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WO2001029504A1 - Sensor zum berührenden vermessen von materialien - Google Patents

Sensor zum berührenden vermessen von materialien Download PDF

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WO2001029504A1
WO2001029504A1 PCT/DE2000/003659 DE0003659W WO0129504A1 WO 2001029504 A1 WO2001029504 A1 WO 2001029504A1 DE 0003659 W DE0003659 W DE 0003659W WO 0129504 A1 WO0129504 A1 WO 0129504A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor
scanning element
measured
sensor according
cage
Prior art date
Application number
PCT/DE2000/003659
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Kirschner
Karl Wisspeintner
Original Assignee
Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg
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Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19959570A external-priority patent/DE19959570A1/de
Application filed by Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg filed Critical Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg
Publication of WO2001029504A1 publication Critical patent/WO2001029504A1/de

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Definitions

  • the invention relates to a sensor for touching measurement of materials, wherein the material to be measured is arranged on a support surface or is guided over the support surface, comprising means for determining the distance between the sensor mimics and the support surface, a scanning element for contacting the measured material, the scanning element in z direction, d. H. essentially movably mounted perpendicular to the surface of the measured material, means for determining the position of the scanning element and an evaluation unit for evaluating the determined distance data and position data.
  • Such sensors are used in practice, for example, to determine the thickness of material webs which, because of their material properties, cannot be measured without contact. Foam rubber sheets are mentioned here as examples. The thickness of such material webs can then be determined simply by forming the difference from the determined distance and position data.
  • the touching measurement proves problematic especially with deformable materials, since measurement errors often occur due to the measurement method.
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a sensor for touching measurement of materials, with which deformation of the measured material during the measurement value acquisition is largely avoided.
  • the sensor according to the invention achieves the above object by the features of claim 1.
  • the sensor mentioned at the outset is designed such that the scanning element is freely movable in the z-direction, at least in the range of the maximum measuring stroke to be expected, and that the means for determining the position of the scanning element work without contact. Deformations of the measured material during the measurement value acquisition are primarily due to the contact force of the sensor or the scanning element of the sensor. It is therefore proposed to use a scanning element that can be positioned on the material to be measured without any bast and with little contact force, or that can be guided over the material to be measured. For this purpose, the scanning element according to the invention is so low-friction in the sensor that it is freely movable in the z direction.
  • the scanning element of the sensor according to the invention is therefore a sensor component that is mounted in the sensor construction, but is freely movable within the bearing. There is no additional mechanical connection between the scanning element and the rest of the sensor construction.
  • the scanning element of a sensor according to the invention could be implemented in the form of a pin, which is freely movable in the z-direction and, due to its material properties, can be guided over the material to be measured with little friction.
  • a pin could be made of ceramic, for example, or coated with Teflon.
  • the sensor according to the invention which proves to be particularly advantageous when the sensor and the material to be measured move relative to one another, i.e.
  • the scanning element when the material to be measured is guided, for example, over the contact surface and thus past the sensor, the scanning element is designed to be rotationally symmetrical and rotatably mounted, so that it rolls at least in one direction, namely in the x direction, on the surface of the measured material during a relative movement between the measured material and the sensor.
  • the measured material can not only be measured selectively but also continuously.
  • a rotationally symmetrical scanning element could, for example, be ellipsoidal or also conical.
  • a cylindrical scanning element proves to be particularly advantageous, which rolls on the surface of the measured material during a relative movement between the measured material and the sensor in the manner of a roller. In this case, the position of the scanning element can namely be determined relatively easily and reliably.
  • a particularly advantageous variant of the sensor according to the invention comprises a spherical scanning element which can roll on the surface of the measured material both in the x and in the y direction.
  • This sensor variant is therefore also suitable for any relative movements in the x / y plane between the sensor and the measured material.
  • this sensor variant can also detect thickness deviations of the measured material in the smallest surface areas.
  • a high-precision ball made of ceramic or metal is advantageously used as the scanning element, the material of the scanning element being selected in accordance with the measurement method with which the position of the scanning element is to be determined. When using such a ball as a scanning element, the contact force can be kept very low, since balls with a mass of less than 10 g can be used here.
