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Spannungsoptisches Meßgerät Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches
Meßgerät zum Messen der Spannung in einer Platte oder Scheibe aus einem durchsichtigen
Werkstoff, der unter der Wirkung der Spannungen, deren System eben, parallel zu
den Flächen der Platte oder Scheibe liegt, anisotrop wird.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung verwendet man ein in bekannter
Weise polarisiertes Licht ausstrahlendes Organ, das erfindungsgemäß so angeordnet
ist, daß das Lichtbündel schräg auf die erste Fläche der Platte auftrifft, wobei
der Einfallswinkel einen willkürlichen, jedoch bekannten Wert annehmen kann, während
die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes gegenüber der Einfallsebene geneigt
ist, sowie ein Empfangsorgan, das so angeordnet ist, daß es das Lichtbündel aufnehmen
kann, nachdem dieses entweder einmal oder - im Falle seiner Reflexion auf der zweiten
Fläche - zweimal durch die Platte hindurchgetreten ist. Das Empfangsorgan weist
eine Vorrichtung für die Messung der Doppelbrechung und einen Analysator auf.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann ferner mit einem Zwischenkörper
ausgerüstet sein, durch welchen dem Lichtstrahlenbündel im Inneren der Platte eine
im vorhinein bestimmte Neigung erteilt wird.
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Ferner kann ein Verbindungsorgan zwischen dem das Lichtstrahlenbündel
erzeugenden und dem Empfangsorgan vorgesehen sein, welches es ermöglicht, diese
in mit der Richtung des Lichtstrahlenbündels, das sie aussenden bzw. empfangen,
fluchtende Stellung zu bringen.
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Nachstehend wird lediglich beispielsweise eine Ausführungsform der
Vorrichtung gemäß der Erfindung, welche mit Reflexion auf der zweiten Fläche der
Platte oder Scheibe arbeitet, an Hand der Zeichnung beschrieben.
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Das das Strahlenbündel aussendende Organ dieser Vorrichtung besteht
aus einer punktförmigen Lichtquelle 1, zweckmäßigerweise dem Glühfaden einerNiederspannungslampe,
deren Licht auf eine I(ollimatorlinse 2 gerichtet wird, aus der das Lichtstrahlenbündel
durch ein Prisma 3 mit totaler Reflexion austritt, welches es mit parallel gerichteten
Strahlen in einem Winkel zurückstrahlt, der dem gewählten Einfallen entspricht.
Das so gerichtete Strahlenbündel kann gegebenenfalls durch einen Schirm 4, durch
den das Licht monochromatisch gemacht wird, und durch einen Polarisator 5 hindurchgeleitet
werden, worauf es auf einen strahlenbrechenden Körper 6, z. B. ein Prisma, vorzugsweise
von dem gleichen Brechungsindex wie der zu untersuchende Werkstoff, auffällt, das
mit seiner ebenen Fläche 7 auf der Platte 8, deren Spannungszustand gemessen werden
soll, aufliegt.
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Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird in der Sammelvorrichtung
gesammelt, die aus einem Organ 9 für die Messung der Doppelbrechung, z. B. einem
Babinetkompensator, einem mit empfindlichen Substanzen eingefärbten Blättchen od.
dgl., sowie einem Analysator 10 und einem Diopter 11 besteht.
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Das Kollimatorsystem wird von einem Rohr getragen, das mit einem
Zahntrieb 13 versehen ist und durch Betätigung eines Ritzels 14 in Richtung der
Achse X-Y verschoben werden kann, so daß das aus dem Prisma 3 austretende Lichtstrahlenbündel
in den Brechungskörper 6 in veränderlicher Höhe eintreten kann. Infolge dieser Regelung
tritt das ausgesandte Lichtstrahlenbündel unabhängig von der Dicke des untersuchten
Probekörpers in die Empfangsvorrichtung immer in deren optischer Achse ein.
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Der Weg des Lichtes durch die verschiedenen Organe, aus denen die
Vorrichtung besteht, ist aus der Abbildung ersichtlich. Das von der punktförmigen
Lichtquelle 1 ausgestrahlte Licht fällt auf die Kollimatorlinse 2, aus der es in
Gestalt eines Bündels von parallelen Strahlen austritt. Es wird auf der Fläche 3a
des Prismas 3 total reflektiert und tritt dann in den Brechungskörper 6 ein, von
dem es sich in einem Winkel a zu der Normalen zu der Fläche 7 fortpflanzt. Es ist
ohne weiteres ersichtlich, daß dieser Winkel seinen Wert unabhängig von der Einstellung
des Regelzahntriebs beibehält. Das Strahlenbündel durchdringt den Brechungskörper
6 und tritt, erforderlichenfalls unter Zwischenschaltung einer den optischen Kontakt
sichernden Flüssigkeit, in die Platte 8 in einer Richtung ein, die die gleiche oder
auch eine andere sein kann als seine Richtung innerhalb des Körpers 6, je nachdem,
ob der Brechungsindex der gleiche oder ein anderer als der dieses Körpers ist. Sein
Einfallswinkel auf
die zweite Fläche 12 der Scheibe oder Platte,
der mit 0 bezeichnet werden soll, hängt von dem Winkel a ab. Dieses Licht wird dann
auf der zweiten Fläche 12 des zu untersuchenden Probekörpers entsprechend dem Wert
von 0 total oder teilweise reflektiert, tritt auf einer symmetrisch zu der vorbeschriebenen
verlaufenden Bahn wieder in den Brechungskörper 6 ein und dann in das Empfangsorgan
aus, wo es durch die Meßvorrichtung, den Analysator und die Beobachtungsvorrichtung
hindurchgeht.
