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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung ist auf einen Sensor oder eine Vorrichtung für die berührungslose Messung einer Torsionsspannung in einer kraftübertragenden Drehwelle gerichtet, für welche die Antriebs- oder Abtriebswelle eines Getriebes ein Beispiel ist, wobei Änderungen bei mindestens einer Eigenschaft von Licht gemessen werden, welches entlang der Welle übertragen wird, um das Drehmoment zu ermitteln, das von der Welle übertragen wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wenn ein Drehmoment auf eine Welle aufgebracht wird, wird eine Spannung entlang der Oberfläche der Welle entlang spiralförmiger Druck- und Zuglinien aufgebracht. Es sind verschiedene Verfahren zur Messung des Drehmoments in einer Welle bekannt. Ein Verfahren besteht darin, Dehnungsmessstreifen an die äußere Oberfläche der Welle zu kleben, wobei die Dehnungsmessstreifen in einer kreuzförmigen Konfiguration angeordnet sind. Die Dehnungsmessstreifen wirken als Elemente einer Widerstandsbrückenschaltung zur Messung von Druck und Zug in der Wellenoberfläche entlang ihrer Länge, wenn sich die Welle durch Torsion verdreht. Es kann eine Herausforderung sein, bei einer Drehwelle eine Drehmomentmessung zu implementieren, wenn Dehnungsmessstreifen als die Aufnahmeelemente verwendet werden, da die Dehnungsmessstreifen notwendigerweise mit weiterer Elektronik, die sich nicht auf der Welle befindet, elektrisch in Kontakt stehen müssen. Die sich nicht auf der Welle befindende Elektronik ist notwendig, um die Widerstandsbrückenmessungen auszuführen, um den Zug und den Druck zu detektieren und zu quantifizieren, welche aus einer Verdrehung der Welle durch Torsion als einem Maß für das übertragene Wellendrehmoments resultieren.
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Ein übertragenes Drehmoment in einer Welle kann auch durch eine Messung des Winkelversatzes zwischen zwei Zahnrädern ermittelt werden, welche an der Welle in einer weit beabstandeten Beziehung entlang der Rotationsachse der Welle montiert sind. Bei einem Verwenden dieses Verfahrens zeigt der Winkelversatz zwischen den beabstandeten Zahnrädern den Verdrehwinkel über die Länge der Welle zwischen den Zahnrädern an, wobei der Verdrehwinkel ein Maß für das Drehmoment ist, das entlang der Welle übertragen wird.
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Die
FR 2 828 278 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung eines übertragenen Drehmoments mit einer Hohlwelle zur Übertragung von Drehmoment und einer an einem Ende der Hohlwelle darin angeordneten Lichtquelle, die Licht entlang einer Mittelachse der Hohlwelle emittiert. Das emittierte Licht wird in der Nähe der Lichtquelle durch Polarisationsfilter polarisiert und am anderen Ende der Hohlwelle über einen Strahlteiler aufgeteilt. Ein Teilstrahl durchquert ein Polarisationsfilter und trifft auf eine erste Photodiode, der andere Teilstrahl durchquert die Wand der Hohlwelle und trifft auf eine zweite Photodiode an der Außenseite der Hohlwelle, um ein Referenzsignal zu bilden. Aus Signalen von den Photodioden wird über eine Auswertung der bei der ersten Photodiode empfangenen Lichtintensität eine Änderung des Polarisationswinkels berechnet.
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In der
DE 726 361 A ist eine Vorrichtung zur Messung eines übertragenen Drehmoments offenbart, bei der in einem optischen Strahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger drei Polarisatoren angeordnet sind, wobei der optische Strahlengang durch eine Hohlwelle hindurch verläuft, die zur Übertragung von Drehmoment vorgesehen ist. Die beiden äußeren Polarisatoren sind an einem Ende der Hohlwelle befestigt, während der innere Polarisator am anderen Ende der Hohlwelle befestigt ist. Das am Lichtempfänger ankommende Licht weist eine Intensität auf, die proportional zu der Verdrehung der Hohlwelle durch ein Drehmoment ist. Um Schwankungen der Lichtquelle zu kompensieren, kann ein Teil des Sendelichts als Referenzsignal abgezweigt werden.
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Die
EP 0 345 093 A2 offenbart eine Vorrichtung zur Detektion einer Verdrehung in einer Hohlwelle, bei der polarisiertes Licht durch Öffnungen an einem Ende der Hohlwelle in die Hohlwelle eingeleitet und in der Hohlwelle zu deren anderem Ende hin reflektiert wird. Eine dort angebrachte Verzögerungsplatte erzeugt Komponenten mit 0 Grad und mit 90 Grad aus dem einfallenden polarisierten Licht, deren relative Intensitäten von einer Verdrehung der Hohlwelle abhängen. Diese Intensitäten werden nach dem Zurückspiegeln und Leiten über einen Strahlteiler und einen Polarisationsteiler erfasst und zur Berechnung der Verdrehung der Hohlwelle verwendet.
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In der
US 5 192 862 A ist eine Vorrichtung zur Messung eines übertragenen Drehmoments offenbart, die einen optischen Sensor umfasst, der ein variables Magnetfeld in Kombination mit einem magnetooptischen Material verwendet, um Brechungseigenschaften von Licht zu verändern. Dabei weist das magnetooptische Material einen Faraday-Effekt auf, der zu Beugungsgittern führt, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Durch eine Verdrehung wird ein Magnetfeld moduliert, das an dem magnetooptischen Material anliegt, wodurch wiederum das Beugungsmuster von Licht, das das magnetooptische Material durchdringt, verändert wird. Aus der Intensität eines nicht gebeugten zentralen Strahls des Lichts kann auf das anliegende Drehmoment geschlossen werden.
