DD257872A1 - Kalibriergeraet fuer iniversalstrainmeter mit geteiltem grundkoerper - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Geraet zur Kalibrierung von Universalstrainmetern, die in der geophysikalischen Deformationsmasstechnik eingesetzt werden. Die Herstellung der Messbereitschaft und Funktionsfaehigkeit von Universalstrainmetern erfordert die Position zweier Befestigungsflansche fuer das Universalstrainmeter zueinander in extrem kleinen Schritten und mit geringer Messunsicherheit zu veraendern, wobei die Lage der Befestigungsflansche in zwei Freiheitsgraden zu bestimmen und gegebenenfalls zu korrigieren ist. Erfindungsgemaess wird diese Aufgabe dadurch geloest, dass das Verschiebesystem des Kalibriergeraetes aus Verschiebeelementen, Fuehrungselementen und zweiteiligem Grundkoerper aufgebaut ist, wobei der Grundkoerper als Hohltraeger ausgebildet ist und die beiden Teile des Grundkoerpers durch Fuehrungs- und Verformungselemente miteinander verbunden sind. Die Messung der Positionsaenderungen erfolgt mit zwei Fabry-Perot-Interferometern, die von einem Laser mit Licht versorgt werden. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Kalibrierung von Universalstrainmetern, die in der geophysikalischen Deformationsmeßtechnik eingesetzt werden, insbesondere zur Bestimmung ihrer Meßcharakteristik und ihrer Geräteeigenschaften.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Strainmeter, wie sie z. B. im WP DD 209904 beschrieben sind, werden mit Längen unter 2 Meter hergestellt. Wegen ihrer Einsatzmöglichkeit in verschiedenen räumlichen Richtungen sind sie auch als Universalstrainmeter bekannt. Weiterhin ist bekannt und üblich, Strainmeter zur hochgenauen Messung von Längenänderungen der Erdkruste vor, während oder nach dem Meßeinsatz zu kalibrieren.

In den meisten Fällen gehören Kalibriereinrichtungen zum festen Bestandteil des Strainmeters. Als Kalibriersignal sind beispielsweise magnetostriktive Verschiebungen, Längenänderungen durch Wärme, Magnetfelder von Spulen bekannt geworden. Die Messung der Kalibriersignale erfolgt sowohl mit Meßuhren und Meßmikroskopen als auch mit l.nterferometern.

Bei Kalibrierungen mit derartigen Einrichtungen handelt es sich stets um Teilkalibrierungen. Bei den bekannten Geräten wird lediglich der hochempfindliche Sensor kalibriert, jedoch nicht wie meßtechnisch erforderlich das gesamte Strainmeter.

Es ist weiterhin bekannt, daß Strainmeter geringer Abmessung mit Hilfe eines Trägers zur Befestigung des Strainmeters und einer Mikrometerschraube zur Strainimitation und -messung kalibriert werden. Abgesehen von der großen Meßunsicherheit, die bei Messungen mit Mikrometerschraube oder Meßuhr auftritt, verbleibt bei diesem Verfahren ein unbekannter Fehler I.Ordnung.

Aus dem Gebiet der Mikrolithografie ist z. B. bekannt, wie schnelle, hochgenaue Positionsänderungen realisierbar und zu messen sind. (Gommel, K.-W.: Entwicklungstendenzen ebener Präzisionspositioniergeräte am Beispiel mikrolithografischer Geräte. — In: Feingerätetechnik — Berlin 32 [1983] 2, S.55-56)

Die bei diesen Verfahren erzielbare Meßunsicherheit ist zur Kalibrierung von Universalstrainmetern noch zu hoch. Es sind auch Geräte gebaut worden, mit denen hochgenaue Kalibrierungen und Untersuchungen an Wegsensoren durchgeführt werden können.

(z. B. Büchner, H.-J.; Jäger, G.; Kowalski, O.: Präzisionskalibriergerät für Wegsensoren. 30. internationales Kolloquium; Vortragsreihe B-: TH Ilmenau, 1985, S.37-38) ·

Auch diese Geräte sind für Kalibrierzwecke an Universalstrainmetern nicht einsetzbar, weil die Abmessungen des zu kalibrierenden Sensors im Verhältnis zu den Abmessungen eines Universalstrainmeters sehr gering sind und weil die Positionsmessung von Befestigungsflanschen in zwei Freiheitsgraden nicht gegeben ist.

