WO2003019106A1 - Sensor for determining surface parameters of a test object - Google Patents

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WO2003019106A1
WO2003019106A1 PCT/AT2002/000243 AT0200243W WO03019106A1 WO 2003019106 A1 WO2003019106 A1 WO 2003019106A1 AT 0200243 W AT0200243 W AT 0200243W WO 03019106 A1 WO03019106 A1 WO 03019106A1
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WO
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sensor
sub
electrodes
measuring
measurement object
Prior art date
Application number
PCT/AT2002/000243
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German (de)
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Inventor
Friedrich Franek
Helmut Schnabl
Andreas Pauschitz
Edmund Gerhard
Original Assignee
Friedrich Franek
Helmut Schnabl
Andreas Pauschitz
Edmund Gerhard
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Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/34—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/28—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B7/287—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers

Definitions

  • the invention relates to a sensor for determining surface parameters of a measurement object, e.g. of a workpiece, with a sensor element having at least one sensor measuring surface, which can be positioned with its sensor measuring surface on or at a distance from the surface of the measurement object.
  • the surface profile is scanned by a touch probe with a diamond needle (single-skid touch probe, pendulum touch probe, reference surface touch probe), via which an excessive profile cut is recorded with the help of electronic aids.
  • the vertical resolution of these systems is of the order of magnitude of approx. 0.01 ⁇ m, the horizontal resolution is limited by the tip radius of the diamond needle (e.g. 5 ⁇ m) and the cone angle (e.g. 60 °).
  • Sintered surfaces in particular, cannot be reliably assessed with this method, since the pores in the surfaces of sintered parts cannot be completely detected. For this reason, the measured roughness values for sintered surfaces cannot be used, but this method also causes an excessive expenditure of time and costs for an application in a manufacturing process.
  • the roughness depths of reflecting surfaces that are not too rough can be measured with the interference microscope, with which an elevation line image formed by interference with level lines at a distance of ⁇ / 2 of the light wavelength is generated.
  • the measurable surface roughness differences are approx. 0.01 ⁇ m.
  • Another known optical method is laser scanning, in which the surface to be measured is scanned by means of a focused laser beam and an image of the surface is created on the basis of the intensity of the reflected light.
  • the object of the invention is therefore to provide a sensor of the type mentioned at the outset, which enables a measurement of surface parameters with relatively little technical effort, the duration of the measuring process and the costs involved being short, so that an online assessment of the surface quality of workpieces is possible is feasible.
  • Another object of the invention is to provide a sensor with which the reliable and reproducible determination of surface parameters can be achieved in a relatively short time, even with a very irregular surface condition.
  • the senor prefferably be specified to determine integral surface characteristics over a specific area of the measurement object.
  • Another task is to specify a sensor that is as robust as possible and less susceptible to faults. This is achieved according to the invention in that the sensor measuring surface is composed of a large number of sub-sensor elements with separate measured value outputs or with separate measured value converters.
  • the subdivision of the sensor measuring area enables both an integral and a local measurement value determination relating to a narrowly limited area, as well as a rapid one Averaging of measured values can be carried out. On the one hand, this enables the reduction of interference and, on the other hand, a coordination of sensor measured values and
  • the sensor measuring surface composed of sub-sensor elements in one
  • Arranged sensor head which is formed from a hollow body open on one side, and that the sensor measuring surface composed of the sub-sensor elements on the open
  • the sensor head can be moved by means of a gimbal which is freely movable in all directions over a certain path or angular path
  • the sensor head - in its non-applied position - with its open side protrudes from the open side of the sensor housing.
  • the reproducibility of the measurement results can thereby be improved.
  • Another variant of the invention can consist in that at least one of the sub-
  • Sensor elements preferably via a clamping device, is detachably connected to the sensor measuring surface. In this way, the sub-electrodes can be easily replaced.
  • Clamping device can be provided for any type of sub-sensor elements.
  • a further embodiment of the invention can consist in that the sensor measuring surface is formed by a measuring electrode composed of a plurality of sub-electrodes, which are electrically insulated from one another and each have an electrical connection as a measured value output, via which they are connected to a Evaluation device are connected.
  • the entire sensor measuring area is divided into very small sub-areas and it is therefore possible to determine capacitance measured values from a correspondingly high number of measured value points distributed over the sensor measuring area, from which surface characteristic values are calculated very precisely can.
  • the sub-electrodes can be formed from metal electrodes arranged in one plane.
  • a further development of the invention can consist in the fact that the sub-electrodes are formed from metal electrodes adapted to the nominal surface geometry of the measurement object.
  • Another embodiment of the invention can consist in that a layer formed from a dielectric is applied to the subelectrodes. This layer prevents the sub-electrodes from unintentionally coming into direct contact with the surface of the measurement object.
  • the shape and arrangement of the sub-electrodes can be chosen in any way, a construction which can be produced with little technical effort can be achieved if, in a further development of the invention, the sub-electrodes are formed from triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal surfaces, which are equally spaced from each other.
  • a distribution of the sub-electrodes that can be evaluated in a simple manner is obtained if, in a further development of the invention, the sub-electrodes are arranged square and in the form of a matrix.
  • the measurement electrode composed of sub-electrodes can be arranged in a sensor head together with the evaluation device.
  • the sub-sensor elements can be manufactured using microsystems technology.
  • the high degree of miniaturization that can be achieved with this type of production allows the sensor measuring area to be subdivided into many small sub-sensors with separate measured value outputs or measured value converters.
  • the invention relates to a method for determining surface parameters of a measurement object, e.g. a workpiece using a sensor according to the invention.
  • the sensor element with its measuring electrode composed of the sub-electrodes is positioned on or at a distance from the surface of the measurement object, the capacitances in each case between the sub-electrodes and the opposite area of the measurement object and their mean value and the integral value of the capacitance over all Sub-electrodes are determined and the 3D smoothing depth is calculated taking the measured values into account.
  • the value of the 3D smoothing depth specified in this way is not derived from values obtained selectively by successive individual measurements, but by inherent averaging over a sensor surface or averaging the individual measured values of the sub-sensors, which enables a much faster and less complex assessment of the surface quality.
  • the minimum value and the maximum value are determined from the capacitance values determined between the sub-electrodes and the surface of the measurement object.
  • the integral value for the capacitance between the measuring electrode and the surface of the object to be obtained during the actual measuring process can be related to the minimum and maximum values of the sub-electrode capacitances.
  • the measured capacitance values can thus be correlated with the height coordinates of the measurement object surface.
  • Fig.l shows an enlarged plan view of a portion of an embodiment of a sensor measuring surface of the sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement for measuring the capacitance between a sub-electrode and the object surface or between two sub-electrodes
  • Fig. 4 is a schematic side view of a sensor according to the invention positioned at a distance from the surface of the measurement object
  • FIG. 5 shows a further schematic side view of a sensor according to the invention positioned at a distance from the surface of the measurement object.
  • Fig. 2 shows a vertical section through a sensor for determining surface parameters of a measurement object, e.g. of a workpiece, via which the surface quality of such a measurement object can be determined.
  • a capacitive measurement method is used, but the invention is not restricted to this type of measurement value acquisition.
  • the principle of the invention is first described using the capacitive surface sensor shown in FIG.
  • a sensor element having a sensor measuring surface 4 is provided, which can be positioned with its sensor measuring surface 4 on or at a distance from the surface of the measurement object.
  • the sensor measuring surface 4 is approximately 1 - 2 mm (up to 20 mm) for the assessment of common workpiece surfaces.
  • An important factor in the assessment of the surface quality is the roughness, which until now could only be reliably determined with very complicated and complex equipment.
  • the aforementioned problems are solved in that the sensor measuring surface 4 is composed of a large number of sub-sensor elements 6. Depending on the type of measurement method, the sensor is subdivided into several, for example 100 to 1000, preferably 400 subunits, from which independent measurement values can be obtained.
  • the sensor measuring surface 4 is formed by a measuring electrode composed of a plurality of sub-electrodes 6, which are electrically insulated from one another and which each have an electrical connection as a measured value output which they are connected to an evaluation device 3 (Fig.2).
  • the measurement signal of the electrodes 6 can be tapped separately from one another or in groups at the same time via these electrical connections, which makes it possible to determine individual measurement values, in particular minimum and maximum values or integral measurement values.
  • this subdivision into a plurality of sub-electrodes is preferably carried out with the aid of microsystem technology methods based on a miniaturized sensor surface with suitable sub-subdivisions.
  • the physical effect used here does not have to be limited to the electrical field between a measuring electrode and the surface of the measuring object, but can also be other suitable quantities, for example magnetic, optical, piezo-electric or pneumatic quantities, which are produced by means of a large number of sub Sensor elements can be detected.
  • Fig.l shows a part of a measuring electrode in which the sub-electrodes 6 are formed from square metal electrodes arranged in one plane, which are arranged in the form of a matrix.
  • the individual electrical connections are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity, but can, for example, be etched from a suitable substrate together with the sub-electrodes using a microtechnical method.
  • the sub-electrodes 6 each form a partial electrode of a capacitor (FIG. 4), the other part of which is formed by a partial area of the surface of the measuring object 7, as a dielectric either an air gap existing due to the distance between the sub-electrodes 6 and the surface of the measurement object acts, or a layer of an insulating solid or a corresponding dielectric liquid which has been introduced between the surface of the measurement object and the sub-electrodes 6.
