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Die Erfindung betrifft optische Vorrichtungen zum
Messen des Druckes oder der Kraft mit einer Quelle für elektromagnetische
Strahlung und einer Druckmembran oder einer Biegefeder mit einer
die elektromagnetischen Strahlen der Quelle für elektromagnetische Strahlung
wenigstens teilweise reflektierenden Fläche.
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In der
DE 39 24 185 C1 (Faseroptischer Drucksensor),
der
DE 30 16 565 A1 (Vorrichtung
zur Messung und Überwachung
des Druckes innerhalb eines begrenzten, schwer zugänglichen
Raumes) und der
EP
0 825 428 A2 (Integrierter optoelektronischer Verbrennungsdrucksensor)
gelangen die elektromagnetischen Strahlen von jeweils einer Strahlungsquelle über Lichtleitkabel
zur Druckmembran und die reflektierten Strahlen über Lichtleitkabel zu Fotodetektoren.
Die Enden der Lichtleitkabel sind dabei jeweils so gegenüber der
Druckmembran angeordnet, dass die austretenden Strahlen senkrecht
auf die Druckmembran fallen. Weiterhin enden die Lichtleitkabel
unmittelbar nebeneinander gegenüber
der Druckmembran. Eine weitere Lösung
ist durch die
US 4,620,093
A (Optischer Drucksensor) bekannt, wobei die Strahlung
schräg
auf die Membran fällt
und von dieser reflektiert wird. Bei diesen Lösungen gelangen in Abhängigkeit
der Deformation der Druckmembran Teile der reflektierten Strahlen
zu den Enden der Lichtleitkabel, wo diese eingekoppelt und zu den
Fotodetektoren weitergeleitet werden. Je stärker die Deformation der Druckmembran
ist, um so geringer ist die Intensität der Strahlung, die zu den
Fotodetektoren gelangt.
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Der Nachteil bei diesen Lösungen besteht insbesondere
darin, dass nur ein kleiner Teil der reflektierten Strahlen zu den
Fotodetektoren weitergeleitet wird. Deren Empfindlichkeit bestimmt
damit im Wesentlichen die Messung des Druckes gegenüber der
Druckmembran. Insbesondere sehr kleine Drücke oder Druckänderungen
sind nur begrenzt messbar.
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In der
US 5,127,269 A (Optischer Drucksensor) wird
ein optischer Drucksensor beschrieben, bei dem die Messung des anliegenden
Druckes als Parallelverschiebung der Membran erfolgt. Zur Messung der
Verschiebung wird die Strahlung zweimal an Reflektoren reflektiert.
Es erfolgt keine Gradientenmessung, sondern es wird nur der Wert
der vertikalen Verschiebung des Reflektors gegenüber der eingekoppelten Strahlung
bestimmt. Bei der
DE
295 09 194 U1 (Differential-Drucksensor) ist die Strahlung einer
Lichtquelle auf den Mittelpunkt der Membran gerichtet. Dabei wird
wiederum die vertikale Verschiebung des mittleren Bereichs der Druckmembran gemessen.
Diese Verschiebungen sind aber geringer als die resultierende Verschiebung
auf der Reflektoroberfläche,
so dass die Empfindlichkeit kleiner ist.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen
Erfindung liegt das Problem zugrunde, zum Einen den Druck von Fluiden
oder fließfähigen Stoffen
im stationären
und/oder im fließenden
Zustand insbesondere so zu messen, dass auch sehr kleine Druckabweichungen
im Fluid oder fließfähigen Stoff
erfassbar sind, oder zum Anderen insbesondere kleine durch angreifende
Kräfte
hervorgerufene mechanische Deformationen an einer Biegefeder zu
messen.
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Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch
1 aufgeführten
Merkmalen gelöst.
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Die erfindungsgemäßen optischen Vorrichtungen
zum Messen des Druckes oder der Kraft zeichnen sich insbesondere
dadurch aus, dass unter anderem auch kleinste Druckabweichungen
von Fluiden oder anderen fließfähigen Stoffen
im stationären und/oder
im fließenden
Zustand oder auch kleinste mechanische Deformationen an Biegefedern
gemessen werden können.