Weiterhin sind spezielle Geräte bekannt, die geringste Wegänderungen reversibel erzeugen und mit einer geringen Meßunsicherheit erfassen. Ein solches Gerät, das die Biegeverformung eines Trägers durch eine äußere Kraft ausnutzt, ist in der Patentliteratur (DD 222 687) beschrieben.

Ähnliche Methoden werden zur Kraftmessung benutzt. So ist in der OS DE 3012811 ein Meßwandler zur digitalen Kraftmessung, der aus Verformungskörper, Interferometer, fotoelektrischem Empfänger und Zählschaltung besteht, beschrieben. In diesen

Patentschriften sind Lösungselemente enthalten, die zum Teil auch bei einem Kalibriergerät für Universalstrainmeter eingesetzt werden könnten. Sie enthalten jedoch keine Lösungen, wie die Position von zwei Befestigungsfianschen in zwei Freiheitsgraden zueinander gemessen werden kann bzw. wie bei Messung eines Freiheitsgrades der zugehörige Freiheitsgrad der Befestigungsflansche so zu gestalten ist, daß der Meßfehler 1. Ordnung minimal wird. Störungen durch Umwelteinflüsse werden nur unzureichend berücksichtigt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Kalibriergerät zu schaffen, das die erforderliche Meßgenauigkeit von Universalstrainmetern gewährleistet. Weiterhin ist es mit Hilfe der vorliegenden Erfindung möglich, beim Bau von Universalstrainmetern den Materialeinsatz zu senken und die Auswahl der Baumaterialien bezüglich ihrer Materialeigenschaften zu optimieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät zu schaffen, das die Position der beiden Befestigungsflansche für das Universalstrainmeter in extrem kleinen Schritten mit geringer Meßunsicherheit in der Meßrichtung verändert, wobei die Lage der Flansche zueinander in mindestens zwei Freiheitsgraden bestimmt ist bzw. die Flansche so angeordnet sind, daß unerwünschte Geräteverformungen das Kalibriersignal nur minimal beeinflussen bzw. die Position der Befestigungsflansche zueinander zielgerichtet verändert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Kalibriergerät, bestehend aus einem Verschiebesystem, einem temperaturstabilisierten Gehäuse einschließlich schwingungsdämpfender Einrichtungen sowie Meß- und Regelungstechnik, einen Grundkörper besitzt, der Bestandteil des Verschiebesystems ist und im Inneren des temperaturstabilisierten Gehäuses befestigt ist. Dieser Grundkörper trägt die Befestigungsflansche zur Kalibrierung des Universalstrainmeters innerhalb seiner äußeren Begrenzung. Er ist als Hohlträger ausgeführt. Außer dem Grundkörper gehören Führungs-und Verschiebeelement zum Verschiebesystem. Der Grundkörper besteht aus zwei Teilen zwischen denen Führungselemente und druckabschirmende Verformungselemente angeordnet sind. Die Befestigungsflansche sind im Innern des Grundkörpers angebracht, so daß ihre obere Begrenzungsfläche die Schwereachse des Grundkörpers berührt. Andererseits können die Befestigungsflansche auch so angeordnet sein, daß die Meßachse des Strainmeters und die Schwereachse des Grundkörpers identisch sind oder die Schwereachse des Grundkörpers weder die Meßflansche tangiert noch auf der Meßachse des Strainmeters liegt. Eine Seite des Grundkörpers stützt sich auf den Geräterahmen ab, der Bestandteil der temperaturstabilisierten Umhüllung ist. An der anderen Seite des Grundkörpers befinden sich Verschiebeelemente, die zwischen Grundkörper und Geräterahmen angeordnet sind. Sie sind entweder als fluidisch angetriebene Zylinder in Kombination mit piezoelektrischen Verschiebeelementen oder als mechanische Verstelleinrichtung in Form einer Biegefeder zusammen mit piezoelektrischen Verschiebeelementen aufgebaut. Oberhalb und unterhalb der Schwereachse des Grundkörpers sind zwei parallel zur Schwereachse verlaufende Längenmeßeinrichtungen angebracht. Diese Längenmeßeinrichtungen befinden sich in allseitig geschlossenen Hohlprofilen, die zugleich die obere und untere Begrenzungsfläche des Kastenträgers, der den Grundkörper bildet, darstellen. Diese Hohlprofile sind geteilt und mittels druckabschirmende Verformungselemente miteinander verbunden. Das erfindungsgemäße Kalibriergerät wirkt derart, daß die Verschiebeelemente die beiden Teile des Grundkörpers, die durch Führungselemente miteinander verbunden sind, verschiebt. Dadurch ändert sich der Abstand der Befestigungsflansche zueinander. Diese Abstandsänderung wird mittels im Kalibriergerät angeordneten Meßeinrichtungen gemessen und mit dem abgegebenen Signal des auf den Befestigungsflanschen angeordneten Strainmeters verglichen. Die Verschiebung der Befestigungsflansche gestattet eine Aussage darüber, inwieweit ein- und ausgehende Signale des Strainmeters einander entsprechen, wodurch die Gerätecharakteristik definiert ist.

