DD209272A1

DD209272A1 - METHOD OF FORMING MEASUREMENT

Info

Publication number: DD209272A1
Application number: DD24291982A
Authority: DD
Inventors: Holm Arndt; Nils Vogel
Original assignee: Hermsdorf Keramik Veb
Priority date: 1982-09-01
Filing date: 1982-09-01
Publication date: 1984-04-25

Abstract

Verfahren zur Kraftmessung mit einem optisch transparenten kristallinen Medium, bei dem die Kraftrichtung rechtwinklig zur Lichtrichtung steht. Unter Anwendung eines voellig neuen Prinzips soll die Messung insbesondere grosser Druck- und Zugkraefte mit minimalen Mitteln wenig stoeranfaellig durchgefuehrt werden. Dabei soll die Kraft in eine optische Groesse ohne die Zwischenschaltung eines elektrischen oder mechanischen Weges ueberfuehrt werden. Hierzu wird das Medium auf eine Temperatur gebracht, die in Abhaengigkeit von der Zusammensetzung des Mediums innerhalb eines Temperaturbereichs liegt. Die Transparenz des Mediums wird Druck- oder Zugeinwirkung verringert und die veraenderte Transparenz wird fotometrisch gemessen.Method for force measurement with an optically transparent crystalline medium, wherein the direction of force is perpendicular to the light direction. Using a completely new principle, the measurement of particularly large pressure and Zugkraefte with minimal resources to be carried out with little disruption. The force should be transferred to an optical size without the interposition of an electrical or mechanical path. For this purpose, the medium is brought to a temperature which, depending on the composition of the medium, is within a temperature range. The transparency of the medium is reduced pressure or traction and the changed transparency is measured photometrically.

Description

Dr. Holm Arndt P 902Dr. Holm Arndt P 902

Nils Vogel IPK: G 01 L, 1/24Nils Vogel IPK: G 01 L, 1/24

25.8.198208/25/1982

Titel der Erfindung Verfahren zur Kraftmessung Title of the invention Method for measuring force

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kraftmessung miteinem optisch transparenten kristallinen Medium,- bei dem das Medium von einem Lichtbündel durchsetzt wird und auf das Medium eine vorzugsweise rechtwinklig zum Lichtbündel gerichtete Kraft einwirkt. Die Erfindung ist besonders geeignet zur Messung großer Zugkräfte und Drücke sowie zur Drucksicherung, wobei die Sicherungselemente eine reversible, oder irreversible Charakteristik aufweisen können. Sie ist ferner für solche Falle geeignet, in denen mit Hilfe von Zug- oder Druckkräften Modulationen eines Lichtbündels über seinen Querschnitt erfolgen sollen.The invention relates to a method for measuring force with an optically transparent crystalline medium, in which the medium is penetrated by a light beam and acts on the medium, preferably at right angles to the light beam directed force. The invention is particularly suitable for the measurement of high tensile forces and pressures and for pressure relief, wherein the fuse elements may have a reversible or irreversible characteristic. It is also suitable for such cases in which by means of tensile or compressive forces modulations of a light beam over its cross section should take place.

Characteristic of the known technical solutions

Bekanntlich werden für Kraftmessungen eine Heihe von physikalischen Erscheinungen herangezogen, bei- denen eine Meßgröße von. der wirksamen Kraft bzw. dem wirksamen Druck ein-As is known, a series of physical phenomena are used for force measurements, where a measurand of. the effective force or pressure

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'deutig und reproduzierbar abhängt. Solche Erscheinungen sind die in Festkörpern unter Krafteinwirkung entstehenden elastischen Spannungen, der in bestimmten kristallinen Medi'en unter Druck oder Zug entstehende piezoelektrische Effekt, die Änderung der Magnetisierbarkeit von ferromagnetischeη Medien, die Widerstandsänderung von elastisch beeinflußten metallischen Leitern, die durch äußere Kräfte hervorgerufenen optischen 7erspannungen elastischer durchsichtiger Körper im kristallinen Zustand, die Beugung von Röntgenstrahlen in unter mechanischen Spannungen stehenden isotropen Festkörpern. Der Ermittlung der jeweiligen Meßgröße dienen optische, mechanische, elektrische oder kombinierte 7erfahren und Einrichtungen, Beispielsweise ist. es bekannt,. Kräfte interferometrisch zu messen. Abgesehen davon, daß diese Methode der Kraftmessung nicht für große Kräfte geeignet ist, benötigt sie einen hohen instrumenteilen Aufwand in elektrischer, mechanischer und optischer Hinsicht,und. es werden hohe Anforderungen an die mechanische Stabilität der verwendeten Interferometer gestellt.'Significantly and reproducibly depends. Such phenomena are the elastic stresses generated in solids, the piezoelectric effect produced under pressure or tension in certain crystalline media, the change in the magnetizability of ferromagnetic media, the change in resistance of elastically influenced metallic conductors, the optical stresses caused by external forces elastic transparent body in the crystalline state, the diffraction of X-rays in isotropic solids under mechanical stress. The determination of the respective measured variable serve optical, mechanical, electrical or combined 7erfahren and facilities, for example. it is known. To measure forces interferometrically. Apart from the fact that this method of force measurement is not suitable for large forces, it requires a high instrumental effort in electrical, mechanical and optical terms, and. There are high demands on the mechanical stability of the interferometer used.

