EuroWire July 2015

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Technischer artikel
Juli 2015 54
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).
Die zum Beobachter (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.
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:
• 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.
Eine weitere wichtige 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
Lichtpunkt um den Draht. Drei Sensoren
bei 120° prüfen gleichzeitig die
schimmernde Energie auf der Oberfläche
des Drahts.
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 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.
▲ ▲ Abb. 2: Beleuchtung
E = A*ie* r*α*cosβ
Optisches Sensorsystem
Draht, Radius 7 r 8
Polierte
Oberfläche Ausbreitung
▲ ▲ Abb. 3: Rauheitswirkung
▲
▲ Abb. 4: Wirkung der Formveränderung
Modellierungsbild
Lichtquellenstrahlen,
einfallende Energie„ie“
▲ ▲ Abb. 5:Vorderansicht des Systems
▲ ▲ Abb. 6
Positionen Quelle/Lichtsensor
Bereich 1/Sensoren A+C
Bereich 2/Sensoren B+A
Bereich 3/Sensoren C+B
Lichtsensor A
Ring von Grundlichtquellen
Messfläche
Lichtsensor C
Lichtsensor C
Bereich 1
Bereich 2
Bereich 3