Objektvermessung: Die Wissenschaft der Messung physikalischer Größen

Geometrische Größen beschreiben die räumlichen Eigenschaften eines physikalischen Objekts.In der industriellen Messtechnik dominieren vier Arten vongeometrischen Größen:Form(Oberflächenform und Abweichung von der Sollgeometrie),Oberflächenstruktur(Rauheit, Welligkeit und Primärprofil),Position(Lage und Ausrichtung in einem Koordinatensystem) sowieAbmessungen(Länge, Breite, Durchmesser und Winkelausdehnung). Industrielle 3D-Sensoren messen geometrische Größen, indem sie strukturiertes Licht oder Laserlinien auf eine Oberfläche projizieren und das reflektierte Muster mit einem CMOS- oder CCD-Bildsensor erfassen.

Die Oberflächenrauheit Ra – die arithmetische Mittelwertabweichung des Oberflächenprofils von der Mittellinie – ist eine der am häufigsten angegebenen geometrischen Größen in Technische Zeichnungen standards. Das Verhältnis zwischen Profilhöhe $z(x)$ und der Ra-Wert ist definiert als:

Ra = ∫₀¹ |z(x)| dxRa​=l1​∫0l​∣z(x)∣dx

wo $l$ die Auswertungslänge ist und $z(x)$ ist die Profilhöhe an der Position $x$.

Thermische Größen beschreiben den Temperaturzustand und das Wärmeübertragungsverhalten eines Objekts.Die Temperatur ist die am häufigsten gemessene thermische Größe in der industriellen Inspektion; die thermische Emission (Intensität der Infrarotstrahlung als Funktion der Oberflächentemperatur) steht an zweiter Stelle. Infrarotkameras messen thermische Größen, indem sie langwellige Infrarotstrahlung imSpektralbereich von 8–14 µmohne Kontakt mit dem Messobjekt erfassen. Die thermische Messung dient zur Erkennung von Bauteileüberhitzung, Schweißnahtfehlern und Wärmebrücken in Gebäudehüllen.

Die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit einer Oberfläche folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz:

M = ε · σ · T⁴M=ε⋅σ⋅T4

wo $\epsilon$ die Oberflächenemissivität ist (dimensionslos, Bereich 0–1), $\sigma$ ist die Stefan-Boltzmann-Konstante 5,67×10−8 W m−2 K−45,67×10−8W m−2K−4und $T$ ist die absolute Oberflächentemperatur in Kelvin.

Optische Größen beschreiben die Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Oberflächen und Materialien.In der industriellen Inspektion kommen drei Arten optischer Größen vor:Lichtstärke(optische Leistung pro Raumwinkeleinheit),spektrale reflectance(wellenlängenabhängiger Oberflächenreflexionskoeffizient) undTransmissionsgrad(Anteil der einfallenden Strahlung, der ein Material durchdringt). Multispektrale und hyperspektrale Sensorsysteme messen reflectance spektrale reflectance definierte Wellenlängenbereiche, um die Materialzusammensetzung und den Oberflächenzustand zu klassifizieren.

Zu den mechanischen Größen zählen Kraft(gemessen in Newton),Druck(gemessen in Pascal) undDehnung(dimensionsloses Verformungsverhältnis). Zeit- und Frequenzgrößen beschreiben Prozessdauer, Taktzahlen und Schwingungsfrequenz. Industrielle Messsysteme erfassen darüber hinaus elektrische, akustische, chemische und biologische Größen; diese Größenkategorien werden in den jeweiligen Fachartikeln dieser knowledge base behandelt.

Die Lasertriangulation ist ein optisches Messprinzip, bei dem der Abstand zur Oberfläche durch die Messung der Winkelverschiebung eines reflektierten Laserpunkts oder einer Laserlinierelativ zu einer bekannten Basislinie zwischen dem Lasersender und dem Bildsensor ermittelt wird. Ein 3D-Profilsensor projiziert eine Laserlinie auf das Messobjekt; der Bildsensor erfasst das reflektierte Linienprofil in einem definierten Triangulationswinkel.Die Abstandsauflösung bei Lasertriangulationssensoren erreichtbei kurzen MessbereichenWerte unter 1 µm.

Die Triangulationsentfernung $d$ wird aus dem Triangulationswinkel $\alpha$, der Basislinie $b$und die Verschiebung $s$ des Laserspots auf dem Detektor:

d = b · fsd=sb⋅f​

wo $b$ die Basislinie zwischen Lasersender und Detektor ist, $f$ ist die Brennweite der Empfängeroptik und $s$ ist die Spotverschiebung auf dem Detektorarray. Wenn dˉ(x,y)dˉ(x,y) mit zunehmendem Abstand vom Sensor monoton ansteigt, ist die Messung innerhalb des definierten Messbereichs eindeutig.

Die Strukturlichtprojektion erweitert die Lasertriangulation aufeine flächendeckende 3D-Messung, indem sie eine Abfolge von Streifenmustern projiziert und anhand der Phasenverschiebungen im verzerrten Muster eine Tiefenkarte berechnet.