  • sub-electrodes 6 and their mutual spacing or their arrangement are likewise not subject to any restrictions within the scope of the invention.
  • sub-electrodes formed from triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal surfaces which are equally spaced from one another are the most suitable forms of implementation in practice.
  • the measurement object 7 can be connected to ground by a conductive connection or contact with the evaluation device 3, or as indicated in FIG.
  • the capacitance between two sub-electrodes 6 can also be used as the measured value, as shown in FIG.
  • the field between the two sub-electrodes 6 is influenced by the surface of the measurement object 7 in accordance with their nature.
  • active and passive sub-sensor elements can alternately be provided in an optical or pneumatic sensor measuring surface 4, the passive sub-sensor elements, for example phototransistors, micro-pressure sensors, each of which Convert the returned or reflected signal from the measuring object surface of the neighboring active sub-sensor elements, eg photodiodes, micro pressure transducers into a measuring signal.
  • the sensor according to the invention can also be adapted to the contour of the surface of the measurement object. In the simplest case this is possible by using different electrode shapes, but there is also the possibility of designing the sensor electrode in such a way that it can be adapted to the measurement object, for example its nominal surface geometry, for example that of a cylinder.
  • the measuring electrode 4 composed of sub-electrodes 6 is arranged together with the evaluation device 3 in a sensor head 2, which is formed from a hollow body open on one side.
  • line capacitances such as exist in connection lines between the evaluation device 3 and the sub-electrodes 6 also have a clearly measurable interference effect on the measurement result. Due to the spatial proximity between the evaluation device 3 and the measuring electrode 4, however, the parasitic capacitances can be kept low, whereby the quality of the measuring signal is significantly improved.
  • the measuring electrode 4 composed of the sub-electrodes 6 is attached to the open side of the hollow body so that it can be positioned with the sensor head 2 on the surface of the measuring object 7 or at a distance from it.
  • the sensor head 2 is by means of a cardanic suspension 5 or which can move freely in all directions over a certain path or angular path a mechanical equivalent compared to a sensor housing 1 open on one side, the sensor head 2 with its open side protruding from the open side of the sensor housing 1.
  • the cardanic suspension thus causes the sensor according to the invention to always rest on the same section of the measurement object 7 in a defined and reproducible manner, because the sensor head 2 comes to rest on the locally highest points of the measurement object surface due to its mobility relative to the sensor housing 1. Tilting of the sensor measuring surface is therefore excluded.
  • the capacity is always measured in relation to these locally highest elevations.
  • the described arrangement of the sensor measuring surface 7 within the sensor head 2 and the gimbal with respect to the sensor housing 1 can be used for any sensor principle. Instead of a sensor measuring surface 7 composed of sub-electrodes 6, corresponding optical, pneumatic, piezo-electric sub-sensors or the like can occur.
  • the measurement of the capacitances formed during the measurement process between the sub-electrodes 6 and the surface of the measurement object is done for technical reasons with the help of an alternating electrical field, the capacitance to be determined in each case influencing the frequency of an oscillator, for example with a frequency of 30 MHz oscillates.
  • the capacitance present between the respective sub-electrode 6 and the surface of the measurement object can be calculated from the measured oscillator frequency.
  • a suitable measuring arrangement is shown in FIG. 3.
  • the oscillator formed from a Schmitt trigger 13 and the resistors 11, 12 and the capacitor 14 outputs a rectangular output voltage U a , the frequency of which varies as a function of a capacitance 10 (C measurement ) connected in parallel at the oscillator input 15, which Capacitance to be measured, for example between the sub-electrode 6 and the surface of the measurement object.
  • the capacity can also be determined in another form.
  • the frequency of the resonant circuit shown in FIG. 3 is thus a measure of the capacitance between the respective sub-electrode 6 and the surface of the measurement object 7 and thus a measure of the roughness of the workpiece surface.
  • the sub-electrodes 6 arranged in the form of a matrix can be connected to the oscillator input 15 independently of one another during the measurement. As soon as the sensor measuring surface 4 has been positioned relative to the surface of the measuring object, all sub-electrodes 6 can be connected in succession to the oscillator input 15 and the minimum and maximum capacitance values can be determined in the surface area covered by the measuring surface 4 co-correlate with the maximum and minimum height coordinates in the surface area. In the actual measuring process, preferably all sub-electrodes 6 are connected together to the oscillator input 15 and an integral capacitance value valid for the entire sensor measuring surface 4 is determined.
  • this measured value is set in relation to the minimum and maximum capacitance measured values determined in the previous calibration process, a reference value is obtained which is related to the sensor measuring surface 4.
  • the measured capacitance values can be coordinated with the height coordinates.
  • this measurement process brings about a significant reduction in the influence of the parasitic capacitances occurring during the measurement.
  • the sensor measuring surface 4 divided into sub-electrodes 6 can be used both for determining a calibration value for sensor positioning and for calculating a correction value for the direct measurement of 3D surface parameters, for example the 3-D smoothing depth S p , the average 3D roughness S a and the 3D roughness depth St can be used.
  • the evaluation of the measurement signal for determining the 3-D smoothing depth S p of a measurement object is described below.
  • This measured variable can be correlated on the basis of the method according to the invention with a standardized characteristic value, as can be determined with measuring devices that have been used up to now.
  • C ges capacitance measurement over the entire sensor measuring surface 4
  • Equivalent electrode distances can be determined from these measured values using the following formula:
  • the equivalent plate spacing For the calculation of the equivalent plate spacing for the sub-electrode measurements, the area of a sub-electrode 6 is to be used for A sensor , otherwise the entire electrode area.
  • the equivalent plate spacing thus corresponds to the electrode spacing of an equivalent plate capacitor with ideally smooth electrode surfaces.
  • the corresponding equivalent plate spacing d tot , d sub; aV g, d su , ⁇ and d su b, max can be determined from the measured values.
  • this unevenness is ultimately described by the smoothing depth, which is why the value corrected by the factor l / fc j leads d SUb , aV g 2 for an improved assessment of the smoothing depth , the maximum relative error is in the range of approx. 2%.
  • the 3D smoothing depth thus results from the capacitance measured values and the known sensor dimensions
  • the concept of the invention is not limited to measurement by means of a certain physical quantity and can therefore be implemented in various ways.
  • the roughness can also be determined by illuminating a surface area limited to a few mm 2 and evaluating the surface area reflected
  • Depressions appear as light intensity or light color signals.
  • the sensor measuring surface is subdivided by a multi-segment micromirror, which is illuminated by a laser light beam and points the light onto the spot
  • the light reflected from an illuminated surface can be transmitted via a
  • Imaging optics go directly to an opto-electric diode array and are evaluated in a punctiform manner.
  • laser light can also be emitted from one of many individual segments, e.g. Opto-electronic light valve matrix formed in the form of a light point matrix on the photodiodes
  • the surface of the object to be measured is blasted and the reflected light is detected in a spatially separate manner and converted into electronic measurement signals.

Abstract

A sensor for determining the surface parameters of a test object (7), e.g. a workpiece, comprising a sensor element provided with at least one sensor measuring surface (4), said sensor element being positionable with the sensor measuring surface (4) thereof on the surface of the test object (7) or at a distance therefrom. The sensor measuring surface (4) is made up of a plurality of sub-sensor elements (6) with separate measuring value outputs or with separate measuring transducers.

Description

Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Meßobjektes Sensor for determining surface parameters of a measurement object
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Meßobjekts, z.B. eines Werkstückes, mit einem zumindest eine Sensor-Meßfläche aufweisenden Sensorelement, das mit seiner Sensor-Meßfläche auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Meßobjekts positionierbar ist.The invention relates to a sensor for determining surface parameters of a measurement object, e.g. of a workpiece, with a sensor element having at least one sensor measuring surface, which can be positioned with its sensor measuring surface on or at a distance from the surface of the measurement object.
Einen wichtigen Bestandteil der Qualitätskontrolle bei der Fertigung von Werkstücken bildet die Beurteilung der erzielten Oberflächengüte, für welche bereits eine Vielzahl an Methoden entwickelt worden ist. Unter den relevanten Oberflächenparametern ist die Rauheit von besonderer Bedeutung für die Qualitätskontrolle.An important part of quality control in the production of workpieces is the assessment of the surface quality achieved, for which a variety of methods have already been developed. Among the relevant surface parameters, the roughness is of particular importance for quality control.
Beim Tastschnittverfahren, welches zu den mechanischen Verfahren zu zählen ist, erfolgt die Abtastung des Oberflächenprofils durch ein Tastsystem mit einer Diamantnadel (Einkufentastsystem, Pendeltastsystem, Bezugsflächentastsystem), über welche unter Zuhilfenahme elektronischer Hilfsmittel ein überhöhter Profilschnitt aufgezeichnet wird. Die vertikale Auflösung dieser Systeme liegt in der Größenordnung von ca. 0,01 μm, die horizontale Auflösung ist durch den Spitzenradius der Diamantnadel (z.B. 5μm) und den Kegelwinkel (z.B. 60°) begrenzt. Insbesondere gesinterte Oberflächen können mit diesem Verfahren nicht zuverlässig beurteilt werden, da die Poren in den Oberflächen von Sinterteilen nicht vollständig erfaßt werden können. Die gemessenen Rauhigkeitswerte für gesinterte Oberflächen sind aus diesem Grund nicht verwertbar, es verursacht dieses Verfahren für eine Anwendung in einem Fertigungsprozeß aber auch einen zu hohen Zeitaufwand und zu hohe Kosten.In the touch-cut method, which is one of the mechanical methods, the surface profile is scanned by a touch probe with a diamond needle (single-skid touch probe, pendulum touch probe, reference surface touch probe), via which an excessive profile cut is recorded with the help of electronic aids. The vertical resolution of these systems is of the order of magnitude of approx. 0.01 μm, the horizontal resolution is limited by the tip radius of the diamond needle (e.g. 5μm) and the cone angle (e.g. 60 °). Sintered surfaces, in particular, cannot be reliably assessed with this method, since the pores in the surfaces of sintered parts cannot be completely detected. For this reason, the measured roughness values for sintered surfaces cannot be used, but this method also causes an excessive expenditure of time and costs for an application in a manufacturing process.