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Die
US 3 584 959 A offenbart ein Gerät zur Bestimmung der Drehposition einer Welle, bei dem ein Referenzstrahl aus moduliertem polarisiertem Licht durch eine Analysevorrichtung hindurch projiziert wird, die an einem Wellenende angebracht ist und sich damit dreht. Das von der Analysevorrichtung reflektierte Licht wird mit dem Referenzstrahl verglichen und daraus die Drehposition der Welle bestimmt.
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In der
FR 1 256 133 A ist eine Vorrichtung zum Anzeigen von Verformungen offenbart, die an mechanischen Teilen aufgrund sich verändernder Belastungen auftreten. Dazu wird mindestens ein Paar aus Polarisationsfiltern an dem zu untersuchenden mechanischen Teil angebracht und Licht von einer Lichtquelle durch beide Filter des Paars aus Polarisationsfiltern hindurch zu einer Photozelle geleitet. Das an der Photozelle ankommende Licht weist eine Intensität auf, die von der relativen Drehposition der Polarisationsfilter zueinander abhängt.
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Die
WO 95/19557 A1 offenbart einen optischen Drehmomentsensor mit einer LED und einem Lichtsensor, zwischen denen ein lichtübertragendes Medium angeordnet ist, das die Ausbreitungsrichtung von Licht durch das Medium hindurch in einem Ausmaß verändert, das proportional zu einem an das Medium angelegten Drehmoment ist. Aus einem Ausgabesignal des Lichtsensors wird das an dem Medium anliegende Drehmoment berechnet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung von Drehmoment, das an einer Welle anliegt, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtungen gemäß Anspruch 1 und 9 gelöst.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung ist auf einen berührungslosen Sensor oder eine berührungslose Vorrichtung zur Messung des augenblicklichen Drehmoments oder der Torsionsspannung/-dehnung gerichtet, welche durch ein lang gestrecktes Kraftübertragungselement, beispielsweise eine drehbare Welle, übertragen wird, wie (z. B.) eine Welle, die einen Motor mit einem Fahrzeuggetriebe antreibbar koppelt, oder innerhalb des Getriebes, oder sonst wo in einem Fahrzeugantriebsstrang. Gemäß der offenbarten Erfindung ist eine drehbare Welle mit einem Hohlraum in einem Abschnitt einer Länge der Welle zwischen einem ersten Abschnitt der Welle und einem zweiten Abschnitt der Welle bereitgestellt. Eine Lichtquelle ist vorgesehen, die polarisiertes Licht entlang eines Messlichtpfades in den Hohlraum von dem ersten Abschnitt der Welle an den zweiten Abschnitt der Welle emittiert. Ein Polarisationsfilter ist vorgesehen und in dem Hohlraum in dem zweiten Abschnitt der Welle befestigt. Das Polarisationsfilter dient zur Änderung der Winkelpolarisation von Licht in dem polarisierten Lichtstrahl. Eine Messeinheit ist vorgesehen, um die Änderung des Polarisationswinkels in dem Lichtpfad, die durch das Polarisationsfilter eingebracht wird, zu detektieren. Wenn ein Drehmoment von der Welle übertragen wird, verursacht das übertragene Drehmoment eine elastische Verdrehung in der Welle um die Rotationsachse der Welle. Die Torsionsverdrehung der Welle führt zu einer Winkeldrehung des Polarisationsfilters relativ zu der Polarisationsrichtung des polarisierten Lichtstrahls und führt damit zu einer Änderung bei dem Polarisationswinkel des Lichts, das durch das Polarisationsfilter hindurchgeht. Diese Änderung des Polarisationswinkels wird detektiert und ist ein Maß für ein in der Welle übertragenes Drehmoment, welche die Grundlage bereitstellt, mit welcher das in der Welle übertragene Drehmoment berechnet werden kann, wie hierin in späteren Abschnitten genauer erörtert wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle, wobei die Lichtquelle ein Lichtpolarisationsfilter umfasst, um einen kohärenten polarisierten Lichtstrahl mit einer einzigen Wellenlänge zur Übertragung entlang des Messlichtpfads bereitzustellen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst die Drehmomentsensorvorrichtung einen Strahlteiler, der ausgestaltet ist, um den Lichtstrahl von der Lichtquelle in zwei Lichtstrahlen aufzuteilen, von denen einer dem Messlichtpfad folgt und einer einem Referenzlichtpfad folgt. Der Strahlteiler stellt einen Referenzlichtpfad bereit, der eine Winkelpolarisation aufweist, die durch die Winkelpolarisation des Lichts von der Lichtquelle bestimmt ist. Bei diesem Aspekt der Erfindung detektiert die Messeinrichtung die Polarisationswinkeländerung als einen detektierten Unterschied bei der Winkelpolarisation des Referenzlichtpfads und der Winkelpolarisation des Lichts nach dem Polarisationsfilter. Der detektierte Unterschied bei der Winkelpolarisation ist ein Maß für die Torsionsverdrehung in der Welle und daher für das von der Welle übertragene Drehmoment.