CH643949A5 - Interferometrische kraftmessvorrichtung mit digitaler auswertung. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE Messelementes, an der sogenannten Biegeplatte, greift die

1. Interferometrische Kraftmessvorrichtung mit digitaler Messgrösse Kraft an. Der Luftspalt, der durch diese Biege-Auswertung bestehend aus einem Verformungskörper, aus ei- platte und der ihr gegenüberliegenden Platte gebildet wird, ist nem Interferometer, das einen optischen Teiler, zwei kippin- so gestaltet, dass bei Durchbiegung der Biegeplatte und bei variante Reflektoren, wovon mindestens einer beweglich ist, s Durchstrahlung des Messelementes mit parallelen monochro-und eine monochromatische Lichtquelle umfasst, ferner aus matischem Licht eine interferentielle Drehstreifenverteilung einem optischen Abbildungssystem mit fotoelektrischen entsteht. Mit Hilfe fotoelektrischer Empfänger werden be-Empfangern, aus einer Impulsformerstufe und aus einem stimmte Stellen der interferentiellen Drehstreifenverteilung Vor-Rückwärts-Zähler, dadurch gekennzeichnet, dass der abgetastet. Optimale Verhältnisse ergeben sich, wenn die In-aus einem Stück gefertigte Verformungskörper aus einem bie- io terferenzstreifen am Messbereichsanfang aus einer schrägen gesteifen Grundkörper (6), der fest in einem Gestell (9) gehal- Anfangslage bis zum Messbereichsende sich in eine zur An-tert ist und an dem der optische Teiler (3) und Inferometer- fangslage symmetrischen Endlage drehen. Durch eine Justie-spiegel (4a, 4b) sowie der kippvariante Reflektor (5b) fest an- ™ng der Empfänger in y-Richtung der in der DDR-Patentgebracht sind, und aus einer Biegeplatte (7a), an der die zu schritt 94 905 beschriebenen Vorrichtung wird der Umfang messende Kraft F angreift, und an der der bewegliche Reflek- is des Zeichenvorrates, d.h. wieviel auflösbare Schritte dem tor (5a) fest angeordnet ist, besteht. Messbereichsumfang zugeordnet sind, festgelegt. Durch eine

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- Abstandsjustierung der Empfanger in x-Richtung der in der net, dass der Verformungskörper aus dem Grundkörper (6) DDR-Patentschrift 94 905 beschriebenen Vorrichtung kann und mehreren Biegeplatten (7b) besteht, und dass die Biege- die gewünschte Phasenlage der Ausgangssignale erreicht platten (7b) an ihren freien Enden durch ein Koppelelement 20 werden.

(15) fest miteinander verbunden sind. Bei dieser Vorrichtung wird der Umfang des Zeichenvor-

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- rates>der dem Messbereichsumfang zugeordnet ist, durch den net, uass der Kraftangriffspunkt an einer der Biegeplatten Abstand der Abtaststelle des Empfängers von der oben er-(7b) angeordnet ist. wähnten x-Richtung bestimmt. Diese Zuordnung ändert sich

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- 25 also, wenn beispielsweise durch Temperaturschwankungen «ei, dass der Kraftangriffspunkt am Koppelelement (15) an- die relativen Lagen zwischen Messelement, optischem Abbil-geordnet ist. dungssystem und fotoelektrischem Empfanger verändert

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da- werden.

cîurch gekennzeichnet, dass der Verformungskörper (6) min- Aufgrund der Drehstreifenverteilung bleibt zwar der Ab-

dcsiens teilweise aus Quarz besteht. 30 stand der Interferenzstreifen in der oben erwähnten x-Rich-

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- tung konstant, jedoch in der oben erwähnten y-Richtung än-ciäicli gekennzeichnet, dass der Grundkörper (6) und das dert er sich in Abhängigkeit vom Wert der Messgrösse. Somit Koppeîeîeinent (15) aus Kieselgut und die Biegeplatten (7a, . wird die Anzahl der auswertbaren Interferenzstreifen von 7b) aus kristallinem Quarz bestehen. dem Interferenzstreifenabstand begrenzt, der fotoelektrisch

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- 35 noch ausgewertet werden kann.

duicli gekennzeichnet, dass die Biegeplatten (7a, 7b) aus Kie- Bei aussermittiger Kraftanlenkung an der Biegeplatte tritt seigut bestehen und dass ein aus hochwertigem Verformungs- ein Verwinden der Biegeplatte auf, wodurch sich der Abstand körpermaterial, z.B. kristallinem Quarz, bestehendes Zwi- der Interferenzstreifen in der oben erwähnten x-Richtung und schenteil (8) in diese Biegeplatten (7a, 7b) eingefügt ist. somit auch die Phasendifferenz zwischen den Ausgangssigna-

