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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Messtechnik und betrifft die Messung von Längenänderungen, Dehnungen, Kräften und Drehmomenten in Getrieben und Motoren.
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Stand der Technik
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Änderungen von Größen wie Temperatur, Druck, Länge, Kraft, Dehnung und Drehmoment können beim Einsatz von optischen Messsystemen den optischen Weg des Lichts beeinflussen. Mittels Messsystemen mit optischen Sensoren können die beeinflussenden Größen gemessen werden. Beispiele für optische Messverfahren bzw. optische Sensoren sind: Fabry-Perot-Filter bzw. -Interferometer, Faser-Bragg-Gitter (FBGs), Sagnac-Sensoren, Interferometer, Speckle-Interferometer, Drehwinkelgeber, Messverfahren mit Moire-Effekten oder Triangulation oder mittels Streuverfahren wie beispielsweise Raman- oder Brillouin-Streuung.
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In Getrieben, Motoren und in Getriebe-Motoren-Kombinationen werden Längenänderungen, Dehnungen, Kräfte und Drehmomente beispielsweise aufgrund der Messung mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) bestimmt. Hierbei werden beispielsweise mit den gemessenen Längenänderungen an einer oder mehrerer Positionen die jeweiligen Größen, wie beispielsweise Längenänderungen, Dehnungen, Kräfte und Drehmomente, an diesen oder weiteren Positionen berechnet. Hierbei können auch mechanische Modellsimulationen verwendet werden. Eine Ausführungsform besteht aus einem Metallflansch, der aus zwei miteinander verbundenen Metallscheiben besteht. An bzw. zwischen den Metallscheiben sind mehrere DMS angebracht.
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Aufgrund der unterschiedlichen Längenänderungen der DMS werden die gewünschten Größen Längenänderungen, Dehnungen, Kräfte und Drehmomente an weiteren Positionen berechnet.
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United States Patent 5,039,193 und
US 7,965,943 B2 beschreiben Vorrichtungen mit welchen optische Signale aus und durch rotierende Systeme übertragen werden können. Hierbei ist keine Wandlung in elektrische Signale notwendig. Die Signale werden im rotierenden System mittels Lichtwellenleiter bis zum Luftspalt am Übergang zum statischen System übertragen. Das Signal wird mit einer rotierenden und einer fest stehenden Linse in das statische System übertragen. Das Linsenpaar wird hierbei berührungslos direkt hintereinander in Verlängerung der Rotationsachse des drehenden Systems positioniert. Die Linsen wirken für die Lichtwellenleiter sowohl als Übertragungseinheit, als auch als Kollimator. Die Linsen werden bevorzugt als Gradienten-Index-Linsen (GRIN lenses) ausgeführt.
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Die
United States Patente 6,104,849 und
US 6,907,161 B2 beschreiben einen anderen Ansatz zur Übertragung von Lichtsignalen aus rotierenden Systemen. Hier werden die Lichtsignale mittels mehrerer Lichtwellenleiter im Rotor von der Rotationsachse aus, radialsymmetrisch nach außen geleitet. Am Rand des Rotors münden die Lichtwellenleiter in optische Transmitter (Prisma). Die Lichtsignale verlassen die Lichtwellenleiter durch das Prisma und werden durch den Luftspalt zwischen Rotor und Stator als „Freistrahl“ radialsymmetrisch übertragen. Auf der Statorseite sind konzentrisch zur Rotationsachse optische Empfänger platziert. Diese empfangen das Signal durch den Luftspalt und kollimieren das Lichtsignal in nachfolgende Lichtwellenleiter.