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die Lichtquelle in der Drehmomentsensorvorrichtung eine Laserlichtquelle, die ein zweites Lichtpolarisationsfilter umfasst, um das Licht zu polarisieren, das von der Lichtquelle emittiert wird. Die Lichtquelle ist außerhalb der Welle statt innerhalb des Hohlraums der Welle angeordnet. Polarisiertes Licht von dem zweiten Polarisationsfilter wird zum Eintreten in den Wellenhohlraum durch eine Eintrittsöffnung in dem ersten Abschnitt der Welle gelenkt. Die Eintrittsöffnung erstreckt sich durch die Wellenwand zwischen dem Hohlraum und der Außenfläche der Welle. Die Drehmomentsensorvorrichtung umfasst ferner ein erstes Reflexionselement, das in dem ersten Abschnitt des Wellenhohlraums befestigt ist und ausgestaltet ist, um das polarisierte Licht von der Eintrittsöffnung in eine Richtung umzulenken, so dass es das Polarisationsfilter abfängt, das in dem Hohlraum in dem zweiten Abschnitt des Wellenhohlraums bereitgestellt ist. Ein zweites Reflexionselement ist auch in dem Wellenhohlraum befestigt und ausgestaltet, um polarisiertes Licht, welches das Polarisationsfilter in dem Hohlraum verlässt, so umzuleiten, dass es die Welle durch eine Austrittsöffnung in der Welle verlässt. Die Messeinrichtung ist außerhalb der Welle angeordnet und ist ausgerichtet, um polarisiertes Licht zu detektieren, das durch die Austrittsöffnung emittiert wird. Die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung sind an der Welle ausgerichtet, um zu ermöglichen, dass Licht von der Lichtquelle, die außerhalb der Welle angebracht ist, durch den Hohlraum umgelenkt wird und die Messeinrichtung erreicht, wenn sich die Welle in mindestens einer Winkelposition der Wellenrotation befindet.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das erste Reflexionselement ein erstes metallisches Rohr, in welchem das erste Reflexionselement montiert ist. Auf ähnliche Weise umfasst das zweite Reflexionselement ein zweites metallisches Rohr, in welchem das zweite Reflexionselement montiert ist. Das erste und zweite metallische Rohr sind zur Befestigung an der Welle in dem Hohlraum der Welle ausgelegt und eingepasst.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist der Wellenhohlraum ein Abschnitt einer axialen Bohrung durch ein Ende der Welle, wobei die axiale Bohrung einen Zugang zu dem Hohlraum zur Installation des ersten Reflexionselements und des zweiten Reflexionselements durch die Endbohrung der Welle bereitstellt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das erste Reflexionselement eine erste reflektierende Oberfläche, die ausgestaltet ist, um das polarisierte Licht von der Eintrittsöffnung durch Reflexion entlang einer Länge des Wellenhohlraums an das Polarisationsfilter in dem Wellenhohlraum umzulenken. Das zweite Reflexionselement umfasst eine zweite reflektierende Oberfläche, die ausgestaltet ist, um das polarisierte Licht von dem Polarisationsfilter in dem Hohlraum so umzulenken, dass es den Wellenhohlraum durch eine Austrittsöffnung in der Welle durch Reflexion verlässt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind die reflektierenden Oberflächen der ersten und zweiten Reflexionselemente im Wesentlichen ebene reflektierende Oberflächen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung sind die reflektierenden Oberflächen sowohl des ersten als auch des zweiten Reflexionselements jeweils konische reflektierende Oberflächen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist eine Halbwellenplatte bereitgestellt und nach der Lichtquelle und dem zweiten Polarisationsfilter und vor dem Strahlteiler angeordnet. Die Wirkung der Halbwellenplatte liefert eine Verdopplung bei der Empfindlichkeit der Messeinrichtung bei der Detektion eines Wellendrehmoments, wie später genauer erläutert wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung führt die Änderung beim Polarisationswinkel von Licht, welches das in dem Wellenhohlraum gelegene Polarisationsfilter verlässt, zu einer Änderung bei der Intensität von Licht, das die Austrittsöffnung der Welle verlässt und die Messeinrichtung erreicht. Bei diesem Aspekt der Erfindung ist die Messeinrichtung ausgestaltet und angepasst, um diese Änderung bei der Lichtintensität zu detektieren und zu verwenden, um die Änderung bei dem Polarisationswinkel von Licht zu ermitteln, das die Messeinrichtung von der Wellenaustrittsöffnung erreicht. Zusätzlich ist die Messeinrichtung ausgestaltet, um Änderungen bei der Lichtintensität in dem Referenzlichtpfad zu detektieren und die gemessene Intensität von Licht von der Wellenaustrittsöffnung gemäß den gemessenen Änderungen bei der Referenzlichtpfadintensität zu korrigieren, um Schwankungen bei der Intensität von Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, auszugleichen.
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Zusätzlich ist ein Verfahren für die Messung eines Drehmoments offenbart, das von einer Welle gemäß der voranstehenden erfindungsgemäßen Vorrichtung übertragen wird, wie hierin später genauer erläutert wird.
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Die voranstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden genauen Beschreibung der besten Arten zur Ausführung der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen leicht offenbar werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen zeigen eine Form der Erfindung, die gegenwärtig bevorzugt ist; die Erfindung ist jedoch nicht auf die genaue Anordnung begrenzt, die in den Zeichnungen gezeigt ist.