Die Infrarot-Thermografie ist ein thermisches Messverfahren, bei dem die Infrarotstrahlung einer Oberfläche in eine kalibrierte Temperaturkarte umgewandelt wird.Jeder Körper mit einer Temperatur über 0 Kelvin sendet Infrarotstrahlung aus; die pro Flächeneinheit abgegebene Leistung folgt dem Stefan-Boltzmann-Gesetz als Funktion der Oberflächentemperatur und des Emissionsgrades. Eine Infrarotkamera erfasst die räumliche Verteilung dieser Strahlung mit einemFocal-Plane-Array-Detektor (FPA)– entweder einem ungekühlten Mikrobolometer oder einem gekühlten Photonendetektor – und wandelt die Detektorantwort mithilfe einer werkseitig kalibrierten Umrechnungsfunktion in Temperaturwerte um.

Bei der thermografischen Messung werdenTemperaturgradienten, unter der Oberfläche liegende Fehler und Wärmeverlustmusterohne mechanischen Kontakt mit dem Bauteil erfasst.

Der Vergleich mit Referenznormalen ist ein Messprinzip, bei dem der Wert einer Messgröße durch direkten Vergleich mit einem physikalischen Referenzobjektmit bekanntem, rückführbarem Wert bestimmt wird. Messblöcke, Ringlehren und standards als Referenzartefakte. Geometrisch-optische Verfahren – darunter die konfokale Mikroskopie und die Interferometrie – messen die Oberflächentopografie durch Analyse der optischen Weglängendifferenz zwischen einem Messstrahl und einem Referenzstrahl. Diese Verfahren erreichen auf spiegelnden Oberflächeneine Tiefenauflösung im Subnanometerbereich.

Elektrische Messprinzipien – resistive, kapazitive, induktive und piezoelektrische Messumwandlung – wandeln mechanische oder thermische Größen in elektrische Signale um.Kapazitive Sensoren messen Verschiebungen und Schichtdicken,indem sie Änderungen der elektrischen Kapazität zwischen zwei leitfähigen Oberflächen erfassen. Induktive Sensoren erkennen die Nähe ferromagnetischer Objekte anhand von Änderungen der magnetischen Flussdichte. Magnetische, akustische, mechanisch-analytische und chemisch-analytische Messprinzipien bilden weitere Grundkategorien, die für spezielle industrielle Inspektionsaufgaben eingesetzt werden.

Das Messobjekt ist der physische Gegenstand, an dem die Messung durchgeführt wird.Die Eigenschaften des Messobjekts – darunter reflectance, thermische Emissivität, Materialhomogenität und geometrische Komplexität – bestimmen, welches Messprinzip und welches Messgerät geeignet sind. Verschmutzungen, Vibrationen und die thermische Ausdehnung des Messobjekts sinddrei wesentliche Umwelteinflüsse, die zu systematischen Fehlern im Messergebnis führen.

Das Messgrößenobjekt ist die spezifische physikalische Größe, die gemessen wird.Eine korrekte Definition des Messgrößenobjekts erfordert die Angabe der Art der Größe (z. B. Oberflächenrauheit Ra in Mikrometern), der Messstelle am Objekt und der geltenden Messnorm (z. B. ISO 4287 für Oberflächenbeschaffenheitsparameter). Eine mehrdeutige Definition des Messgrößenobjekts ist eine systematische Fehlerquelle, die den Vergleich von Ergebnissen zwischen verschiedenen Messsystemen unmöglich macht.

Ein Messgerät ist ein Gerät, das die Messgröße erfasst und in ein lesbares Signal oder output umwandelt.3D-Sensoren, Infrarotkameras, Koordinatenmessgeräte (CMM) und Laser-Wegsensoren sindvier Gerätetypen, diein der industriellen Dimensions- und Temperaturmesstechnik zum Einsatz kommen. Zu den Kriterien für die Geräteauswahl zählen der Messbereich, die räumliche Auflösung, die Erfassungsgeschwindigkeit und die Schutzart ( Schutzart).

Das Messverfahren legt die Abfolge der Arbeitsschritte, die Geräteeinstellungen, die Referenzpositionen und die Auswertungsalgorithmen fest,die angewendet werden, um aus dem rohen Sensorsignal das Messergebnis zu gewinnen. Standardisierte Messverfahren – definiert in ISO-, VDA- oder herstellerspezifischen Richtlinien – gewährleisten die Reproduzierbarkeit über verschiedene Bediener und Messzyklen hinweg. Messverfahren zur Profilmessung mittels Lasertriangulation legen die Abtastgeschwindigkeit, die Laserleistung, die Unterdrückung des Umgebungslichts und den Algorithmus zur Spitzenwertdetektion fest.

