DE102008015678A1 - Measuring device for determining surface characteristics of test body, has push-button guidably loaded and/or unloaded along lead over surface, and force measuring device provided between drive part and two-piece sample part - Google Patents

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Abstract

The device has a push-button guidably loaded and/or unloaded along a lead over a surface. A measuring table is provided for the adjustment of a test body. The measuring table is formed of a two-piece sample part and a drive part. The test-body is fixed on the sample part. Driving force of a driving device is introduced into the drive part. A force measuring device i.e. piezo sensor element, is provided between the drive part and the sample part, where the characteristics of the driving force transferred from the drive part to the sample part are measured by the force measuring device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung mit Messtisch nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a measuring device with measuring table according to the preamble of claim 1.

Eine gattungsgemäße Messvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 94/08219 bekannt und kann zur Werkstoffprüfung, insbesondere zur Feststellung der mikrotribologischen Eigenschaften von Oberflächen eingesetzt werden.A generic measuring device is for example from the WO 94/08219 known and can be used for material testing, in particular for determining the microtribological properties of surfaces.

Wird der Taster der Messvorrichtung während der Versuchsdurchführung über die Oberfläche des Prüfkörpers geführt, so verändern sich die dieser Bewegung entgegen gesetzten Kräfte entsprechend einem bestimmten Kraftverlauf. Zur Erfassung dieses Effekts sind Messvorrichtungen bekannt, bei denen die durch den Kontakt zwischen Taster und Oberfläche des Prüfkörpers auftretenden Schallwellen mit geeigneten Schallsensoren erfasst werden (acoustic emission). Diese Art der Messung hat jedoch den Nachteil, dass stark dämpfende Materialien, beispielsweise Kunststoffe, kaum Schallwellen emittieren und somit eine Messung sinnvoller Weise mit einem Schallsensor nicht möglich ist. Außerdem kann die Richtung der auftretenden Kräfte nicht richtungsspezifisch erfasst werden.Becomes the probe of the measuring device during the experiment guided the surface of the specimen, this is how the opposites of this movement change Forces according to a certain force curve. to Detecting this effect, measuring devices are known in which which is due to the contact between the button and the surface of the Test specimen occurring sound waves with suitable sound sensors be detected (acoustic emission). However, this type of measurement has the disadvantage that strongly attenuating materials, for example Plastics, hardly emit sound waves, making a measurement more meaningful Way with a sound sensor is not possible. In addition, can the direction of the forces occurring not directional be recorded.

Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß ein neuartiger Messtisch mit einem Probenteil und einem Antriebsteil vorgeschlagen, wobei zwischen Probenteil und Antriebsteil eine Kraftmessvorrichtung, insbesondere mit Piezosensorelement, vorgesehen ist. Durch den Messtisch mit Kraftmesseinrichtung können hochdynamische Kraftverläufe der von der Antriebseinrichtung aufgebrachten Antriebskräfte detektiert und entsprechende Rückschlüsse auf die Oberflächeneigenschaften abgeleitet werden.to Solution to this problem is inventively a novel measuring table with a sample part and a drive part proposed, wherein between sample part and drive part, a force measuring device, in particular with piezo sensor element, is provided. Through the measuring table with force measuring device can highly dynamic force curves the driving forces applied by the drive means detected and corresponding conclusions the surface properties are derived.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den nachfolgenden Auszügen einer Gerätebeschreibung für ein neues Messgerät ersichtlich.Further Details of the invention are given in the following excerpts a device description for a new measuring device seen.

4.5.11 Mikroreibung (Option)4.5.11 Micrroribration (option)

Das MikroFriction-Modul ermöglicht die Aufzeichnung kleinster Reib- und Kontaktkräfte, die zwischen dem Tast-/Prüfkörper und der belasteten Probe auftreten. Die MikroFriction-Tische ermöglichen eine Kraft-Auflösung im Sub-Millinewton-Bereich, frei von parasitären Sensoreinflüssen.Das Software-Modul zeichnet neben der Kontaktreibkraft (unteres Diagramm) auch die dazugehörige Oberflächentopographie (oberes Diagramm) auf.The MikroFriction module enables the recording of the smallest frictional and contact forces that occur between the probe and the loaded sample. The MikroFriction tables enable power resolution in the sub-millinewton range, free from parasitic sensor influences , In addition to the contact friction force (lower diagram), the software module also records the corresponding surface topography (upper diagram).