Es sind auch Kraf t meß verfahr en und -geräte bekannt,· die nach dem Prinzip der Spannungsdoppelberechnung arbeiten'. Diese sind in jedem Fall.an die Verwendung eines Polarisators und eines Analysators und, ähnlich dem interferometrischen Meßverfahren, an eine komplizierte Signalausv^ertung mit in der Regel schnell arbeitender Elektronik, gebunden. Das weiterhin benutzte röntgenografische Verfahren zur Kraftmessung ist ebenso wie das interferometrische Verfahren an eine Speziallichtquelle gebunden. Ist es beim interferometrischen : Verfahren eine den Kohärenzanforderungen genügende, möglichst monochromatische Lichtquelle, so ist es beim rönt- genografischen Verfahren eine Röntgenröhre, deren:Gebrauch mit einem erheblichen technischen und Sicherheitsaufwand verbunden ist. Außerdem arbeitet das röntgenografische Verfahren sehr aufwendig, weil es die röntgenografische Aufnahme des belasteten Mediums beinhaltet, was wiederum einer schnellen Messung und Auswertung entgegenwirkt.Also known are force measuring methods and devices which operate on the principle of voltage double calculation. These are in any case bound to the use of a polarizer and an analyzer and, similar to the interferometric measuring method, to a complicated signal evaluation with generally fast-working electronics. The further used X-ray method for measuring force is bound to a special light source as well as the interferometric method. If the interferometric method is a monochromatic light source that satisfies the requirements of coherence, then it is Genographic method an X-ray tube whose use is associated with a significant technical and security effort. In addition, the X-ray method works very expensive, because it includes the X-ray recording of the loaded medium, which in turn counteracts rapid measurement and evaluation.

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Schließlich ist die Anwendung des piezoelektrischen Effektes zur Kraftmessung bekannt, bei dem eine Kraft Ladungen an den Grenzflächen geeignter Kristalle entstehen läßt, die auf zwei am Kristall anliegenden Elektroden Spannungen influenzieren. Auf dem piezoelektrischen Effekt.beruhende Kraftmesser sind , anfällig gegen Luftfeuchtigkeit und Temperatur sowie gegen elektrische und magnetische Fremdfeider und deshalb nicht unter allen Bedingungen einsetzbar. Darüberhinaus zeigen auf Keramikbasis beruhende piezoelektrische Kraftmesser eine zeitliche Inkonstanz der spontanen elektrischen Polarisation und Alterungserscheinungen, die ihrer Verwendung als statische Kraftmesser entgegenstehen, .Finally, the application of the piezoelectric effect for measuring force is known, in which a force gives rise to charges at the interfaces of suitable crystals which influence voltages on two electrodes resting on the crystal. Based on the piezoelectric effect, force gauges are susceptible to humidity and temperature as well as to electrical and magnetic foreign objects and therefore can not be used under all conditions. Moreover, piezoelectric force gauges based on ceramics show a temporal inconstancy of the spontaneous electrical polarization and aging phenomena which preclude their use as static force gauges.