Relativ häufig angewendet werden mikroskopische Verfahren, insbesondere sind hier die Lichtschnitt- und die hiterferenzmikroskopie zu nennen.Microscopic methods are used relatively frequently, in particular light section and reference microscopy are to be mentioned here.
Beim Lichtschnittmikroskop erfährt eine unter 45° auf eine Oberfläche projizierte, schmale Lichtlinie (optisches Spaltbild) durch die Oberflächengeometrie eine affine Verzerrung, die photographisch dargestellt oder mit einem Okularmikrometer ausgemessen werden kann. Dieses Verfahren läßt eine Bestimmung von Rauhtiefen < lμm zu.In the light section microscope, a narrow light line (optical slit image) projected onto a surface at 45 ° experiences an affine distortion due to the surface geometry, which can be represented photographically or measured with an eyepiece micrometer. This method allows a determination of surface roughness <1μm.
Die Rauhtiefen von spiegelnden, nicht zu rauhen Oberflächen können mit dem rnterferenzmikroskop vermessen werden, mit dem ein durch Interferenz gebildetes Höhenschichtlinienbild mit Niveaulinien im Abstand von λ/2 der Lichtwellenlänge erzeugt wird. Die meßbaren Rauhtiefenunterschiede betragen ca. 0,01 μm. Ein weiteres bekanntes optisches Verfahren stellt die Laserabtastung dar, bei der mittels eines fokussierten Laserstrahls die zu vermessende Oberfläche abgetastet wird und aufgrund der Intensität des reflektierten Lichtes ein Abbild der Oberfläche entsteht. Obgleich das Meßergebnis der Messung relativ rasch erhalten werden kann, ist eine wesentliche Beschränkung der Anwendung dieser Methode dadurch gegeben, daß ihre Durchführbarkeit von den Reflexionseigenschaften der Oberfläche abhängig ist.The roughness depths of reflecting surfaces that are not too rough can be measured with the interference microscope, with which an elevation line image formed by interference with level lines at a distance of λ / 2 of the light wavelength is generated. The measurable surface roughness differences are approx. 0.01 μm. Another known optical method is laser scanning, in which the surface to be measured is scanned by means of a focused laser beam and an image of the surface is created on the basis of the intensity of the reflected light. Although the measurement result of the measurement can be obtained relatively quickly, there is a significant limitation to the use of this method in that its feasibility depends on the reflective properties of the surface.
Große Schwierigkeiten bereitet allerdings die Anwendung der bekannten Verfahren bei Fertigungsprozessen mit hohen Stückzahlen, da der hohe apparative Aufwand und die erforderlichen langen Meßzeiten für solche Oberflächenmessungen die Rentabilität des Herstellungsvorganges negativ beeinflussen. Auch stellen die rauhen Umgebungsbedingungen oder die komplizierte Bedienung der Meßgeräte oftmals ein Hindernis beim Einsatz derselben dar.However, the use of the known methods in manufacturing processes with large numbers of pieces presents great difficulties, since the high outlay on equipment and the long measuring times required for such surface measurements have a negative effect on the profitability of the manufacturing process. The harsh environmental conditions or the complicated operation of the measuring devices often represent an obstacle to their use.
Andererseits sind oftmals Werkstücke aufgrund bestimmter Umstände, z.B. wegen der besonderen Beschaffenheit der Oberfläche, einer verläßlichen Bewertung nicht zugänglich. Dies ist etwa bei porösen Oberflächen der Fall, da durch deren zerklüftete Struktur die Oberflächenqualität mit vielen bekannten Verfahren gar nicht oder nur unzulänglich bestimmt werden kann.On the other hand, workpieces are often due to certain circumstances, e.g. due to the special nature of the surface, a reliable assessment is not accessible. This is the case, for example, with porous surfaces, since their jagged structure means that the surface quality cannot be determined at all or can only be inadequately determined using many known methods.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine Messung von Oberflächenparametern mit relativ geringem technischen Aufwand ermöglicht, wobei die Dauer des Meßvorganges und die dafür aufzuwendenden Kosten gering sind, sodaß eine Online-Beurteilung der Oberflächenqualität von Werkstücken durchführbar ist.The object of the invention is therefore to provide a sensor of the type mentioned at the outset, which enables a measurement of surface parameters with relatively little technical effort, the duration of the measuring process and the costs involved being short, so that an online assessment of the surface quality of workpieces is possible is feasible.
Weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, mit dem die zuverlässige und reproduzierbare Bestimmung von Oberflächenparametern in verhältnismäßig kurzer Zeit auch bei sehr unregelmäßiger Oberflächenbeschaffenheit realisierbar ist.Another object of the invention is to provide a sensor with which the reliable and reproducible determination of surface parameters can be achieved in a relatively short time, even with a very irregular surface condition.
Weiters soll es mit dem anzugebenden Sensor möglich sein, integrale Oberflächenkennwerte über einen bestimmten Bereich des Meßobjektes zu ermitteln.Furthermore, it should be possible with the sensor to be specified to determine integral surface characteristics over a specific area of the measurement object.
Weitere Aufgabe ist es, einen möglichst robusten und wenig störanfälligen Sensor anzugeben. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Sensor-Meßfläche aus einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen mit separaten Meßwert-Ausgängen bzw. mit separaten Meßwert- Wandlern zusammengesetzt ist.Another task is to specify a sensor that is as robust as possible and less susceptible to faults. This is achieved according to the invention in that the sensor measuring surface is composed of a large number of sub-sensor elements with separate measured value outputs or with separate measured value converters.
Durch die Unterteilung der Sensor-Meßfläche kann sowohl eine integrale als auch eine auf eine eng begrenzte Fläche bezogene, lokale Meßwert-Bestimmung sowie eine rasche Mittelung von Meßwerten vorgenommen werden. Dies ermöglicht einerseits die Reduktion von Störeinflüssen und andererseits eine Koπelation von Sensor-Meßwerten undThe subdivision of the sensor measuring area enables both an integral and a local measurement value determination relating to a narrowly limited area, as well as a rapid one Averaging of measured values can be carried out. On the one hand, this enables the reduction of interference and, on the other hand, a coordination of sensor measured values and
Oberflächenparametem.Oberflächenparametem.
Zur einfachen und exakten Handhabung des erfindungsgemäßen Sensors kann vorgesehen sein, daß die aus Sub-Sensorelementen zusammengesetzte Sensor-Meßfläche in einemFor simple and exact handling of the sensor according to the invention it can be provided that the sensor measuring surface composed of sub-sensor elements in one
Sensorkopf angeordnet ist, der aus einem an einer Seite offenen Hohlkörper gebildet ist, und daß die aus den Sub-Sensorelementen zusammengesetzte Sensor-Meßfläche an der offenenArranged sensor head, which is formed from a hollow body open on one side, and that the sensor measuring surface composed of the sub-sensor elements on the open
Seite des Sensorkopfes angebracht ist, sodaß diese mit dem Sensorkopf auf der Oberfläche des Meßobjekts oder in einem Abstand zu dieser positionierbar ist.Side of the sensor head is attached so that it can be positioned with the sensor head on the surface of the measurement object or at a distance from it.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Sensorkopf mittels einer über einen bestimmten Weg bzw. Winkelweg in allen Richtungen frei beweglichen kardanischenIn a further embodiment of the invention, the sensor head can be moved by means of a gimbal which is freely movable in all directions over a certain path or angular path
Aufhängung oder eines mechanischen Äquivalents gegenüber einem an einer Seite offenenSuspension or a mechanical equivalent to an open on one side
Sensorgehäuse angeordnet sein, wobei der Sensorkopf - in seiner nicht applizierten Lage - mit seiner offenen Seite aus der offenen Seite des Sensorgehäuses vorragt.Be arranged sensor housing, the sensor head - in its non-applied position - with its open side protrudes from the open side of the sensor housing.
Dadurch ist garantiert, daß der Sensorkopf jeweils auf dem zu vermessenden Werkstück selbsteinstellend auf den lokal höchsten Oberflächenbereichen aufliegt. DieThis guarantees that the sensor head rests in a self-adjusting manner on the locally highest surface areas on the workpiece to be measured. The
Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse läßt sich dadurch verbessern.The reproducibility of the measurement results can thereby be improved.