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1 stellt eine schematische perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform eines zur Messung eines übertragenen Drehmoments in einer Welle verwendeten Laserdrehmomentsensors dar, die Reflexionselemente, welche in einer Bohrung befestigt sind, sowie andere Komponenten des Laserdrehmomentsensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 stellt eine schematische Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des zur Messung eines übertragenen Drehmoments in einer Welle verwendeten Laserdrehmomentsensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dar;
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3 stellt eine schematische Schnittansicht noch einer weiteren Ausführungsform eines zur Messung eines übertragenen Drehmoments in einer Welle verwendeten Laserdrehmomentsensors dar, bei welcher die Reflexionselemente angepasst sind, um in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung die Verwendung mehrerer Eintritts- und Austrittsöffnungen in der Welle zu ermöglichen;
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4 stellt eine schematische Ansicht des Laserdrehmomentsensors von 2 dar, der ferner eine Halbwellenplatte umfasst, um die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung effektiv zu verdoppeln;
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5 stellt eine schematische Schnittansicht dar, die durch die Welle von 3 (ohne die Reflexionselemente) geschnitten ist, welche eine Anordnung der Lichteintrittslöcher oder Lichtaustrittslöcher in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ist ein Graph, der die allgemeine Beziehung zwischen einer normierten Intensität von Licht, das an dem Lichtdetektor/Sensor empfangen wird, und einem Wellenverdrehwinkel aufgrund der Abschwächung der Intensität von polarisiertem Licht in dem Messpfad, nachdem es durch das Polarisationsfilter in dem Wellenhohlraum gegangen ist, gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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7a ist eine schematische Darstellung einer Welle, die mit Merkmalen der vorliegenden Erfindung zur Drehmomentmessung ausgerüstet ist, welche hierin dargestellt ist, um die Erörterung der mathematischen Beziehung zwischen dem Wellenverdrehwinkel und dem übertragenen Drehmoment zu unterstützen;
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7b ist eine schematische Darstellung des Querschnitts entlang B-B der Welle in 7A, bei welcher nur die Wellenwand dargestellt ist, um Parameter deutlich zu bezeichnen, die bei der Berechnung des Trägheitsmoments des zylindrischen Wellenabschnitts verwendet werden, um den Verdrehwinkel zu dem übertragenen Drehmoment in Beziehung zu setzen; und
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8 stellt ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Drehmoment, das in einer Welle übertragen wird, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dar.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 stellt eine schematische perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Laserdrehmomentsensors 10 dar, der zur Messung eines augenblicklichen Drehmoments oder einer Torsionsspannung/-dehnung verwendet ist, welche von einer drehbaren Welle 12 übertragen wird. Gemäß der offenbarten Erfindung ist die drehbare Welle 12 mit einem Hohlraum 14 in einem Abschnitt einer Länge der Welle zwischen einem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 und einem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 versehen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Hohlraum 14 ein Abschnitt der axialen Bohrung 62 in der Welle 12. Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst ferner ein erstes Reflexionselement 38 und ein zweites Reflexionselement 42, die beide in dem Hohlraum 14 in der Welle 12 befestigt sind. Die Reflexionselemente 38, 42 sind durch die Öffnung der Bohrung 62, welche an einem ersten Ende 66 der Welle 12 vorgesehen ist, in den Hohlraum 14 der Welle 12 installierbar. Das erste Reflexionselement 38 ist in dem Hohlraum 14 an einem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 befestigt, während das zweite Reflexionselement 42 in dem Hohlraum 14 in einem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 befestigt ist, wobei der zweite Abschnitt 22 von dem ersten Abschnitt 20 durch eine gewisse definierte Distanz beabstandet ist. Die Welle 12 umfasst eine Lichteintrittsöffnung 16 in dem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 und eine Lichtaustrittsöffnung 18 in dem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12. Jede Öffnung 16, 18 erstreckt sich von einer äußeren Oberfläche 70 der Welle 12 in den Hohlraum 14 der Welle 12. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform weisen sowohl das erste Reflexionselement 38 als auch das weite Reflexionselement 42 ein allgemein ”C”-förmiges Gehäuse auf. Die Verwendung eines ”C”-förmigen. Gehäuses ist für die beispielhafte Ausführungsform von 1 spezifisch und ist nicht beschränkend. Die Reflexionselemente 38, 42 können eine beliebige Gehäusegestalt umfassen oder alternativ überhaupt kein Gehäuse, solange die Reflexionselemente 38, 42 in dem Hohlraum 14 an der Welle 12 befestigt werden können. Das ”C”-förmige Gehäuse des ersten Reflexionselements 38 ist in dem Hohlraum 14 befestigt, wobei die Öffnung 68 des ”C” mit der Lichteintrittsöffnung 16 der Welle 12 ausgerichtet ist. Auf ähnliche Weise ist das ”C”-förmige Gehäuse des zweiten Reflexionselements 42 in dem Hohlraum 14 befestigt, wobei die Öffnung 72 des ”C” mit der Lichtaustrittsöffnung 18 ausgerichtet ist.
