DE1272005B - Einrichtung zur Messung und/oder Aufzeichnung der Auslenkung einer Membran - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOId

Deutsche Kl.: 42 d-1/15

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 72 005.7-52 (S 99099)

27. August 1965

4. Juli 1968

Die Erfindung befaßt sich mit einer Einrichtung zum Messen und/oder Aufzeichnen der Auslenkung einer gespannten Folienmembran oder einer durch eine fest eingespannte oder frei aufgehängte elastische Platte gebildeten Membran, auf die von einer Lichtquelle Lichtstrahlen geworfen und je nach Verformungszustand der Membran unterschiedlich reflektiert, von einem Empfänger aufgenommen und gemessen und/oder aufgezeichnet werden.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art wird von einer Lichtquelle auf eine Membran Licht geworfen, deren gesamte Oberfläche als Reflektor wirkt und deren von der zu messenden Größe bewirkte Auslenkung lichtelektrisch abgetastet wird.

Diese bekannte Einrichtung ist gegen Störungen empfindlich und liefert Fehlergebnisse bei inneren mechanischen Verformungen im Aufbau, z. B. bei Temperaturänderungen, oder bei von außen einwirkenden Erschütterungen der Membran.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Störungen weitgehend auszuschalten. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß an oder auf der Membran mindestens zwei einander diametral gegenüberliegende reflektierende Bereiche ausgebildet sind und daß jedem reflektierenden Bereich der Membran ein Empfänger zugeordnet ist.

Die beiden Empfänger können dann in einer Brükkenschaltung so kombiniert werden, daß die Störungen sich aufheben.

Zur Steigerung der Empfindlichkeit der Einrichtung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sowohl im einfallenden als auch im reflektierenden Strahlenbündel eines jeden reflektierenden Bereichs der Membran ein durch seine Relativstellung und Einstellung zur Membran den Lichtdurchlaß zum jeweiligen Empfänger bestimmendes Gitter angeordnet sein.

Weitere vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

In den Strahlengang der einfallenden und der reflektierten Strahlenbündel können Linsen und Linsensysteme eingeschaltet sein.

Man kann die Meßanordnung so treffen, daß das im Lichtweg des einfallenden Strahlenbündels liegende Gitter ein Bild auf dem im reflektierten Strahlenbündel liegenden Gitter erzeugt, welches Bild mit diesem Gitter exakt übereinstimmt.

Aus Gründen der Einsparung an Bauelementen und an Bauraum bildet man die Meßanordnung zweckmäßig so aus, daß eine einzige Linse oder vorzugsweise Halblinse zur Fokussierung des auf die eine Reflexionsstelle fallenden Strahlenbündels an Einrichtung zur Messung und/oder Aufzeichnung der Auslenkung einer Membran

Anmelder:

SINTEF, Trondheim (Norwegen)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Kjell Budal, Trondheim (Norwegen)

Beanspruchte Priorität:

Norwegen vom 28. August 1964 (154 558)

dieser Reflexionsstelle und zur Fokussierung des von der anderen Reflexionsstelle kommenden Strahlenbündels auf dem zugehörigen Empfänger dient und daß jeder dieser Linsen bzw. Halblinsen ein Gitter zugeordnet ist, welches im einfallenden Strahlenbündel der einen Reflexionsstelle und im reflektierten Strahlenbündel der anderen Reflexionsstelle liegt.

Die erfindungsgemäße Anordnung besitzt eine sehr große Empfindlichkeit und kann auf verschiedenen Gebieten angewandt werden, z. B. bei der Messung kleiner und großer statischer und dynamischer Drücke in Flüssigkeiten und Gasen und auch zur Messung kleiner mechanischer Bewegungen. Die Genauigkeit einer erfindungsgemäßen Anordnung, die als Mikrophonanordnung verwendet wird, ist zwei bis drei Größenordnungen höher als die Empfindlichkeit eines gewöhnlichen Kondensatormikrophons.

Die Figuren erläutern die Erfindung. Es stellt dar

Fig. 1 ein Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Anordnung,

F i g. 2 eine elektrische Schaltung zur Verwendung bei einer Meßanordnung nach Fig. 1,

F i g. 3 die Stromspannungsabhängigkeit zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltung von F i g. 2,

Fig. 4 die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßanordnung zur Messung von Druckdifferenzen,

Fig. 5 die Anwendung der erfindungsgemäßen Meßanordnung zur Messung von Vakua,

809 568/256

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Fig. 6 die Anwendung der erfindungsgemäßen ist dann sehr leicht möglich, eine elektrische Schal-Meßanordnung zum Spannungsmessen, tung zu entwerfen, in der Signale, die von mechani-

F i g. 7 die Anordnung der erfindungsgemäßen sehen Störungen herrühren, sich gegenseitig kompen-