Messbedingungen sind die Umgebungs- und Betriebsparameter, die das Messergebnisunabhängig vom Messobjekt und vom Messgerät beeinflussen. Fünf Kategorien von Messbedingungenwirken sich auf optische und thermische Messsysteme aus:Umgebungstemperatur(thermische Ausdehnung von Messgerät und Objekt),Umgebungslicht(Streulichtstörungen in Bildsensoren),Vibrationen(Bildunschärfe und Verschiebungsfehler),Luftfeuchtigkeit(Kondensation auf optischen Oberflächen und Verschiebung der thermischen Emissivität) sowieelektromagnetische Störungen(Signalrauschen in der Detektorelektronik).

Das Messergebnis ist der output sich nach Anwendung des Messverfahrens auf die Sensorrohdaten output . Ein vollständiges Messergebnis umfasst den Messwert, die zugehörige Messunsicherheit, den verwendeten Referenzstandard sowie die Messbedingungen zum Zeitpunkt der Erfassung. Messergebnisse dienen als Datengrundlage für vier Auswertungsergebnisse: Klassifizierungsentscheidungen (bestanden/nicht bestanden), Prozessalarme, Werte der statistischen Prozesskontrolle (SPC) und Aufzeichnungen zur Qualitätsdokumentation.

Die kombinierte Standardmessunsicherheit \( u_c \) wird aus den einzelnen Standardunsicherheiten \( u_i \) aller input \( x_i \) berechnet:

\[ u_c(y) = \sqrt{\sum_{i=1}^{N} \left(\frac{\partial f}{\partial x_i}\right)^2 u^2(x_i)} \]

wobei \( \frac{\partial f}{\partial x_i} \) der Sensitivität der output \( y \) in Bezug auf input \( x_i \) ist, wie im GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) definiert.

Optische Sensorsysteme erfassen geometrische und Oberflächeninformationen durch die Analyse der Wechselwirkung strukturierter elektromagnetischer Strahlung mit dem Messobjekt.3D-Sensoren auf Basis der Lasertriangulation messen Oberflächenprofile mitErfassungsraten von über 10.000 Profilen pro Sekunde– ein Leistungsparameter, der eine Inline-3D-Prüfung bei Produktionsgeschwindigkeiten ermöglicht. 3D-Bildverarbeitung erweitern die Profilmessung auf die Erfassung von Punktwolken über die gesamte Oberfläche und erzeugen dichte 3D-Datensätze mitlateralen Auflösungen unter 50 µmundTiefenauflösungen unter 10 µman industriellen Bauteilen.

3D-Sensoren erfassen die dreidimensionalen Raumkoordinaten von Oberflächenpunkten, indem sie die Tiefe anhand der Verformung von strukturiertem Licht, mittels Stereotriangulation oder durch Laufzeitmessung berechnen. 3D-Bildverarbeitung integrieren 3D-Laserprofilsensor mit eingebetteter Verarbeitung und Softwareauswertung, um output – Maßwerte, Oberflächenkarten oder Gut/Schlecht-Entscheidungen – direkt vom Sensor output . Die Verarbeitung auf dem Sensor reduziert das Datenübertragungsvolumen und die Latenzim Vergleich zu PC-basierten Auswertungsarchitekturen.

Infrarotsensorsysteme messen die Wärmestrahlung im Spektralbereich von 1 µm bis 14 µm, um Oberflächentemperaturverteilungen zu ermitteln und thermische Anomalien zu erkennen. Zwei Infrarotdetektortechnologiendominieren die industrielle thermografische Messtechnik:ungekühlte Mikrobolometer-Arrays(die bei Umgebungstemperatur arbeiten, Spektralbereich 8–14 µm) undgekühlte Photonendetektoren– InSb oder MCT (Quecksilber-Cadmium-Tellurid) –, die im mittleren Infrarotbereich (3–5 µm) mit höherer Sensitivität Bildraten arbeiten.

Bildverarbeitungssensoren mit On-Sensor-Verarbeitung vereinen Bildaufnahme, Merkmalsextraktion und Messauswertung in einer einzigen Sensoreinheit. Die On-Sensor-Verarbeitung wendet Vorverarbeitungsalgorithmen – darunter Intensitätsnormalisierung, Peak-Erkennung und Subpixel-Interpolation – direkt auf dem im Sensor integrierten Prozessor an, bevor strukturierte Messdaten an das Host-System übertragen werden. Diese Architekturreduziert das Rohdatenvolumenim Vergleich zur Übertragung von unverarbeiteten Bildernum den Faktor 10 bis 100und unterstützt Zykluszeitanforderungen von unter 1 ms in Applikationen.

Elektrische und magnetische Sensorsysteme– Hall-Sensoren, induktive Näherungssensoren und kapazitive Sensoren – messen Position, Weg und Feldstärke in Applikationen der optische Zugang zum Messobjekt eingeschränkt ist.Mechanische Sensorsysteme, darunter Dehnungsmessstreifen-Arrays (DMS) und MEMS-basierte Beschleunigungssensoren, messen Kraft, Druck und Schwingungen. Akustische, chemische und biologische Sensorsysteme werden für Messaufgaben in der Prozessanalytik, der Umweltüberwachung und der Life-Science-Messtechnik eingesetzt; diese Sensorsystemkategorien werden in eigenen Artikeln innerhalb dieser knowledge base behandelt.