Das wird dadurch erreicht, dass die Strahlen einer Quelle für elektromagnetische Strahlung
auf eine Druckmembran oder die Biegefeder mit einer wenigstens teilweise
reflektierenden Fläche
fallen. Das ist keine mittige Fläche
der Druckmembran oder der Biegefeder. Dadurch wird die Empfindlichkeit
der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung
gesteigert. Bei Druck- oder Kraftänderungen sind die geometrischen
Verformungen als Wölbung
gegenüber
der Normalen im Randbereich der Druckmembran oder der Biegefeder
gegenüber dem
Mittelbereich durch die nichtlineare Spannungsverteilung des vorhandenen
Biegemoments am Größten. In
den reflektierten Strahlengang und vor einem ersten Fotodetektor
für diese
Strahlen und in diese hineinragend ist wenigstens ein Bereich eines fest
platzierten Körpers
oder eines fest platzierten Körpers
mit einer Reflexionsschicht angeordnet. Mit einer Druckänderung
an der Druckmembran oder einer Kraftänderung an der Biegefeder werden
die reflektierten Strahlen in Ausführungsformen mehr oder weniger
durch den Körper
gebeugt, nochmals reflektiert und/oder geteilt. Die in ihrer Richtung
nicht veränderten
Teilstrahlen der reflektierten Strahlen gelangen auf den ersten
Fotodetektor, mit dem die Intensität dieses Teils der reflektierten
Strahlen gemessen wird. Mit dem Körper im reflektierten Strahlengang
ist die Messung der Intensität
der auf den ersten Fotodetektor fallenden elektromagnetischen Strahlen nicht
nur von einer ansonsten entscheidenden Position und Größe der strahlungsempfindlichen
Fläche abhängig. Die
Empfindlichkeit wird damit von
- – der Quelle
für elektromagnetische
Strahlung,
- – der
Reflexionsfläche
der Druckmembran oder der Biegefeder,
- – der
Position des Körpers
und
- – der
Empfindlichkeit und der Geometrie der strahlungsempfindlichen Fläche des
ersten Fotodetektors
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bestimmt, wobei nur gewährleistet
sein muss, dass nicht gebeugte, gestreute und/oder nochmals reflektierte
Strahlen und/oder Teilstahlen vollständig auf die strahlungsempfindliche
Fläche
des ersten Fotodetektors fallen. Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen optischen
Vorrichtung ist damit im Wesentlichen durch die Position des Körpers in den
reflektierten Strahlen abhängig.
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Mit einem zweiten Fotodetektor für die am Körper gebeugten,
gestreuten, nochmals reflektierten und/oder abgeteilten Strahlen
wird die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung nochmals
erhöht.
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Ein Körper in den reflektierten Strahlen
führt weiterhin
vorteilhafterweise dazu, dass ein einfach und ökonomisch herzustellendes Spritzgussgehäuse aus
einem Kunststoff für
die optische Vorrichtung nutzbar ist. Dabei sind die Positionen
der Bestandteile durch Anschläge
festlegbar, so dass eine automatisierte oder teilweise automatisierte
Fertigung möglich
ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Ein Prisma als Körper nach der Weiterbildung
des Patentanspruchs 2 führt
zur Ablenkung der reflektierten Strahlen. Dazu werden die winklig
zueinander angeordneten Oberflächen
des Prismas benutzt. Die reflektierten Strahlen werden dadurch geteilt.
Zum Einen kann ein Teil der reflektierten Strahlen auf einen Bereich
einer Oberfläche
des Prismas fallen, wobei die Richtung dieser Strahlen bei Austritt der
winklig dazu angeordneten Oberfläche
geändert ist.
Zum Anderen können
die reflektierten Strahlen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
3 auf eine Kante des Prismas fallen, wobei durch die winklig zueinander
angeordneten Oberflächen
eine Strahlteilung erfolgt. In beiden Fällen ändern sich bei einer Ablenkung
der Druckmembran oder der Biegefeder die Intensitäten der
Teilstrahlen, wobei die Summe der Intensitäten gleich ist. Dadurch können auch
sehr kleine Druck- oder Kraftänderungen
gemessen werden.