  • a bearing for the scanning element as claimed in the invention, as long as the scanning element is freely movable in the z direction, at least to the extent of the maximum measuring stroke to be expected. It proves to be particularly advantageous to store the scanning element in a cage which has an opening for the scanning element on the side facing the material to be measured, which is matched to the shape of the scanning element in such a way that the scanning element protrudes from the opening, but nevertheless is held in the opening.
  • the cage must be dimensioned so that there is a game between the side walls of the cage and the scanning element, which allows free movement of the scanning element in the z direction and possibly also a rotation of the scanning element, provided that the scanning element is rotationally symmetrical.
  • the cage thus forms a guide for the scanning element and at the same time represents the only storage and holding means for the scanning element, which is only arranged in the cage but is otherwise not connected to the rest of the sensor construction.
  • the play between the side wall of the cage and the scanning element can be varied, for example by compensate for changes in expansion of the sensing element or the cage due to the nature of the structure.
  • the cage is equipped with at least one compressed air supply.
  • a compressed air supply can simply serve to clean or prevent contamination of the cage or the play between the scanning element and the cage wall, so that a free movement of the scanning element in the z direction is always guaranteed.
  • the compressed air supply could, however, also advantageously be arranged in such a way that the scanning element as a whole is air-borne, that is to say is mounted with extremely low friction, which additionally favors the free movement of the scanning element.
  • the contact pressure of the scanning element acting on the material to be measured could also be regulated.
  • the means for determining the distance between the sensor mimics and the support surface can also be implemented in very different ways within the scope of the invention.
  • an electrically conductive contact surface and for measuring non-conductive material to be measured it has proven advantageous to use an eddy current sensor which is arranged coaxially with the cage in which the sensing element is mounted, and in such a way that the eddy current sensor surrounds the cage. In this way, falsifications of measured values can be avoided by tilting the sensor arrangement with respect to the support surface, since the distance of the sensor mimics to the support surface is practically measured at the location of the scanning element.
  • the means for determining the position of the scanning element work according to the invention without contact.
  • optically, capacitively or inductively operating sensor elements are equally possible, the type of sensor element being certainly matched to the geometry and the material of the scanning element and also to the mounting of the scanning element.
  • the use of a triangulation sensor has proven to be particularly advantageous in connection with rotationally symmetrical scanning elements and in particular in connection with a spherical scanning element.
  • the position of the scanning element is determined via the deflection of a laser beam directed in a defined manner onto the scanning element.
  • the sensor element for determining the position of the scanning element can be positioned above the measured material, which has the advantage that it can be integrated into the entire sensor structure. In principle, however, it would also be possible to position the sensor element below the support surface for determining the position of the scanning element and to determine the position of the scanning element through the support surface and the material to be measured.
  • FIG. Shows the construction of a sensor according to the invention for the contact measurement of materials in a partially sectioned illustration.
  • the thickness of a material web is to be determined, which is referred to below as the measured material 2.
  • the material to be measured 2 is arranged on a support surface 3 or guided past the sensor 1 over the support surface 3.
  • the sensor 1 comprises means for determining the distance between the sensor mimics, i. H. between the sensor structure and the support surface 3, which will be described in more detail below, a scanning element 4 for contacting the measured material 2, the scanning element 4 in the z-direction, ie. H. is mounted movably essentially perpendicular to the surface of the measured material 2, means for determining the position of the scanning element 4, which will also be explained in more detail below, and an evaluation unit (not shown here) for evaluating the determined distance data and position data.
  • the scanning element 4 is freely movable in the z direction, at least in the range of the maximum measuring stroke to be expected.
  • the means for determining the position of the scanning element 4 work without contact.
  • the scanning element 4 is rotationally symmetrical, in the form of a high-precision ball 4, which could be made of ceramic, for example.
  • This ball 4 is not only freely movable in the z direction but also rotatably mounted, so that it can roll on the surface of the measured material 2 in all directions of the x / y plane when there is a relative movement between the measured material 2 and the sensor 1.
  • the ball 4 is mounted here in a cage 5, which is realized in the form of a cylindrical sleeve.
  • the cage 5 has an opening 6 on the side facing the measured material 2, from which the ball 4 protrudes.