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Wie gefunden wurde, ist es mittels des beschriebenen Apparates möglich,
an einer beliebigen Stelle der zu untersuchenden Platte oder Scheibe, die unter
einer Spannung steht, und zwar sogar dann, wenn der Spannungsverlauf umlaufend in
bezug auf eine Senkrechte zu dieser Fläche ist, durch eine oder zwei Untersuchungen
den besonderen Wert jeder der rechtwinkligen Spannungskomponenten p und q festzustellen,
die die Hauptspannungen an dieser Stelle darstellen.
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Es ist bekannt, daß die übliche Untersuchung mittels des Polariskops,
welche bei der spannungsoptischen Messung in der Ebene rechtwinklig zu den Flächen
der Probe erfolgt, unmittelbar nur die Differenz (p - q) der Hauptspannungen ergibt.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht es, durch Beobachtung
des in einer um einen Winkel 0 gegenüber der Senkrechten zu den Flächen geneigten
Richtung austretenden Lichtes die Feststellung und Messung einer Doppelbrechung
und damit den ermittelten Wert mit den Werten der beiden Haupt spannungen zu kombinieren.
In dem Regelfalle, in dem die Werte dieser Hauptspannungen nicht einander gleich
sind, ergeben zwei aufeinanderfolgende Beobachtungen in zwei Einfallsebenen, deren
jede mit einer der Hauptebenen zusammenfällt, Werte dl und d2 für die Doppelbrechung,
von denen man die Werte p und q im Sinne der einfachen nachstehend gegebenen Formeln
a = n (dl + d cos20), q = a (d2 t dl Com20) abziehen kann, in denen a eine gleichzeitig
von der Apparatur sowie der Beschaffenheit und Dicke des Werkstoffs, dessen Spannungen
gemessen werden soll, abhängige Konstante ist. Diese Konstante wird ein für allemal
entweder durch Rechnung oder durch Eichung unter Zugrundelegung einer Probe, die
aus dem gleichen Stoff von derselben Dicke besteht und deren Spannungszustand bekannt
ist, ermittelt.
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Die Empfindlichkeit der Messung ist um so besser, je größer der Winkel
0 ist, da die Länge des Weges, den das Licht innerhalb des Probekörpers zu durchlaufen
hat, sich in dem gleichen Sinne wie dieser Winkel ändert.
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Trotzdem ist die Wahl des Wertes dieses Winkels dadurch begrenzt,
daß das Volumen der zu untersuchenden Platte eine bestimmte Größe nicht überschreiten
soll, nämlich die, bei der man unter Berücksichtigung der erfahrungsgemäßen Fehler
den Spannungszustand von einem Punkt zu dem anderen als homogen annehmen kann. Je
nachdem, ob der Spannungsgradient kleiner oder größer ist, wird man deshalb einen
kleineren oder größeren Winkel wählen. Im allgemeinen ist es möglich, mit einem
Winkel von 45" zu arbeiten, was außerdem bequem wegen des sehr einfachen Wertes
ist, der dann in der oben angegebenen Formel den Wert cos20 annimmt, der dann zu
den folgenden vereinfachten Formeln führt: »45 = a (dl + 0,5 d2), q41 = a (d2 +
0,5 dl).
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Falls die Spannungen in allen Richtungen den gleichen Wert haben,
kann es zweckmäßig sein, einen von dem obenerwähnten etwas abweichenden Winkel,
nämlich einen solchen von etwa 38 40', zu wählen, für welchen, wie die Berechnung
ergibt, die Ablesungen für die Doppelbrechungswerte mittels des Apparats sich unmittelbar
auf die Dicke der Probe und nicht auf die wirkliche Länge des schrägen Weges, auf
dem das Licht durch die Probe hindurchgeht, beziehen.
