Quarzpendelzungen sind essentielle Komponenten hochpräziser Quarz-Biegeachsenbeschleunigungsmesser. Diese Beschleunigungsmesser finden breite Anwendung in Luft- und Raumfahrt, Luftfahrt, Navigation sowie in zivilen Bereichen wie der seismischen Überwachung und der Ölbohrung. Um ihre Leistung – insbesondere in Navigationssystemen – sicherzustellen, ist eine hochgenaue Messung der Dicke dieser Quarzzungen entscheidend.
Traditionelle kontaktbasierte Dickenmessmethoden – wie Mikrometer oder induktive Sensoren – können die empfindlichen Zungen leicht beschädigen, sind zeitaufwendig und liefern inkonsistente Ergebnisse. Um diese Probleme zu lösen, wurde eine berührungslose Messmethode mit einem chromatisch-konfokalen Sensor vorgeschlagen, die schnellere, sicherere und genauere Ergebnisse ermöglicht.
Warum Quarzpendelzungen eine präzise Messung benötigen
Quarzpendelzungen spielen eine entscheidende Rolle bei der Erfassung von Beschleunigungen in verschiedenen hochentwickelten Instrumenten. Die Dicke der Zunge beeinflusst direkt die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Beschleunigungsmessers. Manuelle, kontaktbasierte Methoden:
Bieten geringe Präzision
Riskieren die Beschädigung der Bauteile
Sind langsam und arbeitsintensiv
Führen zu einer niedrigeren Produktionsausbeute
Um diese Herausforderungen zu überwinden, wurde eine berührungslose optische Methode mit einem chromatisch-konfokalen Sensor eingeführt.
Funktionsweise chromatisch-konfokaler Sensoren
Chromatisch-konfokale Sensoren verwenden Weißlicht als Lichtquelle und fokussieren verschiedene Wellenlängen auf unterschiedliche Entfernungen. Der Ablauf:
Das Licht wird in verschiedene Wellenlängen aufgespalten und auf die Oberfläche eines transparenten Objekts fokussiert.
Jede Wellenlänge entspricht einer bestimmten Position im Raum.
Das reflektierte Licht wird vom System erfasst; die reflektierte Wellenlänge wird ausgewertet, um die genaue Position zu berechnen.
Bei transparenten Objekten wie Quarzzungen werden zwei Reflexionen – eine von der Ober- und eine von der Unterseite – erfasst.
Der Abstand zwischen diesen Reflexionen ergibt die Dicke des Objekts.
Diese Technik ermöglicht hochpräzise, berührungslose Messungen – auch bei transparenten oder geschichteten Materialien wie Glas und Quarz.
Messaufbau
Im Messsystem:
Die Quarzpendelzunge wird auf einer stabilen Plattform fixiert.
Der chromatisch-konfokale Sensor wird senkrecht über der Zunge positioniert.
Der Sensor erfasst die reflektierten Signale von Ober- und Unterseite.
Das System berechnet den Abstand zwischen den beiden Oberflächen zur Bestimmung der Dicke.
Durch diesen Aufbau wird physischer Kontakt vermieden und das Risiko einer Beschädigung der Probe minimiert.
Analyse der Messunsicherheit
Zur Sicherstellung zuverlässiger Messergebnisse wurden mögliche Unsicherheiten analysiert:
Sensor-Genauigkeit
Auflösung: 50 nm
Genauigkeit: ±300 nm
→ Messunsicherheit: ±0,17 μmPositionierungsfehler (Neigung der Zunge)
Leichte Neigung beim Platzieren
Maximale Neigung: 1,3°
→ Messunsicherheit: ±0,12 μmMaterialeigenschaften
Schwankungen im Brechungsindex und Oberflächenrauheit
→ Geschätzte Unsicherheit Brechungsindex: ±0,8 μm
→ Geschätzte Unsicherheit Oberflächenrauheit: ±0,8 μmGesamte kombinierte Unsicherheit
(Berechnung mit der Wurzel-aus-der-Summe-der-Quadrate-Methode)
→ ±1,15 μm
Ergebnisse und Fazit
Das berührungslose Messsystem wurde getestet und erwies sich als:
Präzise
Wiederholbar
Effizient
Schadensfrei
Die Ergebnisse zeigen eindeutig, dass diese Methode den traditionellen manuellen Verfahren überlegen ist – insbesondere bei hochpräzisen Anwendungen in Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung.
Fazit:
Der Einsatz chromatisch-konfokaler Sensoren zur Dickenmessung von Quarzpendelzungen verbessert die Messgenauigkeit und Zuverlässigkeit erheblich. Er eliminiert Risiken durch Kontakt, reduziert den Arbeitsaufwand und unterstützt die Herstellung leistungsstarker Navigationskomponenten.