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Ein Gitter als Körper wenigstens teilweise in den
reflektierten Strahlen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
4 führt
zur teilweisen Beugung. Die Beugung erfolgt an den Rändern der
Gitterstäbe. Durch
die geometrischen Verhältnisse
des Gitters können
unterschiedliche Beugungseffekte auftreten, wobei Interferenzen
und Streuungen der reflektierten Strahlen nach dem Gitter auftreten.
Bei einer Änderung
der Richtung der reflektierten Strahlen durch eine geometrische
Veränderung
der Druckmembran oder der Biegefeder entstehen unterschiedliche
Interferenzmuster. Dadurch sind an benachbart angeordneten Fotodetektoren
unterschiedliche Intensitäten
messbar. Vorteilhafterweise ist der Abstand benachbarter Gitterstäbe nicht
gleich, so dass eine relativ große räumliche Trennung von Intensitätsunterschieden
erreichbar ist.
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Die reflektierten Strahlen werden
durch die Weiterbildung des Patentanspruchs 5 so beeinflusst, dass
die Strahlposition geändert
wird. Damit ändert sich
die Intensität
der reflektierten Strahlen, die danach auf den Fotodetektor gelangen.
Das wird dadurch erreicht, dass die in Richtung der reflektierten Strahlen
weisende Oberfläche
des Körpers
oder der Körper
so ausgestaltet ist, dass die reflektierten Strahlen ortsabhängig absorbiert,
reflektiert oder transmittiert werden.
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Eine in Strahlrichtung nach der Quelle
für elektromagnetische
Strahlung mindestens ein die elektromagnetischen Strahlen bei Eintritt
so brechende und die elektromagnetischen Strahlen wenigstens einmal
an einer Innenfläche
oder einem Bereich überwiegend
so reflektierende Einrichtung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs
6 vergrößert den räumlichen
Abstand zwischen Druckmembran oder Biegefeder auf der einen Seite
und elektromagnetische Strahlungsquelle, Körper und den wenigstens einen
Fotodetektor auf der anderen Seite. Mit dem Einsatz einer Einrichtung
aus einem wärmebeständigen Stoff
kann insbesondere der Druck auch von Fluiden oder fließfähigen Stoffen
mit höheren
Temperaturen gemessen werden. Eine günstige Ausgestaltung der Einrichtung
sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 wenigstens zwei
unmittelbar nebeneinander angeordnete planparallele Platten aus einem
transparenten Stoff Die planparallelen Platten sind dabei vorteilhafterweise
so ausgebildet, dass die Eintrittsrichtung und die Austrittsrichtung
der elektromagnetischen Strahlen und der reflektierten elektromagnetischen
Strahlen gleich oder annähernd
gleich sind. Dadurch ergeben sich äquivalente Anordnungen, so
dass die Quelle für
elektromagnetische Strahlung, der Körper und der wenigstens eine
Fotodetektor als ein Bauteil realisierbar und mit oder ohne der
Einrichtung in Form z.B. der planparallelen Platten gegenüber der
Druckmembran oder der Biegefeder einsetzbar sind. Dadurch ergibt
sich ein universell einsetzbares Bauteil.
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Eine Schaltungsanordnung nach der
Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ergibt am Ausgang ein elektrisches
Signal, dass dem Verhältnis
von Strahlleistung zu Differenz zwischen der Intensität der reflektierten
elektromagnetischen Strahlen am ersten Fotodetektor und der nochmals
reflektierten Strahlen am zweiten Fotodetektor entspricht. Damit ergeben
auch kleinste Druck- oder Kraftänderungen einen
relativ großen
elektrischen Ausgangswert. Gleichzeitig können dadurch Schaltungsstrukturen mit
niederohmigen Eingängen
eingesetzt werden, so dass elektrische Störgrößen den Messwert nicht verfälschen oder
Schutzmaßnahmen
gegen derartige Störungen
nicht notwendig sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Messen
des Druckes mit zwei Fotodetektoren,
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2 eine
prinzipielle Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Messen
des Druckes mit einem Prisma, wobei die reflektierten Strahlen auf
eine Kante fallen,
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3 eine
prinzipielle Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Messen
des Druckes mit einem Prisma, wobei die reflektierten Strahlen auf
eine Oberfläche
fallen,
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4 ein
Blockschaltbild einer Schaltung zum Aufbereiten der elektrischen
Signale der Fotodetektoren und
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5 eine
prinzipielle Darstellung einer optischen Vorrichtung zum Messen
des Druckes mit einer Einrichtung mit mehrfacher Reflexion.
