

Da der Strahlenversatz durch den Würfelscanner wellenlängenabhängig ist, entsteht ein kleiner winkelabhängiger systematischer Meßfehler, der in Bezug auf die augenblickliche Winkellage des Würfelscanners berechnet und kompensiert werden kann.

Bei dem in der 4 gezeigten Sensorsystem 10' wird über die Fokussierlinse 22 wird mit Hilfe der berührungslosen Temperaturmeßeinrichtung 14 punktuell die temperaturbedingte Emission einer Objektoberfläche im Bereich 24 erfaßt. Um die räumliche Auflösung der Temperaturmessung zu erhöhen, ist der drehbar gelagerter transparenter Polygonscanner 16 in den Strahlengang integriert, so daß durch den entstandenen Parallelversatz des Strahlenganges, der in der 6 mit d bezeichnet ist, die Oberflächenemission entlang der Meßlinie 24 erfaßt wird.

Zur Erfassung der Winkellage des Polygonscanners (hier als Würfel dargestellt) wird quer zur optischen Achse der Meßvorrichtung das kollimierte Licht der LED 26 durch den Polygonscanner auf die PSD 28 projiziert. Dadurch kann jeder Temperaturmeßwert einer Position entlang der Meßlinie 24 zugeordnet werden. Gleichzeitig wird das Licht einer multispektralen Lichtquelle 40 über eine optische Faser 45 koaxial in den Strahlengang der Meßvorrichtung eingekoppelt. Bedingt durch die chromatischen Aberrationen der Fokussierlinse 22 wird das Spektrum der Lichtquelle 40 zerlegt und in den Höhenmeßbereich 46 fokussiert. Beim Auftreffen des Lichtes auf der Objektoberfläche wird die exakt darauf fokussierte Wellenlänge zurückreflektiert und kann aus der Faser 45 über einen Verzweiger 42 ausgekoppelt und mit einem spektralen Analysator 44 ausgewertet werden. Die hier gemessene Wellenlänge entspricht der Position des Auftreffpunktes des Lichtes im Höhenmeßbereich 46. Somit läßt sich zu den gewonnenen Temperaturmeßdaten auch die geometrische Objektoberflächenform entlang der Meßlinie 24 ermitteln.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche entlang einer Linie (24), bei welchem von der Objektoberfläche emittiertes und/oder reflektiertes Licht erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang einer Fokussierlinse (22) zur Erfassung der temperaturbedingten Emission der Objektoberfläche ein transparenter drehbar gelagerter Polygonscanner (16) mit einer geraden Anzahl von paarweise gegenüberliegend parallel angeordneten Facetten (A, AA, B, BB) zwischengeschaltet wird, so daß entsprechend der Winkellage des Polygonscanners (16) kontinuierlich die temperaturbedingte Emission und/oder die reflektierte Strahlung der Objektoberfläche entlang der Linie (24) durch den vom Polygonscanner (16) verursachten parallelen Versatz (d) des Strahlengangs der Fokussierlinse (22) erfaßt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sichtbarmachung der augenblicklichen Meßposition auf der Objektoberfläche das Licht einer multispektralen sichtbaren Lichtquelle (40) mit einem Wellenlängenbereich außerhalb des erfaßten Wellenlängenbereichs der Objektoberflächenemission in denselben Strahlengang koaxial eingekoppelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das geometrische Höhenprofil der Objektoberfläche entlang der Linie (24) durch die spektrale und intensitätsmäßige Auswertung des Rückreflexes der multispektralen Lichtquelle (40) an der Objektoberfläche ort- und zeitgleich mit der Erfassung der temperaturbedingten Emission der Objektoberfläche erfaßt wird.
  4. Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche entlang einer Linie (24), bei welcher von der Objektoberfläche emittiertes und/oder reflektiertes Licht erfaßt wird,

    gekennzeichnet durch:

    a) eine Fokussierlinse (22),

    b) einen transparenten und drehbar gelagerten Polygonscanner (16) mit einer geraden Anzahl von paarweise gegenüberliegend parallel angeordneten Facetten (A, AA, B, BB), der zwischen der Fokussierlinse (22) und der Objekt-Oberfläche angeordnet ist, deren temperaturbedingten Emission erfaßt werden soll.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel (26, 28) zur Bestimmung der Winkellage des Polygonscanners (16).
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine integrierte konfokale Entfernungsmeßeinrichtung (40, 42, 44, 45) zur Bestimmung des geometrischen Höhenprofils der Objektoberfläche entlang der Linie (24).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konfokale Entfernungsmeßeinrichtung eine multispektrale Lichtquelle (40) und einen spektralen Analysator (44) umfaßt.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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