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Verfahren zum Herstellen von plattenförmigen, spannungsoptischen Meßelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von plattenförmigen, spannungsoptischen
Meßelementen mit einem eingeprägten Vorspannungsgradienten, der bereits im unbelasteten
Zustand im Meßelement ein Interferenzraster erzeugt, das bei Belastungseinwirkung
eine entsprechende Verschiebung erfährt.
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Bei den bekannten Verfahren hat man einen Rohling nach dem Erstarrungsverfahren
mit den Verfahrensschritten der Erwärmung des Rohlings bis zum Erweichungspunkt,
der Aufbringung einer Belastung und des Abkühlens des Rohlings unter den Erweichungspunkt
bei Aufrechterhaltung der Belastungseinwirkung hergestellt und dann diesen Rohling
in plattenförmige Meßelemente zerIegt. Die nachträgliche Zerteilung ist aber nicht
nur umständlich und kostspielig, sie führt vielmehr auch zu unerwünschten zusätzlichen
Beanspruchungen durch die Schneidwerkzeuge und damit zu Fehlerquellen.
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Diese wesentlichen Nachteile werden bei dem Verfahren gemäß der Erfindung
dadurch vermieden, daß als Ausgangsmaterial ein plattenförmiger Rohling mit an allen
Stellen gleicher Dicke dient, daß dieser Rohling zunächst auf eine dem Material
des Rohlings entsprechende Erweichungs- bzw. Hochelastizitätstemperatur erwärmt
wird, daß hierauf unter Aufrechterhaltung dieser Temperatur der Rohling verschiedenen,
über seine Flächen abgestuften Belastungskräften ausgesetzt wird und daß schließlich
der Rohling bis unter die genannte Temperatur abgekühlt wird unter Aufrechterhaltung
der Belastungskräfte bis nach Unterschreitung der genannten Temperatur.
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An Hand der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung
beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform einer Anordnung
zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens in perspektivischer Darstellung sowie
mit strichliert angedeutetem örtliches Verlauf des einen Hauptbrechungsindex, F
i g. 2 eine abgeänderte Ausführungsform einer Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemäßen
Verfahrens in Seitenansicht, Fig.3 eine Ausführungsform eines nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten spannungsoptischen Prüfelements, F i g. 4 ein Anwendungsbeispiel
für ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes spannungsoptisches Prüfelement
bei einem Belastungsmesser und Fig. 4 a 4b und 4c den Belastungsmesser von
Fig.4
in Draufsicht und bei verschiedenartigen Belastungen.
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Bei der Anordnung nach F i g. 1 ist ein plattenförmiger Rohling 1
von trapezförmigem Zuschnitt an seinen beiden parallelen Kanten mit Schienen 2 und
3 von U-förmigem Profil eingefaßt. Diese Schienen dienen zur gleichmäßigen Verteilung
von in einem Punkt angreifenden Kräften auf den gesamten Rohling. Die Platte 1 weist
an allen Stellen gleiche Dicke auf und besteht vorzugsweise aus heißhärtenden, polymerisierbaren
Kunststoffen.
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Zunächst wird erfindungsgemäß der Rohling 1 auf eine dem Material
entsprechende Erweichungs- bzw.
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Hochelastizitätstemperatur erwärmt und danach Belastungskräften ausgesetzt,
welche an den Schienen 2 und 3 angreifen und senkrecht zu diesen gerichtet sind.
Durch die unterschiedliche Länge der beiden parallellaufenden Kanten des Rohlings
1 wird hierbei der Rohling verschiedenen über seine Fläche abgestuften Belastungskräften
ausgesetzt. Schließlich wird der Rohling unter Aufrechterhaltung der Belastungskräfte
unter seine Hochelastizitätstemperatur abgekühlt. Die während des Erhitzens eingeprägte
Vorspannung wird dadurch fixiert.
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Als Folge der Behandlung ergibt sich ein gewisser örtlicher Verlauf
des einen Hauptbrechungsindex n, dessen Größe in F i g. 1 auf der z-Achse eines
räumlichen Koordinatensystems xy z ablesbar ist. Da bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Verspannung
nur in der x-Richtung erfolgte, ist der Brechungsindex
n auch nur in dieser Richtung ortsveränderlich, in der y-Richtung hingegen konstant.
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Der Brechungsindex n ist also eine Funktion n(x), welche im wesentlichen
linear ist.
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Zur Verwendung in einem spanungsoptischen Meßgerät kann man aus dem
Rohling nach erfolgter Behandlung rechteckige Stücke a b c d ausschneiden.
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Bei der Anordnung nach F i g. 2 ist ein plattenförmiger Rohling 4
von rechteckigem Zuschnitt an zwei parallelen Kanten von Schienen 5 und 6 eingefaßt.
An einem Ende ist die Schiene 5 mittels eines Seiles 7 in einem Gehäuse 8 aufgehängt,
während das dem Seil 7 gegenüberliegende Ende der Schiene 6 mit einem Gewicht 9
belastet ist. Zur Verspannung werden heiße Gase oder Flüssigkeiten durch das Gehäuse
8 geführt, welche den Rohling über seine Hochelastitizitätstemperatur erwärmen;
danach schließt sich unter Fortdauer der Belastung eine Abkühlung an. Die weitere
Verarbeitung erfolgt wie im Zusammenhang mit F i g. 1 bereits beschrieben.