Eine andere Variante der Erfindung kann darin bestehen, daß zumindest eines der Sub-Another variant of the invention can consist in that at least one of the sub-
Sensorelemente, vorzugsweise über eine Klemmeinrichtung, lösbar mit der Sensor-Meßfläche verbunden ist. Auf diese Weise ist ein einfacher Austausch der Sub-Elektroden möglich. DieSensor elements, preferably via a clamping device, is detachably connected to the sensor measuring surface. In this way, the sub-electrodes can be easily replaced. The
Klemmeinrichtung kann für jede Art von Sub-Sensorelementen vorgesehen sein.Clamping device can be provided for any type of sub-sensor elements.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß die Sensor-Meßfläche durch eine, aus einer Vielzahl von Sub-Elektroden zusammengesetzten Meßelektrode gebildet ist, die elektrisch voneinander isoliert sind und als Meßwert- Ausgang jeweils einen elektrischen Anschluß aufweisen, über den sie mit einer Auswertevorrichtung verbunden sind.A further embodiment of the invention can consist in that the sensor measuring surface is formed by a measuring electrode composed of a plurality of sub-electrodes, which are electrically insulated from one another and each have an electrical connection as a measured value output, via which they are connected to a Evaluation device are connected.
Mittels der voneinander getrennten Sub-Elektroden ist die gesamte Sensor-Meßfläche in sehr kleine Teilbereiche unterteilt und es können daher an einer entsprechend hohen Anzahl von über die Sensor-Meßfläche verteilten Meßwertpunkten Kapazitäts-Meßwerte bestimmt werden, aus welchen sehr genau Oberflächen-Kennwerte berechnet werden können.By means of the sub-electrodes separated from each other, the entire sensor measuring area is divided into very small sub-areas and it is therefore possible to determine capacitance measured values from a correspondingly high number of measured value points distributed over the sensor measuring area, from which surface characteristic values are calculated very precisely can.
Da in den meisten Fällen eine nominell ebene Meßobjekt-Oberfläche gegeben sein wird, können die Sub-Elektroden aus in einer Ebene angeordneten Metallelektroden gebildet sein.Since in most cases there will be a nominally flat test object surface, the sub-electrodes can be formed from metal electrodes arranged in one plane.
Eine weitere Fortbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die Sub-Elektroden aus der nominellen Oberflächengeometrie des Meßobjekts angepaßten Metallelektroden gebildet sind. Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann darin bestehen, daß auf den Subelektroden eine aus einem Dielektrikum gebildete Schicht aufgebracht ist. Diese Schicht verhindert, daß die Subelektroden unbeabsichtigt direkt in Kontakt mit der Meßobjekt-Oberfläche gelangen können.A further development of the invention can consist in the fact that the sub-electrodes are formed from metal electrodes adapted to the nominal surface geometry of the measurement object. Another embodiment of the invention can consist in that a layer formed from a dielectric is applied to the subelectrodes. This layer prevents the sub-electrodes from unintentionally coming into direct contact with the surface of the measurement object.
Die Form und Anordnung der Sub-Elektroden kann in beliebiger Weise gewählt werden, eine mit geringem technischen Aufwand herstellbare Bauart läßt sich erzielen, wenn in Weiterbildung der Erfindung die Sub-Elektroden aus drei-, vier-, sechs- oder achteckigen Flächen gebildet sind, die gleich voneinander beabstandet sind.The shape and arrangement of the sub-electrodes can be chosen in any way, a construction which can be produced with little technical effort can be achieved if, in a further development of the invention, the sub-electrodes are formed from triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal surfaces, which are equally spaced from each other.
Eine auf einfache Weise bewertbare Verteilung der Sub-Elektroden ergibt sich, wenn in weiterer Fortbildung der Erfindung die Sub-Elektroden quadratisch und in Form einer Matrix angeordnet sind.A distribution of the sub-electrodes that can be evaluated in a simple manner is obtained if, in a further development of the invention, the sub-electrodes are arranged square and in the form of a matrix.
Um die Beeinflussung der Meßauswertung durch parasitäre Kapazitäten weitestgehend herabzusetzen, kann die aus Sub-Elektroden zusammengesetzte Meßelektrode zusammen mit der Auswertevorrichtung in einem Sensorkopf angeordnet sein.In order to minimize the influence of the measurement evaluation by parasitic capacitances, the measurement electrode composed of sub-electrodes can be arranged in a sensor head together with the evaluation device.
Schließlich können in weiterer Ausbildung der Erfindung die Sub-Sensorelemente mikrosystemtechnisch gefertigt werden. Der mit dieser Herstellungsart eπeichbare hohe Miniaturisierungsgrad erlaubt eine Unterteilung der Sensor-Meßfläche in viele kleine SubSensoren mit separaten Meßwertausgängen bzw. Meßwertwandlern.Finally, in a further embodiment of the invention, the sub-sensor elements can be manufactured using microsystems technology. The high degree of miniaturization that can be achieved with this type of production allows the sensor measuring area to be subdivided into many small sub-sensors with separate measured value outputs or measured value converters.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Meßobjekts, z.B. eines Werkstückes unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors.Furthermore, the invention relates to a method for determining surface parameters of a measurement object, e.g. a workpiece using a sensor according to the invention.
Erfindungsgemäß wird das Sensorelement mit seiner aus den Sub-Elektroden zusammengesetzten Meßelektrode auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Meßobjekts positioniert, die Kapazitäten jeweils zwischen den Sub-Elektroden und dem gegenüberliegenden Bereich des Meßobjektes und deren Mittelwert sowie der integrale Wert der Kapazität über alle Sub-Elektroden bestimmt und unter Einbeziehung der gemessenen Werte die 3D-Glättungstiefe berechnet.According to the invention, the sensor element with its measuring electrode composed of the sub-electrodes is positioned on or at a distance from the surface of the measurement object, the capacitances in each case between the sub-electrodes and the opposite area of the measurement object and their mean value and the integral value of the capacitance over all Sub-electrodes are determined and the 3D smoothing depth is calculated taking the measured values into account.
Der auf diese Weise angegebene Wert der 3D-Glättungstiefe wird nicht aus punktuell durch aufeinanderfolgende Einzelmessungen gewonnenen Werten sondern durch inhärente Mittelwertbildung über eine Sensorfläche oder Mittelung der Einzelmeßwerte der SubSensoren abgeleitet, weshalb eine wesentliche schnellere und apparativ weniger aufwendige Beurteilung der Oberflächengüte ermöglicht wird. In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß in einem dem Meßvorgang vorangehenden Kalibrierschritt der Minimalwert und der Maximalwert aus den zwischen den Sub-Elektroden und der Oberfläche des Meßobjektes bestimmten Kapazitätswerten ermittelt werden.The value of the 3D smoothing depth specified in this way is not derived from values obtained selectively by successive individual measurements, but by inherent averaging over a sensor surface or averaging the individual measured values of the sub-sensors, which enables a much faster and less complex assessment of the surface quality. In a further embodiment of the invention it can be provided that in a calibration step preceding the measuring process, the minimum value and the maximum value are determined from the capacitance values determined between the sub-electrodes and the surface of the measurement object.
Der beim eigentlichen Meßvorgang erhältliche integrale Wert für die Kapazität zwischen Meßelektrode und Meßobjektoberfläche kann auf die Minimal- und Maximalwerte der SubElektroden-Kapazitäten bezogen werden. Damit werden die gemessenen Kapazitätswerte mit den Höhenkoordinaten der Meßobjekt-Oberfläche korrelierbar.The integral value for the capacitance between the measuring electrode and the surface of the object to be obtained during the actual measuring process can be related to the minimum and maximum values of the sub-electrode capacitances. The measured capacitance values can thus be correlated with the height coordinates of the measurement object surface.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigeschlossenen Zeichnungen eingehend erläutert. Es zeigt dabeiThe invention is explained in detail below with reference to the accompanying drawings. It shows
Fig.l zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf einen Teilbereich einer Ausführungsform einer Sensor-Meßfläche des erfindungsgemäßen Sensors;Fig.l shows an enlarged plan view of a portion of an embodiment of a sensor measuring surface of the sensor according to the invention;
Fig.2 einen Schnitt durch das Gehäuse einer Ausfülirungsform des erfindungsgemäßen Sensors;2 shows a section through the housing of a filling form of the sensor according to the invention;
Fig.3 eine Schaltungsanordnung zur Messung der Kapazität zwischen einer Sub-Elektrode und der Meßobjekt-Oberfläche bzw. zwischen zwei Sub-Elektroden;3 shows a circuit arrangement for measuring the capacitance between a sub-electrode and the object surface or between two sub-electrodes;
Fig. 4 eine schematische Seitenansicht eines im Abstand von der Meßobjekt-Oberfläche positionierten erfindungsgemäßen Sensors undFig. 4 is a schematic side view of a sensor according to the invention positioned at a distance from the surface of the measurement object
Fig.5 eine weitere schematische Seitenansicht eines im Abstand von der Meßobjekt- Oberfläche positionierten erfindungsgemäßen Sensors.5 shows a further schematic side view of a sensor according to the invention positioned at a distance from the surface of the measurement object.
Fig.2 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Meßobjekts, z.B. eines Werkstückes, über welche etwa die Oberflächengüte eines solchen Meßobjekts bestimmt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine kapazitive Meßmethode angewandt, die Erfindung ist aber nicht auf diese Art der Meßwerterfassung beschränkt. Zur technischen Realisierung stehen, wie nachfolgend noch erläutert werden wird, eine Fülle von Möglichkeiten zur Verfügung. Das Erfindungsprinzip wird aber zunächst anhand des in Fig.2 gezeigten kapazitiven Oberflächensensors beschrieben.Fig. 2 shows a vertical section through a sensor for determining surface parameters of a measurement object, e.g. of a workpiece, via which the surface quality of such a measurement object can be determined. In the exemplary embodiment shown, a capacitive measurement method is used, but the invention is not restricted to this type of measurement value acquisition. As will be explained in the following, there are a large number of possibilities for technical implementation. However, the principle of the invention is first described using the capacitive surface sensor shown in FIG.
