DD295235A5

DD295235A5 - Verfahren und anordnung zur faseroptischen messung von kraeften

Info

Publication number: DD295235A5
Application number: DD34175790A
Authority: DD
Inventors: Olaf Mollenhauer
Original assignee: Technische Hochschule Ilmenau,D
Priority date: 1990-06-18
Filing date: 1990-06-18
Publication date: 1991-10-24

Abstract

Verfahren und Anordnung zur Messung technisch-physikalischer Groeszen, insbesondere von Kraeften, mittels faseroptischen Sensors durch Auslenkung eines auf die Stirnflaechen von mindestens zwei Lichtwellenleiter gerichtetes Strahlungsbuendels. Erzeugung des Strahlungsbuendels durch einen senderseitigen Lichtwellenleiter, der ueber ein elastisches Element mit den empfaengerseitigen Lichtwellenleitern verbunden ist. Art der zu messenden technisch-physikalischen Groesze, Empfindlichkeit und Meszbereich ist durch die Gestaltung des elastischen Elementes, der Geometrie und Anordnung der Stirnflaechen der Empfaengerfasern sowie durch Berechnungsmethoden bestimmt. Fig. 1{Verfahren; Anordnung; Mesztechnik; faseroptischer Sensor; Kraft-, Momenten-, Laengen-, Winkelmessung; Strahlauslenkung; Lichtwellenleiter}

Description

b) Erfassung der Signale S₁, S₂, S3 und S₄ der Empfangseinrichtungen unter Einwirkung der zu ermittelnden Kraft F, wobei die entstehende Auslenkung die Hälfte der Radien der empfängerseitigen Lichtwellenleiter (3) nicht überschreiten darf, ansonsten ist die Verformbarkeit des elastischen Elementes (5) zu erhöhen; sowie

c) Ermittlung des Betrages der angreifenden Kraft F durch folgende Beziehung

. , 1 + O₂

wobei V die Verformbarkeit des elastischen Elementes (5) ist, und der Angriffswinkel der angreifenden Kraft ermittelt wird nach

-Qrctco

kb

2. Anordnung zur faseroptischen Messung von Kräften bestehend aus einem im Halteteil festeingespannten senderseitigen Lichtwellenleiter, welcher mit einem Sendebauelement gekoppelt ist und ein divergentes Sendestrahlungsbündel auf mindestens zwei gegenüber angeordneter Stirnflächen von empfängerseitigen Lichtwellenleiter, die mit Fotosensoren und über das Halteteil dem Gestell verbunden sind, abstrahlt, so daß eine Auslenkung des Sendestrahlungsbündels durch Krafteinwirkung eine Veränderung des von den Fotosensoren registrierten Fotostromes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß der senderseitige Lichtwellenleiter (8) mit den mindestens zwei empfängerseitigen Lichtwellenleiter (3) über ein elastisches Element (5), auf das die Krafteinwirkung erfolgt, verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung mit zwei empfängerseitigen Lichtwellenleiter (3) die Mittelpunkte der Stirnflächen (9) der empfängerseitigen Lichtwellenleiter (3) und des Sendestrahlungsbündels (10) des sendersaitigen Lichtwellenleiter (8) auf einer Gerade liegen.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zusätzliche empfängerseitige Lichtwellenleiter (3) derart angeordnet sind, daß die Mittelpunkte der vier Stirnflächen (9) die Eckpunkte eines Quadrates bilden und der Mittelpunkt des unausgelenkten Sendestrahlungsbündels (10) von allen Eckpunkten des Quadrates symmetrisch liegt.

5. Anordnung nach Anspruch 2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (11) der Stirnfläche des senderseitigen Lichtwellenleiters (8) bezüglich der Stirnflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter (3) so festgelegt ist, daß die Randstrahlen des unausgelenkten und des ausgelenkten Sendestrahlungsbündels (10) die Stirnflächen der Empfangsfasern schneiden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur faseroptischen Messung von Kräften und anderer technischphysikalischer Größen, wie Moment, Winkel, Weg, mittels eines faseroptischen Sensors.

