CN1399715A - 变形检测装置 - Google Patents

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    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge

Abstract

本发明涉及一种用于检测一个元部件(1)的各种不同状态如变形状态、运动和载荷状态的装置，它具有一个发送器(2)和一个接收器(3)，它们是相互独立的，彼此间隔地布置在至少一个元部件上，还有一个分析处理单元(4)，其中发送器(2)发射电磁波(例如一种激光)或者一种聚焦的基本粒子射线束至接地器(3)。通过在一个反光镜上和在一个半透明的反光镜(9)上的多重反射能够提高空间分辨率。

Description

变形检测装置
本发明涉及一种用于检测一个元部件的各种不同状态，如变形状态、运动和载荷状态的装置，它具有一个发射器和一个接收器，它们相互独立地，彼此间隔开地布置在一个元部件上，另外还有一个分析处理单元。
由US 5170 366已知有一种检测元部件变形状态的检测装置。这种检测装置借助于一个设置在元部件里面或者元部件上的发送器发射声音信号并通过一个布置在元部件的另一个位置上或者另一个位置里的接收器来接收此信号。由于元部件受载状况各不相同，例如由于伸长、镦粗或者扭转而造成的变形不同，因而声音信号的延迟时间就各不相同。当元部件伸长时传播速度就下降，而在压缩或者镦粗时声音信号的传播速度则加快。为了获得在所测量的传播时间和元部件载荷之间的相关关系，必须求得在模拟状态下可能的载荷状态和在发送器和接收器之间因而各不相同的传播时间。另外还必须对所有影响传播速度以及并不归诸于元部件载荷的参数，例如温度，或者干扰信号进行补偿或者说分析处理。
本发明的任务就是这样来设计和布置一种变形检测装置，从而能够快速而方便地获知一个元部件的各种不同的载荷状态。
按照本发明解决该任务的方法是使发送器向接收器发射电磁波或者一种聚焦的声波或者一种聚焦的基本粒子射线束。这样就可以使发送器和接收器通过光束而相互作用联系起来，因而例如元部件的变形就会对发送器和接收器之间的相对位置产生影响，并因而也对光束相对于接收器的变化情况发生影响。这种装置适合于作为称量装置，因为从元部件的变形可以推知所作用的力。而另外一些因元部件的变形所带来的影响因素，例如动载荷或者不平衡也都可以获得。可以想象对于这样一种的位置测定也可应用一种压力波或者说声波，或者一种水射流。
对此也可优选的是使发送器和接收器各自经过一个固定座安放在元部件上，从而使元部件的变形相当于作用在接收器上的电磁波或光束的位置移动。因而元部件的每个变形就导致了光束相对于接收器发生了变化。这种变化就用来获得元部件变形或者元部件变化量，或者说就等值于这些变化量。这也就可能通过元部件的变形状态来检测导致这变形的力，也就是说，例如一个载荷如一个列车的重量可以根据在其载荷作用下产生变形的轨道来求得。也可以对一个列车用动态称重。
按照另外一种方案还可以在光束的光径之内至少布置一个反射器或者一个反射面，而且使光束通过反射器或者反射面向接收器反射，其中这反射器通过一个固定座与元部件相连接。对此还可优选的就是使发送器和接收器布置在反射器或者反射面对面的一个公共的外壳面上。光束的光径因而根据反射器的数量不同而延长二倍、四倍或多倍。随元部件变形而发生的光束的偏离因而就放大了这个延长系数，这就大大提高了元部件变形的分辨能力。因而就能够分辨和测定部件的每个微小的变形。反射器布置在元部件上的优点是：发送器-接收器单元作为整体通过一个单独的固定座而布置在元部件上。
最后，按照本发明所述解决方案的一种优选的实施形式，接收器具有如同一个相敏(PSD)检测装置或者一个图形处理元件那样的光敏感表面，而且这光敏表面至少要保证其分辨率达到3000d至6000d。因此就能够对应于上述的分辨能力来测定反射的光束相对于其初始位置的偏差并因而测定元部件的变形。此处应该注意到，由于光径的多重反射，光束的偏差已经放大了相应的参数。
对于本发明来说特别具有意义的是：发送器发射出至少一种如激光那样的光束。因此也可以使元部件的变形能够借助于两个或三个频率和/或位置各不相同的光束来分析计算。应用激光则在散射或位置识别方面是最有利的。也可以考虑应用另一种介质，例如水来产生光径。
综合了按本发明的设计和布置，有利的是使发送器、接收器和反射器都布置在一个柔性的外壳里。这个外壳用于保护光径免受外界的影响。由于元部件变形而阻碍了在单个元件之间的相对运动，这种情况则由于采用了柔性结构的外壳而被阻止了。
鉴于光径的加长，有利的是至少使一个半透明薄层布置在从发送器至接收器的光径之内。因此发射的光束以其一部分强度反射并以其另一部分强度使光径向前继续。因此在接收器上可以形成光径的位置图，由此图形可以查出对应于反射数量的各个不同分辨等级的元部件变形情况。
对此使发送器和/或接收器和/或外壳设计成圆的或者长方形的则也是有利的。因此对应于可能的元部件变形或使用范围就能最佳地充分利用现有的表面。圆的外壳形状基本上用于应用一种钻孔芯状的检测装置或者作为钻芯替代物。这种检测装置就装入在一个孔里或由此孔接纳固定，以便求出那里的元部件变形情况。因此可以将检测装置例如放入在一个基底里面，以便求得那里的变形或振动。
为接收器或PSD传感器配置一个分析处理逻辑电路以测定元部件的变形这也是有利的。这种基于反射光束的偏离的元部件变形就通过这分析处理逻辑电路来求得。将检测装置用作为称重元件因此也是可能的。