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da- 40 len ändert.

durch gekennzeichnet, dass eine Lastsäule (10) an einer obe- Die fest miteinander verbundenen Platten, die das Mess-

ïen Biegeplatte (7b) durch eine kinematische Führung (16) element bilden, müssen aus hochwertigem und transparentem und an einer unteren Biegeplatte (7b) durch eine momenten- Material bestehen.

freie Ankopplung angelenkt ist. Ausserdem müssen die Platten eine hohe Oberflächengüte

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da- 45 und Messhaltigkeit besitzen, um die gewünschte Geometrie durch gekennzeichnet, dass in bestimmten Abständen in der des Luftspaltes zu erreichen.

Längsrichtung des Grundkörpers (6) mehrere Lastsäulen (10) Es ist nicht möglich, den Verformungskörper aus einem sowie Anlenkstellen angeordnet sind. Stück herzustellen, da die Flächen, die den Luftspalt ein-

1 G. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da- schliessen, poliert sein müssen.

durch gekennzeichnet, dass die Interferometerspiegel (4a; 4b) 50 Mit der erfmdungsgemässen Lösung ist es möglich, insbe-

fest mit dem optischen Teiler (3) verbunden sind. sondere den Abstand der Interferenzstreifen längs des Mess-

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da- bereiches konstant zu halten, jedoch beliebig einzustellen, wodurch gekennzeichnet, dass der eine kippinvariante Reflektor bei relative Lageänderungen zwischen Messelement (Verfor-(5a) an einer unteren Biegeplatte (7b) und der andere kippin- mungskörper), optischem Abbildungssystem und fotoelektri-variante Reflektor (5b) an einer oberen Biegeplatte (7b) ange- 55 schem Empfänger keinen Einfluss auf die Zuordnung des ordnet ist, dass beide Reflektoren beweglich sind und dass sie Umfanges des Zeichenvorrates zum Messbereichsumfang ha-in einer zur Längsrichtung des Grundkörpers (6) senkrechten ben und ein Verwinden der Biegeplatte keinen Einfluss auf die Ebene, diametral bezüglich des Symmetriezentrums des Phasendifferenz zwischen den Ausgangssignalen besitzt. Die Grundkörpers (6) und im minimal möglichen Abstand in der Vorrichtung erlaubt die Verwendung von nichttransparentem Längsrichtung des Grundkörpers (6) vom Koppelelement 60 Material als Verformungskörpermaterial. Der Verformungs-(15) angeordnet sind. körper zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Ausserdem soll die Möglichkeit geschaffen werden, hochwertiges Verformungskörpermaterial einzusparen. Besondere Ausführungsformen der erfmdungsgemässen Vorrichtung erlauben,

Entsprechend der DDR Patentschrift 94 905 ist eine Vor- 65 den Messbereich in einfacher Weise ändern zu können, sowie richtung mit direkter digitaler Auswertung bekannt, die ein auf optischem Wege eine Eckenlastunabhängigkeit zu er-

Messelement enthält, das aus mehreren fest miteinander ver- reichen.

bundenen transparenten Platten besteht. An einer Platte des Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich-

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tung mit digitaler Auswertung zu schaffen, die kleine Messzei- jeweils durch die kippinvarianten Reflektoren umgeleitet, ge-ten und hohe Auflösungen besitzt und auch unter rauhen Be- langen zu den am Teilerwürfel befestigten Interferometerspie-triebsbedingungen funktionstüchtig bleibt. geln, werden an diesen reflektiert, durchlaufen die kippinva-

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch die Merkmale rianten Reflektoren noch einmal, werden am optischen Teiler des Anspruchs 1 gelöst. 5 wieder vereinigt und interferieren. Bei Durchbiegung der Bie-

Der Verformungskörper kann gabelförmig oder auch in geplatte infolge der angreifenden Kraft ändert sich der Gang-der Form einer Ring- oder Rahmenfeder gestaltet werden. unterschied der interferierenden Bündel und die Interferenz-Der Verformungskörper besteht aus einem biegesteifen streifen wandern aus. Die Anzahl der Interferenzstreifen, die Grundkörper und einer oder mehreren Biegeplatten, wobei bei einer bestimmten Messwertänderung auswandern, hängt der Grundkörper fest im Gestell gehaltert ist. io vom Abstand des kippinvarianten Reflektors der Biegeplatte

Der Verformungskörper ist in einfacher Weise aus einem vom Biegezentrum ab.