-2- 295 235 Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Der Einsatz faseroptischer Sensoren in der Meßtechnik zur Messung mechanischer Größen ist im bekannten Stand der Technik durch zwei grundlegende Richtungen gekennzeichnet. Zum einen wird die Eigenschaft der Lichtwellenleiter die optischen Übertragungseigenschaften bei mechanischer Belastung zu ändern genutzt. Dabei wird die in den Lichtwellenleitern transportierte Strahlung nicht ausgekoppelt. Sender und Empfänger sind mit einem Lichtwellenleiter verbunden. (Bsp. DE 3441792C1, DE 3526966A1, DE 3611119,0241766,012099)

Zum anderen wird die Strahlung aus dem Sendelichtwellenleiter ausgekoppelt. Es kann unterschieden werden in Sensoren bei denen an die Lichtwellenleiter Hilfskörper angekoppelt sind, die ihre Farbe, den Polarisationszustand oder die Intensität des Lichtes ändern (Bsp. DD 263823A1, DE 3101047A1) sowie in Reflexsensoren, bei denen eine reflektierende Fläche verschoben wird, die Abstandsänderung zum Sensor ist ein Maß der einwirkenden technisch-physikalischen Größe und kann in Abhängigkeit von den geometrisch-optischen Eigenschaften der Sensoranordnung registriert werden. (Bsp. DE 3619923, DE 362S106A1, DE 362'3090A1)

In DE 3230615 ist eine .Optoelektronische Kraftmeßeinrichtung" für die Erfassung kleinster Kräfte beschrieben, bei der ein frei bewegliches Faserende entweder Licht auf einen (oder mehrere) Lichtleiteranfang aufstrahlt oder von einem (oder mehrere) Sender empfängt. Eine Krafteinwirkung oder Wegeinprägung, in Form von Strömungsgeschwindigkeiten, Schall, Beschleunigung oder ähnlichem, auf das frei bewegliche Ende der lichtleitenden Fjser hat eine Auslenkung dieses Faserendes zur Folge, die eine Änderung der empfangenen Strahlungsintensität(en) bewirkt. Der Nachteil des kleinen Meßbereiches der beschriebenen Anordnung durch das geringe Kraftaufnahme- und Auslenkungsvermögen des freien Lichtleiterendes wird in der hier vorgestellten Erfindung kompensiert, da als Meßelement das die Sende- und Empfangsfasern verbindende elastische Element fungiert. In der hier beschriebenen Erfindung ist der Kraftangriffswinkel eindeutig determiniert.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur taktilen, faseroptischen Messung von Kräften mit hoher Empfindlichkeit, großem Meßbereich, hoher Störsicherheit und einfachem Aufbau zu schaffen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von Kräften und anderen technisch-physikalischen Größen mittels eines faseroptischen Sensors mit hoher Empfindlichkeit, großem Meßbereich, einfachem Aufbau und hoher Störsicherheit zu schaffen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Betrag und Angriffswinkel der am elastischen Element angreifenden Kraft durch eine Berechnung aus den Signaländerungen, die an den Fotoempfängern infolge der durch die Krafteinwirkung hervorgerufenen Auslenkung des Strahlungsbündels entstehen, ermittelt werden. Hinsichtlich der Anordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die, mindestens zwei, symmetrisch angeordneten empfängerseitigen Lichtwellenleiter über ein elastisches Element mit einem senderseitigen Lichtwellenleiter so verbunden sind, daß die Eintrittsstirnflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter der Austrittsstirnfläche des senderseitigen Lichtwellenleiters einander zugewandt sind. Dabei ist der Abstand zwischen der Stirnfläche des senderseitigen Lichtwellenleiter und den Stirnflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter so gewählt, daß das von dem senderseitigen Lichtwellenleiter ausgesendete unausgelenkte Strahlungsbündel die Stirnflächen der empfängerseiti.qen Lichtwellenleiter nur teilweise und symmetrisch, vorzugsweise bis zum Mittelpunkt beleuchtet. Die Verformbarkeit des elastischen Elementes und der Kraftangriffspunkt am elastischen Element sind so festgelegt, daß das durch angreifer.de Kraft aucgelenkte Strahlungsbündel die Stirnflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter ebenfalls nur teilweise beleuchtet.