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Eine einfache Möglichkeit, von einem Wert von 0 zu einem anderen
Wert von 0 überzugehen, besteht in der Zwischenschaltung eines Brechungskörpers,
dessen Brechungsindex in einem zweckmäßigen Verhältnis zu dem des zu untersuchenden
Körpers steht. Im Falle der Verwendung der in der Abbildung dargestellten Vorrichtung,
bei der der Winkel a 45" beträgt, ist, wenn die zu untersuchende Probe wie der Brechungskörper
einen Index von 1,525 hat (wie im Falle von Spiegelglas), der endgültige Winkel
selbst 45C Vorstehend wurde von der Verwendung eines Apparates ausgegangen, bei
welchem die Messung durch Reflexion auf der zweiten Fläche der zu untersuchenden
Probe erfolgt.
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Wie eingangs bereits erwähnt wurde, kann mit dem Apparat auch so
gemessen werden, daß die Messung nur an dem Strahlenbündel erfolgt, das aus der
zweiten Fläche der untersuchten Platte austritt. Im Falle dieses Apparates wird
der Zwischen-Brechungskörper verdoppelt, so daß das Strahlenbündel von dem auf der
anderen Seite der zu untersuchenden Platte angeordneten Analysator empfangen wird.
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Beispiel für das Eichen der Vorrichtung Das Eichen einer Meßvorrichtung
gemäß der Erfindung, die so ausgebildet ist, daß der Einfallswinkel a 45" beträgt
unter Verwendung eines Brechungskörpers aus Glas mit dem Brechungsindex 1,525 erfolgt
unter Verwendung eines rechteckigen Probeplättchens aus Glas mit dem Brechungsindex
von 1,525 von 6,2 mm Dicke, 40 mm Breite und 70 min Länge, das mittels einer Spezialschraubenpresse
einem gleichmäßigen Druck in Richtung parallel zu seiner größten Abmessung unterworfen
wurde, dessen Größe in einer an sich bekannten Weise, z. B. wie nachstehend beschrieben,
bestimmt wird.
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Die rechtwinklig zu den Flächen des Probeplättchens erfolgende gewöhnliche
polariskopische Untersuchung ergab eine negative Doppelbrechung von 0,87 Wellenlänge
im mittleren Gelb (A = 565 Millimikron), d. h. von 793 Millimikron je cm. Da die
Spannung in diesem Falle gleichgerichtet ist, ist die Komponente q = Null und die
Doppelbrechung vollkommen durch p gegeben. Da die spannungsoptische Konstante des
Spiegelglases annähernd 2,5 Brewster entspricht, liegt also eine Druckspannung von
317 kgjcm2 vor.
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Die Messung mittels der Vorrichtung nach der Erfindung, die so angeordnet
wurde, daß die Einfallsebene rechtwinklig zu der Hauptebene liegt, in der die Spannung
p herrscht, ergab eine negative Doppelbrechung b von 2,50 Wellenlänge, d. h. 2280
Millimikrontcm. Nachdem dann die Einfallsebene parallel zu der Hauptebene der Spannung
p verstellt worden war, wurde eine positive Doppelbrechung bo von 1,231 Wellenlänge,
d. h.
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1105 Millimikronlcm, gemessen.
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Die Anwendung der oben angegebenen Formel ergab dann p = a (2280
- 553), q = a (1105 0). 1140).
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Wie ersichtlich, kann q vernachläßigt bzw. als Null angenommen werden,
da der Abstand von nur 35 Millimikron
je cm in der Größenordnung
der Fehler liegt, die sich beim Kühlen bzw. Abschrecken des Probeglases ergeben.
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Aus der ersten Gleichung wird nunmehr a errechnet, indem p durch
den oben gefundenen Wert von 317 kg/cm2 ersetzt wird. Es ergibt sich: p p ~ 317
~~ a= 1727 = 1727 = 0,185.
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Bei Verwendung dieser Vorrichtung ergeben sich bei der Untersuchung
von Spiegelglas von 6,2 mm Dicke bei einem Koeffizienten a von 0,185 die Spannungen
unmittelbar in kgicm2.
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In der vorstehenden Beschreibung ist davon ausgegangen, daß das lichtausstrahlende
Organ ein geradlinig polarisiertes Licht erzeugt. Es kann aber auch mit kreisförmig
polarisiertem Licht gearbeitet werden.
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PATENTANSPRSCEIE 1. Spannungsoptisches Meßgerät zum Ermitteln der
Spannung in einer Platte oder Scheibe aus durchsichtigem Werkstoff, dadurch gekennzeichnet,
daß das polarisierte Strahlenbündel schräg zu der ersten Fläche der zu untersuchenden
Platte (8) einfällt, wobei der Einfallswinkel einen beliebigen, jedoch bekannten
Wert annehmen kann, während die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes gegenüber
der Einfallsebene geneigt ist, und daß ein aus einer Meßvorrichtung für die Doppelbrechung
und einem Analysator bestehendes Empfangsorgan so angeordnet ist, daß es das ausgesandte
Lichtstrahlenbündel entweder nach einfachem oder bei Reflexion auf der zweiten Fläche
(12) der Platte (8) nach doppeltem Durchgang durch diese empfängt.