Stück, beispielsweise aus hochwertigen Federstahl oder kri- Ein Objektiv bildet die Interferenzstreifen auf die foto-

stallinem Quarz hergestellt. elektrischen Empfänger ab. Die fotoelektrischen Empfänger

Zur Einsparung hochwertigen Verformungskörpermate- müssen lediglich in Richtung senkrecht zu den Interferenz-rials gibt es mehrere Möglichkeiten. Entweder man stellt nur 15 streifen justiert werden, um die gewünschten Phasendifferen-die Biegeplatten aus hochwertigem Material her und verbin- zen zu erhalten. Zur Realisierung des Inkrementalverfahrens det sie fest mit dem biegesteifen Grundkörper oder in die Bie- wird das Interferenzbild an zwei um 90° phasenverschobenen geplatten werden zusätzliche Zwischenteile eingefügt, die so Stellen fotoelektrisch abgetastet.

gestaltet sind, dass sie den grössten Teil der Deformation auf- Zur Einschränkung der Eckenlastempfindlichkeit werden weisen. Im letzteren Fall müssen lediglich die Zwischenteile 20 vorzugsweise die beiden kippinvarianten Reflektoren jeweils aus hochwertigem Verformungskörpermaterial hergestellt an den beiden Biegeplatten in einer zur auf Figur 3 angegebe-werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die Zwi- nen y-z-Ebene parallelen Ebene diametral bezüglich des schenteile aus kristallinem Quarz und den Grundkörper so- Koordinatenursprungs das heisst des Symmetriezentrums des wie die Biegeplatten aus Kieselgut herzustellen. Grundkörpers (6), angeordnet. Die kippinvarianten Reflek-

Sind mehrere Biegeplatten angeordnet, so werden die Bie- 25 toren sollten so nah wie möglich zum Koppelelement und geplatten an ihren freien Enden durch ein Koppelelement fest vom Koppelelement aus gesehen vor den Biegegelenken ange-miteinander verbunden. Die zu messende Kraft kann an einer bracht werden.

der äusseren Biegeplatten oder am Koppelelement angelenkt Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen werden. näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt:

Bei der Anordnung mit mehreren Biegeplatten bietet es 30 Fig. 1 Anordnung mit Grundkörper und einer Biegeplatte sich an, die Biegeplatten gleichzeitig als Parallellenker für das Fig. 2 Anordnung mit Grundkörper und zwei Biegeplat-Krafteinleitungssystem zu verwenden. Die Lastsäule ist hier- ten bei direkt an die Biegeplatten angelenkt. An einer Anlenk- Fig. 3 Anordnung der Bauteile des Interferometers zur stelle wird die Kraft auf den Verformungskörper übertragen. Beseitigung der Eckenlastempfindlichkeit Diese Anlenkstelle muss so ausgebildet sein, dass sie keine 35 Gemäss Fig. 1 besteht der Verformungskörper aus dem Momente überträgt. An der anderen Stelle ist die Lastsäule an biegesteifen Grundkörper 6, aus der Biegeplatte 7a und aus eine Biegeplatte durch eine kinematische Führung angelenkt. dem fest eingefügten Zwischenteil 8.

Die kinematische Führung muss so gestaltet sein, dass sie Grundkörper 6 und Biegeplatte 7a bestehen aus Kiesel möglichst nur vernachlässigbare Momente überträgt. gut, während Zwischenteil 8 aus kristallinem Quarz besteht.

Durch eine Veränderung des Abstandes des kippinvarian- 40 in das Zwischenteil 8 ist eine Nut eingefräst, so dass dieses ten Reflektors der Biegeplatte von der Einspannstelle der Bie- Teil den grössten Teil der Deformation aufweist. An einer geplatte kann der gewünschte Messbereich eingestellt werden. Stelle ist der Grundkörper 6 fest im Gestell 9 gehaltert. Mit

Durch das Anbringen mehrerer Lastsäulen in verschiede- dem Grundkörper 6 sind der optische Teiler 3 und der kippinnen Abständen wird durch Umstecken der Waagschale in ein- variante Reflektor 5b fest verbunden. Am optischen Teiler 3 facher Weise ein Mehrbereichskraftmesssystem erreicht. 45 sind die Interferometerspiegel 4a un 4b angebracht. Der kip-