Bei diesem ist ein, eine Sensor-Meßfläche 4 aufweisendes Sensorelement vorgesehen, das mit seiner Sensor-Meßfläche 4 auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Meßobjektes positionierbar ist. Die Sensor-Meßfläche 4 beträgt für die Beurteilung gebräuchlicher Werkstück-Oberflächen ungefähr 1 - 2 mm (bis zu 20 mm ). Eine wesentliche Größe bei der Beurteilung der Oberflächengüte stellt die Rauheit dar, die bisher nur mit sehr komplizierten und aufwendigen Apparaturen verläßlich ermittelt werden konnte. Besonders bei Meßobjekten mit einer sehr hohen Porosität, die, wie etwa bei Sinterteilen, durchaus in dieser Form gewünscht ist, weil das Werkstück z.B. ein ganz bestimmtes Restporenvolumen zur Aufnahme von bestimmten Schmierstoffen aufweisen soll, kann es bei Anwendung der bisher üblichen Bestimmungsmethoden zu einer Fehlbewertung kommen, da die relativ großen Poren von Sinterteilen jede Messung so beeinflussen, daß entsprechend hohe Rauheitswerte vorgetäuscht werden, obwohl die ganz außen liegende Funktionsoberfläche in Wirklichkeit eine sehr glatte Struktur aufweist. Um derartige Fehlmessungen zu vermeiden, müssen sehr hochauflösende Verfahren angewandt werden, die aber entsprechend lange Meßzeiten und hohe Kosten mit sich bringen. Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Probleme dadurch gelöst, daß die Sensor- Meßfläche 4 aus einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen 6 zusammengesetzt ist. Je nach Art der Meßmethode wird dabei der Sensor in mehrere, z.B. 100 bis 1000, vorzugsweise 400 Untereinheiten unterteilt, aus denen voneinander unabhängige Meßwerte gewonnen werden können.In this case, a sensor element having a sensor measuring surface 4 is provided, which can be positioned with its sensor measuring surface 4 on or at a distance from the surface of the measurement object. The sensor measuring surface 4 is approximately 1 - 2 mm (up to 20 mm) for the assessment of common workpiece surfaces. An important factor in the assessment of the surface quality is the roughness, which until now could only be reliably determined with very complicated and complex equipment. Especially in the case of measuring objects with a very high porosity, which, like sintered parts, is definitely desired in this form, because the workpiece, for example, should have a very specific residual pore volume for the absorption of certain lubricants, it can lead to an incorrect evaluation if the previously used determination methods are used come because the relatively large pores of sintered parts influence each measurement in such a way that correspondingly high roughness values are simulated, even though the functional surface lying on the outside actually has a very smooth structure. In order to avoid incorrect measurements of this type, very high-resolution methods must be used, but these involve correspondingly long measuring times and high costs. According to the invention, the aforementioned problems are solved in that the sensor measuring surface 4 is composed of a large number of sub-sensor elements 6. Depending on the type of measurement method, the sensor is subdivided into several, for example 100 to 1000, preferably 400 subunits, from which independent measurement values can be obtained.
Bei der im Ausfürirungsbeispiel gemäß Fig.2 angewandten kapazitiven Meßmethode ist die Sensor-Meßfläche 4 durch eine, aus einer Vielzahl von Sub-Elektroden 6 zusammengesetzten Meßelektrode gebildet, die elektrisch voneinander isoliert sind und die als Meßwert- Ausgang jeweils einen elektrischen Anschluß aufweisen, über den sie mit einer Auswertevorrichtung 3 (Fig.2) verbunden sind. Über diese elektrische Anschlüsse ist das Meßsignal der Elektroden 6 getrennt vonemander oder in Gruppen gleichzeitig abgreifbar, wodurch die Möglichkeit besteht, Einzelmeßwerte, insbesondere Minimal- und Maximalwerte oder integrale Meßwerte zu ermitteln.In the capacitive measuring method used in the embodiment according to FIG. 2, the sensor measuring surface 4 is formed by a measuring electrode composed of a plurality of sub-electrodes 6, which are electrically insulated from one another and which each have an electrical connection as a measured value output which they are connected to an evaluation device 3 (Fig.2). The measurement signal of the electrodes 6 can be tapped separately from one another or in groups at the same time via these electrical connections, which makes it possible to determine individual measurement values, in particular minimum and maximum values or integral measurement values.
Diese Unterteilung in eine Vielzahl von Sub-Elektroden erfolgt in der Praxis bevorzugt mit Hilfe von mikrosystemtechnischen Methoden auf Basis einer miniaturisierten Sensorfläche mit geeigneten Sub-Unterteilungen.In practice, this subdivision into a plurality of sub-electrodes is preferably carried out with the aid of microsystem technology methods based on a miniaturized sensor surface with suitable sub-subdivisions.
Der dabei genutzte physikalische Effekt muß sich aber nicht auf das elektrische Feld zwischen einer Meß-Elektrode und der Meßobjekt-Oberfläche beschränken, sondern kann ebenso andere geeignete Größen, z.B. magnetische, optische, piezo-elektrische oder pneumatische Größen, die mittels einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen erfaßt werden können, betreffen. Fig.l zeigt einen Teil einer Meßelektrode, bei der die Sub-Elektroden 6 aus in einer Ebene angeordneten quadratischen Metallelektroden gebildet sind, die in Form einer Matrix angeordnet sind. Die einzelnen elektrischen Anschlüsse sind in Fig.l aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, können aber beispielsweise unter Anwendung eines mikrotechnischen Verfahrens zusammen mit den Sub-Elektroden aus einem geeigneten Substrat geätzt werden.The physical effect used here does not have to be limited to the electrical field between a measuring electrode and the surface of the measuring object, but can also be other suitable quantities, for example magnetic, optical, piezo-electric or pneumatic quantities, which are produced by means of a large number of sub Sensor elements can be detected. Fig.l shows a part of a measuring electrode in which the sub-electrodes 6 are formed from square metal electrodes arranged in one plane, which are arranged in the form of a matrix. The individual electrical connections are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity, but can, for example, be etched from a suitable substrate together with the sub-electrodes using a microtechnical method.
Die Sub-Elektroden 6 bilden dabei, sobald sie im richtigen Abstand von der zu vermessenden Oberfläche positioniert worden sind, jeweils eine Teilelektrode eines Kondensators (Fig.4), dessen anderer Teil durch einen Teilbereich der Oberfläche des Meßobjektes 7 gebildet ist, wobei als Dielektrikum entweder ein durch den Abstand zwischen den Sub-Elektroden 6 und der Meßobjekt-Oberfläche bestehender Luftspalt wirkt oder eine Schicht eines isolierenden Festkörpers bzw. eine entsprechende dielektrische Flüssigkeit, die zwischen die Meßobjekt- Oberfläche und die Sub-Elektroden 6 eingebracht worden ist.As soon as they have been positioned at the correct distance from the surface to be measured, the sub-electrodes 6 each form a partial electrode of a capacitor (FIG. 4), the other part of which is formed by a partial area of the surface of the measuring object 7, as a dielectric either an air gap existing due to the distance between the sub-electrodes 6 and the surface of the measurement object acts, or a layer of an insulating solid or a corresponding dielectric liquid which has been introduced between the surface of the measurement object and the sub-electrodes 6.
Die Form der Sub-Elektroden 6 und ihre gegenseitige Beabstandung bzw. ihre Anordnung sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls keinerlei Beschränkung unterworfen. Aus geometrischen Gründen sind aus drei-, vier-, sechs- oder achteckigen Flächen gebildete Sub-Elektroden, die gleich voneinander beabstandet sind, in der Praxis die geeignetsten Realisierungsformen.The shape of the sub-electrodes 6 and their mutual spacing or their arrangement are likewise not subject to any restrictions within the scope of the invention. For geometric reasons, sub-electrodes formed from triangular, quadrangular, hexagonal or octagonal surfaces which are equally spaced from one another are the most suitable forms of implementation in practice.
Werden die den Sub-Elektroden gegenüberliegenden Oberflächenbereiche des Meßobjekts 7 als zweite Elektrode des so gebildeten Plattenkondensators verwendet, so ist ein relativ hoher Leitfähigkeitswert des Meßobjekts Voraussetzung für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Sensors. Für die Messung kann das Meßobjekt 7 durch eine leitfähige Verbindung oder Kontaktierung mit der Auswertevorrichtung 3, bzw. wie in Fig.4 angedeutet, mit Masse verbunden sein.If the surface areas of the measuring object 7 opposite the sub-electrodes are used as the second electrode of the plate capacitor formed in this way, a relatively high conductivity value of the measuring object is a prerequisite for the functioning of the sensor according to the invention. For the measurement, the measurement object 7 can be connected to ground by a conductive connection or contact with the evaluation device 3, or as indicated in FIG.
