DE1268859B

DE1268859B - Einrichtung zur Messung von AEnderungen der Laengen- oder Dickenabmessung von Pruefkoerpern

Info

Publication number: DE1268859B
Application number: DE19641268859
Authority: DE
Inventors: Caroll Forester Augustine; Angelo L Merlo
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1963-01-24
Filing date: 1964-01-14
Publication date: 1968-05-22
Also published as: GB1008354A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

GOIc

GOIs
Deutsche KL: 42 c - 18

Nummer: 1 268 859

Aktenzeichen: P 12 68 859.4-52

Anmeldetag: 14. Januar 1964

Auslegetag: 22. Mai 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Änderungen der Längen- oder Dickenabmessung von Prüfkörpern, bei der eine von einem Frequenzgenerator in einen Hohlleiterübertrager ausgesandte elektromagnetische Welle, deren Wellenlänge in der Größenordnung der zu messenden Längen- oder Dickenänderungen liegt, an dem am einen Ende des Hohlleiterübertragers angeordneten Prüfkörper reflektiert und die Lage der Knotenpunkte der stehenden Welle mittels mindestens einer längs des Hohlleiterübertragers verschiebbaren Sonde vermessen werden.

Zur Messung der Dicke eines Prüfkörpers ist es bereits bekannt, eine Welle, deren Wellenlänge in der Größenordnung der zu bestimmenden Änderung liegt, auszusenden und die vom Prüfkörper reflektierte Welle wieder zu empfangen.

Ferner ist das Prinzip der Entfernungsmessung mit stehenden Wellen vorbekannt, wobei die Lageveränderungen der Knoten der stehenden Welle in ebenfalls bekannter Weise bestimmbar sind. Dies geschieht in zweckmäßiger und auch bekannter Weise mittels eines verschiebbaren Kurzschlußschiebers an einem Hohlleiterübertrager, in dem sich die stehende Welle ausbildet. Im übrigen wird auch bei Interferometern die Phasenlage zweier Wellenzüge gemessen, die zwar einen gemeinsamen Ausgangspunkt haben, von denen jedoch der eine Wellenzug an den Prüfkörper reflektiert wird. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwirklichung einer solchen Einrichtung zur Messung auf verschiedene Schwierigkeiten stößt, von denen der Meßgenauigkeit und Auflösungsvermögen eine wesentliche Bedeutung zukommt.

Demzufolge besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, die Meßeinrichtung so auszubilden, daß die Messungen in zweckmäßiger Weise und mit erhöhter Meßgenauigkeit möglich sind. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Frequenzgenerator und dem Hohlleiterübertrager ein Sägezahngenerator und ein auf eine vorbestimmte Frequenz abgestimmter Hohlraumübertrager als Frequenzstabilisator geschaltet sind.

Dadurch wird die Meßgenauigkeit der Einrichtung derart erhöht, daß beispielsweise Dickenmessungen an Dielektrika von Radargeräten oder Messungen der Schwingungsamplituden von vibrierenden Prüfkörpern durchgeführt werden können. Bei einer mittleren Frequenz von 35 MHz des Frequenzgenerators liegt die Meßgenauigkeit in der Größenordnung von 0,126 Mikron, wie Messungen an einer in Betrieb befindlichen Anlage ergeben haben. Im übrigen ist es für die Meßgenauigkeit nicht maßgebend, wie genau

Einrichtung zur Messung von Änderungen der
Längen- oder Dickenabmessung von Prüfkörpern

Anmelder:

The Bendix Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

8000 München 15, Mozartstr. 23

Als Erfinder benannt:

Caroll Forester Augustine, Rockville, Md.;

Angelo L. Merlo, Troy Oakland, Mich. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 24. Januar 1963 (253 638;

die Nullpunkte der stehenden Welle in dem Hohlleiterübertrager festgestellt werden können. Dies ist vielmehr von der Rauschstärke der zum Abtasten Verwendung findenden Kristalldetektoren abhängig. Diese Schwierigkeit läßt sich beispielsweise durch den Anschluß der Detektoren an ein magisches T beheben.