  • the sleeve serving as the cage 5 has an indentation 7 at its lower end, which narrows the lower opening 6 of the sleeve.
  • the sleeve serving as a cage 5 is also dimensioned such that there is a game between the side wall 8 and the ball 4, which allows a free movement of the ball 4 in the z direction and also a rotation of the ball 4 within the sleeve 5.
  • the distance between the sensor mimicry and the support surface 2 is detected with the aid of an eddy current sensor 8, which is arranged coaxially with the cage 5, in such a way that the eddy current sensor 8 surrounds the cage 5.
  • the position of the ball 4 or the vertex 9 of the ball 4 is determined here with the aid of a triangulation sensor 10.
  • the triangulation sensor 10 comprises a laser element 11, which is on the upper vertex 9 in the open at the top Sleeve 5 arranged ball 4 is directed.
  • the position of the ball 4 in the z direction, ie the position of the ball 4 in the sleeve 5, can then be determined very precisely by detecting the laser light reflected and scattered on the ball 4 with the aid of a corresponding detector element 12.
  • the respective thickness of the measured material 2 can then be determined.
  • the present invention provides a sensor with which materials can be measured in contact with one another, the contact force of the sensor system on the measured material being kept as low as possible in order to avoid deformation of the measured material as far as possible.
  • the mass and thus also the inertia of the rolling part of the sensor system shown in the single figure is so small that extremely dynamic measurements are possible.
  • the scanning element is here by a high-precision ball, for. B. made of ceramic, which is guided in a cage, which allows unimpeded rotation and free movement in the z direction of the ball.
  • the upper vertex of the sphere is determined optically here, namely using the triangulation method, but could also be determined using another suitable contactless measuring method.
  • the cage is embedded in a sensor that measures through the material to be measured on the support surface. In the exemplary embodiment shown here, this sensor is implemented in the form of an eddy current sensor which detects the distance between the sensor mimics and the contact surface.

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Abstract

Es wird ein Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien vorgeschlagen, wobei das Messgut (2) auf einer Auflagefläche (3) angeordnet wird oder über die Auflagefläche (3) geführt wird. Der Sensor umfasst: Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche (3), ein Abtastelement (4) zum Kontaktieren des Messguts (2), wobei das Abtastelement (4) in z-Richtung, d.h. im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Messguts (2), beweglich gelagert ist, Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positionsdaten. Damit eine Deformation des Messguts während der Messwerterfassung weitestgehend vermieden wird, ist das Abtastelement (4) in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Messhubs frei beweglich gelagert. Ausserdem arbeiten die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) berührungslos.

Description

„Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien"
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien, wobei das Meßgut auf einer Auflagefläche angeordnet wird oder über die Auflagefläche geführt wird, umfassend Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche, ein Abtastelement zum Kontaktieren des Meßguts, wobei das Abtastelement in z-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßguts, beweglich gelagert ist, Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements und eine Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positionsdaten.
Derartige Sensoren werden in der Praxis beispielsweise zur Bestimmung der Dicke von Materialbahnen eingesetzt, die aufgrund ihrer Materialeigenschaften nicht berührungslos vermessen werden können. Beispielhaft seien hier Schaumgummibahnen genannt. Die Dicke derartiger Materialbahnen läßt sich dann einfach durch Differenzbildung aus den ermittelten Abstands- und Positionsdaten bestimmen.
Das berührende Vermessen erweist sich aber gerade bei deformierbaren Materialien als problematisch, da bedingt durch die Meßmethode häufig Meßfehler auftreten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien anzugeben, mit dem eine Deformation des Meßguts während der Meßwerterfassung weitestgehend vermieden wird.