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Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst eine Lichtquelle 24, die Licht entlang eines ersten Lichtpfads 30 emittiert. In 1 ist die Lichtquelle 24 nahe bei und getrennt von der Welle 12 befestigt, so dass die Welle 12 um eine Rotationsachse 48 unabhängig von der Lichtquelle 24 frei rotieren kann. Der Laserdrehmomentsensor umfasst ein Polarisationsfilter 26, das nahe bei der Lichtquelle 24 angeordnet ist. Bei gewissen Ausführungsformen der Lichtquelle 24 kann das Polarisationsfilter 26 als Teil der Lichtquelle 24 umfasst sein. Das Polarisationsfilter 26 ist angeordnet, um den ersten Lichtpfad 30, der von der Lichtquelle 24 emittiert wird, abzufangen, und um das Licht, welches das Polarisationsfilter 26 verlässt, entlang des polarisierten Abschnitts 74 des ersten Lichtpfads 30 in einer Winkelrichtung einer ersten Polarisationsachse 28 zu polarisieren. Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst ferner einen Strahlteiler 32, beispielsweise (als ein nicht einschränkendes Beispiel) eine lichtdurchlässige ebene Platte mit einer teilweise reflektierenden spiegelähnlichen Beschichtung. Der Strahlteiler 32 ist angepasst, um einen definierten Prozentsatz des Lichts, das auf den Strahlteiler 32 fällt, in einen ersten Messlichtpfad 34 zu übertragen und um im Wesentlichen den verbleibenden Prozentsatz des einfallenden Lichts entlang eines Referenzlichtpfads 36 zu reflektieren. Der erste Messlichtpfad 34 ist angeordnet und zu der Welle 12 hin gerichtet, so dass er mit der Eintrittsöffnung 16 durch eine Drehung der Welle 12 um die Rotationsachse 48 ausgerichtet werden kann, wobei der erste Messlichtpfad 34 in den Hohlraum 14 durch die Lichteintrittsöffnung 16 eintrat. In dem ersten Abschnitt 20 der Welle 12 umfasst das erste Reflexionselement 38 eine erste reflektierende Oberfläche 40, die ausgestaltet ist, um polarisiertes Licht in dem ersten Messlichtpfad 34 auf einen zweiten Messlichtpfad 46 zu reflektieren, der entlang einer Länge des Hohlraums 14 in eine Richtung gerichtet ist, die im Wesentlichen parallel zu der Rotationsachse 48 der Welle 12 ist, so dass es auf die zweite reflektierende Oberfläche 44 des zweiten Reflexionselements 42 auftrifft, das in dem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 befestigt ist. Der Laserdrehmomentsensor 10 umfasst zusätzlich ein Polarisationsfilter 52, das in dem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 angeordnet ist und an dem ”C”-förmigen Gehäuse des zweiten Reflexionselements 42 befestigt ist. Wieder ist die ”C”-Gestalt des Gehäuses für die in 1 dargestellte beispielhafte Ausführungsform spezifisch und nicht beschränkend, wie voranstehend erörtert wurde. Das Polarisationsfilter 52 ist angeordnet, um polarisiertes Licht in dem zweiten Messlichtpfad 46 abzufangen, bevor es die zweite reflektierende Oberfläche 44 erreicht. Da das Polarisationsfilter 52 an dem zweiten Reflexionselement 42 befestigt ist, welches dann in dem zweiten Abschnitt 42 der Welle 12 befestigt ist, ist das Polarisationsfilter 52 dadurch auf eine Drehung in Übereinstimmung mit dem zweiten Abschnitt 22 der Welle 12 beschränkt. Das Polarisationsfilter 52 weist eine zweite Polarisationsachse 54 auf, durch welche es Licht in dem zweiten Messlichtpfad 46 polarisiert, das durch das Polarisationsfilter 52 hindurchgeht. Die zweite Reflexionsoberfläche 44 ist ausgestaltet, um Licht, das von dem Polarisationsfilter 52 polarisiert ist, entlang eines dritten Messlichtpfads 50 zu reflektieren, welcher die Welle 12 durch die Lichtaustrittsöffnung 18 verlässt. Die Austrittsöffnung 18 ist angeordnet und ausgestaltet, um den dritten Messlichtpfad 50 mit einem Messlichterfassungsabschnitt 76 einer Messeinrichtung 56 durch eine Drehung der Welle 12 um die Rotationsachse 48 auszurichten. Die Austrittsöffnung 18 und die Eintrittsöffnung 16 sind gemeinsam ausgerichtet, so dass, wenn die Eintrittsöffnung 16 drehend ausgerichtet ist, um es einem Licht in dem ersten Messlichtpfad 34 zu ermöglichen, in die Eintrittsöffnung 16 einzutreten, dann auch die Austrittsöffnung 18 ausgerichtet ist, um es einem Licht in dem dritten Messlichtpfad 50 zu ermöglichen, den Messlichterfassungsabschnitt 76 der Messeinrichtung 56 zu erreichen, so dass das Licht den Messkreis von der Lichtquelle 24 durch den Wellenhohlraum 14 an die Messeinrichtung 56 vervollständigen kann. Auf ähnliche Weise fällt Licht von dem Referenzlichtpfad 36 auf den Referenzlichterfassungsabschnitt 78 der Messeinrichtung 56. Die Messeinrichtung 56 ist angeordnet, um Licht von dem dritten Messlichtpfad 50 zu empfangen und um einen Unterschied bei dem Polarisationswinkel des Lichts zwischen dem dritten Messpfad 50 und dem Referenzlichtpfad 36 zu detektieren. Ein von der Welle 12 übertragenes Drehmoment führt zu einer Winkelverdrehung der Welle 12, welche zu einer Änderung bei dem Polarisationswinkel von Licht in dem dritten Messpfad 50 führt, die durch die Winkelausrichtung der Polarisationsachse 54 des zweiten Polarisationsfilters 52 induziert ist. Eine Torsionsverdrehung in der Welle 12 wird als ein Unterschied bei dem Polarisationswinkel zwischen dem Referenzlichtpfad 36 und dem dritten Messlichtpfad 50 von der Messeinrichtung 56 detektiert. Diese Änderung beim Polarisationswinkel steht in direkter Beziehung zu dem von der Welle 12 übertragenen Drehmoment, wie in einem späteren Abschnitt dieser Anmeldung genau erörtert wird. Das gemessene Drehmoment, das aus dem gemessenen Unterschied beim Polarisationswinkel ermittelt wird, wird als ein elektronisches Messsignal 80 ausgegeben. Das elektronische Messsignal 80 kann ein beliebiges sein von: ein digitales elektronisches Signal, das ein Drehmoment darstellt, ein analoges Spannungssignal, das ein Drehmoment darstellt, ein analoges Stromsignal, das ein Drehmoment darstellt sowie andere Ausgangssignaltypen, die einem Fachmann bekannt sind. Das Drehmomentsignal kann beispielsweise von einem analogen oder digitalen Drehmomentanzeiger 82 in einer für den Menschen lesbaren Form dargestellt werden oder als ein. Eingang an einen fahrzeugeigenen Motorverwaltungs- oder Getriebeverwaltungscomputer bereitgestellt werden, sowie als ein Eingang an andere Einrichtungen oder für andere Verwendungen bereitgestellt werden, die einem Fachmann bekannt sind. Die Lichtquelle 24 ist vorzugsweise eine Laserlichtquelle.
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Es ist zu verstehen, dass der Hohlraum 14 nur einen Abschnitt der Länge der Welle 12 belegen kann, wobei der Hohlraum 14 einen Raum in der Welle 12 bereitstellt, um die Reflexionselemente 38, 42 aufzunehmen.