Meßeinrichtung zum Strommessen. sieren und das Ausgangssignal zu Null machen, wäh-

Licht aus der Lampe 1 in F i g. 1 wird durch Git- 5 rend Signale, die von einer interessierenden Beweter 3 und 6 hindurchgeworfen und auf zwei einander gung herrühren, zu einem Ausgangssignal sich gegendiametral gegenüberliegenden Reflexionsstellen 2' seitig verstärken. Dieses Ergebnis ist nicht möglich, und T des Meßelements 5 durch Halblinsen 2 und 7 wenn man nur eine einzige Reflexionsstelle hat, da fokussiert. Die Linse 4 bildet zusammen mit dem dann keine Möglichkeit besteht, um zwischen einer lichtreflektierenden Meßelement ein optisches System, io Drehung der Meßelementenebene und einer Verforinnerhalb welchem die Gitter 3 und 6 gegenseitig mung des Meßelements infolge axialer Belastung zu übereinander abgebildet werden. Die Schlitze in dem diskriminieren.

Gitter 6 haben die gleiche Form und gleiche Ab- Eine Ausschaltung mechanischer Störsignale ist stände wie die Lichtflecke, die über dem Gitter 6 sehr bedeutsam, sowohl bei dynamischen als auch bei durch die Abbildung des Gitters 3 erzeugt werden. 15 statischen Messungen. Das Mikrophongehäuse bei-Es ist also automatisch die Bedingung erfüllt, daß die spielsweise eines Mikrophons erfährt infolge Berüh-Schlitze in dem Gitter 3 die gleiche Form und den rung oder sonstiger Stöße Vibrationen, die zu Störgleichen Abstand voneinander haben wie die dem Signalen führen (Mikrophoneffekt). Bild des Gitters 6 auf dem Gitter 3 entsprechenden Mechanische Deformationen, die infolge äußerer Lichtflecke. Im einfachsten Fall sind die Gitter 3 20 mechanischer Kräfte oder z. B. infolge Temperatur- und 6 miteinander identisch und zu einer Baueinheit Schwankungen auftreten, können normalerweise zu zusammengefaßt, so daß die beiden Hälften 3 und 6 einer Nullpunktsverschiebung führen. Bei Anwendung eines einzigen Gitters gegenseitig voneinander abge- des erfindungsgemäßen Prinzips werden Mikrophonbildet werden. effekte und Nullpunktsverschiebungen vermieden.

Die Anordnung ist so getroffen, daß die Lichtflecke 25 Es ist für die Erfindung von wesentlicher Bedeuauf den Gittern normalerweise um Bruchteile einer rung, daß die Gitter gegenseitig übereinander abgebil-Schlitzbreite relativ zu den Schlitzen des jeweiligen det werden. Durch die Kombination dieser Maß-Gitters versetzt sind, so daß nur ein Teil des Lichts nähme mit der Lichtreflexion von zwei einander durch die Gitter hindurchgehen kann. Das durch die diametral gegenüberliegenden Reflexionsstellen des Gitter hindurchgehende Licht wird durch die Halb- 30 Meßelements kann man erreichen, daß die Lichtlinsen 2 und 7 auf Lichtmeßelementen 8 und 9 modulation der beiden Lichtmeßelemente gegenfokussiert. phasig ist.

Wenn das Meßelement in Bewegung gerät, so Dies hat den Vorteil, daß auch Schwankungen der ändern sich die Reflexionswinkel, unter denen die Lichtstärke der Lichtquelle eliminiert werden kön-Lichtstrahlen auf dem Lichtelement einfallen und 35 nen, da die Lichtmodulation an den beiden Lichtaustreten. Die Lichtflecke an den Gittern ändern meßelementen dabei ersichtlich um den gleichen demgemäß ihre Position auch und führen Schwin- Phasenbetrag abweicht. Insbesondere für statische gungen gegenüber den Schlitzen aus, so daß die auf Messungen ist es von Bedeutung, eine Nullpunktsdie Lichtmeßelemente fallenden Lichtmengen ent- Stabilität zu gewährleisten, um damit unabhängig von sprechend der Bewegung des Meßelements moduliert 40 der Speisespannung der Lichtquelle und von dem sind. Lebensalter der Lichtquelle zu werden. Die Erzeu-