Object of the invention

Durch ein völlig neues Prinzip sollen die Mängel der bekannten Kraftmeßverfahren und. Kraftmesser umgangen werden,' Die Erfindung soll die ' Kraftmessung vereinfachen.und unter extremen Bedingungen, insbesondere für große Kräfte, mit hoher Genauigkeit ermöglichen,By a completely new principle, the shortcomings of the known Kraftmeßverfahren and. The invention is intended to simplify the 'force measurement.and allow under extreme conditions, especially for large forces, with high accuracy,

Explanation of the essence of the invention;

Der -Erfindung.liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kraftmessung anzugeben, das stark reduzierend auf die zur Kraftmessung verwendeten Mittel wirkt, wenig störanfällig ist und die Wandlung einer Kraft in eine optische Größe ohne Zwischenschaltung eines elektrischen oder mechanischen Weges ermöglicht.It is therefore the object of the invention to specify a method for force measurement which has a strongly reducing effect on the means used for force measurement, is less susceptible to interference and enables the conversion of a force into an optical variable without the interposition of an electrical or mechanical path.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das optisch transparente Medium auf eine Temperatur gebracht wird, die in Abhängigkeit vom Material des Mediums innerhalb eines Temperaturbereichs liegt, daß die Transparenz des Mediums mit der Veränderung der Kraft verändert wird und daß. die Veränderung der Transparenz fotometrisch gemessen wird» Dabei kann das Medium monokristallin oder polykristallin sein.According to the invention, this object is achieved in that the optically transparent medium is brought to a temperature which, depending on the material of the medium within a temperature range that the transparency of the medium is changed with the change of force and that. the change in transparency is measured photometrically »The medium can be monocrystalline or polycrystalline.

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Die Kraft kann senkrecht oder parallel zum Lichtbündel gerichtet sein. Die Meßtemperatür kann sich, abhängig von der Zusammensetzung des Mediums, innerhalb eines weiten Bereichs beⁱA>egen, ohne daß es dadurch zu Beeinflussungen der Messungsergebnisse kommt. Die sich als Veränderung der Transparenz auswirkende, durch die Krafteinwirkung auf das Medium hervorgerufene Lichtstreuung ist proportional zur einwirkenden Kraft. Je größer also der wirkende Druck oder Zug ist, desto größer ist die Lichtstreuung. Durch die Erfindung kommen teure Speziallichtquellen ebenso in Wegfall wie die bei der Spannungsprüfung üblichen Polarisatoren und Analysatoren. An die Präparation des Mediums werden keine besonderen Anforderungen gestellt; das Medium muß lediglich, senkrecht zur.Kraftrichtung und. zum Lichtbündel zueinander parallele Begrenzungsflächen besitzen. Die Abmessungen des· Mediums können sehr klein, in der Größenordnung von Quadratmillimeter gehalten, werden» Die Erfindung ist besonders geeignet zum Einwiegen von Waggons oder zur Kontrolle und zum Vergleich von über eine fläche oder im Raum verteilten Einzelkräften. Dabei können zwischen einer Lichtquelle und mehreren Meßpunkten und/oder dem Medium und einer Beobachtungs— bzw.. Äuswertezentrale. Lichtleiter vorgesehen sein. Die fotometrische Erfassung kann visuell oder mit Fotoempfängern erfolgen. Mit der Erfindung ergibt sich ein neuartiges aiechanooptisch.es Bauelement, das für die Gebiete der Optoelektronik: und Informationsverarbeitung bedeutungsvoll ist.The force can be directed perpendicular or parallel to the light beam. The Meßtemperatür may, depending on the composition of the medium within a wide range be ⁱ A> egen, without causing thereby influencing the measurement results. The light scattering caused by the effect of force on the medium, which changes the transparency, is proportional to the acting force. So, the greater the pressure or tension, the greater the light scattering. The invention eliminates expensive special light sources as well as the usual in the voltage testing polarizers and analyzers. No special requirements are placed on the preparation of the medium; the medium must only, perpendicular to the direction of force and. have to the light bundle parallel boundary surfaces. The dimensions of the medium can be kept very small, on the order of a square millimeter. The invention is particularly suitable for weighing wagons or for checking and comparing individual forces distributed over a surface or in space. In this case, between a light source and a plurality of measuring points and / or the medium and an observation or .. Äuswertezentrale. Be provided light guide. The photometric detection can be done visually or with photoreceptors. With the invention results in a novel aiechanooptisch.es device, which is significant for the fields of optoelectronics: and information processing.

Embodiment

Die Erfindung- wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:

Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des "erfindungsge— mäßen Verfahrens, -1 shows an arrangement for carrying out the "inventive method,

Fig. 2 u.3 d.ie Druckabhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit eines bestimmten Mediums bei unterschiedlichen Temperaturen.Fig. 2 u.3 d.ie the pressure dependence of the light transmission of a given medium at different temperatures.