Fest mit dem Verformungskörper werden nun die opti- pinvariante Reflektor 5a ist fest mit der Biegeplatte 7a verschen Teile eines kippinvarianten Interferometers bekannter bunden. Mit Hilfe der monochromatischen Lichtquelle 1 und Bauart verbunden. Beispielsweise kann ein Michelson-Inter- des Kondensors 2 wird auf den optischen Teiler 3 paralleles ferometer, in dessen Interferometerarme eine Strahlumlen- monochromatisches Licht geleitet. Am optischen Teiler 3 er-kung durch kippinvariante Reflektoren (z.B. Trippelprismen) so folgt eine Aufteilung in zwei Teilbündel. Die beiden Teilbün-bewirkt wird, benutzt werden. Der optische Teiler, die beiden del werden jeweils durch die kippinvarianten Reflektoren 5a Interferometerspiegel sowie ein kippinvarianter Reflektor und 5b umgeleitet, gelangen zu den Interferometerspiegeln 4a werden fest mit dem Grundkörper verbunden. Dabei ist es und 4b, werden an diesen reflektiert, durchlaufen die kippin-vorteilhaft, die Interferometerspiegel am optischen Teiler zu Varianten Reflektoren 5a und 5b noch einmal, werden am op-befestigen, da sich das fertigungstechnisch leicht realisieren 55 tischen Teiler 3 wieder vereinigt und interferieren. Mittels des lässt und einen robusten Aufbau ergibt. Der andere kippinva- Objektivs 11 wird die Interferenzerscheinung auf die fotoelek-riante Reflektor ist fest an der Biegeplatte angeordnet. Bei frischen Empfänger 12 projiziert. Diesen sind Impulsformer-Durchbiegung der Biegeplatte infolge der angreifenden Kraft stufen 13 und ein Vor-Rückwarts-Zähler 14 nachgeschaltet, ändert sich lediglich die optische Weglänge im Icterfero- Die Kraft F wird über das Krafteinleitungssystem, bestehend meterarm, nicht aber die Strahlrichtung der in den kippinva- <>0 aus Waagschale 20, Lastsäule 10, Parallellenker 18 und rianten Reflektor einfallenden Strahlen und der vom Reflek- Ankoppelelement 19, auf die Biegeplatte 7a geleitet. Mit zu-tor zurückgeworfenen Strahlen. Der Abstand der Interferenz- nehmender Kraft F biegt sich auf die Biegeplatt 7 a durch und streifen wird durch die Winkellage der beiden Interferometer- an den fotoelektrischen Emfpängern 12 wandern die Interfe-spiegel, die am optischen Teiler befestigt sind, bestimmt. renzstreifen aus. Die Anzahl der vorbeilaufenden Interferenz-

Mit Hilfe einer monochromatischen Lichtquelle und eines 65 streifen wird im Vor-Rückwärts-Zähler 14 gezählt und ist ein Kondensors wird auf den optischen Teiler paralleles mono- direktes Mass für den Wert der Kraft F.

chromatisches Licht geleitet. Am optischen Teiler erfolgt eine Nach Fig. 2 sind die Enden der Biegeplatten 7b durch das Aufteilung in zwei Teilbündel. Die beiden Teilbündel werden Koppelelement 15 verbunden. Die optischen Bauelemente des

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Interferometers sind genau so wie bei der Anordnung nach speziellen Anordnung, die eine Eckenlastunempfindlichkeit

Fig. 1 angeordnet. Auch die fotoelektrische Auswertung er- bewirkt, ist der eine kippinvariante Reflektor 5a an der unte-folgt in gleicher Weise. Über die Lastsäule 10 wird die Kraft F ren Biegeplatte 7b und der andere kippinvariante Reflektor auf die untere Biegeplatte 7b mittels eines Spurlagers 17 über- 5b an der oberen Biegeplatte 7b befestigt. Die kippinvarian-

tragen. An die obere Biegeplatte 7b ist die Lastsäule 10 durch 5 ten Reflektoren 5a, 5b sind in einer zur in dieser Figur angege-

eine kinematische Führung 16 angelenkt. Obere und untere benen y-z-Ebene parallelen Ebene diametral bezüglich des

Biegeplatte 7b dienen gleichzeitig als Parallellenker 18. Im ge- Koordinatenursprungs im minimal möglichen Abstand in der wählten Beispiel sind zwei Lastsäulen 10 angebracht. Durch x-Richtung, die senkrecht zur y- und zur z-Richtung steht,

Umstecken der Waagschale 20 wird somit ein Zweibereichs- vom Koppelelement 15 angeordnet. Zur Strahlumlenkung ist kraftmesssystem erreicht. 10 in einem Interferometerarm ein zusätzlicher Umlenkspiegel

Fig. 3 zeigt den Schnitt A-A der Fig. 2 mit veränderter 21 vorhanden.

Anordnung der optischen Teile des Interferometers. In dieser

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1 Blatt Zeichnungen