Vor allem kommt es aber zur Erzielung einer erhöhten Meßgenauigkeit auf die Frequenzstabilität an, die erfindungsgemäß mittels des Sägezahngenerators und des abgestimmten Hohlraumübertragers vermittelt ist. Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles,

F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Erfindung,

F i g. 3 die schematische Darstellung eines Teiles eines im Vergleich zu F i g. 1 veränderten Anwendungsbeispieles.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 besteht ein stabilisierter Höchstfrequenzgenerator aus einem Energieerzeuger 21, der einen Höchstfrequenzoszillator 22, beispielsweise ein Klystron, speist, aus einem Kippspannungserzeuger 23, der vorzugsweise eine sägezahnförmige Kippspannung für den Oszillator 22 liefert, so daß dieser in einem schmalen Frequenzband sendet, und aus einem Hohlraumübertrager 24 für große Überspannungen, den die von dem Oszillator ausgesandte Welle durchläuft. Der Hohlraum 24

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gestattet, bei der einzigen Frequenz, auf die er abgestimmt ist, die folgenden Stromkreise zu speisen. Man erhält so eine Ausstrahlung einer Frequenz, die sehr stabil ist, wodurch die Messung der Lage einer stehenden Welle möglich wird, mit der die Dicke eines Dielektrikums mit großer Genauigkeit oder die Verschiebung eines Objektes mit einer ähnlichen Genauigkeit gemessen wird.

Ein Isolator 25 verbindet den Ausgang des Hohlraumes 24 mit einem Hohlleiter 26, der beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

An das entfernte Ende des Hohlleiters 26 ist eine Antenne 27 angepaßt. In einem Ausführungsbeispiel besteht diese Antenne aus einem dielektrischen Stab mit rechteckigem Querschnitt. Sie bestimmt die Form der Welle, die aus dem Hohlleiter 26 austritt. Andere Antennenarten, insbesondere eine Antenne mit elliptischem Querschnitt, werden bei bestimmten anderen Anwendungsfällen, beispielsweise zur Messung von Entfernungen, verwendet. Ein Objekt 28 ist in der Verlängerung der Antenne 27 angeordnet. Das Objekt soll im Ausführungsbeispiel um eine Achse drehbar sein, und es sei angenommen, daß seine Exzentrizität, d. h. seine Abweichung von einem idealen Zylinder, gemessen werden soll.

Die von dem Hohlleiter 26 übertragene elektromagnetische Welle wird auf das Objekt 28 gerichtet, von ihm reflektiert und erzeugt im Inneren des Hohlleiters 26 eine stehende Welle 29 (F i g. 2). Der Isolator 25 verhindert, daß die reflektierte Welle in den Hohlraum 24 eindringt. Die Knoten 30 der stehenden Welle 29 verändern ihre Lage entlang dem Hohlleiter 26 in dem Maße, in dem die Entfernung des Objektes 28 von der Antenne 27 sich ändert: Das Maß der Lageänderungen der Knoten 30 gibt genau die Änderungen der Entfernung Antenne—Objekt an, und zwar mit der Genauigkeit, mit der die Frequenz des von dem Hohlraum ausgesandten Signals stabil ist. Wie ausgeführt wurde, ist die Frequenz des ausgesandten Signals außerordentlich stabil. Wenn man eine genaue Messung der Lage, der Knoten durchführt, gestattet die Einrichtung nach der Erfindung folglich die Messung der Verschiebungen ebenso wie der Dicken eines Dielektrikums, wofür sie insbesondere zweckmäßig ist. Um die Größenordnung festzulegen, sei gesagt, daß man für eine mittlere Arbeitsfrequenz von 35 GHz eine Stabilität in der Größenordnung von 2 ■ 10~⁷ zusichern kann, was einer Meßgenauigkeit in der Größenordnung von ¹Ao mm entspricht; die Einrichtung nach der Erfindung ist im Stande, diese Genauigkeit einzuhalten.