ä. ~T<k ν ι ν yÄ. ~ T <k ν ι ν y

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In Fig. 1 hat eine Lichtquelle 1 ( z.B. Laser) e-ine Austrittsöfinung 2, die sich in der Dingebene einer Linse 3 mit der optischen Achse 0-0 befindet. In der Bildebene der Linse 3 ist ein optisch transparentes Medium 4 auf einem Träger 5 angeordnet; ein in einer Führung 6 verschiebbar gelagerter Stempel 7-drückt das Medium 4 unter der Wirkung einer zu messenden Kraft P gegen den Träger 5. Das Medium 4 kann z.B. eine Keramik sein, die aus Blei-Zirkonat-Titanat mit Dotierungen von Lanthan besteht.. Das Medium 4 ist von einer Temperierkammer 8 umgeben, die es ermöglicht, die Temperatur des Mediums unter extremen Einflüssen konstant oder innerhalb.eines Bereichs von beispielsweise 40' ⁰C bis 90 ⁰C zu halten oder dem Medium eine gewünschte Temperatur zu geben. Die Wandung der Temperierkammer 8 ist zumindest teilweise lichtdurchlässig und als Fenster 9;1Q ausgebildet. Hinter einer Blende 11 ist ein Fotoempfänger 12 angeordnet und ebenso wie die Lichtquelle 1 mit der Austrittsöffnung 2 und das Medium zur optischen Achse 0-0 ausgerichtet. Ein von der Austrittsöffnung 2 ausgehendes Strahlenbündel 13 kollimiert die Linse im- Medium 4 und wird nach Passieren des Mediums 4 und der Blende 11. vom Smpfänger 12 aufgenommen. Der Empfänger 12 ist mit einem. Verstärker 14 verbunden, der die Intensitätssignaledes empfangenen Lichtes an die T-Ablenkung eines X-Y- Hecordes 15 abgibt. Während die !-Ablenkung des Recorders 15 durch die verstärkten Signale des Empfängers 12 gesteuert wird, wirkt auf die £-Ablenkung ein Signal, das proportional dem Druck P ist. Das Verfahren der Intensitätsmessung kann auch selektiv und ohne Temperierkammer erfolgen, Wenn man von den. Lichtverlusten der Anordnung absieht, erreicht das von der Austrittsöffnung 2 ausgehende Licht den Empfänger 12 vollständig, d.h.. die Lichttransmission. T beträgt zunächst 100 %. Wirkt nun auf den Stempel 7 eine Kraft P, so wird das Medium 4 zusammengedrückt. Dadurch wird die Lichttransmission durch Lichtstreuung verringert, und zwar, folgt sie bei einer Umgebungstemperatur des Mediums 4 von 20 C der Kurve 20 in Fig. 2, wobei sie bei einem Druck von P = 2000 atm den Punkt 21 mit 10 % erreicht. Geht der Druck auf.In Fig. 1, a light source 1 (eg laser) has an exit opening 2 located in the plane of the plane of a lens 3 with the optical axis 0-0. In the image plane of the lens 3, an optically transparent medium 4 is arranged on a support 5; a punch 7 mounted displaceably in a guide 6 presses the medium 4 against the carrier 5 under the effect of a force P to be measured. The medium 4 may be, for example, a ceramic consisting of lead zirconate titanate with dopants of lanthanum. The medium 4 is surrounded by a tempering chamber 8, which makes it possible to keep the temperature of the medium constant or within a range of, for example, 40 ^° C. to 90 ^° C. or to give the medium a desired temperature under extreme conditions. The wall of the tempering chamber 8 is at least partially translucent and designed as a window 9, 1Q. Behind a diaphragm 11, a photoreceiver 12 is arranged and aligned as well as the light source 1 with the outlet opening 2 and the medium to the optical axis 0-0. A radiation beam 13 emanating from the outlet opening 2 collimates the lens 4 in the medium and is received by the transceiver 12 after passing through the medium 4 and the diaphragm 11. The receiver 12 is with a. Amplifier 14 which outputs the intensity signals of the received light to the T-deflection of an XY Hecordes 15. While the! Deflection of the recorder 15 is controlled by the amplified signals of the receiver 12, the £ deflection affects a signal proportional to the pressure P. The method of intensity measurement can also be done selectively and without tempering chamber, If one of the. Disregards light losses of the arrangement, the light emanating from the outlet opening 2 reaches the receiver 12 completely, ie. the light transmission. T is initially 100 %. Now acts on the punch 7, a force P, the medium 4 is compressed. As a result, the light transmission is reduced by light scattering, namely, it follows at an ambient temperature of the medium 4 of 20 C of the curve 20 in Fig. 2, wherein it reaches the point 21 at 10 % at a pressure of P = 2000 atm. Does the pressure go up?