Ausführungsbeispiel

An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung zeigt

Fig. 1: ein Kalibriergerät für Universalstrainmeter mit zweiteiligem Grundkörper sowie Führungselementen im Längsschnitt

In einem temperaturstabilisierten Gehäuse 7 mit Rahmen, das auf Schwingungsdämpfern 5 lagert, ist ein Grundkörper 2 befestigt. Er stützt sich an einer Seite direkt und mit seiner anderen Seite über Verschiebeelemente 3 auf den Rahmen des Gehäuses 7 ab. Der Grurrdkörper 2 ist als Hohlträger ausgeführt. Im Inneren des Grundkörpers 2 sind Befestigungsflansche 11 zur Befestigung des Universalstrainmeters 1 angebracht, so daß ihre obere Begrenzungsfläche die Schwereachse des Grundkörpers 9 berührt. Andererseits können Schwereachse des Grundkörpers 9 und die Meßachse des Strainmeters 10 miteinander identisch sein, oder die Schwereachse des Grundkörpers 9 kann weder die Befestigungsflansche 11 tangieren, noch auf der Meßachse des Strainmeters 10 liegen. Auf die Befestigungsflansche 11 wird das Universalstrainmeter 1 aufgeschraubt. Der Grundkörper 2 ist zweigeteilt. Federnde Führungselemente 4 verbinden beide Teile. Die oberen und unteren Begrenzungsflächen des Grundkörpers 2 sind als Hohlprofile 20 ausgeführt, die über druckabschirmende Verformungselemente 19 miteinander in Verbindung stehen, wobei einseitig über Fenster 18 ein druckdichter Verschluß erfolgt. Im Inneren der Hohlprofile 20 befinden sich Fabry-Perot-Interferometer, die Abstandsänderungen zwischen den Meßpunkten 16 mit geringer Meßunsicherheit anzeigen. Ein Interferometerspiegel 12 eines Fabry-Perot-Interferometers ist über eine ringförmige Piezokeramik 15 am Meßpunkt 16 befestigt. Die Anlenkung des anderen Interferometerspiegels 12 erfolgt über ein Quarzrohr 13. Gleichzeitig ist die die Temperaturausdehnung des Quarzrohres 13 kompensierende Aluminiumhülse 14 am gegenüberliegenden Meßpunkt 16 befestigt. Beide Interferometer besitzen gleiche Abmessungen. Sie erhalten über den

Teilerspiegel 8 bzw. den Spiegel 21 Licht von einem stabilisierten Laser 6. Hinter den Interfermoeterspiegeln 12 befinden sich die Interferenzstreifensensoren 17.

Das vorstehend beschriebene Gerät arbeitet folgendermaßen:

Zur Ermittlung der Charakteristik eines U niversalstrainmeters 1 wird dieses Strain meter auf die beiden Befestigungsflansche 11 des Kalibriergerätes am Grundkörper 2 aufgeschraubt. Nachdem der Grundkörper 2 im Gehäuse 7 befestigt ist, erfolgt die Stabilisierung der Temperatur im Inneren des Gehäuses 7 durch eine Temperaturregelanlage. M it Hilfe der Verschiebeelemente 3 erfolgt über den Grundkörper 2 eine Verschiebung der Befestigungsflansche 11 zueinander in extrem kleinen Schritten.

