EuroWire July 2015

Technischer artikel

Lichtpunkt um den Draht. Drei Sensoren bei 120° prüfen gleichzeitig die schimmernde Energie auf der Oberfläche des Drahts.

E = A*ie* r*α*cosβ

Optisches Sensorsystem

Polierte Oberfläche

Lichtsensor A Ring von Grundlichtquellen

Ausbreitung

Bereich 1

Messfläche

Bereich 2

▲ ▲ Abb. 3 : Rauheitswirkung

Bereich 3

Lichtquellenstrahlen, einfallende Energie„ie“

Lichtsensor C

Lichtsensor C

Positionen Quelle/Lichtsensor Bereich 1/Sensoren A+C Bereich 2/Sensoren B+A Bereich 3/Sensoren C+B

Draht, Radius 7 r 8

▲ ▲ Abb. 5 : Vorderansicht des Systems

▲ ▲ Abb. 4 : Wirkung der Formveränderung Modellierungsbild

▲ ▲ Abb. 2 : Beleuchtung

Das Lichtquellensystem konzentriert sich auf jeden Strahl der Quelle in eine schmale Linie senkrecht verlaufend zur Drahtachse. Der Strahl ist beinah parallel zur anderen Ebene. Die Dicke der Linie bestimmt die Auflösung an der Drahtachse. Darüber hinaus sollen die Quellengrößen gering sein und die Optik ausreichend gut für die Anwendung.

• Die Leuchtpunktgröße (r*α) liegt im gleichen Verhältnis zum Drahtdurchmesser - was durchaus zufriedenstellend ist - und zur Winkelöffnung des optischen Systems. • Die vom Sensor empfangene Energie schwankt mit dem schrägen Einfall der Lichtquelle entsprechend cosβ. Mit dem Einsatz von drei Sensoren, schwankt „β“ innerhalb ±60° je Sensor, und erzeugt somit eine Amplitudenmodulation des Signals von 50 Prozent. Ausgeglichen wird dies durch ein Korrektionsfaktor, um eine flachen Verlauf anzuzeigen. Mit fünf Sensoren, fällt die direkte Schwankung auf 20 Prozent. • Die vom Sensor empfangene Energie steht auch in unmittelbarem Verhältnis zum Drahtdurchmesser. Das bedeutet, dass die einfallende Lichtquellenenergie „ei“ entsprechend angepasst werden muss, aber auch die Sensorik, abhängig von dem zu prüfenden Durchmesserbereich. Der kleinste Durchmesser, der sachgemäß geprüft werden konnte, war ein 10μm (schwarzer) Wolframdraht. • Der A-Faktor hat einen wesentlichen Einfluss sowohl während der Ausbreitung von Energie (Rauheit) wie bei der Absorption von Lichtstrahlen bei 850nm. Auswirkung liegt in der Formänderung entlang der Drahtachse (Knoten, Dellen, Mangel), die die reflektierten Strahlen aus der Winkelöffnung des Sensors ablenkt. Design Zur Drehung der Lichtpunktquelle wurde ein Lichtquellenring um die Drahtachse angebracht, mit lediglich einer jeweils eingeschalteten Lichtquelle. Das Einschalten der Lichtquelle von Quelle zu Quelle erzeugt einen drehenden Eine weitere wichtige

In dieser Abbildung entspricht re/D zirka zwei Prozent. Daher ist re/π*D < 1% des Umfangs. Die Größe des Schimmers hängt von der Größe der Leuchtpunktquelle ab sowie von der Winkelöffnung des Beobachters (Optik des Sensors). (Sensor) schimmernde Energie ist durch die Oberflächenqualität stark moduliert; Rauheit, Farbe (Absorption), Fehler, aber auch durch die lokale Form des Zylinders. Das Drehen des Lichts um die Drahtachse wird dann auch den Schimmer auf die Oberfläche drehen, bezogen auf einen fixen Beobachter. Daraus ergibt sich ein Bild des Umfangs. Wenn der Draht sich bewegt, entwickelt er ein Bild der gesamten Oberfläche des Drahts. Wenn der Entwurf gut verarbeitet ist, wird jeder kleiner Oberflächenmangel, Farbe- oder Formänderung örtlich eine wesentliche Reduzierung der schimmernden Energie gegenüber dem Sensor hervorrufen. Abbildung 2 zeigt die Schlüsselparameter des Grundsatzes. Auf der Schnittansicht des Drahts sind die einfallenden Lichtstrahlen fast Parallele. Senkrecht zur Drahtachse ist jeder Strahl der Quelle in eine schmale Linie fokussiert. 2*α, hängt von der Winkelöffnung des optischen Systems ab und bestimmt die Leuchtpunktgröße auf dem Umfang des Drahts: r*α. 2*β, hängt vom schrägen Einfall der Lichtquelle ab. Die zum Beobachter

▲ ▲ Abb. 6

Die Abbildung 6 , die aus der Position des Drahts durch eine CCD-Matrix aufgenommen wurde, zeigt die Größe der (weißen) Lichtlinie senkrecht verlaufend zur Drahtachse. Die Gauss-Form der Energiedichte in der Lichtlinie bestimmt die effiziente Breite bei zirka 20μm. Danach ist die Leuchtpunktgröße entlang der Drahtachse (Line Resolution: LR - Auflösung der Linie) fast konstant, aber am Umfang (Circumference Resolution: CR - Auflösung des Umfangs) schwankt sie im Verhältnis zum Drahtdurchmesser (r*α.). Die Linienauflösung am Draht hängt nur vom Lichtquellensystem ab und nicht vom Sensor. Für eine erfolgreiche Entwicklung waren die Lichtquellen ein wichtiger Gesichtspunkt: schmal und schnell, jedoch sehr gleichmäßige Lichtstrahlen mit einheitlichen Eigenschaften erzeugend. Entwickelt wurden sie speziell und erfolgreich für diese Anwendung. Ein weiterer Schwerpunkt war die Sensorik.

Wenn

„A“

der

Faktor

der

Oberflächenabsorption/-diffusion des Drahts ist, ist die vom Sensor empfangene Lichtenergie„E“ :

E = A*ie* r*α*cosβ

Die Folgen dieser Relationen sind:

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Juli 2015