.den Ausgangswert zurück, so steigt die Durchlässigkeit des Mediums 4 gemäß Kurve 22 auf etwa 16% an, ohne den vollen Wert der Transmission T zu erreichen. Der Yorgang ist also bei einer Umgebungstemperatur von 20 ⁰C irreversibel. Damit ist die Möglichkeit der irreversiblen Druckanzeige oder Druckerfassung gegeben. Durch eine kurzzeitige Erwärmung des Mediums 4 auf 50 ⁰C wird die volle Lichttransmission T = 100 ..% wieder erreicht.Return the output value, the permeability of the medium 4 increases according to curve 22 to about 16%, without reaching the full value of the transmission T. The Yorgang is therefore irreversible at an ambient temperature of 20 ⁰ C. This gives the possibility of irreversible pressure indication or pressure detection. By a brief heating of the medium 4 to 50 ⁰ C, the full light transmission T = 100 ..% is reached again.

Anders ist es bei einer Umgebungstemperatur von 40 ⁰C gemäß Fig» 3. In diesem Fall sinkt die Transmission T des optisch transparenten Mediums 4 bei einem Druck von 2000 atm gemäß Kurve 30 auf 38 % im Punkt 31 ab, um bei Wegnahme des Druckes gemäß Kurve 32- wieder auf 100 % anzusteigen. Der Yorgang ist also mit geringen Hystereseerscheinungen reversibel.. Bei noch höheren Temperaturen (/v 100 ⁰G) verschwindet die Hysterese vollständig. Bei.der angegebenen Zusammensetzung des optisch transparenten Mediums 4 und einer Umgebungstemperatur von 50 ⁰C ist die Reversibilität der Transmissionsveränderung in Abhängigkeit von der auf das Medium 4 wirkenden Druck- oder Zugkraft P gewährleistet; damit kann die Messung der Transmission T als Ausdruck der Kraft P erfolgen. Die Änderung der Transmission T wird- mit PIiIfe des Smpfängers 12 erfaßt und durch den Secorder 15 aufgeschrieben. Das Medium 4 ist mit 8 % Lanthan dotiert. Durch Änderung des Lanthangehaltes zu höhren Werten (λ/ 10 %) läßt sich der Temperaturbereich der reversiblen Transmission-Druck-Chrakteristik zu tieferen Werten ( z.B. 20. ⁰C) verschieben. Ss ist auch möglich, die Transmission T in digitaler oder visueller Form zu erfassen oder die' Informationsübertragung mit Hilfe- von Licht-fa.sero.ptik zu einer zentralen Anzeige vorzunehmen. Dabei können die miteinander zu vergleichenden Transmissionen oder Lichtintensitäten nacheinander oder nebeneinander- erscheinen.It is different at an ambient temperature of 40 ^° C. according to FIG. 3. In this case, the transmission T of the optically transparent medium 4 at a pressure of 2000 atm decreases according to curve 30 to 38 % at point 31, in order to decrease the pressure according to FIG Curve 32- again to 100% increase. The process is therefore reversible with low hysteresis phenomena. At even higher temperatures (/ v 100 ⁰ G) the hysteresis disappears completely. Bei.der specified composition of the optically transparent medium 4 and an ambient temperature of 50 ⁰ C, the reversibility of the transmission change is dependent on the force acting on the medium 4 compressive or tensile force P guaranteed; Thus, the measurement of the transmission T can be done as an expression of the force P. The change in the transmission T is detected by means of the receiver 12 and written down by the file 15. The medium 4 is doped with 8 % lanthanum. By changing the Lanthangehaltes to fortuitous values (λ / 10%) can be displaced, the temperature range of the reversible transmission-pressure Chrakteristik to lower values (for example, 20 ⁰ C). It is also possible to record the transmission T in digital or visual form or to carry out the information transmission with the aid of light fa.sero.ptik to a central display. The transmissions or light intensities to be compared with one another may appear consecutively or next to one another.

Claims

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Inventory pru c h

Method for force measurement with an optically transparent crystalline medium, in which the medium is penetrated by a light beam and acts on the medium, preferably at right angles to the light beam directed force, characterized in that the medium is brought to a temperature which depends on the material of the medium within a temperature range, that the transparency of the medium is changed with the change of the force and that the change in transparency is measured photometrically.

For this purpose 1 ropes drawings