Der erfindungsgemäße Sensor löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist der eingangs genannte Sensor so ausgestaltet, daß das Abtastelement in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich gelagert ist und daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements berührungslos arbeiten. Deformationen des Meßguts während der Meßwerterfassung sind in erster Linie auf die Auflagekraft des Sensors bzw. des Abtastelements des Sensors zurückzuführen. Es wird daher vorgeschlagen, ein Abtastelement einzusetzen, das möglichst baiastfrei und mit geringer Auflagekraft auf dem Meßgut positioniert werden kann bzw. über das Meßgut geführt werden kann. Dazu ist das Abtastelement erfindungsgemäß so reibungsarm im Sensor gelagert, daß es in z-Richtung frei beweglich ist. Außerdem sind im Rahmen des erfindungsgemäßen Sensors auch keine Leitungsverbindungen zur Bestimmung der Position des Abtastelements erforderlich, die die Auflagekraft des Abtastelements zusätzlich erhöhen könnten, da zur Positionsbestimmung erfindungsgemäß berührungslos arbeitende Mittel vorgesehen sind. Bei dem Abtastelement des erfindungsgemäßen Sensors handelt es sich also um eine Sensorkomponente, die zwar in der Sensorkonstruktion gelagert ist, innerhalb des Lagers aber frei beweglich ist. Eine zusätzlich mechanische Verbindung zwischen dem Abtastelement und der übrigen Sensorkonstruktion besteht nicht.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung des Abtastelements eines erfindungsgemäßen Sensors. So könnte das Abtastelement beispielsweise in Form eines Stifts realisiert sein, der in z-Richtung frei beweglich gelagert ist und aufgrund seiner Materialeigenschaften reibungsarm über das Meßgut geführt werden kann. Ein solcher Stift könnte beispielsweise aus Keramik gefertigt sein oder mit Teflon beschichtet sein. In einer Variante des erfindungsgemäßen Sensors, die sich insbesondere dann als vorteilhaft erweist, wenn sich Sensor und Meßgut relativ zueinander bewegen, wenn das Meßgut also beispielsweise über die Auflagefläche und damit an dem Sensor vorbeigeführt wird, ist das Abtastelement rotationssymmetrisch ausgebildet und drehbar gelagert, so daß es bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut und Sensor zumindest in einer Richtung, nämlich in x-Rich- tung, auf der Oberfläche des Meßguts abrollt. Mit dieser Sensorvariante kann das Meßgut nicht nur punktuell sondern auch kontinuierlich vermessen werden. Ein rotationssymmetrisches Abtastelement könnte beispielsweise ellipsoidförmig oder auch kegelförmig sein. Als besonders vorteilhaft erweist sich jedoch ein zylinderförmiges Abtastelement, das bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut und Sensor nach Art einer Walz auf der Oberfläche des Meßguts abrollt. In diesem Falle läßt sich nämlich die Position des Abtastelements relativ einfach zuverlässig bestimmen. Die voranstehend erwähnten ellipsoid-kegel- oder zylinderförmigen Abtastelemente können immer nur in einer Richtung auf der Oberfläche des Meßguts abrollen. Eine besonders vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Sensors umfaßt ein kugelförmiges Abtastelement, das sowohl in x- als auch in y-Richtung auf der Oberfläche des Meßguts abrollen kann. Diese Sensorvariante eignet sich also auch für beliebige, in der x/y-Ebene liegende Relativbewegungen zwischen dem Sensor und dem Meßgut. Außerdem können mit dieser Sensorvariante im Gegensatz zu der Variante mit einem zylinderförmigen Abtastelement auch Dickenabweichungen des Meßguts in kleinsten Oberlfächenbereichen erfaßt werden. Dazu wird in vorteilhafter Weise eine hochpräzise Kugel aus Keramik oder auch aus Metall als Abtastelement eingesetzt, wobei das Material des Abtastelements entsprechend der Meßmethode gewählt wird, mit der die Position des Abtastelements bestimmt werden soll. Bei Verwendung einer solchen Kugel als Abtastelement kann die Auflagekraft sehr gering gehalten werden, da hier Kugeln mit einer Masse von weniger als 10g eingesetzt werden können.
Grundsätzlich gibt es auch verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung eines Lagers für das Abtastelement, wie es erfindungsgemäß beansprucht ist, so lange das Abtastelement in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich ist. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, das Abtastelement in einem Käfig zu lagern, der auf der dem Meßgut zugewandten Seite eine Öffnung für das Abtasteiement aufweist, die so auf die Form des Abtastelements abgestimmt ist, daß das Abtastelement zwar aus der Öffnung herausragt, aber dennoch in der Öffnung gehalten wird. Außerdem muß der Käfig so dimensioniert sein, daß zwischen den Seitenwandungen des Käfigs und dem Abtastelement ein Spiel besteht, das eine freie Bewegung des Abtastelements in z-Richtung und gegebenenfalls auch eine Rotation des Abtastelements erlaubt, sofern das Abtastelement rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Käfig bildet also eine Führung für das Abtastelement und stellt gleichzeitig die einzigen Lager- und Haltemittel für das Abtastelement dar, das lediglich in dem Käfig angeordnet aber ansonsten nicht mit der übrigen Sensorkonstruktion verbunden ist.