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Während bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 2 der Gradient
des Brechungsindex n parallel zur x-Achse verläuft, ist es auch möglich, Prüfelemente
herzustellen, bei denen der Gradient des Brechungsindex n normal zu dem Umfang einer
Kreisscheibe verläuft, wobei sich der Brechungsindex längs des Kreisradius ändert.
In F i g. 3 ist ein derartiges Element 15 dargestellt, welches während des Erhitzens
sowie des nachfolgenden Abkühlens in konstante Drehung versetzt wird. Durch die
Abhängigkeit der Zentrifugalkraft vom jeweiligen Radius ergeben sich hierbei unterschiedliche
Verspannungen in den verschiedenen Radialbereichen der Kreisscheibe 15.
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Das gleiche Ergebnis läßt sich auch dadurch erreichen, daß ein kreisförmiger
Rohling längs seines Umfangs starr eingespannt ist und während Erhitzung auf Erweichungs-
bzw. Hochelastizitätstemperatur durch einen bezüglich Richtung, Menge und Geschwindigkeit
konstanten Luftstrom oder hydrostatisch ausgeübten Druck gegen seine Oberfläche
belastet wird.
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Bei dem in F i g. 4 dargestellten Meßinstrument ist auf der Oberfläche
eines zu beobachtenden Werkstückes 16 unter Zwischenschaltung einer Haftschicht
18 ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Prüfelement 17 mit einem
ortsabhängigen Hauptbrechungsindex n aufgesetzt. Auf dem Prüfelement 17 liegt eine
A/4-Platte 21 und auf letzterer wiederum eine Polarisationsfolie 20 aus dichroitischem
Material. Die der Haftschicht zugewendete Oberfläche des Werkstückes 16 ist entweder
verspiegelt oder von vornherein blank.
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Beim Auftreffen von monochromatischem Licht senkrecht zur Oberfläche
der Polarisationsfolie 20 gelangt linear polarisiertes Licht auf die 2/4Platte 21,
durch welche der Polarisationsvektor um a :/4 verdreht wird. Läßt man die beim doppelten
Durchlaufen der Platte 17 und der Schicht 18 infolge Reflexion an der Oberfläche
des Werkstückes 16 wirksame optische Weglänge außer Betracht, so wird der Polarisationsvektor
des austretenden Strahles durch die 2/4Platte 21 nochmals um z/4 gedreht und gelangt
um insgesamt a/2 verdreht zu der inneren Oberfläche der Polarisationsfolie 20. Da
der wieder auf die Polarisationsfolie 20 auftreffende reflektierte Strahl hinsichtlich
seines Polarisationsvektors um
903 gegenüber dem von der Polarisationsfolie durchgelassenen
Vektor verdreht ist, gelangt kein Licht nach außen. Zieht man jedoch die optische
Weglänge des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prüfelements 17
in Betracht, so erfährt der Polarisationsvektor des reflektierten austretenden Strahles
beim Auftreffen auf die Polarisationsfolie 20 eine Verdrehung um einen Winkel >z/2.
Da der Brechungsindex n und damit die optische Weglänge eine Ortsfunktion ist, welche
sich in Fig. 4 beispielsweise in Richtung von oben nach unten ändert, entstehen
kontinuierlich verlaufende äquidistante Streifen, welche am Anfang dunkel sind und
kontinuierlich heller werden, bis sich infolge Verdrehung des Polarisationsvektors
um ein Vielfaches von a/2 ein weiterer Streifen anschließt.
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Legt man gemäß F i g. 4 a auf die Polarisationsfolie 20 einen transparenten
Maßstab 22, so erreichen beispielsweise an den Stellen 23 die Streifen des reflektierten,
wieder austretenden Lichtes maximale Helligkeit.
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Läßt man gemäß F i g. 4b auf das Werkstück 16 beidseitig in Pfeilrichtung
Kräfte 24 einwirken, so wird das Prüfelement 17 deformiert, wobei sich der örtliche
Verlauf des einen Hauptbrechungsindex n ändert. Dementsprechend verschieben sich
die Stellen maximaler Helligkeit des reflektierten Lichtes beispielsweise nach unten
entsprechend den Bezugsziffern 25 von F i g. 4 b. Der Abstand der Stellen 23 und
25 voneinander ist ein Maß für die auf den Prüfling 16 wirkenden Kräfte.
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Bei schrägem Angreifen von Kräften in Richtung der Pfeile 26 von
F i g. 4 c erfolgt eine Verzerrung der Helligkeitsstreifen in der durch die Bezugsziffern
26 angegebenen Weise.
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An Stelle von monochromatischem Licht kann auch polychromatisches
Licht eingestrahlt werden.
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In diesem Falle orientiert man sich an den Abständen periodisch auftretender
Streifen von gleicher Farbe bzw. Wellenlänge.
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Wie aus dem in F i g. 4 gezeigten Anwendungsbeispiel für ein erfindungsgemäß
hergestelltes Prüfelement ersichtlich ist, kann dessen Anbringung ohne besondere
Schwierigkeiten an beliebigen Prüflingen aus durchsichtigem oder undurchsichtigem
Material erfolgen.