Für eine Mikroreibmessung müssen die folgenden Parameter eingestellt werden: Startposition: x-Position des Tisches, an der die Messdatenerfassung beginnen soll. Messstrecke: Länge der Messung, während der die Datenerfassung laufen soll. Der Tisch verfährt bei diesem Messmodus immer von hinten nach vorne. Vor- und Nachspann: Wird ein Wert größer Null gewählt, so wird zusätzlich zur eigentlichen Messstrecke diese Distanz zur Start- und Endposition addiert. Geschwindigkeit: Verfahrgeschwindigkeit des Tisches während der Messung. Messabstand: Abstand zwischen zwei Messpunkten. Der kleinste Wert ist tischabhängig (Größenordnung 1 μm). Last: Die Kraft, die während der Messung auf die Tastspitze wirkt. Sie ist frei wählbar zwischen dem vom Messkopf abhängigen Minimal- und dem von der Tastspitze abhängenden Maximalwert. Reibkraft: Es besteht die Möglichkeit, den Arbeitsbereich der Reibkrafterfassung einzustellen. Messbereich: Messbereich in z-Richtung (Option). Taster: Zu Dokumentationszwecken wird die Bezeichnung der Tastspitze der aktuell geladenen Kalibrierdatei angezeigt. Dieses Feld kann vom Anwender nicht editiert werden. Es ändert sich automatisch, wenn eine neue Kalibrierung geladen wird. For a micro-micrometer the following parameters have to be set: Start position: x position of the table at which the measurement data acquisition should begin. Measuring range: Length of measurement during which the data acquisition should run. The table moves in this measurement mode always from back to front. Lead and credits: If a value greater than zero is selected, this distance is added to the start and end position in addition to the actual measuring section. Speed: Traversing speed of the table during the measurement. Measuring distance: Distance between two measuring points. The smallest value is table-dependent (order of magnitude 1 μm). Load: The force acting on the stylus tip during the measurement. It can be freely selected between the minimum value dependent on the measuring head and the maximum value dependent on the probe tip. friction force: It is possible to adjust the working range of the friction force detection. Measuring range: Measuring range in z-direction (option). button: For documentation purposes, the designation of the probe tip of the currently loaded calibration file is displayed. This field can not be edited by the user. It changes automatically when a new calibration is loaded.

Als Ergebnis zeigt das Modul sowohl das abgetastete Oberflächenprofil sowie die Reibkraft (linke y-Skala) und den gemessenen Reibkoeffizienten μ = FR/FN (rechte y-Skala) an. Es sollten nur Messungen gespeichert werden, bei denen Höhensignal und Reibsignal im vorgegebenen Messbereich bleiben. As a result, the module displays both the scanned surface profile and the frictional force (left-hand y-scale) and the measured frictional coefficient μ = F R / F N (right-hand y-scale). Only measurements should be stored where the height signal and friction signal remain within the specified measuring range.

Die Statistik in der linken unteren Ecke des Fensters zeigt den Mittelwert, Standardabweichung, Maximum und Minimum der Reibkraft und des Reibkoeffizienten im ausgewählten Bereich an. Achtung: Der Mikroreibtisch enthält einen hochpräzisen Kraftsensor, der nicht über eine mechanischen Sicherung gegen Überlast versehen ist, und bei Stoss- oder Schlagbeanspruchung zerstört werden kann. Darüber hinaus darf das Anschlusskabel keinesfalls geknickt werden. The statistic in the lower left corner of the window displays the mean, standard deviation, maximum and minimum of frictional force and friction coefficient in the selected area. Attention: The microreeding disc contains a high-precision force sensor, which is not equipped with a mechanical overload protection and can be destroyed by shock or impact stress. In addition, the connection cable must under no circumstances be kinked.