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Zusätzlich verringert das Vorhandensein des Hohlraums 14 in der Welle 12 bei der dargestellten Ausführungsform sowie bei anderen Ausführungsformen notwendigerweise den Materialquerschnitt der Welle 12 um den Hohlraum 14 herum, was der Hohlraumabschnitt der Welle 14 für Torsionsverdrehungen anfälliger macht und dadurch die Genauigkeit und Empfindlichkeit von Wellendrehmomentmessungen verbessert.
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2 stellt eine schematische Ansicht der Komponenten des Laserdrehmomentsensors von 1 angewandt auf eine rohrförmige Welle dar, wobei sich der Hohlraum 114 vollständig durch die Länge der Welle 112 erstreckt. Wie in 1 umfasst der Laserdrehmomentsensor 110 die Lichtquelle 24, das Polarisationsfilter 26, den Strahlteiler 32, eine Lichteintrittsöffnung 116, eine Lichtaustrittsöffnung 118, das erste Reflexionselement 38, das in dem ersten Abschnitt 120 der Welle 112 befestigt ist, das zweite Reflexionselement 42, das in dem zweiten Abschnitt 122 der Welle 112 befestigt ist, das Polarisationsfilter 52 und die Messeinrichtung 56, die ausgestaltet ist, um ein Signal 80 eines gemessenen Drehmoments als einen Ausgang bereitzustellen. 2 stellt eine bessere Darstellung der bevorzugten Montage des zweiten Polarisationsfilters 52 bereit, das unmittelbar vor der reflektierenden Oberfläche 44 des zweiten Reflexionselements 42 in dem zweiten Abschnitt 122 der Welle befestigt ist. Die Messeinrichtung 56 ist ausgestaltet, um eine Torsionsverdrehung der Welle 112 im Wesentlichen über die Länge L zwischen dem ersten Abschnitt 120 und dem zweiten Abschnitt 122 der Welle zu messen. Diese gemessene Winkelverdrehung wird in eine Wellendrehmomentmessung umgewandelt, wie nachstehend in dieser Anmeldung erörtert wird. Anders als voranstehend angemerkt wurde, ist die Arbeitsweise des Laserdrehmomentsensors 110 identisch mit den voranstehenden Laserdrehmomentsensorerörterungen, die mit 1 dargestellt wurden.
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3 stellt eine schematische Schnittansicht noch einer anderen Ausführungsform eines Laserdrehmomentsensors 210 dar, der zur Messung eines übertragenen Drehmoments in einer Welle 212 verwendet ist, bei welcher die Reflexionselemente 238, 242 lichtreflektierende Oberflächen 84 bzw. 86 aufweisen. Die Reflexionselemente 238, 242 können aus einem Kunststoff oder einem metallischen Material bestehen. Bei einer Ausführungsform sind die lichtreflektierenden Oberflächen 84, 86 kegelförmig gestaltete Oberflächen, die auf den Reflexionselementen 238, 242 maschinell bearbeitet, ausgebildet oder anderweitig angeordnet wurden. Bei einer anderen Ausführungsform besteht jede der reflektierenden Oberflächen 84, 86 aus zwei gewinkelten ebenen Oberflächen, die ein Dreiecksprofil aufweisen, wenn sie, wie in 3 dargestellt ist, von einer Seite betrachtet werden. Bei noch einer anderen Ausführungsform besteht jede der reflektierenden Oberflächen 84, 86 aus vier gewinkelten ebenen Oberflächen, die eine Pyramidengestalt bilden und ein Seitenprofil aufweisen, wie in 3 gezeigt ist. In allen Fällen bilden die reflektierenden Oberflächen 84, 86 im Wesentlichen einen Winkel von 45 Grad relativ zu der Rotationsachse 248 der Welle 212, so dass der Winkel θ1 zwischen dem ersten Messlichtpfad 234 und dem reflektierten zweiten Messlichtpfad 246 im Wesentlichen 90 Grad beträgt. Die gleiche Winkelbeziehung existiert auch zwischen dem zweiten Messlichtpfad 246 und dem dritten Messlichtpfad 250. Wie voranstehend mit 2 erörtert wurde, tritt die gemessene Winkelverdrehung der Welle 212 über die Länge L zwischen dem ersten Abschnitt 220 und dem zweiten Abschnitt 222 der Welle 212 auf. Wie bei 1 und 2 erörtert wurde, umfasst der Laserdrehmomentsensor 210 eine Lichtquelle 24, ein Polarisationsfilter 26, einen Strahlteiler 32, Lichteintrittsöffnungen 216, 217, Lichtaustrittsöffnungen 218, 239, ein Polarisationsfilter 252 und eine Messeinrichtung 56, die ausgestaltet und angepasst ist, um ein Signal 80 eines gemessenen Drehmoments als einen Ausgang bereitzustellen. Die Verwendung reflektierender Oberflächen 84, 86, die ein Dreiecksprofil aufweisen, ist besonders nützlich, wenn die Welle 212 mit einem Paar Lichteintritts-/-austrittsöffnungen 216 bzw. 218 versehen ist oder mit zwei gegenüberliegenden Paaren von Lichteintritts-/-austrittsöffnungen (216, 217) bzw. (218, 219). Auf ähnliche Weise ist die Verwendung reflektierender Oberflächen 84, die jeweils eine Pyramidengestalt mit vier gewinkelten ebenen Oberflächen aufweisen, besonders nützlich, wenn die Welle 212 mit bis zu vier Paaren von Lichteintritts-/-austrittsöffnungen (nicht gezeigt) versehen ist, bei welchen benachbarte Öffnungspaare an Positionen vorgesehen sind, die radial um den Umfang der Welle 212 herum um 90 Grad beabstandet liegen. Wenn die reflektierenden Oberflächen 84, 86 kegelförmig gestaltet sind, sind sie zur Verwendung in Wellen geeignet, die eine beliebige Anzahl von Eintrittsöffnungen (nicht gezeigt) und Austrittsöffnungen (nicht gezeigt) aufweisen.