Es gibt Methoden, um die Lichtreflexion von der gung von Abbildungen der Gitter über den jeweils Oberfläche eines reflektierenden Meßelements zu anderen Gittern gibt weiter die Möglichkeit, den messen und aus dem Meßergebnis auf die Bewegung Halblinsen 2 und 7 eine Doppelfunktion zuzuteilen; des Meßelements zu schließen. Es ist in diesem Zu- 45 sie dienen sowohl dazu, das von der Lichtquelle sammenhang auch bekannt, die Lichtreflexion in kommende Licht auf bestimmte Stellen des Meßeleeiner verhältnismäßig kleinen Zeile des Meßelements ments zu fokussieren, als auch dazu, das an den einstattfinden zu lassen. Nicht bekannt ist es dagegen, ander diametral gegenüberliegenden Reflexionsstellen zwei einander diametral gegenüberliegende Reflexions- reflektierte Licht auf die Lichtmeßelemente zu fokusstellen auf dem Meßelement vorzusehen und diese 50 sieren. Man spart dadurch an Bauelementen und an mit dem Lichtmeßelement zusammenwirken zu las- Bauraum für die Meßanordnung, sen, was ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Es kann leicht gezeigt werden, daß Lichtmodula-Erfindung ist. tionen, die durch Verlagerungen der Gitter 3 oder 6 Ein Vorteil der Verdoppelung von Reflexionsstel- einzeln oder gemeinsam zustande kommen könnten, len und Lichtmeßelementen ist der, daß Störsignale 55 in der gleichen Phase bleiben. Damit ist auch diese infolge nicht interessierender mechanischer Deforma- Störquelle ausgeschaltet.

tionen ausgeschaltet werden können. Wenn z.B. das Die in Fig. 2 dargestellte elektrische Schaltung Gehäuse der Anordnung mechanischen Kräften unter- umfaßt Meßelemente 8 und 9, nämlich Photodioden worfen wird, kann sich die Ebene des Meßelements oder Photoresistoren, Widerstände R₁ und R₂ und drehen. Dies bedeutet, daß der Reflexionswinkel 60 eine Gleichspannungsquelle V₀ in einer Brückensich an beiden Reflexionsstellen im gleichen Sinn an- schaltung. Das Ausgangssignal wird zwischen den dert. Wenn andererseits das Meßelement verformt Klemmen A und B abgenommen. Die Strom-Spanwird, beispielsweise durch eine symmetrische achs- nungs-Kennlinien der Lichtmeßelemente haben beinormale Belastung, so ändern sich die Reflexions- spielsweise den in F i g. 3 gezeichneten Verlauf. Wenn winkel an den Reflexionsstellen im entgegengesetzten 65 das Meßelement nach innen, d. h. auf die Linse 4 zu Sinn. Dies hat zur Folge, daß an den Lichtmeß- verformt wird, so findet ein leichter Anstieg der von elementen eine Phasendifferenz der Lichtmodulation dem einen und eine entsprechende Reduktion der auftritt, und diese Phasendifferenz beträgt 180°. Es von dem anderen Lichtmeßelement empfangenen

Lichtmenge statt (Gegenphase). Die Strom-Spannungs-Kennlinie ändert sich dann und nimmt den gestrichelten Verlauf an. Das Ausgangssignal Δ V ist dann bestimmt durch die Änderung des Spannungswerts (Abszissenwert) des Kennlinienschnittpunkts. Wenn der Meßwert an den beiden Lichtmeßelementen gleichzeitig steigt oder fällt, d. h., wenn die Phasenbeziehung erhalten bleibt, so ändert sich der Abszissenwert des Kennlinienschnittpunkts nicht, und das Ausgangssignal an den Klemmen A, B bleibt Null. Mechanische Deformationen des Gehäuses und Schwankungen der Lichtstärke liefern also keine Störsignale.

Unter Umständen ist es von Vorteil, die Lichtreflexionen von mehr als zwei Stellen des Meßelements zu empfangen; z. B. kann man zwei Paare von Reflexionsstellen symmetrisch über den Umfang des Meßelements verteilt vorsehen und dementsprechend zwei Paare von Gittern und vier Lichtmeßelemente. Dadurch, daß man die vier Lichtelemente in eine Brückenschaltung bringt anstatt der zwei Lichtmeßelemente und der zwei Widerstände in der Brückenschaltung gemäß der F i g. 2, verstärkt man die zu erwartenden Signale um das Doppelte.

Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäße Meßanordnung sind die Messung von Gas- und Flüssigkeitsdrücken, die Messung von Kräften, die auf ein in der erfindungsgemäßen Meßanordnung verwendbares Meßelement einwirken, die Messung von Druckdifferenzen und auch die Messung von physikalischen Größen, die in eine Kraft an einem erfindungsgemäßen Meßelement umgesetzt werden können. Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung:

a) In F i g. 4 ist eine Anordnung zur Messung
von Druckdifferenzen dargestellt

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Zu beiden Seiten eines Meßelements M herrschen Drücke P₁ und P₂. Die Auslenkung des Meßelements ist bestimmt durch den Druckunterschied. Es mag zweckmäßig sein, das Meßelement nicht in direkte Berührung mit der Flüssigkeit oder dem Gas zu bringen, dessen Druck bzw. Druckdifferenzen man messen will, dann nämlich, wenn Korrosionen zu befürchten sind. Man kann in einem solchen Fall das Meßelement mit einer transparenten Flüssigkeit, z. B. einem Silikonöl S, beschichten, die das Licht ungehindert durchgehen läßt. Die Wirkung des Silikonöls auf das optische System muß dabei natürlich berücksichtigt werden.