Ein frequenzstabilisierter Laser 6, der außerhalb des Gehäuses 7 angeordnet ist, versorgt beide Interferometer über den Teilerspiegel 8 bzw. Spiegel 21 mit Licht. Dieses Licht wird durch die Fenster 18 in die Hohlprofile 20 und im Inneren der Quarzrohre 13 zu den Interferometerspiegeln 12 geleitet. Nachdem das Laserlicht die Interferometerspiegel 12 passiert hat, gelangt es durch eine ringförmige Piezokeramik 15zu den Interferenzstreifensensoren 17. Durch die Interferenzstreifensensoren 17 erfolgt eine Beeinflussung des Verschiebeweges der Verschiebeelemente 3.

Die Verwendung von zwei parallel angeordneten Interferometern in den Hohlprofilen 20 gestattet es, die Parallelität der Verschiebebewegung zu kontrollieren und zu korrigieren bzw. ungleichmäßige Verschiebungen zu simulieren. In Abhängigkeit des Abstandes der oberen Begrenzungsfläche der Befestigungsflansche 11 zur Schwereachse des Grundkörpers 9 arbeiten die Interferometer entweder als Meß- und Kontrollinstrument, wobei für das Kontrollinstrument eine größere Meßunsicherheit zulässig ist als für das Meßinstrument. Bei Übereinstimmung der oberen Begrenzungsfläche der Befestigungsflansche 11 mit der Schwereachse des Grundkörpers 9 arbeiten beide Geräte als Meßinstrumente mit gleichem Einfluß auf die Meßunsicherheit des Kalibriervorganges.

Die an dem Interferometerspiegel 12 angeordnete ringförmige Piezokeramik 15 gestattet es, die Spiegel 12 und damit die Kalibrierpunkte einen zu kalibrierenden Kurvenzug entsprechend zu verschieben.

Störungen und Fehler durch Umwelteinflüsse werden durch Schwingungsdämpfer 5, eine Temperaturstabilisierung des Grundkörpers 2 nebst Strainmeter 1 durch das Gehäuse 7, die Druckabschirmung der Interferometerspiegel 12 in geschlossenen Hohlprofilen 20 und eine temperaturinvariante Anordnung von Quarzrohr 13 und Aluminiumhülse 14 kompensiert. Die Anordnung des Universalstrainmeters 1 im Inneren des Grundkörpers 2 verringert den Einfluß unerwünschter Verformungen des Grundkörpers 2 auf den Kalibrierwert.

Claims (6)

1. Patentansprüche: ,

   1. Kalibriergerät für Universalstrainmeter mit geteiltem Grundkörper bestehend aus Verschiebesystem, temperaturstabilisiertem Gehäuse einschließlich schwingungsdämpfender Einrichtung sowie Meß- und Regelungstechnik, gekennzeichnet dadurch, daß das Verschiebesystem aus Verschiebeelementen (3), Führungselementen (4) und zweiteiligem Grundkörper (2) aufgebaut ist, wobei der Grundkörper (2) als Hohlträger ausgebildet ist und die beiden Teile des Grundkörpers durch Führungselemente (4) miteinander verbunden sind und im Inneren des Hohlträgers Befestigungsflansche (11) zur Halterung des Universalstrainmeters (1) angeordnet sind.
2. 2. Kalibriergerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Befestigungsflansche (11) für das Universalstrainmeter (1) so angeordnet sind, daß ihre obere Begrenzungsfläche die Schwereachse des Grundkörpers (9) berührt.
3. 3. Kalibriergerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Befestigungsflansche (11) für das Strainmeter so angeordnet sind, daß die Meßachse des Strainmeters (10) in der Schwereachse des Grundkörpers liegt.
4. 4. Kalibriergerät nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß oberhalb und unterhalb der Schwereachse des Grundkörpers (9) sowie parallel dazu zwei Längenmeßeinrichtungen angeordnet sind.
5. 5. Kalibriergerät nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Längenmeßeinrichtungen in allseitig geschlossenen, druckabschirmenden Hohlprofilen (20) angeordnet sind und diese Hohlprofile gleichzeitig als obere und untere Begrenzungsflächen des Grundkörpers dienen.
6. 6. Kalibriergerät nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Hohlprofile (20) geteilt und durch druckabschirmende Verformungselemente (19) miteinander verbunden sind.