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US 8 844 363 B2 beschreibt eine Vorrichtung zur Drehmomentmessung mittels eines Fabry-Perot-Interferometers. Dabei wird das Drehmoment mittels trapezförmiger Träger, die Antriebs- und Abtriebsachse verbinden, in eine Hubbewegung überführt. Dieser Hub wird mittels eines Fabry-Perot-Interferometers gemessen. Alternativ werden auch Faser-Bragg-Gitter und Piezo-Elemente zur Messung des Hubs benannt. Zur Vermeidung von Temperatureinflüssen auf die Messung wird ferner vorgeschlagen, den Aufbau aus Invar-Stahl aufzubauen.
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Im Bereich der faseroptischen Messtechnik gewinnen Faser-Bragg-Gitter-Sensoren in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Durch eine Brechzahlmodulation im Inneren der Faser wird ein Teil des eingekoppelten Spektrums reflektiert. Diese Reflektion ist von Temperatur und Dehnung abhängig. Es können mehrere solcher Gitter in eine Faser eingeschrieben werden, wodurch eine Vielzahl von Messstellen entsteht. Wird ein solcher Sensor in ein Material eingebettet, so kann bereits der Herstellungsprozess überwacht werden. Danach kann im Betrieb überprüft werden, welche internen Spannungszustände auftreten. Durch den geringen Durchmesser der Faser beeinflusst die faseroptische Messtechnik, auch wenn sie eingebettet ist, die zu überwachende Struktur nicht signifikant.
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Die Patentschrift
DE112006003144B4 beschreibt die Messung von Deformationen an einem rotierenden Körper mittels Faser Bragg Gittern, wobei das optische Signal vom drehenden Bauteil in ein feststehendes Bauteil übertragen wird.
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Darstellung der Erfindung
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Zur Messung von Änderungen der Größen Länge, Druck, Temperatur, Kraft, Dehnung und Drehmoment in Getrieben und Motoren oder einer Kombination hiervon können optische Messsysteme in Ausführungsformen als Freistrahloptik, Faseroptik oder einer Kombination hiervon ausgeführt werden. Die Faseroptik bietet den Vorteil, dass sie in die Bauteile von Getrieben und Motoren mit integriert werden kann.
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Bei der Drehmomentmessung mittels einer Fabry-Perot-Kavität wird die Strategie verfolgt, das zu messende Drehmoment durch eine geeignete Anordnung in eine (geringfügige) translatorische Auslenkung zu überführen, die dann mittels der Fabry Perot Kavität gemessen wird. Es kommt dazu beispielsweise eine Drehfeder von typischerweise hoher Federhärte zum Einsatz, damit die Auslenkungen hinreichend gering bleiben. Die Fabry Perot Kavität wird dann gebildet durch jeweils einen optischen Reflektor auf beiden Seiten der Federanordnung. Als Reflektor können ein Spiegel, die polierte Endfläche einer Glasfaser oder ein Faser-Bragg-Gitter zum Einsatz kommen.
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Durch die hohe Empfindlichkeit einer Fabry-Perot-Kavität kann die Federkonstante der Drehfeder sehr hoch gewählt werden. Das hat den Vorteil, dass das mechanische Gesamtsystem nicht in relevantem Maße durch die Feder beeinflusst wird.
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Die Messung mittels Fabry-Perot-Kavität ist typischerweise im Vergleich zur Lösung mittels Faser-Bragg-Gitter empfindlicher. Die Fabry-Perot-Lösung ist besonders relevant für solche Anwendungen, bei denen die Anzahl an Zyklen der Beanspruchung für Dehnungsmessstreifen zu hoch wäre, zum Beispiel bei hohen Wiederholraten. Anwendungen wären beispielsweise zu sehen im Bereich der Robotik und im Bereich der Werkzeugmaschinen; beim Einbringen von Bohrlöchern in den Erdboden, zum Beispiel Erdölbohrlöchern; bei der Messung von Drehmomenten unter Anwesenheit von elektromagnetischen Störfeldern zum Beispiel durch Motoren und Generatoren.