Sofern das Meßobjekt aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht und eine Erhöhung seiner Leitfähigkeit nicht möglich ist, kann auch die Kapazität zwischen jeweils zwei Sub-Elektroden 6 als Meßwert herangezogen werden, wie dies in Fig.5 gezeigt ist. Das Feld zwischen den zwei Sub-Elektroden 6 wird dabei durch die Oberfläche des Meßobjektes 7 entsprechend ihrer Beschaffenheit beeinflußt.If the test object consists of an electrically non-conductive material and it is not possible to increase its conductivity, the capacitance between two sub-electrodes 6 can also be used as the measured value, as shown in FIG. The field between the two sub-electrodes 6 is influenced by the surface of the measurement object 7 in accordance with their nature.
Analog dazu können bei einer optischen oder pneumatischen Sensor-Meßfläche 4 abwechselnd aktive und passive Sub-Sensorelemente vorgesehen sein, wobei jeweils die passiven Sub-Sensorelemente, z.B. Phototransistoren, Mikro-Drucksensoren das von der Meßobjekt-Oberfläche zurückgegebene bzw. reflektierte Signal der benachbarten aktiven Sub-Sensorelemente, z.B. Photodioden, Mikro-Druckgeber in ein Meßsignal umwandeln. Der erfindungsgemäße Sensor kann auch an die Kontur der Meßobjekt-Oberfläche angepaßt werden. Dies ist im einfachsten Fall durch Verwendung verschiedener Elektrodenformen möglich, es besteht aber auch die Möglichkeit, die Sensorelektrode so auszuführen, daß sie an das Meßobjekt, z.B. an dessen nominelle Oberflächengeometrie, z.B. die eines Zylinders anpaßbar wird. Auf diese Weise ergibt sich eine deutliche Verringerung von unerwünschten Streufeldern im Raum zwischen Elektrode und Meßobjekt. Weiters kann durch die Verwendung eines geeigneten Dielektrikums zwischen Sub-Elektroden und Meßobjekt- Oberfläche im Feldraum der Einfluß von Streufeldern noch weiter reduziert werden. Dies kann z.B. dadurch geschehen, daß auf den Sub-Elektroden 6 eine aus einem Dielektrikum gebildete Schicht aufgebracht ist. Über diese Schicht können die SubElektroden 6 mit der Oberfläche des Meßobjektes in Berührung gebracht werden. Bei der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform ist die aus Sub-Elektroden 6 zusammengesetzte Meßelektrode 4 zusammen mit der Auswertevorrichtung 3 in einem Sensorkopf 2 angeordnet, der aus einem an einer Seite offenen Hohlkörper gebildet ist. Bei der angewandten kapazitiven Meßmethode bewirken auch Leitungskapazitäten wie sie bei Verbindungsleitungen zwischen der Auswertevorrichtung 3 und den Sub-Elektroden 6 bestehen, einen deutlich meßbaren Störeinfluß auf das Meßergebnis. Durch die räumliche Nähe zwischen der Auswertevorrichtung 3 und der Meßelektrode 4 können jedoch die parasitären Kapazitäten gering gehalten werden, wodurch sich die Qualität des Meßsignals deutlich verbessert.Analogously to this, active and passive sub-sensor elements can alternately be provided in an optical or pneumatic sensor measuring surface 4, the passive sub-sensor elements, for example phototransistors, micro-pressure sensors, each of which Convert the returned or reflected signal from the measuring object surface of the neighboring active sub-sensor elements, eg photodiodes, micro pressure transducers into a measuring signal. The sensor according to the invention can also be adapted to the contour of the surface of the measurement object. In the simplest case this is possible by using different electrode shapes, but there is also the possibility of designing the sensor electrode in such a way that it can be adapted to the measurement object, for example its nominal surface geometry, for example that of a cylinder. In this way, there is a significant reduction in unwanted stray fields in the space between the electrode and the test object. Furthermore, the influence of stray fields can be reduced even further by using a suitable dielectric between the sub-electrodes and the surface of the measurement object in the field space. This can be done, for example, by applying a layer formed from a dielectric to the sub-electrodes 6. The subelectrodes 6 can be brought into contact with the surface of the measurement object via this layer. In the embodiment shown in FIG. 2, the measuring electrode 4 composed of sub-electrodes 6 is arranged together with the evaluation device 3 in a sensor head 2, which is formed from a hollow body open on one side. In the capacitive measuring method used, line capacitances such as exist in connection lines between the evaluation device 3 and the sub-electrodes 6 also have a clearly measurable interference effect on the measurement result. Due to the spatial proximity between the evaluation device 3 and the measuring electrode 4, however, the parasitic capacitances can be kept low, whereby the quality of the measuring signal is significantly improved.
Die aus den Sub-Elektroden 6 zusammengesetzte Meßelektrode 4 ist an der offenen Seite des Hohlkörpers angebracht, sodaß diese mit dem Sensorkopf 2 auf die Oberfläche des Meßobjekts 7 oder in einem Abstand zu dieser positionierbar ist.The measuring electrode 4 composed of the sub-electrodes 6 is attached to the open side of the hollow body so that it can be positioned with the sensor head 2 on the surface of the measuring object 7 or at a distance from it.
Einen großen Einfluß auf die Reproduzierbarkeit des Meßergebnisses hat die Sensorpositionierung auf der Meßobjektoberfläche selbst. Um eine genau definierte Aufsetzbewegung des erfindungsgemäßen Sensors zu ermöglichen, ist der Sensorkopf 2 mittels einer, in allen Richtungen über einen bestimmten Weg bzw. Winkelweg frei beweglichen kardanischen Aufhängung 5 oder eines mechanischen Äquivalents gegenüber einem an einer Seite offenen Sensorgehäuse 1 angeordnet, wobei der Sensorkopf 2 mit seiner offenen Seite aus der offenen Seite des Sensorgehäuses 1 vorragt. Die kardanische Aufhängung bewirkt somit, daß der erfindungsgemäße Sensor auf dem gleichen Abschnitt des Meßobjektes 7 immer in definierter und reproduzierbarer Weise aufsetzt, weil der Sensorkopf 2 durch seine Bewegbarkeit gegenüber dem Sensorgehäuse 1 auf den lokal höchsten Punkten der Meßobjekt-Oberfläche zu liegen kommt. Ein Verkanten der Sensor-Meßfläche ist damit ausgeschlossen. Die Messung der Kapazität geschieht immer in Bezug auf diese lokal höchsten Erhebungen. Die beschriebene Anordnung der Sensor- Meßfläche 7 innerhalb des Sensorkopfes 2 und die kardanische Aufhängung bezüglich des Sensor-Gehäuses 1 ist für jedes Sensorprinzip anwendbar. Anstelle einer aus Sub-Elektroden 6 zusammengesetzten Sensor-Meßfläche 7 können also entsprechende optische, pneumatische, piezo-elektrische Sub-Sensoren o.a. treten.The sensor positioning on the surface of the measurement object itself has a great influence on the reproducibility of the measurement result. In order to enable a precisely defined positioning movement of the sensor according to the invention, the sensor head 2 is by means of a cardanic suspension 5 or which can move freely in all directions over a certain path or angular path a mechanical equivalent compared to a sensor housing 1 open on one side, the sensor head 2 with its open side protruding from the open side of the sensor housing 1. The cardanic suspension thus causes the sensor according to the invention to always rest on the same section of the measurement object 7 in a defined and reproducible manner, because the sensor head 2 comes to rest on the locally highest points of the measurement object surface due to its mobility relative to the sensor housing 1. Tilting of the sensor measuring surface is therefore excluded. The capacity is always measured in relation to these locally highest elevations. The described arrangement of the sensor measuring surface 7 within the sensor head 2 and the gimbal with respect to the sensor housing 1 can be used for any sensor principle. Instead of a sensor measuring surface 7 composed of sub-electrodes 6, corresponding optical, pneumatic, piezo-electric sub-sensors or the like can occur.
Die Messung der während des Meßvorganges zwischen den Sub-Elektroden 6 und der Meßobjekt-Oberfläche gebildeten Kapazitäten geschieht aus meßtechnischen Gründen mit Hilfe eines elektrischen Wechselfeldes, wobei bei der Messung die jeweils zu bestimmende Kapazität die Frequenz eines Oszillators beeinflußt, der z.B. mit einer Frequenz von 30 MHz schwingt. Aus der gemessenen Oszillator-Frequenz kann die zwischen der jeweiligen SubElektrode 6 und der Meßobjekt-Oberfläche vorhandene Kapazität berechnet werden. Eine dafür geeignete Meßanordnung ist in Fig. 3 gezeigt. Der aus einem Schmitt-Trigger 13 und den Widerständen 11, 12 und dem Kondensator 14 gebildete Oszillator gibt eine rechteckformige Ausgangsspannung Ua aus, deren Frequenz in Abhängigkeit von einer am Oszillator-Eingang 15 parallel geschalteten Kapazität 10 (CMess) variiert, welche die zu messende Kapazität, z.B. zwischen der Sub-Elektrode 6 und der Meßobjekt-Oberfläche repräsentiert. Die Ermittlung der Kapazität kann aber auch in anderer Form durchgeführt werden.The measurement of the capacitances formed during the measurement process between the sub-electrodes 6 and the surface of the measurement object is done for technical reasons with the help of an alternating electrical field, the capacitance to be determined in each case influencing the frequency of an oscillator, for example with a frequency of 30 MHz oscillates. The capacitance present between the respective sub-electrode 6 and the surface of the measurement object can be calculated from the measured oscillator frequency. A suitable measuring arrangement is shown in FIG. 3. The oscillator formed from a Schmitt trigger 13 and the resistors 11, 12 and the capacitor 14 outputs a rectangular output voltage U a , the frequency of which varies as a function of a capacitance 10 (C measurement ) connected in parallel at the oscillator input 15, which Capacitance to be measured, for example between the sub-electrode 6 and the surface of the measurement object. The capacity can also be determined in another form.