综合按本发明的设计和布置，优选的是，使发送器和接收器一起布置在一块板上，这块板通过至少一个夹紧元件而夹紧在一个元部件上，这夹紧元件具有两个尖的或者圆的接触部分以及至少一个与板对应的孔。通过这些孔就使夹紧元件一方面压靠在板上，而且另一方面压靠在轨道上，因而将元部件的变形传递到发送器和接收器上。这样所形成的压靠表面此处为线状的，因而形成了一种非超定的支承。因而避免了繁杂的在元部件打孔的粘贴。
最后，有利的是使发送器和接收器一起通过一个固定座并使反射器与此独立地并与之间隔地通过另外一个固定座布置在一个公共外壳里的元部件上。
本发明的其余优点和细节在专利权利要求书里和在叙述中加以说明并用附图描述表示。
图示为：
图1：从未受载元部件一侧看的检测装置的一个剖切视图；
图2：从受载部件一侧看的检测装置的一个剖切视图；
图3：从前面看的接收器的视图；
图4：作为钻芯的检测装置的一个剖视图；
图5：与元部件用螺纹连接的检测装置的一个剖视图；
图6：按图5中A-A的剖视图；
图7：按图1具有多重反射的光束的视图；
图8：一种固定装置的剖视图。
在图1中用1表示一个元部件，在其一侧或侧面上布置了一个载荷或者说变形检测装置11。这种元部件可以是一根轨道，一根轴或者一根梁。此处这变形检测装置11可以夹紧、螺纹拧或者粘贴在这元部件上。
检测装置11在其外壳右侧面8’上装有一个发送器2和一个接收器3。发送器2向着外壳左侧面8发射光束或者激光5，在左侧面8处光束撞在一个反射器6上并被反射。然后反射的光束10就射到布置在发送器侧的接收器3上。根据发送器2和反射器6的平行度，所发送的光束5与反射的光束10是一致的，或者按照图1所示略有偏离，也就是说发射光束的射出点13和反射光束的射入点14有一个微小的间距。这种位置于是选择作为元部件的所有其它的载荷状况的参照基准。用元部件的变形也就可以求出基于这种变形的力，例如一个货物列车的重量。
无论是在右侧面的发送器-接收器单元还是在左侧面的反射器6是分别通过一个固定座12，12’而与元部件1牢固连接。
两个固定座12，12’用一个公共的柔性的外壳7围住，这外壳7封住了这传感器防止了外界的干扰并且当元部件出现变形时按图2所示保证了两侧面的活动自由度。
图2表示了由于外部载荷而变形的元部件。左面和右面的固定座12，12’因而对应于变形相互倾斜定位。其结果是发射的光束或激光5的射入角和反射的激光的射出角10与按图1的参照位置是不同的，或者说发射激光的射出点13和反射激光的射入点具有一个与参照位置有偏离的间隔距离。
图3表示了接收器3以及发射出的激光5或者反射激光的射出点13以及射入点14。接收器设计成圆形的并具有一个光敏表面19，借助此表面来测定射入的激光的位置。
图4表示了一种钻孔芯状的检测装置，也就是说它放入在一个设在待检验元部件里的孔15里。通过设在两侧的固定座12，12’，在元部件里由于外部载荷而引起的变形的作用到检测装置上或者说影响到接收器和反射器6的平行度。外壳7保证了引入检测装置11所必要的导向特性，从而在参照状态下几乎就保证了接收器3和反射器6的平行度。在该实施例中发送器2布置在接收器3的对面。当元部件发生变形时光束5就偏离其参照基准位置。偏离开的光束5’因而就射入到一个偏离参照基准位置的在接收器3上的位置，并且元部件的变形就能够求得。
图5表示了检测装置11在元部件1上布置或者说紧固的另一种方法。两个固定座12，12’为此各有一个向着螺栓16，16’的固定连接18，18’。螺栓16，16’与元部件1拧紧或者说拧入在这元部件里。外壳7包围住发送器2和接收器3。在螺栓16，16’和元部件1之间的强度或者说形状连接则由一个销钉连接17，17’来确保，这种销钉连接阻止了围绕各自螺栓中心轴线的扭转。
图6表示了按图5中A-A的截面。接收器3设计成长方形的，其中发送器2布置在一个角部部位的边缘或者说左上方，并且反射的激光10在参照基准状态下同样射入在这个角部部位里，也就是说激光的射出点13和射入点14两者都布置在长方形的发送器-接收器单元2，3的一个角部部位里。
按图7所示也可以将一个半透明的薄层9放置在接收器3的前面，该薄层使反射的激光10一部分通过，也就是说用其强度的一部分激光射到接收器上，并用其强度的其余部分它再次在反射器6的方向上反射，那么反射器就使激光第二次射到接收器3上。
在图8中用1表示轨道，它通过一块板20和两个桥形的或U-形的夹紧元件21与发送器2和接收器3连接。对此，板20在两端部位处至少有一个孔24，这个孔与各自的夹紧元件21上的孔23是同轴布置的。另外，夹紧元件21有两个半圆的支承部分22，22’，它们线状地贴靠着板20以及贴靠着轨道1。在板的下面布置了发送器2和接收器3。此处夹紧元件21的短支腿26支承在轨道1的脚部25上，而长支腿26’则支承在板20上。因而使板20与轨道1压靠接触并能检测出轨道的变形。
标号表1     元部件，轨道2     发送器，激光器3     接收器4     分析处理单元5     光束，激光5’   偏转的光束6     反射器，反射面7     外壳8     左外壳面8’   右外壳面9     半透明薄层10    反射的光束或激光11    检测装置12    左固定座12’  右固定座13    激光的射出点14    激光的射入点15    孔16    螺栓16’  螺栓17    销钉连接17’  销钉连接18    连接18’  连接19    光敏表面，相敏(PSD)传感器20    板21    夹紧元件22    支承部分22’  支承部分23    孔24    孔25    轨道脚部26    21的短支腿26’  21的长支腿