Die Messung der Lage der Knoten 30 wird in einer geeigneten Art mit Hilfe einer bekannten Einrichtung durchgeführt, welche zwei Abnehmersonden 31 und 32 enthält, welche dem Hohlleiter entlang einem Längsschlitz angepaßt sind und entlang diesem Schlitz verstellt werden können. Jede Sonde ist mit einem Detektor 33, 34 und mit einem Verstärker 35, 36 verbunden. Ein Widerstand 37 verbindet die Ausgänge der Verstärker 35, 36. Der Widerstand besitzt einen mit einem Schalter 39 verbundenen verstellbaren Abgriff 38, so daß ein Potentiometer entsteht. Der verstellbare Abgriff 38 wird entlang dem Widerstand verstellt, um eine Nullstellung auf einem Anzeigegerät 40 für eine vorbestimmte Lage des Objektes 28 zu erhalten. Dasselbe Ergebnis erhält man, wenn gleichzeitig die Sonden 31 und 32 verstellt werden. Der Schalter 39 kann sowohl mit dem Anzeigegerät 40 als auch mit einem Registriergerät 41 verbunden werden. Ersteres gestattet die sofortige Ablesung des Ergebnisses, letzteres dessen Aufzeichnung für die Dauer.

Wenn ein Knoten 30 sich in genau gleicher Entfernung von den Sonden 31 und 32 befindet, zeigt das Meßgerät das Ergebnis Null an. Wenn sich der Knoten nach links verschiebt, wächst das von der Sonde 32 gelieferte Signal, während das von der Sonde 31

ίο gelieferte abnimmt, so daß das Meßgerät ein positives Ergebnis anzeigt. Es zeigt ein negatives Signal an, wenn sich der Knoten nach rechts verschiebt. Die Entfernung zwischen den Sonden 31, 32 ist angenähert gleich ein Viertel der Wellenlänge der ausgesandten Welle. Man sieht, daß, wenn das sich drehende Objekt 28 kein vollkommener Zylinder ist, mit der Erfindung die Abweichungen durch das Nullanzeigegerät 40 sichtbar angezeigt werden. Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, kann die Einrichtung auch zur Messung der Dicke eines Dielektrikums verwendet werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 ist die am Ende des Hohlleiters 26 angeordnete Antenne 27 gegen eine Oberfläche eines Dielektrikums 42 gerichtet, deren gegenüberliegende Oberfläche 43 einen metallischen Belag trägt. Es ist vorzuziehen, eine Oberfläche mit einem metallischen Belag zu versehen, da dann eine bessere Reflektion erzielt wird. Das Anzeigegerät 40 zeigt jedoch auch die Dicke des Dielektrikums genau an, wenn kein Belag aufgebracht ist. Das ist der Fall bei der Messung der Dicke einer Radarkuppel, die in der Luftfahrt oder für Raketen verwendet wird, eine Messung, die bisher nur mit Hilfe einer Einrichtung durchgeführt werden konnte, die außerordentlich umfangreich und teuer war.

Nachdem eine Messung der Art, wie sie an Hand der Fig. 1 dargestellt wurde, durchgeführt wurde, und nachdem die Sonden 31 und 32 so verstellt wurden, daß das Gerät 40 die Nullstellung erreicht, verschiebt man das Dielektrikum 42 durch eine genau in seiner Ebene erfolgenden Translationsbewegung. Gleichzeitig werden durch Ablesung oder durch Aufzeichnung die Veränderungen in der Dicke des Dielektrikums festgestellt, vorausgesetzt, daß diese nicht mit einer Verschiebung eines Knotens übereinstimmen, die größer ist als ein Viertel der Wellenlänge einerseits und andererseits der Anfangsnullstellung.