In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, wenn das Spiel zwischen der Seitenwandung des Käfigs und dem Abtastelement variierbar ist, beispielsweise um tempe- raturbedingte Ausdehnungsveränderungen des Abtastelements oder auch des Käfigs auszugleichen.
Des weiteren erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Käfig mit mindestens einer Druckluftzuführung ausgestattet ist. Eine solche Druckluftzuführung kann einfach zum Reinigen bzw. zum Verhindern einer Verschmutzung des Käfigs bzw. des Spiels zwischen dem Abtastelement und der Käfigwandung dienen, so daß immer eine freie Bewegung des Abtastelements in z-Richtung gewährleistet ist. Die Druckluftzuführung könnte in vorteilhafter Weise aber auch so angeordnet sein, daß das Abtastelement insgesamt luftgelagert, also extrem reibungsarm gelagert ist, was die freie Beweglichkeit des Abtastelements zusätzlich begünstigt. Durch Regelung der zugeführten Druckluft könnte zusätzlich auch die auf das Meßgut wirkende Anpreßkraft des Abtastelements geregelt werden.
Auch die Mittel zur Bestimmung des Abstands zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche können im Rahmen der Erfindung ganz unterschiedlich realisiert werden. Im Zusammenhang mit einer elektrisch leitfähigen Auflagefläche und zum Vermessen von nicht leitendem Meßgut erweist sich die Verwendung eines Wirbelstromsensors als vorteilhaft, der koaxial zu dem Käfig angeordnet ist, in dem das Abtastelement gelagert ist, und zwar so, daß der Wirbelstromsensor den Käfig umgibt. Auf diese Weise lassen sich Meßwertverfälschungen durch ein Kippen der Sensoranordnung bezüglich der Auflagefläche vermeiden, da der Abstand der Sensormimik zur Auflagefläche praktisch am Ort des Abtastelements gemessen wird.
Wie bereits erwähnt, arbeiten die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements erfindungsgemäß berührungslos. Hierfür kommen gleichermaßen optisch, kapazitiv oder auch induktiv arbeitende Sensorelemente in Frage, wobei die Art des Sensorelements sicherlich auf die Geometrie und das Material des Abtastelements und auch auf die Lagerung des Abtastelements abgestimmt sein wird. Als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit rotationssymmetrischen Abtastelementen und insbesondere im Zusammenhang mit einem kugelförmigen Abtastelement hat sich die Verwendung eines Triangulationssensors erwiesen. Hier wird die Position des Abtastelements über die Ablenkung eines definiert auf das Abtastelement gerichteten Laserstrahls bestimmt. Schließlich sei noch erwähnt, daß das Sensorelement zur Bestimmung der Position des Abtastelements oberhalb des Meßguts positioniert sein kann, was den Vorteil hat, daß es so in den gesamten Sensoraufbau integriert werden kann. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, das Sensorelement zur Bestimmung der Position des Abtastelements unterhalb der Auflagefläche zu positionieren und die Position des Abtastelements durch die Auflagefläche und das Meßgut hindurch zu bestimmen.
Wie voranstehend ausgeführt gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen.
Die einzige Fig. zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors zum berührenden Vermessen von Materialien in teilweise geschnittener Darstellung.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 1 soll die Dicke einer Materialbahn bestimmt werden, die im folgenden als Meßgut 2 bezeichnet wird. Dazu wird das Meßgut 2 auf einer Auflagefläche 3 angeordnet bzw. an dem Sensor 1 vorbei über die Auflagefläche 3 geführt. Der Sensor 1 umfaßt Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik, d. h. zwischen dem Sensoraufbau und der Auflagefläche 3, die nachfolgend noch näher beschrieben werden, ein Abtastelement 4 zum Kontaktieren des Meßguts 2, wobei das Abtastelement 4 in z-Richtung, d. h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßguts 2 beweglich gelagert ist, Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements 4, die ebenfalls nachfolgend noch näher erläutert werden, und eine hier nicht dargestellte Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positionsdaten.
