Längenmessmaschine

Was ist eine Längenmessmaschine?

Eine Längenmessmaschine ist, wie der Name schon sagt, ein Gerät zum Messen von Längen.

Heute wird die Länge durch die vom Licht in einer Zeiteinheit zurückgelegte Strecke definiert, wobei die Lichtgeschwindigkeit zugrunde gelegt wird. Bei den Längenmessmethoden wird zwischen direkten und indirekten Methoden unterschieden.

• Direkte Methode
  Bei dieser Methode wird die Länge durch den Vergleich mit einer Standardlänge, einem Maßstab oder einer Skala unter Verwendung gängiger Messinstrumente wie Lineal, Maßband, Messschieber oder Mikrometer gemessen.
• Indirekte Methode
  Bei dieser Methode wird die Länge mit Hilfe anderer physikalischer Größen, die mit der Länge zusammenhängen, oder mit Hilfe elektrischer oder optischer Methoden gemessen.

In vielen Fällen kann die Länge mit der direkten Methode gemessen werden, aber bei langen Strukturen oder mikroskopischen Objekten in der Größenordnung von Mikrometern wird die indirekte Methode verwendet, da es schwierig ist, eine Standardlänge (Maßstab) zu erstellen. Indirekte Methoden werden auch verwendet, wenn das Objekt eine komplexe Form hat, unzugänglich ist oder nicht angefasst werden kann.

Anwendungen von Längenmessmaschinen

Längenmessmaschinen werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, aber je nach Anwendung muss das am besten geeignete Gerät ausgewählt werden.

• Einige Millimeter bis zu einigen zehn Millimetern und groß genug, um in die Handfläche oder auf einen Tisch zu passen: Lineale und Messschieber
• Etwas größer und länger, von mehreren hundert Millimetern bis zu mehreren Metern: Maßband usw.
• Gegenstände mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Mikrometern, bei denen das Ergebnis unter dem Mikroskop beobachtet werden kann: Mikrometer
• Entfernungen von mehreren Metern bis zu mehreren zehn Metern im Gelände: optische Methoden (Triangulation, Laser-Längenmessung)
• Messung feiner Unregelmäßigkeiten in industriellen Präzisionsprodukten wie Linsen oder Halbleiterwafern: Laserinterferometrie

Darüber hinaus werden Technologien wie die Röntgen-CT für Messungen im Inneren von Objekten eingesetzt, die mit Licht oder Taster unzugänglich sind. In der Nanotechnologie sind Messungen im Nanometerbereich erforderlich, die mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt werden. Als praktische Anwendung werden auch Längenmessmethoden auf der Grundlage der Bildanalyse entwickelt, wie z. B. die jüngste Entwicklung von Längenmessanwendungen mit Smartphone-Kameras.

Funktionsweise der Längenmessmaschinen

Die Definition eines Meters ist die Länge, die das Licht im Vakuum in 1 / 299 792 458 Sekunde zurücklegt. Der darauf basierende Meter-Prototyp ist der Standard für die Länge. Die direkte Methode ist in der Funktionsweise ein Vergleich mit diesem metrischen Prototyp.

Eine Messfunktionsweise, die auf der Definition der Länge beruht, ist die Messung der Lichtlaufzeit (ToF). Aufgrund der sehr hohen Lichtgeschwindigkeit ist eine ausgefeilte Elektronik erforderlich. Viele Laserinstrumente (ToF) verwenden heute üblicherweise eine Messmethode, die auf der Phasendifferenz zwischen dem intensitätsmodulierten einfallenden Licht und dem reflektierten Licht beruht.

Definitionsgemäß handelt es sich dabei um das Verhalten von Licht im Vakuum, so dass in der Praxis eine Korrektur für den Brechungsindex von Luft erforderlich ist. Die Laserinterferometrie nutzt das Phänomen der Interferenz zwischen Laserstrahlen.

Durch die Analyse der Interferenzstreifen, die entstehen, wenn das von der Referenzfläche reflektierte Licht und das von der Messfläche reflektierte Licht für dieselbe Laserstrahlung miteinander interferieren, kann der Abstand der Messfläche von der Referenzfläche in der Größenordnung von nm gemessen werden. Eine Reihe von Längenmessgeräten wird als Beispiel gezeigt, aber es gibt eine Vielzahl von Methoden.