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4 stellt eine schematische Ansicht des Laserdrehmomentsensors 110 von 2 dar, der ferner eine Halbwellenplatte 64 umfasst, die zwischen dem Polarisationsfilter 26 und dem Strahlteiler 32 positioniert ist. Die Halbwellenplatte 64 verdoppelt effektiv die Empfindlichkeit der Messeinrichtung 56 bei der Detektion einer Winkelverdrehung in der Welle 112 über die Länge L. Dies kann wie folgt dargestellt werden. Bei dem Laserdrehmomentsensor 110 von 2 führt eine Torsionswinkelverdrehung in der Welle über die Länge L von θT Grad (siehe 7A) zu einem Unterschied beim Polarisationswinkel zwischen dem Referenzlichtpfad 336 und dem dritten Messlichtpfad 350 von θT Grad. Das Vorsehen der Halbwellenplatte 64 zwischen dem Polarisationsfilter 26 und dem Strahlteiler 32 hat die Auswirkung, dass eine Torsionswinkelverdrehung in der Welle 112 über die Länge L von θT Grad nun zu einem Unterschied beim Polarisationswinkel zwischen dem Referenzlichtpfad 336 und dem dritten Messlichtpfad 350 von 2 θT Grad führt, also genau dem Zweifachen der tatsächlichen Winkelverdrehung der Welle. Die Halbwellenplatte 64 kann, wie voranstehend erörtert, in einer beliebigen Ausführungsform des Laserdrehmomentsensors der vorliegenden Erfindung umfasst sein, um die Empfindlichkeit einer Drehmomentmessung zu verbessern. Anders als voranstehend angemerkt, ist die Arbeitsweise des Laserdrehmomentsensors 110 von 4 identisch zu den mit 1 dargestellten voranstehenden Laserdrehmomentsensorerörterungen.
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Obwohl 3 nur zwei Eintrittsöffnungen 216, 217 und zwei Austrittsöffnungen 218, 219 darstellt, ist zu verstehen, dass es beabsichtigt ist und in gewissen Fällen vorteilhaft ist, über mehrere Eintritts- und Austrittsöffnungen zu verfügen, die in einem Band um den Umfang der Welle 212 herum positioniert sind. Beispielsweise stellt 5 eine schematische Schnittansicht dar, die durch die Welle 212 von 3 geschnitten ist, welche eine beispielhafte Anordnung mit vier Öffnungen 88 darstellt, die um den Umfang der Welle 212 herum verteilt sind, wobei die radial um die Welle 212 herum dargestellten Positionen der Öffnungen 88 die Winkelpositionen der Lichteintritts- und Lichtaustrittsöffnungen anzeigen. Wie voranstehend angemerkt ist, wird die Verwendung mehrerer Paare von Lichteintritts- und -austrittsöffnungen als vorteilhaft angesehen. Die Verwendung von vier Öffnungspaaren beispielsweise ermöglicht, dass Licht durch die Welle 212 gelenkt wird, wenn sich die Welle 212 bei irgendeiner der vier Positionen der Wellendrehung befindet, wodurch bei jeder vollständigen Drehung der Welle 212 die Durchführung von vier Messungen eines Wellenverdrehwinkels ermöglicht wird.
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6 ist ein Graph, der die allgemeine Beziehung zwischen dem Verdrehwinkel θT (siehe 7A) und der normierten Intensität des Lichts darstellt, das durch das Polarisationsfilter 52 (siehe 1) hindurchgeht. In 6 ist angenommen, dass die Polarisation eines Lichts in den Messlichtpfaden 34, 46 (siehe 1) mit der Polarisationsachse 54 (siehe 1) des Polarisationsfilters 52 (siehe 1) übereinstimmt, wenn der Verdrehwinkel θT 0 Grad beträgt. 7A stellt einen Verdrehwinkelbereich von –90 bis 0 Grad dar, obwohl zu verstehen ist, dass das Vorzeichen des Verdrehwinkels die Richtung des Drehmoments anzeigt, welche positiv oder negativ sein kann. Die Größe des Verdrehwinkels ist ein Maß für die vorzeichenlose Größe des aufgebrachten Drehmoments gemäß den voranstehend bereitgestellten Gleichungen. Es ist zu verstehen, dass die Kurve des Verdrehwinkels über der normierten Intensität für positive Verdrehwinkel die gleiche allgemeine Kurve ist, wie sie in 6 dargestellt ist, gespiegelt um die Achse mit Verdrehwinkel = 0.
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7A und 7B dienen zur weiteren Darstellung des Verdrehwinkels, der in die Welle 412 durch ein aufgebrachtes Drehmoment T induziert wird, und der Beziehung zwischen dem Verdrehwinkel θT und dem aufgebrachten Drehmoment T. Ein Verständnis dieser Beziehung ist wichtig für ein Umwandeln des gemessenen Wellenverdrehwinkels, um zu dem Drehmoment zu gelangen, das auf die Welle aufgebracht ist. Die Welle 412 in 7A und 7B ist mit mindestens zwei beabstandeten Öffnungen 88 versehen, beispielsweise Lichteintritts- und -austrittsöffnungen, die voranstehend bei verschiedenen Ausführungsformen erörtert wurden. In 7A kann jede Öffnung 88 entweder als Lichteintritts- oder Lichtaustrittsöffnung dienen. Um eine Erörterung der Konzepte zu erleichtern, ist ein Ende der Welle 412 so dargestellt, dass es mit Masse 90 verbunden ist, um einer Drehung zu widerstehen, während ein Drehmoment T auf das gegenüberliegende Ende der Welle 412 aufgebracht wird. Das Drehmoment T erzeugt eine Torsionsverdrehung in der Welle 412 in dem zylindrischen Abschnitt der Welle zwischen den beabstandeten Öffnungen 88. Jede Öffnung 88 weist eine Achse auf, die als 92, 94 dargestellt ist, welche sich durch den Mittelpunkt der Öffnung 88 erstreckt und die Rotationsachse 448 der Welle 412 schneidet. In 7A ist die Achse 94 als Achse 194 auch an die Öffnung 88, die in der Nähe des aufgebrachten Drehmoments T liegt, verschoben oder dorthin kopiert, um einen leichten Winkelvergleich mit der Achse 94 zu ermöglichen. Bei der in 7A dargestellten Ausführungsform ist der Verdrehwinkel zwischen den Achsen 194 und 94 Null, wenn kein Drehmoment auf die Welle 412 aufgebracht wird. Wenn ein Drehmoment T mit ansteigender Größe auf die Welle 412 aufgebracht wird, steigt der Verdrehwinkel θT proportional mit dem aufgebrachten Drehmoment an.