Daher ist mit der erforderlichen Umsicht bei Transport, Tischmontage und Probenbefestigung zu verfahren:
Transport: evtl. auf den Sensor wirkende statische Lasten dürfen ± 50 N nicht überschreiten. Schlag- und Stoßimpulse sind grundsätzlich zu vermeiden! Therefore, the necessary care must be taken during transport, table mounting and sample mounting:
Transport: static loads acting on the sensor must not exceed ± 50 N. Impact and shock pulses are to be avoided!

Tischmontagetable mounting

  • 1. Der rückwärtig in den MikroFriction-Tisch (MFT) eingelassene Sensor (29) kann durch Herein- bzw. Herausschrauben in die Arbeitsposition bzw. die Transportsicherungs-Position gebracht werden: Grüne Markierung vollständig sichtbar = Sensor geschützt (Transport, Lagerung, Montage) Rote Markierung nicht mehr sichtbar = Sensor messbereit (Sensor leicht bis Anschlag schrauben) Wichtig: Beim Berühren des Sensors muß das Sensor-Kontaktgewinde durch die Schutzkappe gegen Schmutzzutritt geschützt ein. NIEMALS z. B. mit Handschweiß verunreinigen!!1. The sensor recessed into the back of the MicroFriction table (MFT) ( 29 ) can be brought into or out of the working position or transport safety position by screwing in or out: Green marking completely visible = sensor protected (transport, storage, installation) Red marking not visible = sensor ready to measure (slightly screw sensor to stop) Important : When touching the sensor, the sensor contact thread must be protected against the ingress of dirt by the protective cap. NEVER z. Contaminated with hand sweat !!
  • 2. Zur Befestigung des MFT auf dem Verfahrtisch bitte unbedingt wie folgt vorgehen: – Grüne Markierung vollständig sichtbar(!!!) – MFT auf Verfahrtisch in Schraubposition schieben. Ziehen Sie nun bitte die MFT-Deckplatte vorsichtig gegen eine leichte Federkraft nach vorne (von Sensor weg): In dieser Position kann nun der MFT auf dem Verfahrtisch befestigt werden: Die Schrauben werden durch die äußeren Gewindegänge der Deckplatte hindurch mit dem Verfahrtisch verschraubt. Bitte verwenden Sie dazu den beigestellten M3-Imbus-Schraubendreher und vermeiden Sie Verletzungen der Gewindegänge. – Sie können nun die Deckplatte wieder in ihre Ursprungsposition zurücklaufen lassen.2. It is essential to fix the MFT on the travel table proceed as follows: - Green mark completely visible, noticeable(!!!) - MFT on traversing table in screw position slide. Now please pull the MFT cover plate carefully against a slight spring force forward (away from the sensor): in this position Now the MFT can be fixed on the travel table: the screws be through the outer threads screwed through the cover plate with the traversing table. You're welcome Use the supplied M3 Allen screwdriver and avoid violations of the threads. - She Now you can return the cover plate to its original position run back.

Sensoraktivierungsensor activation

  • 1. Der Sensor wird nun ohne starke Krafteinwirkung in den MFT gedreht, bis die rote Markierung nicht mehr sichtbar ist (merkliche Anschlagposition).1. The sensor will now be without strong force Turned in the MFT until the red mark is no longer visible is (noticeable stop position).
  • 2. Sie können nun das Ladungskabel (hellgrün) mit dem Sensor verbinden. Bitte vermeiden Sie dabei Torsionen und Knicken des Kabels(!!)2. You can now charge the charge cable (light green) connect to the sensor. Please avoid torsions and Kinking the cable (!!)

Sie können nun mit der Messung beginnen.she can now start the measurement.

Signalfilterungsignal filtering

Hintergrund: Kraftsensor und VerstärkerBackground: force sensor and amplifier

Bei dem zur Kraftmessung mit dem UST® verwendeten dynamischen Mikrokraftsensor handelt es sich um einen hochauflösenden Sensor. Zur exakten Zuordnung von Ursache (Topographie) und Wirkung (topographischer Kraftanteil) müssen Sensoren verwendet werden, die bei Kraftbeaufschlagung selbst keiner mechanischen Dehnung unterliegen.The dynamic micro force sensor used to measure force with the UST ® is a high-resolution sensor. For the exact assignment of cause (topography) and effect (topographical force component) sensors must be used, which are not subjected to any mechanical strain when force is applied.