Um genau die Dicke eines Dielektrikums zu messen, macht man nacheinander eine erste Messung mit einer Reflektion, die von einer Oberfläche ausgeht, sodann eine zweite Messung mit einer Reflektion, die von der anderen Oberfläche ausgeht und zählt die Anzahl der Knoten, die zwischen den beiden Messungen durchgelaufen sind. Vorzugsweise stellt man die Sonden auf gleiche Entfernung von einem Knoten während der ersten Messung ein. Man muß andererseits noch die Dielektrizitätskonstante des Meßobjektes kennen, um, ausgehend von dem Ergebnis der Messung, seine Dicke bestimmen zu können, da zwei dielektrische Substanzen von gleicher Dicke, aber unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten dem Vorbeigehen einer unterschiedlichen Anzahl von Knoten entsprechen.

Außer den beiden Anwendungsbeispielen, die vorstehend ausführlich beschrieben wurden, kann die beschriebene Vorrichtung noch verwendet werden bei der Beobachtung der Schwingungen einer schwingen-

den Platte, des Profils eines Stückes im Verlauf seiner Benutzung und bei der Beobachtung und der Messung von geringen Verschiebungen.

Die vorstehend angegebenen Ausführungsbeispiele haben lediglich informatorischen Charakter; man kann sich außerdem gut vorstellen, daß andere Verwendungsarten auf dem Gebiet der Werkzeugmaschinen, des Meßwesens und der Fertigungskontrolle sowohl von mechanischen als auch elektrischen Teilen in Betracht kommen.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Messung von Änderungen der Längen- oder Dickenabmessung von Prüfkörpern, bei der eine von einem Frequenzgenerator in einen Hohlleiterübertrager ausgesandte elektromagnetische Welle, deren Wellenlänge in der Größenordnung der zu messenden Längenoder Dickenänderungen liegt, an dem am einen Ende des Hohlleiterübertragers angeordneten Prüfkörper reflektiert und die Lage der Knotenpunkte der stehenden Welle mittels mindestens einer längs des Hohlleiterübertragers verschiebbaren Sonde vermessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Frequenzgenerator (21, 22) und dem Hohlleiterübertrager (26) ein Sägezahngenerator (23) und ein auf eine vorbestimmte Frequenz abgestimmter Hohlraumübertrager (24) als Frequenzstabilisator geschaltet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzstabilisator einen Stabilisationsfaktor von 2·10~⁷ bei einer Frequenz des Frequenzgenerators von 35 GHz aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullpunktveränderungen der stehenden Welle mittels zweier längs des Hohlleiterübertragers (26) verschiebbarer Sonden (31,32) meßbar sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Hohlleiterübertragers (26) eine Antenne (27) in Form eines dielektrischen Stabes mit gleichem Querschnitt wie der Hohlleiterübertrager (26) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator (21, 22) ein Klystron enthält.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zwischen dem Frequenzstabilisator (23, 24) und dem Hohlleiterübertrager (26) angeordneten Isolator (25).

7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Sonde (31, 32) mit einem Detektor (33, 34) verbunden ist, deren Ausgänge zu einem Widerstand (37) geführt sind, dessen Abgriff (38) mit Anzeigemitteln (40, 41) verbunden ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung der Schwingungsamplituden eines etwa in Richtung der elektromagnetischen Welle vibrierenden Gegenstandes.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung der Dicke eines senkrecht zu der Richtung der elektromagnetischen Welle angeordneten Dielektrikums (42, 43).

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung der Profiländerungen eines sich drehenden Gegenstandes.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1023 141,

186, 1051016, 1120 531;
USA.-Patentschrift Nr. 2640190;
Meinke, Theorie der Hochfrequenzschaltungen,

München 1951, S. 228.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 550/73 5.68 ® Bundesdruckerei Berlin