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1. Ausführungsbeispiel
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Eine optische Vorrichtung zum Messen
des Druckes besteht in einem ersten Ausführungsbeispiel aus einer Quelle 1 für elektromagnetische Strahlung,
einer Druckmembran 2 mit einer die elektromagnetischen
Strahlen 5 der Quelle 1 für elektromagnetische Strahlung
wenigstens teilweise reflektierenden Fläche, einem Körper 4 in
den reflektierten Strahlen 6, einem ersten Fotodetektor 3 und
einem zweiten Fotodetektor 7 (Darstellung in der 1).
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Die Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung ist insbesondere ein Halbleiterlaser oder eine Lumineszenzdiode
und die Fotodetektoren 3, 7 sind vorzugsweise
Fotodioden. Die Druckmembran 2 ist eine Platte, wenigstens
ein Bestandteil eines rohrförmigen
Körpers
oder ein rohrförmiger
Körper.
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Die Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung ist gegenüber
der Druckmembran 2 so angeordnet, dass die elektromagnetischen
Strahlen 5 mit einem Winkel zwischen 0 und kleiner/ gleich
90° auf
die reflektierende Fläche
der Druckmembran 2 fallen, wobei sich die Auftrefffläche nicht
im Mittelpunkt der Druckmembran 2 befindet. In den Strahlengang
der dadurch reflektierten Strahlen 6 ist zum Einen der Körper 4 und
der erste Fotodetektor 3 angeordnet. Der Körper 4 befindet
sich dabei teilweise auch bei nicht mit einem Druck beaufschlagter
Druckmembran 2 in den reflektierten Strahlen 6 und
zwischen ersten Fotodetektor 3 und Druckmembran 2.
Wenigstens die Oberfläche
des Körpers 4,
die in die reflektierten Strahlen 6 hineinragt, ist reflektierend
ausgebildet, so dass ein Teil der reflektierten Strahlen 6 nochmals
reflektierende Strahlen 8 sind. Im Strahlengang der nochmals
reflektierten Strahlen 8 befindet sich der zweite Fotodetektor 7.
Bei steigendem Druck sinkt der Anteil der auf den ersten Fotodetektor 3 fallenden reflektierten
Strahlen 6 und steigt der Anteil der nochmals reflek tierten
Strahlen 8, die auf den zweiten Fotodetektor fallen. In
der 1 ist eine derartige
optische Vorrichtung zum Messen des Druckes prinzipiell dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform können die
Bestandteile der optischen Vorrichtung auch so angeordnet sein,
dass der Anteil der auf den ersten Fotodetektor 3 fallenden
Strahlen bei steigendem Druck steigt und der Anteil der auf den
zweiten Fotodetektor 7 fallenden Strahlen sinkt.
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Die elektrischen Ausgänge des
ersten Fotodetektors 3 und des zweiten Fotodetektors 7 sind
mit den Eingängen
einer Subtrahier- 9 und einer Addierschaltung 10 und deren
Ausgänge
mit den Eingängen
einer Dividierschaltung 11 verbunden (Darstellung in der 4).
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2. Ausführungsbeispiel
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Eine optische Vorrichtung zum Messen
des Druckes besteht in einem zweiten Ausführungsbeispiel aus einer Quelle 1 für elektromagnetische Strahlung,
einer Druckmembran 2 mit einer die elektromagnetischen
Strahlen 5 der Quelle 1 für elektromagnetische Strahlung
wenigstens teilweise reflektierenden Fläche, einem Körper 4 in
den reflektierten Strahlen 6, einem ersten Fotodetektor 3 und
einem zweiten Fotodetektor 7 (Darstellung in den 2 und 3).