Um zudem unbeeinflusst kurzwellige Zustandsänderungen (Peaks) zu detektieren, sollte die Eigenfrequenz des Sensors hoch sein.Around also unaffected shortwave state changes (peaks) to detect, the natural frequency of the sensor should be high.

Aufgrund dieser spezifischen Anforderungen wurde der Mikro-Krafttisch des UST mit einem hochgenauen Piezo-Kraftsensor ausgerüstet. Sensoreigenschaften Ansprechschwelle N 0,5 × 10–3 Lastbereich N –50 ... +50 Steifheit N/μm etwa 4 Eigenfrequenz kHz > 10 Due to these specific requirements, the micro power table of the UST was equipped with a high-precision piezo force sensor. sensor features threshold N 0.5 × 10 -3 load range N -50 ... +50 stiffness N / micron about 4 natural frequency kHz > 10

Prinzipielle Nachteile derartiger Sensoren liegen in der Signalkonditionierung: Die Sensoren generieren nur geringe Ladungen (1–10 Piko-Coulomb), welche elektrisch verstärkt werden müssen.principal Disadvantages of such sensors are in the signal conditioning: The sensors generate only small charges (1-10 pico-coulombs), which must be electrically amplified.

Der im UST integrierte Meßverstärker gehört zu den modernsten seiner Klasse. Die „Verrauschung” des Signals und die Drift sind extrem gering. Verstärkereigenschaften Störspannung Uout mVpp < 80 Drift pC/s < 0,03 The measuring amplifier integrated in the UST is one of the most modern in its class. The "noise" of the signal and the drift are extremely low. amplifier features Interference voltage U out mV pp <80 drift pC / s <0.03

Meßergebnisse/Messfehler:Measurements / measurement error:

Bei Piezo-Meßsystemen treten prinzipiell 2 Meßfehlerarten auf: Die Signale können

  • a.) Mit einer Drift überlagert sein und
  • b.) „verrauscht” sein.
In principle, 2 types of measurement errors occur in piezo measuring systems: The signals can
  • a.) be superimposed with a drift and
  • b.) "noisy".

Beide Fehlerarten können durch Softwarekorrekturen reduziert/beseitigt werden.Both Error types can be reduced / eliminated by software corrections become.

Drift:Drift:

Solange die Drift einen linearen Verlauf besitzt, kann sie durch Null-Signalmessungen unmittelbar vor und nach einem Meßlauf korrigiert werden.So long the drift has a linear course, it can through zero signal measurements corrected immediately before and after a spin.

Aus diesen beiden Messungen kann die Steigung der Drift berechnet werden, und der Meßlauf durch die Software nach der Messung korrigiert werden.Out these two measurements can be used to calculate the slope of the drift, and the run is corrected by the software after the measurement become.

Dies wird von der UST®-Software automatisch vollzogen.This is done automatically by the UST ® software.

Rauschen:noise:

Solange das Rauschen als stochastische Signalüberlagerung betrachtet werden kann, können mathematische Filter das unverrauschte Signal regenerieren.So long the noise is considered a stochastic signal overlay mathematical filters can do this without noise Regenerate the signal.

Die UST-Software wurde dazu mit 2 unterschiedlichen Filtern ausgerüstet:

  • a.) Tiefpaß-Filter
  • b.) Median-Filter.
The UST software was equipped with 2 different filters:
  • a.) Low-pass filter
  • b.) median filter.

Beide Filter reduzieren höherfrequente Rauschanteile des eigentlichen Kraftsignals. Ziel ist es, mittels geeigneter Wahl der Filterparameter eindeutigere Zuordnungen von Topographie zu Kraftsignal zu ermöglichen.Both Filters reduce high-frequency noise components of the actual Force signal. The aim is, by means of a suitable choice of the filter parameters to enable clearer assignments of topography to force signal.