Die Frequenz des in Fig.3 gezeigten Schwingkreises ist somit ein Maß für die Kapazität zwischen der jeweiligen Sub-Elektrode 6 und der Oberfläche des Meßobjektes 7 und somit ein Maß für die Rauheit der Werkstückoberfläche.The frequency of the resonant circuit shown in FIG. 3 is thus a measure of the capacitance between the respective sub-electrode 6 and the surface of the measurement object 7 and thus a measure of the roughness of the workpiece surface.
Die in Form einer Matrix angeordneten Sub-Elektroden 6 können während der Messung unabhängig voneinander mit dem Oszillator-Eingang 15 verbunden werden. Sobald die Sensor-Meßfläche 4 relativ zur Meßobjekt-Oberfläche positioniert worden ist, können alle Sub-Elektroden 6 nacheinander mit dem Oszillator-Eingang 15 verbunden und in dem von der Meß-Oberfläche 4 überdeckten Oberflächenbereich der minimale und der maximale Kapazitätswert ermittelt werden, die mit den maximalen und minimalen Höhenkoordinaten im Oberflächenbereich koπelieren. Im eigentlichen Meßvorgang werden vorzugsweise alle Sub-Elektroden 6 gemeinsam mit dem Oszillator-Eingang 15 verbunden und ein für die gesamte Sensor-Meßfläche 4 gültiger, integraler Kapazitätswert bestimmt. Wird dieser Meßwert in Relation zu den im vorangehenden Kalibriervorgang bestimmten minimalen und maximalen Kapazitäts- Meßwerte gesetzt, ergibt sich ein auf die Sensor-Meßfläche 4 bezogener Referenzwert. Auf diese Weise werden die gemessenen Kapzitätswerte mit den Höhenkoordinaten koπelierbar. Gleichzeitig bewirkt dieser Meßvorgang eine deutliche Reduktion des Einflusses die bei der Messung auftretenden, parasitären Kapazitäten.The sub-electrodes 6 arranged in the form of a matrix can be connected to the oscillator input 15 independently of one another during the measurement. As soon as the sensor measuring surface 4 has been positioned relative to the surface of the measuring object, all sub-electrodes 6 can be connected in succession to the oscillator input 15 and the minimum and maximum capacitance values can be determined in the surface area covered by the measuring surface 4 co-correlate with the maximum and minimum height coordinates in the surface area. In the actual measuring process, preferably all sub-electrodes 6 are connected together to the oscillator input 15 and an integral capacitance value valid for the entire sensor measuring surface 4 is determined. If this measured value is set in relation to the minimum and maximum capacitance measured values determined in the previous calibration process, a reference value is obtained which is related to the sensor measuring surface 4. In this way, the measured capacitance values can be coordinated with the height coordinates. At the same time, this measurement process brings about a significant reduction in the influence of the parasitic capacitances occurring during the measurement.
Die in Sub-Elektroden 6 unterteilte Sensor-Meßfläche 4 kann sowohl zur Ermittlung eines Kalibrierwertes zur Sensorpositionierung als auch zur Berechnung eines Korrekturwertes für die direkte Messung von 3D-Oberfiächenparametern, z.B der 3-D Glättungstiefe Sp, der mittleren 3D-Rauheit Sa und der 3D-Rautiefe St verwendet werden.The sensor measuring surface 4 divided into sub-electrodes 6 can be used both for determining a calibration value for sensor positioning and for calculating a correction value for the direct measurement of 3D surface parameters, for example the 3-D smoothing depth S p , the average 3D roughness S a and the 3D roughness depth St can be used.
Im folgenden wird die Auswertung des Meßsignals zur Bestimmung der 3-D Glättungstiefe Sp eines Meßobjektes beschrieben. Diese Meßgröße ist auf Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem genormten Kennwert, wie er mit bisher in Verwendung stehenden Meßeinrichtungen bestimmt werden kann, korrelierbar.The evaluation of the measurement signal for determining the 3-D smoothing depth S p of a measurement object is described below. This measured variable can be correlated on the basis of the method according to the invention with a standardized characteristic value, as can be determined with measuring devices that have been used up to now.
Folgende Meßwerte werden während des Meßvorganges ermittelt: Cges: Kapazitätsmesswert über die gesamte Sensor-Meßfläche 4The following measured values are determined during the measuring procedure: C ges: capacitance measurement over the entire sensor measuring surface 4
CSUb,avg: Mittelwert der Kapazitätsmeßwerte aller Sub-Elektroden 6C SU b, avg: average value of the capacitance measured values of all sub-electrodes 6
CSu ,min: Minimaler Kapazitätsmesswert aller Sub-Elektroden 6C S u, min: Minimum capacitance measurement of all sub-electrodes 6
CSub5maχ: Maximaler Kapazitätsmesswert aller Sub-Elektroden 6C S ub 5 maχ: Maximum capacitance measurement of all sub-electrodes 6
Aus diesen Meßwerten können äquivalente Elektrodenabstände nach folgender Formel ermittelt werden:Equivalent electrode distances can be determined from these measured values using the following formula:
— ^ ' ^r ' ^Sen or Uäqu ~ f-,- ^ ' ^ r ' ^ Sen or U equ ~ f-,
^mess^ mess
Für die Berechnung der äquivalenten Plattenabstände für die Subelekfrodenmessungen ist für ASensor die Fläche einer Subelektrode 6 einzusetzen, ansonsten die gesamte Elektrodenfläche. Somit entspricht der äquivalente Plattenabstand dem Elektrodenabstand eines äquivalenten Plattenkondensators mit ideal glatten Elektrodenflächen.For the calculation of the equivalent plate spacing for the sub-electrode measurements, the area of a sub-electrode 6 is to be used for A sensor , otherwise the entire electrode area. The equivalent plate spacing thus corresponds to the electrode spacing of an equivalent plate capacitor with ideally smooth electrode surfaces.
Nach obiger Formel können aus den angeführten Messwerten die zugehörigen äquivalenten Plattenabstände dges, dsub;aVg, dsu ,πώι und dsub,max ermittelt werden.Using the above formula, the corresponding equivalent plate spacing d tot , d sub; aV g, d su , πώι and d su b, max can be determined from the measured values.
3D-Glättungstiefe Sp:3D smoothing depth Sp:
In gleicher Weise wie im zweidimensionalen ein mittleres Profil so definiert wird, daß die Summe der eingeschlossenen Flächenstücke oberhalb und unterhalb dieser Linie gleich sind, kann man im dreidimensionalen eine mittlere Fläche so definieren, daß die Summe der eingeschlossenen Volumina oberhalb und unterhalb dieser Fläche gleich sind.In the same way as in the two-dimensional one defines an average profile so that the sum of the enclosed areas above and below this line are the same, one can define in the three-dimensional an average area so that the sum of the enclosed volumes above and below this area are the same ,
Ermittlung der 3D-Glättungstiefe Sp:Determining the 3D smoothing depth Sp:
Setzt man die Werte für Sp und dSUb,avg zueinander in Beziehung und zieht den (bekannten) Sensorabstand dsensor ab, so zeigen diese Werte bereits eine relativ gute Übereinstimmung. Als problematisch erweist sich allerdings, daß die Differenz dieser Werte mit steigender Rauheit zunimmt. Daher wird ein Korrekturfaktor ki berechnet, mit dessen Hilfe aus dem Wert dSUb,aVg der Wert Sp ermittelt werden kannIf one sets the values for S p and d SUb , avg in relation to each other and subtracts the (known) sensor distance ds ensor , these values already show a relatively good agreement. It proves problematic, however, that the difference between these values increases with increasing roughness. A correction factor ki is therefore calculated, with the aid of which the value S p can be determined from the value d SU b, aV g
sub,avg\ " sub,avg ' Sensorsub, avg \ " sub, avg ' sensor
dges d total
K sub,avgK sub, avg
d sub,avg2 = — i .' d sub,avg\d sub, avg2 = - i. ' d sub, avg \
IC.IC.
Der Faktor ki ist ein Maß dafür, wie "uneben" die Fläche ist, für eine ideal glatte Fläche wäre dieser Wert = 1. Genau diese Unebenheit wird aber durch die Glättungstiefe letztendlich beschrieben, daher führt der um den Faktor l/fcj korrigierte Wert dSUb,aVg2 zu einer verbesserten Beurteilung der Glättungstiefe, der maximale relative Fehler liegt im Bereich von ca. 2 %. Somit ergibt sich die 3D-Glättungstiefe aus den Kapazitätsmeßwerten und den bekannten Sensorabmessungen zuThe factor ki is a measure of how "uneven" the surface is, for an ideally smooth surface this value would be = 1. However, this unevenness is ultimately described by the smoothing depth, which is why the value corrected by the factor l / fc j leads d SUb , aV g 2 for an improved assessment of the smoothing depth , the maximum relative error is in the range of approx. 2%. The 3D smoothing depth thus results from the capacitance measured values and the known sensor dimensions
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Wie bereits erwähnt, beschränkt sich der Erfindungsgedanke nicht auf die Messung mittels einer bestimmten physikalischen Größe und kann daher auf verschiedenartige Weise umgesetzt werden.As already mentioned, the concept of the invention is not limited to measurement by means of a certain physical quantity and can therefore be implemented in various ways.