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Die Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung ist insbesondere ein Halbleiterlaser oder eine Lumineszenzdiode
und die Fotodetektoren 3, 7 sind vorzugsweise
Fotodioden. Die Druckmembran 2 ist eine Platte, wenigstens
ein Bestandteil eines rohrförmigen
Körpers
oder ein rohrförmiger
Körper.
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Die Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung ist gegenüber
der Druckmembran 2 so angeordnet, dass die elektromagnetischen
Strahlen 5 mit einem Winkel zwischen 0 und kleiner/ gleich
90° auf
die reflektierende Fläche
der Druckmembran 2 fallen, wobei sich die Auftrefffläche nicht
im Mittelpunkt der Druckmembran 2 befindet. In den Strahlengang
der dadurch reflektierten Strahlen 6 ist der Körper 4 angeordnet.
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In einer ersten Ausführungsform
ist der Körper 4 ein
Prisma. Die reflektierten Strahlen 6 fallen auf die Kante,
die durch die beiden rechtwinklig zueinander angeordneten Oberflächen gebildet
wird (Darstellung in der 2).
Vorteilhafterweise befindet sich die Kante des Prismas bei nicht
mit einem Druck beaufschlagter Druckmembran 2 in der Mitte oder
annähernd
in der Mitte der reflektierten Strahlen 6. Durch das Prisma
werden die reflektierten Strahlen 6 geteilt. In Strahlrichtung
der beiden Teilstrahlen befinden sich der erste Fotodetektor 3 und
der zweite Fotodetektor 7.
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In einer zweiten Ausführungsform
ist der Körper 4 ein
Prisma, das sich nur teilweise in dem Strahlengang der reflektierten
Strahlen 6 befindet. Die reflektierten Strahlen 6 fallen
vorzugsweise bei nicht mit einem Druck beaufschlagter Druckmembran 2 teilweise
auf eine Oberfläche
(Darstellung in der 3).
Ein erster Teil der reflektierten Strahlen 6 gelangt dabei
unbeeinflusst auf den ersten Fotodetektor 3. Der zweite
Teil der reflektierten Strahlen 6 wird durch das Prisma
als Körper 4 abgelenkt.
Dadurch werden die reflektierten Strahlen 6 geteilt. Der
zweite Teil der reflektierten Strahlen 6 gelangt auf den
zweiten Fotodetektor 7.
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In einer dritten Ausführungsform
weist der Körper 4 ein
Gitter auf. Mit einem unterschiedlichen Abstand benachbarter Gitterstäbe ergeben
sich unterschiedliche Beugungseffekte der reflektierten Strahlen 6,
so dass quasi eine Bewegung der reflektierten Strahlen 6 bewirkt
wird. Der erste Fotodetektor 3 und der zweite Fotodetektor 7 sind
nebeneinander angeordnet.
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Bei steigendem Druck sinkt der Anteil
der auf den ersten Fotodetektor 3 und steigt der Anteil
der auf den zweiten Fotodetektor 7 fallenden reflektierten Strahlen 6.
In einer weiteren Ausführungsform
können
die Bestandteile der optischen Vorrichtung auch so angeordnet sein,
dass der Anteil der auf den ersten Fotodetektor 3 fallenden
Strahlen bei steigendem Druck steigt und der Anteil der auf den
zweiten Fotodetektor 7 fallenden Strahlen sinkt.
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Die elektrischen Ausgänge des
ersten Fotodetektors 3 und des zweiten Fotodetektors 7 sind
mit den Eingängen
einer Subtrahier- 9 und einer Addierschaltung 10 und
deren Ausgänge
mit den Eingängen
einer Dividierschaltung 11 verbunden (Darstellung in der 4).