Beispiel TiefpassfilterExample low-pass filter

36: Filtercharakteristik eines Tiefpassfilters 36 : Filter characteristic of a low-pass filter

Der verwendete Tiefpaßfilter unterdrückt kurzwellige Abweichungen, so daß er nur langwellige Abweichungen (Welligkeit) ungedämpft passieren läßt (vgl. DIN 4777 ).The low-pass filter used suppresses short-wave deviations, so that it allows only long-wave deviations (ripple) to pass undamped (cf. DIN 4777 ).

Die Filterung des Reibsignals wird durch Betätigung des Buttons

Figure 00080001
aktiviert. Der wichtige Parameter ist der „Cutoff”, der frei vom Benutzer eingestellt werden kann. Der Einfluß dieses Cutoffs ist in 36 dargestellt.The filtering of the friction signal is activated by pressing the button
Figure 00080001
activated. The important parameter is the "cutoff", which can be freely set by the user. The influence of this cutoff is in 36 shown.

37 zeigt den Einfluß des Filterprozesses an Hand einer realen Messung. 37 shows the influence of the filtering process on the basis of a real measurement.

Beispiel Median FilterExample median filter

Als zweite Filteroption bietet das Programm einen Median Filter an. Dieser Filter reduziert ebenfalls hochfrequente Anteile, wird aber einen plötzlichen Signalsprung nicht so stark glätten wie der Tiefpaßfilter. Die Definition dieses Filters ist in 38 dargestellt. Filterparameter ist der Rang (engl. rank), der wiederum vom Benutzer frei eingestellt werden kann.As a second filter option, the program offers a median filter. This filter also reduces high frequency components, but will not smooth a sudden signal jump as much as the low pass filter. The definition of this filter is in 38 shown. Filter parameter is rank, which in turn is derived from User can be set freely.

39 zeigt den Einfluß des Filterprozesses an Hand einer realen Messung. 39 shows the influence of the filtering process on the basis of a real measurement.

36 wird dargestellt durch 1 36 is represented by 1

37 (oben) wird dargestellt durch 2 37 (above) is represented by 2

37 (unten) wird dargestellt durch 3 37 (below) is represented by 3

39 wird dargestellt durch 4 39 is represented by 4

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - WO 94/08219 [0002] WO 94/08219 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - DIN 4777 [0025] - DIN 4777 [0025]

Claims (2)

Messvorrichtung zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften eines Prüfkörpers, mit einem Taster, der belastet und/oder unbelastet entlang einer Spur über die Oberfläche geführt wird, wobei das Höhenprofil der Spur mittels einer am Taster vorgesehenen Sensorik erfasst werden kann, und mit einem Messtisch zur Fixierung des Prüfkörpers, wobei der Messtisch mittels einer Antriebseinrichtung im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Prüfkörpers antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtisch zweiteilig aus einem Probenteil und einem Antriebsteil aufgebaut ist, wobei der Prüfkörper auf dem Probenteil fixiert wird, und wobei die Antriebskraft der Antriebseinrichtung am Antriebsteil eingeleitet wird, und wobei zwischen Antriebsteil und Probenteil eine Kraftmesseinrichtung vorgesehen ist, mit der der Verlauf der vom Antriebsteil auf den Probenteil übertragene Antriebskraft gemessen werden kann.Measuring device for determining the surface properties of a specimen, with a button that is loaded and / or unloaded guided along a track over the surface, wherein the height profile of the track can be detected by means of a sensor provided on the button, and with a measuring table for fixing the specimen wherein the measuring table is drivable by means of a drive device substantially parallel to the surface of the test body, characterized in that the measuring table is constructed in two parts from a sample part and a drive part, wherein the test specimen is fixed on the sample part, and wherein the driving force of the drive means on the drive part is initiated, and wherein between the drive part and sample part, a force measuring device is provided, with which the course of the transmitted from the drive part to the sample part driving force can be measured. Messvorrichtung nach, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung ein Piezosensorelement umfasst.Measuring device according to, characterized in that the force measuring device comprises a piezo sensor element.
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