b) In F i g. 5 ist eine Vorrichtung zur Messung
von Vakua gezeigt

Eine elektrisch beheizte Platte A ist parallel zu einem Meßelement in geringem Abstand von diesem aufgestellt. Der Druck zwischen der Platte und dem Meßelement ist höher als der Druck in dem übrigen Gasraum. Dieser Effekt ist bekannt; auf ihm beruhen die als Radiometer bezeichneten Vakuummeßgeräte. Die Druckdifferenz beiderseits des Meßelements ist dabei selbst wieder eine Funktion des Druckes P, so daß die Größe der Auslenkung des Meßelements ein Maß für den Druck P darstellt.

c) In F i g. 6 ist eine Anordnung zur Spannungsmessung dargestellt

Eine Metallplatte^' ist parallel zu und nahe bei dem Ende eines Rohres aus elektrisch leitendem Material angeordnet. Die zu messende Spannung liegt zwischen dem Meßelement M und der Platte/4'. Es entsteht deshalb eine Kraft zwischen den beiden, und diese Kraft sucht das Meßelement zu verformen. Die Verformung ist ein Maß für die Größe der angelegten Spannung.

d) In F i g. 7 ist eine Anordnung zur Strommessung gezeigt

Die plane Polfläche PS eines Elektromagneten ist parallel zu einem magnetisierbaren Element M angeordnet. Ein Strom I durchsetzt eine Spule 5 des Elektromagneten, so daß eine Kraft zwischen der Magnetspule und dem Meßelement zustande kommt, die eine Verformung des Meßelements bewirkt. Die Größe der Verformung ist ein Maß des Stromflusses.

e) Tonaufzeichnung auf einem Film

Schallwellen bewirken, wenn sie auf einem Mikrophon auffallen, daß dieses verformt und an ihm reflektierte Lichtstrahlen in ihrem Lichtweg verändert werden. Will man Schallwellen auf einem Film aufzeichnen, so kann man die Lichtmeßelemente durch einen Filmstreifen ersetzen und diesen dem modulierten Licht aussetzen.

Wenn der empfangene Schall z. B. auf einem Magnetband aufgezeichnet ist, so kann die Magnetbandaufzeichnung leicht auf einen Film übertragen werden, indem man sich einer Anordnung gemäß Fig. 6 bedient. Die Spannung V ist dann das elektrische Signal, das man durch Abspulen des Magnetbands erhält.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen und/oder Aufzeichnen der Auslenkung einer gespannten Folienmembran oder einer durch eine fest eingespannte oder frei aufgehängte elastische Platte gebildeten Membran, auf die von einer Lichtquelle Lichtstrahlen geworfen und je nach Verformungszustand der Membran unterschiedlich reflektiert, von einem Empfänger aufgenommen und gemessen und/oder aufgezeichnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß an oder auf der Membran (5) mindestens zwei einander diametral gegenüberliegende reflektierende Bereiche (2', 7') ausgebildet sind und daß jedem reflektierenden Bereich (2', T) der Membran ein Empfänger (8 bzw. 9) zugeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl im einfallenden als auch im reflektierten Strahlenbündel eines jeden reflektierenden Bereichs (2', 7') der Membran ein durch seine Relativstellung und Einstellung zur Membran (5) den Lichtdurchlaß zum jeweiligen Empfänger (8, 9) bestimmendes Gitter (6, 3) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Bereiche (2', T) der Membran (5) klein sind gegenüber der Gesamtfläche der Membran.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Lichtwege zu und von den reflektierenden Bereichen (2', T) der Membran Linsen (2, 7, 4) eingeschaltet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg

des einfallenden Strahlenbündels ein erstes Gitter (6) und im reflektierten Strahlenbüdel ein zweites Gitter (3) angeordnet ist und daß die Abbildung des ersten Gitters (6) auf dem zweiten Gitter (3) mit diesem Gitter (3) exakt übereinstimmt.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Linse oder vorzugsweise Halblinse zur Fokussierung des auf den einen reflektierenden Bereich (2^ fallenden Strahlenbündels und gleichzeitig zur Fokussierung des vom anderen reflektieren-

den Bereich (7') kommenden Strahlenbündels auf dem zugehörigen Empfänger (9) dient und daß jeder dieser Linsen bzw. Halblinsen ein Gitter (3) zugeordnet ist, welches im einfallenden Strahlenbündel des einen reflektierenden Bereichs (2') und im reflektierten Strahlenbündel des anderen reflektierenden Bereichs (7') liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 699 054.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 568/256 6.68 © Bundesdruckerei Berlin