Claims (16)

1.用于检测一个元部件(1)的各种不同的状态，如变形状态、运动和载荷状态的装置，它有一个发送器(2)和一个接收器(3)，它们是相互独立地，彼此间隔开地布置在至少一个元部件上，同时还有一个分析处理单元(4)，其特征在于，发送器(2)发射出一种电磁波或者一种聚焦的声波或者一种聚焦的基本粒子射线束至接收器(3)。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，发送器(2)和接收器(3)各自通过一个固定座(12，12’)这样布置在元部件(1)上，从而使元部件(1)的变形等同于电磁波或者光束(5)在接收器(3)上的位置偏移。
3.按权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，在光束的光径之内至少布置有一个反射器或者一个反射面(6)。
4.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，光束(5)通过反射器或者反射面(6)向接收器(3)反射。
5.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，反射器(6)经由固定座(12)与元部件连接。
6.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，接收器(3)具有一个如同一个相敏(PSD)检测装置或一个图形处理元件那样的光敏表面。
7.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，光敏表面至少具有1000d的分辨能力。
8.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，发送器(2)至少发射出如一种激光那样的光束(5)。
9.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，发送器(2)，接收器(3)和反射器(6)都布置在一个柔性的外壳(7)里。
10.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，发送器(2)和接收器(3)都布置在反射器或反射表面(6)对面的一个公共的外壳面(8’)上。
11.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，至少有一个半透明薄层(9)布置在从发送器至接收器的光径之内。
12.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，发送器(2)和/或接收器(3)设计成圆形的或者长方形的。
13.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，外壳(7)设计成圆形的、长方形的或者钻孔芯形状的。
14.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，为接收器(3)或者相敏(PSD)检测装置配置有一个分析处理逻辑电路用于确定元部件(1)的变形。
15.按上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，发送器(2)和接收器(3)一起通过一个固定座(12’)或者两个不同的固定座(12，12’)，而反射器(6)则与此独立地并与发送器有间距地通过另外一个固定座都布置在一个公共的外壳(7)里面的元部件(1)上。
16.用于检测元部件(1)的各种不同状态，如变形状态、运动、载荷状态的装置，它具有一个发送器(2)和一个接收器(3)，它们相互独立地，彼此间隔地布置在至少一个元部件上，同时还有一个分析处理单元(4)，其特征在于，发送器(2)和接收器(3)一起布置在一块板(20)上，该板通过至少一个夹紧元件(21)夹紧在元部件(1)上，其中，夹紧元件(21)具有两个尖的或者圆的支承部分(22，22’)以及至少一个与板对应的孔(23)。
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