So kann die Bestimmung der Rauhigkeit auch durch Beleuchtung eines auf wenige mm2 begrenzten Oberflächenbereiches und Auswertung des von der Oberfläche reflektiertenThe roughness can also be determined by illuminating a surface area limited to a few mm 2 and evaluating the surface area reflected
Lichtes über eine opto-elektronische Bildpunkt-Wandlung erfolgen. Erhöhungen undLight takes place via an opto-electronic pixel conversion. Increases and
Vertiefungen erscheinen als Lichtintensitäts- oder Lichtfarbensignal.Depressions appear as light intensity or light color signals.
Eine Unterteilung der Sensor-Meßfläche wird durch einen vielsegmentigen Mikrospiegel erreicht, der von einem Laserlichtstrahl angestrahlt wird und das Licht punktweise auf dieThe sensor measuring surface is subdivided by a multi-segment micromirror, which is illuminated by a laser light beam and points the light onto the spot
Oberfläche des Meßobjektes lenkt. Dort wird es reflektiert und nimmt denselben Weg wie das auf die Oberfläche gelenkte Licht bis zu einem Strahlteiler, über den die reflektiertenSurface of the target steers. There it is reflected and takes the same path as the light directed onto the surface to a beam splitter, via which the reflected
Lichtstrahlen zu photo-elektrischen Wandlern gelangen, welche die Ausweitung übernehmen.Rays of light reach photoelectric converters, which take over the expansion.
Alternativ dazu kann das von einer beleuchteten Oberfläche reflektierte Licht über eineAlternatively, the light reflected from an illuminated surface can be transmitted via a
Abbildungsoptik direkt auf ein opto-elektrisches Dioden- Array gelangen und so punktförmig ausgewertet werden.Imaging optics go directly to an opto-electric diode array and are evaluated in a punctiform manner.
Weiters kann auch Laserlicht über eine, aus vielen Einzelsegmenten, z.B. Photdioden gebildete, opto-elektronische Lichtventil-Matrix in Form einer Lichtpunkt-Matrix auf dieFurthermore, laser light can also be emitted from one of many individual segments, e.g. Opto-electronic light valve matrix formed in the form of a light point matrix on the photodiodes
Meßobjekt- Oberfläche gestrahlt werden und das reflektierte Licht räumlich getrennt detektiert und in elektronische Meßsignale gewandelt werden.The surface of the object to be measured is blasted and the reflected light is detected in a spatially separate manner and converted into electronic measurement signals.
Genauso ist es auch denkbar, eine Sensor-Meßfläche aus einer Vielzahl von Piezo-Aktuatoren oder auf anderen Kraftwechselwirkungen mit der Oberfläche beruhenden Aktuatoren zusammenzusetzen. Die Auswertung der gemessenen Meßsignale geschieht in analogerIt is also conceivable to assemble a sensor measuring surface from a plurality of piezo actuators or actuators based on other force interactions with the surface. The measurement signals measured are evaluated in an analog manner
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Application of the method according to the invention.

Claims

P A T E N T AN S P RÜ C H E PATENT TO SPEECH
1. Sensor zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Meßobjekts, z.B. eines Werkstückes, mit einem zumindest eine Sensor-Meßfläche aufweisenden Sensorelement, das mit seiner Sensor-Meßfläche auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Meßobjekts positionierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor-Meßfläche (4) aus einer Vielzahl von Sub-Sensorelementen (6) mit separaten Meßwert-Ausgängen bzw. mit separaten Meßwert- Wandlern zusammengesetzt ist.1.Sensor for determining surface parameters of a measurement object, e.g. of a workpiece, with a sensor element having at least one sensor measuring surface, which can be positioned with its sensor measuring surface on or at a distance from the surface of the measurement object, characterized in that the sensor measuring surface (4) consists of a plurality of sub-sensor elements (6) is composed with separate measured value outputs or with separate measured value converters.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Sub-Sensorelementen (6) zusammengesetzte Sensor-Meßfläche (4) in einem Sensorkopf (2) angeordnet ist, der aus einem an einer Seite offenen Hohlkörper gebildet ist, und daß die aus den Sub- Sensorelementen (6) zusammengesetzte Sensor-Meßfläche (4) an der offenen Seite des Sensorkopfes (2) angebracht ist, sodaß diese mit dem Sensorkopf (2) auf der Oberfläche des Meßobjekts oder in einem Abstand zu dieser positionierbar ist.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the sub-sensor elements (6) composed sensor measuring surface (4) is arranged in a sensor head (2) which is formed from a hollow body open on one side, and that the the sub-sensor elements (6) composite sensor measuring surface (4) is attached to the open side of the sensor head (2) so that it can be positioned with the sensor head (2) on the surface of the measurement object or at a distance from it.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkopf (2) mittels einer über einen bestimmten Weg bzw. Winkelweg in allen Richtungen frei beweglichen kardanischen Aufhängung (5) gegenüber einem an einer Seite offenen Sensorgehäuse (1) angeordnet ist, wobei der Sensorkopf (2) - in seiner nicht applizierten Lage - mit seiner offenen Seite aus der offenen Seite des Sensorgehäuses (1) vorragt.3. Sensor according to claim 2, characterized in that the sensor head (2) by means of a certain path or angular path in all directions freely movable gimbal (5) relative to an open on one side sensor housing (1) is arranged, the Sensor head (2) - in its non-applied position - projects with its open side out of the open side of the sensor housing (1).
4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der Sub-Sensorelemente (6), vorzugsweise über eine Klemmeinrichtung, lösbar mit der Sensor- Meßfläche (4) verbunden ist.4. Sensor according to claim 1, 2 or 3, characterized in that at least one of the sub-sensor elements (6), preferably via a clamping device, is detachably connected to the sensor measuring surface (4).
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensor- Meßfläche durch eine, aus einer Vielzahl von Sub-Elektroden (6) zusammengesetzten Meßelektrode (4) gebildet ist, die elektrisch voneinander isoliert sind und als Meßwert- Ausgang jeweils einen elektrischen Anschluß aufweisen, über den sie mit einer Auswertevorrichtung (3) verbunden sind. 5. Sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor measuring surface is formed by a measuring electrode (4) composed of a plurality of sub-electrodes (6) which are electrically insulated from one another and as a measured value output each have an electrical connection via which they are connected to an evaluation device (3).
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sub-Elektroden aus der nominellen Oberflächengeometrie des Meßobjekts angepaßten Metallelektroden (6) gebildet sind.6. Sensor according to claim 5, characterized in that the sub-electrodes are formed from the nominal surface geometry of the measurement object adapted metal electrodes (6).
7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den SubElektroden eine aus einem Dielektrikum gebildete Schicht aufgebracht ist.7. Sensor according to claim 5 or 6, characterized in that a layer formed from a dielectric is applied to the sub-electrodes.
8. Sensor nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sub-Elektroden aus drei-, vier-, sechs- oder achteckigen Flächen gebildet sind, die gleich voneinander beabstandet sind.8. Sensor according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the sub-electrodes are formed from three, four, six or octagonal surfaces which are equally spaced from one another.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sub-Elektroden (6) quadratisch ausgebildet und in Form einer Matrix angeordnet sind.9. Sensor according to claim 8, characterized in that the sub-electrodes (6) are square and are arranged in the form of a matrix.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die aus SubElektroden (6) zusammengesetzte Meßelektrode (4) zusammen mit der Auswertevorrichtung (3) in dem Sensorkopf (2) angeordnet ist.10. Sensor according to one of claims 5 to 9, characterized in that the measuring electrode (4) composed of sub-electrodes (6) is arranged together with the evaluation device (3) in the sensor head (2).
11. Sensor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sub-Sensorelemente mikrosystemtechnisch gefertigt sind.11. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sub-sensor elements are made using microsystems technology.
12. Verfahren zur Bestimmung von Oberflächenparametern eines Meßobjekts, z.B. eines Werkstückes unter Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement mit seiner aus den Sub-Elektroden (6) zusammengesetzten Meßelekfrode (4) auf der oder in einem Abstand zur Oberfläche des Meßobjekts (7) positioniert wird, daß die Kapazitäten jeweils zwischen den Sub-Elektroden (6) und dem gegenüberliegenden Bereich des Meßobjektes (7) und deren Mittelwert sowie der integrale Wert der Kapazität über alle Sub-Elektroden (7) bestimmt wird, und daß unter Einbeziehung der gemessenen Werte die 3D-Glättungstiefe berechnet wird.12. Method for determining surface parameters of a measurement object, e.g. of a workpiece using a sensor according to one of claims 5 to 11, characterized in that the sensor element with its measuring electrode (4) composed of the sub-electrodes (6) is positioned on or at a distance from the surface of the measuring object (7) that the capacitances between the sub-electrodes (6) and the opposite area of the measurement object (7) and their mean value and the integral value of the capacitance across all sub-electrodes (7) are determined, and that including the measured values 3D smoothing depth is calculated.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dem Meßvorgang vorangehenden Kalibrierschritt der Minimalwert und der Maximalwert aus den zwischen den Sub-Elektroden(6) und der Oberfläche des Meßobjektes (7) bestimmten Kapazitätswerten ermittelt. 13. The method according to claim 12, characterized in that in a calibration step preceding the measuring step, the minimum value and the maximum value from the determined capacitance values between the sub-electrodes (6) and the surface of the measurement object (7).
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