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Figurenliste
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- 1: Faseroptischer Drehmomentsensor in der Ausführung als Wellenkupplung
- 2: Faseroptischer Drehmomentsensor mittels diskret-optisch aufgebauter Fabry Perot Kavität
- 3: Faseroptischer Drehmomentsensor mittels Fabry Perot Kavität aus zwei Faser-Bragg-Gittern
- 4: Faseroptischer Drehmomentsensor in der Ausführung als Wellenkupplung mit besserer Zugänglichkeit
- 5: Faseroptischer Drehmomentsensor mittels diskret-optisch aufgebautem Fabry Perot Kavität in perspektivischer Ansicht
- 6: Faseroptischer Drehmomentsensor mittels diskret-optisch aufgebautem Fabry Perot Kavität, weitere Darstellung der 5
- 7: Faseroptischer Drehmomentsensor mittels diskret-optisch aufgebautem Fabry Perot Kavität, weitere Darstellung der 5
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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In den 1, 2 und 3 werden Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. 2 zeigt den Querschnitt durch die Anordnung mit der Welle 101 als Antriebswelle und der Welle 103 als Abtriebswelle, wobei alternativ auch die Welle 103 die Rolle der Antriebswelle und die Welle 101 die Rolle der Abtriebswelle übernehmen können. Ein eingetragenes Drehmoment führt zur elastischen Verformung der Federelemente 121, 122, 123, 124. Damit tritt eine Änderung der Länge zwischen Spiegel 104 und Endfläche der Faser 105 ein. Der Spiegel 104 und die Endfläche der Faser 105 bilden eine Fabry-Perot-Kavität. Anhand des Reflexionsspektrums dieser Kavität kann somit das Drehmoment bestimmt werden. Es ist in diesem Ausführungsbeispiel ferner eine Linse 106 vorgesehen, die der Kollimierung des Lichts 107 dient.
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In 3 wird dieselbe Vorgehensweise verfolgt, jedoch wird hier die Fabry Perot Kavität durch zwei Faser-Bragg-Gitter 181 und 182 gebildet, die in die Faser 105 geschrieben sind. Sowohl in der Ausführungsform nach 2 als auch in der Ausführungsform nach 3 können zusätzliche Fabry Perot Kavitäten an anderen Positionen zum Einsatz kommen, um z. B. eine laterale Abweichung der Achsen von einer Torsion der Federelemente unterscheiden zu können.
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In den 2 und 3 wird der Zugang für das Licht 107 von außen auf den Spiegel 104 bzw. für die Faser 105 beispielsweise über eine Bohrung realisiert oder die Faser 105 wird in das Material eingebettet.
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1 zeigt eine weitere Ausführungsform. Es handelt sich dabei um eine flexible Wellenkupplung, die zusätzlich Drehmomente mittels mindestens einer Fabry Perot Kavität zu messen vermag. Dieser Aufbau verbindet eine Welle 101 als Antriebswelle mit einer Welle 103 als Abtriebswelle, wobei alternativ auch die Welle 103 die Antriebswelle und Welle 101 die Abtriebswelle sein können. Über einen spiralartigen Balg 141 und einen spiralartigen Balg 142 mit gegensätzlichem Spiral-Drehsinn sind die Wellen 101 und 103 mit der Zwischenwelle 102 verbunden. Je nachdem, in welchem Drehsinn und mit welchem Betrag ein Drehmoment auf die Kupplung wirkt, verschiebt sich die Zwischenwelle 102 mehr oder weniger stark in Richtung der Welle 101 oder der Welle 103. Diese Auslenkung kann gemessen werden, indem eine Glasfaser 151 und/oder eine Glasfaser 152 herangeführt werden. Die Endfläche/n dieser Faser/n bildet/bilden jeweils eine Fabry Perot Kavität mit einer reflektierenden Oberfläche an der Zwischenwelle 102, sodass die Auslenkung der Zwischenwelle 102 gegenüber den Wellen 101 bzw. 103 über das Fabry-Perot-Spektrum bestimmt werden kann. Es können weitere Fabry Perot Kavitäten an anderen Stellen zusätzlich eingesetzt werden, um z. B. eine Verkippung der Zwischenwelle 102 zu bestimmen.