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Der beobachtete Verdrehwinkel θT (in der nachfolgenden Gleichung 1 als 0 gezeigt) steht in Bezug zu dem Elastizitätsmodul G, dem Abstand L zwischen den Lichteintritts-/-austrittslöchern, dem Trägheitsmoment J des zylindrischen Wellenabschnitts und dem aufgebrachten Drehmoment T durch die folgende Gleichung.
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Für einen zylindrischen Wellenabschnitt ist das Trägheitsmoment gegeben durch:
wobei r
e und r
1 in
7B definiert sind, wobei r
1 der Innenradius der Bohrung oder des Hohlraums
414 ist und r
c der Außenradius der Welle
412 ist, der von der äußeren Oberfläche
470 der Welle bis zum Mittelpunkt der Welle gemessen wird.
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Dann steht das Drehmoment in Beziehung zu dem Wellenverdrehwinkel θ
T durch die folgende Gleichung:
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Es wird wieder auf die 1 und 7A Bezug genommen. Die Polarisation der Lichtpfade 34, 46, 50 und 36 ist bei allen gleich, wenn kein Drehmoment auf die Welle aufgebracht wird (Drehmoment wie mit 7A erörtert und dargestellt). Nachdem ein Drehmoment auf die Welle 12 in 1 aufgebracht ist, induziert das Drehmoment eine Winkelverdrehung in der Welle 12 über die Länge L (in 7A gezeigt), welche eine Veränderung beim Polarisationswinkel in dem dritten Messlichtpfad 50 induziert. Diese Polarisationswinkeländerung beträgt entweder θT bei der Drehmomentmesssensorkonfiguration von 1, oder sie beträgt 2θT, wenn die Halbwellenplatte 64 vorhanden ist, wie in 4 gezeigt ist.
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Diese Information zusammen mit der Kurve von 6 ermöglicht ein alternatives Verfahren zur indirekten Detektion der Änderung bei der Winkelpolarisation zwischen dem dritten Messlichtpfad 50 und dem Referenzlichtpfad 36, der in 1 dargestellt ist. 6 stellt dar, dass die normierte Intensität des Lichts abnimmt, das durch das Polarisationsfilter 52 hindurchgeht, wenn die absolute Größe des Verdrehwinkels zunimmt. In 1 ist der Verdrehwinkel exakt äquivalent zu der Änderung bei der Winkelpolarisation zwischen dem dritten Messlichtpfad 50 und dem Referenzlichtpfad 36, wie voranstehend früher erörtert wurde. Die Kurve von 6 stellt eine Beziehung bereit, die anzeigt, wie die Intensität des Lichts, welches die Messeinrichtung 56 erreicht, abnimmt, wenn die absolute Größe des Wellenverdrehwinkels zunimmt. Unter Verwendung dieser Erkenntnis kann die Messeinrichtung 56 alternativ ausgestaltet sein, um den Wellenverdrehwinkel oder die Änderung beim Polarisationswinkel indirekt statt direkt zu messen, indem Änderungen bei der Intensität des Lichts, das den Detektor entlang des dritten Messlichtpfads 50 erreicht, gemessen werden. Bei dieser Ausgestaltung überwacht die Messeinrichtung 56 die Intensität von Licht in dem Referenzlichtpfad 36 und kompensiert die detektierte Intensität von Licht in dem dritten Messlichtpfad 50 gemäß den Änderungen bei der Intensität in dem Referenzlichtpfad 36, um Schwankungen bei der emittierten Lichtintensität der Lichtquelle 24 auszugleichen.
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8 stellt ein Verfahren einer berührungslosen Messung von Drehmoment dar, welches gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Welle übertragen wird. Das Verfahren beginnt bei Block 802, indem eine Lichtquelle bereitgestellt wird, die einen polarisierten Lichtstrahl emittiert. Die polarisierte Lichtquelle ist vorzugsweise eine Laserlichtquelle. Das Verfahren fährt bei Block 804 fort mit dem Abspalten eines Referenzlichtstrahls von dem polarisierten Lichtstrahl, der von der Lichtquelle emittiert wird. Bei Block 806 wird der polarisierte Lichtstrahl entlang einer Länge der Welle gelenkt. Bei Block 808 wird die Winkelpolarisation des Lichts, das entlang der Welle übertragen wird, gemäß der Torsionsverdrehung der Welle geändert. Bei Block 810 wird die Winkeländerung bei der Polarisation aufgrund der Torsionsverdrehung der Welle relativ zu dem Referenzlichtstrahl gemessen. Bei Block 812 wird das Drehmoment dann aus der gemessenen Polarisationsänderung ermittelt.
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Obwohl die besten Arten zur Ausführung der Erfindung genau beschrieben wurden, werden Fachleute, welche diese Erfindung betrifft, verschiedene alternative Entwürfe und Ausführungsformen zur Ausführung der Erfindung im Schutzumfang der beigefügten Ansprüche erkennen.