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In weiteren Ausführungsformen der optischen
Vorrichtungen zum Messen des Druckes entsprechend des ersten oder
des zweiten Ausführungsbeispiels
kann in Strahlrichtung nach der Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung mindestens ein die elektromagnetischen Strahlen 5 bei
Eintritt so brechende und die elektromagnetischen Strahlen 5 wenigstens
einmal an einer Innenfläche
oder einem Bereich überwiegend
so reflektierende Einrichtung angeordnet sein, dass zum Einen die
elektromagnetischen Strahlen 5 mit einem Winkel zwischen
0° und kleiner/
gleich 90° auf
die reflektierende Fläche
der Druckmembran 2 fallen und dass zum Anderen die von
der Druckmembran 2 reflektierten Strahlen 6 wiederum
in der Einrichtung wenigstens einmal an einer Innenfläche oder
einem Bereich reflektiert werden und in einer anderen Richtung als
der Einfallsrichtung wieder aus der Einrichtung austreten (Darstellung
in der 5). Die Einrichtung
besteht vorzugsweise aus wenigstens zwei unmittelbar nebeneinander
ange ordneten planparallelen Platten 12a, 12b aus
einem transparenten Stoff Die Eintrittsrichtung und die Austrittsrichtung
der elektromagnetischen Strahlen 5 der Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung und der von der Druckmembran 2 reflektierten
elektromagnetischen Strahlen 6 sind gleich oder annähernd gleich.
Die Anordnung des Körpers 4 und
entweder des ersten Fotodetektors 3 und des zweiten Fotodetektors 7 entsprechen
denen des ersten oder des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Anstelle der Druckmembranen 2 in
den Ausführungsbeispielen
eins und zwei einschließlich
deren Ausführungsformen
kann in weiteren Ausführungsformen
die jeweilige Druckmembran 2 eine Biegefeder zur Kraftmessung
sein. In den Darstellungen der 1 bis 3 und 5 ist dazu die Druckmembran 2 eine
gerade Biegefeder. Der Querschnitt der geraden Biegefeder kann dabei
sowohl mehreckig ausgeführt sein
als auch die Form eines Kegelschnittes aufweisen. Die Biegefeder
ist dabei einseitig, mehrseitig oder insbesondere bei Anwendung
einer Biegeplatte mit allen Seiten eingespannt. Die Kraft wirkt
auf die Biegefeder ein, so dass eine Deformation des Körpers der
Biegefeder gleich derer der Druckmembran 2 in den Ausführungsbeispielen
eins und zwei einschließlich
deren Ausführungsformen
vorhanden ist. Auf der sich deformierenden Oberfläche oder
Oberflächen
befindet sich die die elektromagnetischen Strahlen 5 der
Quelle 1 für
elektromagnetische Strahlung wenigstens teilweise reflektierenden
Fläche.
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Die Ausbildung und die Anordnung
der Quelle 1 für
elektromagnetische Strahlung, des Körpers 4, entweder
des Fotodetektors 3 oder des ersten Fotodetektors 3 und
des zweiten Fotodetektors 7 und der die elektromagnetischen
Strahlen 5 bei Eintritt so brechenden und die elektromagnetischen
Strahlen 5 wenigstens einmal an einer Innenfläche oder
einem Bereich überwiegend
so reflektierenden Einrichtung, insbesondere in Form der planparallelen
Platten 12a, 12b, entsprechen denen des ersten
und zweiten Ausführungsbeispiels
einschließlich
deren Ausführungsformen.
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In weiteren Ausführungsformen kann die Biegefeder
auch eine Spiralfeder mit Windungszwischenraum, eine Drehfeder,
eine gerade Torsionsfeder oder eine zylindrische Schraubenfeder
sein, wobei wenigstens ein Bereich der sich bei Kraftänderung
deformierenden Oberfläche
die die elektromagnetischen Strahlen 5 der Quelle 1 für elektromagnetische
Strahlung wenigstens teilweise reflektierenden Fläche ist
oder aufweist.
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Vorteilhafterweise können zumindest
die Quelle 1 für
elektromagnetische Strahlung, sowohl der erste Fotodetektor 3 als
auch der zweite Fotodetektor 7 und der Körper 4 die
Bestandteile eines Gehäuses
sein, dass insbesondere mit der Verbindung dienenden Elementen und/oder
Konstruktionen versehen ist.