Erfindungsgemäß ist das Abtastelement 4 in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich gelagert. Außerdem arbeiten die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements 4 berührungslos. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Abtastelement 4 rotationssymmetrisch ausgebildet, und zwar in Form einer hochpräzisen Kugel 4, die beispielsweise aus Keramik gefertigt sein könnte. Diese Kugel 4 ist nicht nur in z-Richtung frei beweglich sondern auch drehbar gelagert, so daß sie bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut 2 und Sensor 1 in allen Richtungen der x/y-Ebene auf der Oberfläche des Meßguts 2 abrollen kann.
Die Kugel 4 ist hier in einem Käfig 5 gelagert, der in Form einer zylinderförmigen Hülse realisiert ist. Der Käfig 5 weist auf der dem Meßgut 2 zugewandten Seite eine Öffnung 6 auf, aus der die Kugel 4 herausragt. Um ein Herausrutschen der Kugel 4 zu vermeiden, weist die als Käfig 5 dienende Hülse an ihrem unteren Ende eine Ein- kragung 7 auf, die die untere Öffnung 6 der Hülse verengt. Die als Käfig 5 dienende Hülse ist außerdem so dimensioniert, daß zwischen der Seitenwandung 8 und der Kugel 4 ein Spiel besteht, das eine freie Bewegung der Kugel 4 in z-Richtung und auch eine Rotation der Kugel 4 innerhalb der Hülse 5 erlaubt.
An dieser Stelle sei - obwohl nicht dargestellt - nochmals auf die Möglichkeit hingewiesen, in der Seitenwandung 8 des Käfigs 5 bzw. der Hülse Druckluftzuführungen vorzusehen. Durch Einleiten von Druckluft in den Käfig 5 ließe sich ein Luftlager für die Kugel 4 realisieren, so daß sich die Reibung zwischen der Kugel 4 und der Seitenwandung 7 des Käfigs 5 erheblich herabsetzen ließe. Über eine entsprechend geregelte Zufuhr von Druckluft ließe sich außerdem auch die Anpreßkraft der Kugel 4 auf das Meßgut 2 regeln. Zusätzlich würde sich noch ein positiver Spüleffekt einstellen, da die aus der Öffnung 6 austretende Druckluft eine Verschmutzung des Käfigs 5 bzw. des Spiels zwischen der Käfigwandung und der Kugel 4 verhindern ließe.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Abstand zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche 2 mit Hilfe eines Wirbelstromsensors 8 erfaßt, der koaxial zum Käfig 5 angeordnet ist, und zwar so, daß der Wirbelstromsensor 8 den Käfig 5 umgibt.
Die Position der Kugel 4 bzw. des Scheitelpunkts 9 der Kugel 4 wird hier mit Hilfe eines Triangulationssensors 10 bestimmt. Der Triangulationssensor 10 umfaßt ein Laserelement 11 , das auf den oberen Scheitelpunkt 9 der in der nach oben offenen Hülse 5 angeordneten Kugel 4 gerichtet ist. Die Position der Kugel 4 in z-Richtung, d. h. die Lage der Kugel 4 in der Hülse 5, läßt sich dann durch Detektion des an der Kugel 4 reflektierten und gestreuten Laserlichts mit Hilfe eines entsprechenden Detektorelements 12 sehr genau bestimmen.
Nach Bestimmung der Lage des oberen Scheitelpunkts 9 der Kugel 4 in Bezug auf den Wirbelstromsensor 8 und nach Bestimmung des Abstandes zwischen dem Wirbelstromsensor 8 und der Auflagefläche 2 und bei Kenntnis der Abmessungen der Kugel 4 läßt sich dann die jeweilige Dicke des Meßguts 2 bestimmen.
Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß mit der vorliegenden Erfindung ein Sensor zur Verfügung gestellt wird, mit dem Materialien berührend vermessen werden können, wobei die Auflagekraft der Sensorik auf das Meßgut möglichst gering gehalten wird, um Deformationen des Meßguts soweit möglich zu vermeiden. Die Masse und somit auch die Trägheit des abrollenden Teils der in der einzigen Fig. dargestellten Sensorik ist so gering, daß äußerst dynamische Messungen möglich sind. Das Abtastelement wird hier durch eine hochpräzise Kugel, z. B. aus Keramik, gebildet, die in einem Käfig geführt ist, der eine ungehinderte Rotation und eine freie Bewegung in z-Richtung der Kugel ermöglicht. Der obere Scheitelpunkt der Kugel wird hier optisch, nämlich im Triangulationsverfahren ermittelt, könnte aber auch mit einem anderen geeigneten berührungslos arbeitenden Meßverfahren bestimmt werden. Der Käfig ist in einen Sensor eingebettet, der durch das Meßgut hindurch auf die Auflagefläche mißt. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Sensor in Form eines Wirbelstromsensors realisiert, der den Abstand der Sensormimik zur Auflagefläche erfaßt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Sensor zum berührenden Vermessen von Materialien, wobei das Meßgut (2) auf einer Auflagefläche (3) angeordnet wird oder über die Auflagefläche (3) geführt wird, umfassend
- Mittel zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche (3),
- ein Abtastelement (4) zum Kontaktieren des Meßguts (2), wobei das Abtastelement (4) in z-Richtung, d.h. im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Meßguts (2), beweglich gelagert ist,
- Mittel zur Bestimmung der Position des Abtasteiements (4) und
- eine Auswerteeinheit zum Auswerten der ermittelten Abstandsdaten und Positionsdaten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Abtastelement (4) in z-Richtung zumindest im Umfange des zu erwartenden maximalen Meßhubs frei beweglich gelagert ist und daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) berührungslos arbeiten.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und daß das Abtastelement (4) drehbar gelagert ist, so daß es bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut (2) und Sensor (1) zumindest in einer Richtung, in x-Richtung, auf der Oberfläche des Meßguts (2) abrollt.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement zylinderförmig ausgebildet ist und bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut und Sensor nach Art einer Walze auf der Oberfläche des Meßguts abrollt.
4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) kugelförmig ausgebildet ist, so daß es bei einer Relativbewegung zwischen Meßgut (2) und Sensor (1 ) sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung auf der Oberfläche des Meßguts (2) abrollt.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochpräzise Kugel aus Keramik oder Metall als Abtastelement (4) dient.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (4) in einem Käfig (5) gelagert ist,
- wobei der Käfig (5) auf der dem Meßgut (2) zugewandten Seite eine Öffnung (6) aufweist, aus der das Abtastelement (4) herausragt, und
- wobei der Käfig (5) so dimensioniert ist, daß zwischen der Seitenwandung (7) des Käfigs (5) und dem Abtastelement (4) ein Spiel besteht, das eine freie Bewegung des Abtastelements (4) in z-Richtung und ggf. eine Rotation des Abtastelements (4) erlaubt.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiel zwischen der Seitenwandung (7) des Käfigs (5) und dem Abtastelement (4) variierbar ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in den Käfig mündende Druckluftzuführung vorgesehen ist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftzuführung so angeordnet ist, daß das Abtastelement luftgelagert ist.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftzuführung so angeordnet ist, daß sich die auf das Meßgut wirkende Anpreßkraft des Abtastelements durch Regelung der zugeführten Druckluft regeln läßt.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung des Abstands zwischen der Sensormimik und der Auflagefläche einen Wirbelstromsensor (8) umfassen.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (5) und der Wirbelstromsensor (8) koaxial zueinander angeordnet sind, so daß der Wirbelstromsensor (8) den Käfig (5) umgibt.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) mindestens ein optisch, kapazitiv oder induktiv arbeitendes Sensorelement (10) umfassen.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) einen Triangulationssensor (10) umfassen.
15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (10) zur Bestimmung der Position des Abtastelements (4) oberhalb des Meßguts (2) positioniert ist.
16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement zur Bestimmung der Position des Abtastelements unterhalb der Auflagefläche positioniert ist.
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