Weitere Informationen zu Längenmessmaschinen

1. Anwendung von Längenmessmaschinen

Die horizontale Längenmessmaschine, die in vielen Längenmessmaschinen verwendet wird, besteht aus einem Bett, einer hin- und hergehenden Plattform mit einer eingebauten Maßverkörperung, die sich auf dem Bett bewegt, einem Messmikroskop zur Beobachtung der Maßverkörperung, einer Messfläche, auf der die Probe unter einer konstanten Messkraft platziert wird, und einem Messtisch, der die zu messende Probe trägt. Es sind zwei Arten von horizontalen Längenmessgeräten bekannt: solche, die dem Abbe’schen Prinzip entsprechen, und solche, die dem Eppenstein’schen Prinzip entsprechen.

Bei horizontalen Längenmessmaschinen mit einem Aufbau, der dem Abbe’schen Prinzip entspricht, erfolgt die Messung, indem die Messachse des Probekörpers und die Skalenfläche des Maßstabs auf derselben Geraden liegen, so dass Messfehler aufgrund von Winkelabweichungen von der Messachse des hin- und hergehenden Tisches, die auf der Ungeradheit des Bettes beruhen, vernachlässigt werden können.

Bei horizontalen Längenmessmaschinen mit einer Struktur, die dem Eppenstein-Prinzip entspricht, wird die Messung hingegen so durchgeführt, dass Messfehler aufgrund der Ungeradheit des Bettes eliminiert werden, indem die Brennweite des Objektivs für den Maßstab gleich dem Abstand zwischen der Messachse des Prüflings und dem Maßstab ist, wenn sie getrennt sind, und indem die Brennebene des Objektivs optisch auf den Maßstab gelegt wird. Die Messung wird durchgeführt, indem die Brennebene der Linse optisch auf den Maßstab gelegt wird.

2. Laser-Längenmessmaschinen

Laser-Längenmessmaschinen strahlen einen Laserstrahl auf ein Prüfobjekt und messen anhand des reflektierten Lichts die Entfernung des Prüfobjekts. Laser-Längenmessmaschinen werden je nach dem zu messenden Abstand als Wegsensoren oder Abstandssensoren bezeichnet.

• Verschiebungssensor
  Längenmessgeräte, die kurze Entfernungen (zehn bis hundert Millimeter) in Mikrometern messen.
• Abstandssensoren
  Es handelt sich um Längenmessgeräte, die große Entfernungen (einige Millimeter bis mehrere Meter) in Millimetern messen.

Die beiden bekannten Messverfahren für die oben genannten Längenmessmaschinen sind das Triangulations- und das Time-of-Flight (ToF)-Verfahren.

Dreiecksmessung
Hierbei handelt es sich um ein Messverfahren, das auf dem Prinzip der Triangulation auf der Grundlage von reflektiertem Licht beruht und aus einer Längenmessmaschine mit einem lichtemittierenden Element und einem lichtempfangenden Element besteht. Als lichtemittierendes Element wird ein Halbleiterlaser verwendet. Bei dem Messverfahren wird ein vom Halbleiterlaser durch eine Projektionslinse fokussierter Laserstrahl auf die Probe gestrahlt. Ein Teil der diffusen Reflexion des auf die Probe eingestrahlten Laserlichts bildet über die Lichtempfangslinse ein Punktbild auf dem Lichtempfangselement. Die Verschiebung der Probe kann durch Erfassen und Berechnen der Position des Punktbildes gemessen werden.

Ein System, das ein CMOS-Lichtempfangselement (Complementary Metal Oxide Semi-Conductor) verwendet, wird als CMOS-System bezeichnet, während ein System, das ein CCD-Lichtempfangselement (Charge Coupled Device) verwendet, als CCD-System bezeichnet wird. Bei der CCD-Methode wird ein CCD (Charge Coupled Device) als lichtempfindliches Element verwendet.

Flugzeitmessung (ToF)
Bei dieser Methode wird die Entfernung gemessen, indem die Zeit gemessen wird, die das eingestrahlte Licht benötigt, um von der Probe reflektiert und vom lichtempfangenden Teil empfangen zu werden. Es gibt zwei bekannte Methoden: die Phasendifferenz-Entfernungsmethode, bei der die Phasendifferenz zwischen der ausgesandten und der empfangenen Wellenlänge verwendet wird, und die Impulsausbreitungsmethode, bei der ein Laserstrahl mit einer festen Impulsbreite ausgesandt wird.