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4 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie 1, allerdings ist die Zwischenwelle 102 im Durchmesser größer als die Wellen 101 und 103. Hierdurch ist die Zugänglichkeit der Messung bei drehenden Wellen deutlich besser ausgeführt.
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5 zeigt eine mögliche Ausführungsform ähnlich wie in 2 in perspektivischer Ansicht. Die Wellen 101 und 103 können sowohl feststehend als auch drehend sein. Beispielsweise kann ein Drehmoment der Welle 103 als auch ein Eigendrehmoment der Welle 101, oder eine Kombination hiervon, durch eine Fabry Perot Kavität, gebildet durch einen Spiegel 104 und eine Faser 105, gemessen werden. Wird bei einer drehenden Welle 103 die Messung zeitlich mit der Drehung getriggert, kann eine Veränderung der Position des Spiegels 104 detektiert und vermessen werden. Es kann beispielsweise einmal pro Umdrehung gemessen werden, alternativ N mal pro Umdrehung bei Anbringung von N-1 weiteren Spiegeln auf der Welle 103. Der Teil des optischen Messsystems bestehend aus 106 und 107 kann feststehend aber auch mit drehend ausgeführt sein, wobei bei letzterer Ausführung die Messsignale als optische oder elektrische Signale nach außen übertragen werden müssen. Eine weitere Option zur Ausführung ist der Einsatz mindestens zweier Fabry Perot Kavitäten. In 5 sind beispielhaft zwei Fabry Perot Kavitäten dargestellt, wobei eine Kavität zur Durchführung die bisher beschriebene Messung dient und die zweite Kavität zur Kompensation von Störungen, beispielsweise durch Exzentrizitäten, verwendet wird. Anstelle eines Spiegels 104 kann alternativ ein anderes lichtreflektierendes Objekt eingesetzt werden.
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6 zeigt zur Veranschaulichung eine Ausführungsform mit einem Spiegel des Aufbaus nach 5 in der Seitenansicht. Das Licht trifft senkrecht zur dargestellten Ebene auf den Spiegel (durch ein Kreuz dargestellt) und wird wieder senkrecht von der dargestellten Ebene reflektiert. 7 zeigt zur Veranschaulichung eine weitere Ausführungsform mit einem Spiegel des Aufbaus nach 5 in der Seitenansicht. Gegenüber der 6 ist die Welle 103 mit Position des Spiegels 104 anders ausgeführt.
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Eine weitere Ausführungsform besteht in der faseroptischen Ausführung analog zu 3, in dem die Fabry Perot Kavität nicht durch Faser-Bragg-Gitter gebildet wird, sondern durch andere Lichtreflexionselemente wie zum Beispiel ein Faserende oder anders in die Faser eingebrachte Brechungsindexvariationen.
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Eine weitere Ausführungsform besteht darin, dass zur Messung sowohl Fabry-Perot-Kavität als auch Faser-Bragg-Gitter-Messtechnik verwendet werden. Diese Kombinationen lassen sich auch faseroptisch in das Material integrieren.
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Optische Messverfahren können kombiniert werden, mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten ausgelegt werden oder in die Bauteile der Getriebe oder Motoren integriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 101:
- Antriebswelle
- 102:
- Zwischenwelle
- 103:
- Abtriebswelle
- 104:
- Spiegel
- 106:
- Linse
- 107:
- Licht
- 141, 142:
- Balg
- 105, 151, 152:
- Fasern
- 121, 122, 123, 124:
- Federelemente
- 181, 182:
- Faser-Bragg-Gitter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5039193 [0005]
- US 7965943 B2 [0005]
- US 6104849 [0006]
- US 6907161 B2 [0006]
- US 8844363 B2 [0007]
- DE 112006003144 B4 [0009]