Ausfuhrungsbeispiel Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 1: Anordnungsschema einer faseroptischen Kraftmeßeinrichtung mit zwei Empfängerfasern Fig. 2: Optisch-geometrisches Verhalten des Sendestrahlbündels bezüglich der Stirnflächen zweier Empfangsfasern Fig. 3: Optisch-geometrisches Verhalten des Sendestrahlbündels bezüglich vier Empfangsfasern Fig.4: Das Signalverhalten einer Empfangseinrichtung bezüglich der Auslenkung des Sendestrahlungsbündels

Fig. 1. zeigt die Anordnung zur Messung von Kräften be! der das an einem am Gestell 1 befestigten Halteteil 2, in dem die mit den Fotosensoren 4 verbundenen empfängerseitigen Lichtwellenleiter 3 gefaßt sind, über das als Blattfedergelenk ausgeführte elastischen Element 6 mit dem Halteteil 6 verbunden ist. Innerhalb des Halteteils β ist der mit dem Sendeelement 7 gekoppelte Lichtwellenleiter 8 so angeordnet, daß sich die Stirnfläche! 19 der empfängerseitigen und des senderseitigen Lichtwellenleiter gegenüberstehen. Der Abstand 11 zwischen den Stirnflächen der Lichtwellenleitor ist dabei so gewählt, daß das von der Sendefaser 8 erzeugte Strahlungsbündel 10 im unausgelenkten Zustand beide Stirnflächen 9 der Empfängerfasern nur teilweise, vorzugsweise bis zum Mittelpunkt der Stirnflächen 9 überdeckt. Dabei ist zu beachten, daß entsprechend der Abbildung in Fig.2a die beleuchteten Flächenanteile der Stirnflächen 9 durch eine vorangehende Justierung des Strahlungsbündel 10 symmetrisch sind. Die dabei von den Fotoempfängern 4 empfangene Strahlung wird in die Ausgangssignale S gewandelt. Eine am elastischen Element 5 oder Halteteil 6 angreifende Kraft führt zu einer Verformung des elastischen Elements 5 und damit zu einer der Krafteinwirkung entsprechenden Auslenkung f des Strahlungsbündels 10.

Entsprechend dor Darstellung In Flg. 2 b verändern sich die beleuchteten Flächenanteile der Stirnflächen 9. Dadurch entstehen an den Fotoempfängern 4 Änderungen der Ausgangssignale S und S, deren Abhängigkeit von der Auslenkung f des Strahlungsbündels 10 In Fig.4 dargestellt Ist. Bei kleinen Auslenkungen fr/2, wobei r der Radius der Stirnflächen 9 ist, stellt sich eine lineare Abhängigkeit der Änderung der jeweiligen Ausgangssignale S dar, so daß der Meßbereich für ±f mit r anzugeben ist. Da die Auslenkung f neben der Krafteinwirkung auch von der Verformbarkeit V des elastischen Elements 5 abhängig ist, können durch die Variation der Verformbarkeit, die durch geometrische und stoffliche Eigenschaften bestimmt ist, unterschiedliche Kraftmeßbereiche eingestellt werden. Für eine Anordnung nach Fig. 1 ergibt sich bei einer Kraftwirkung entlang der Geraden, die die Mittelpunkte der Empfängerfasern 3 und des Strahlungskegels verbindet eine Beziehung von

4VS2

Die Richtung der Auslenkung legt dabei die Richtung der Kraftwirkung fest.

Eine Bewertung des Kraftangriffswinkel und des Betrages ist durch eine Anordnung mit vier Empfungsfasern, deren optischgeometrisches Verhalten von Sendestrahlungsbündel und Empfängerfasern in Fig.4 dargestellt ist. Hierbei fungieren jeweils zwei gegenüberliegende Empfangseinrichtungen wahlweise zur Bestimmung des Betrages der angreifenden Kraft und des Kraftangriffswinkel, wobei das für die Wertermittlung nicht festgelegte Paar der Empfangseinrichtungen zur Bestimmung des Quadranten, in dem sich der Kraftangriffswinkel befindet, benutzt und damit auch die Richtung der angreifenden Kraft ermittelt wird.

Claims

1. Verfahren zur faseroptischen Messung von Kräften durch folgende Verfahrensschritte, gekennzeichnet:
a) Erfassung der Ausgangssignale S der Empfangseinrichtungen ohne Krafteinwirkung als Nullpunkte S_Oi, S02/ S₀3 und S₀₄, wobei die Lage des Sendestrahlungsbündels (10) so voreinzustellen ist, daß gilt:

= So2/

04;