DE1294068B

DE1294068B - Device for force measurement with digital display of measured values

Info

Publication number: DE1294068B
Application number: DEI29896A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gerd; Jaeger
Original assignee: Institut fuer Regelungstechnik
Current assignee: Institut fuer Regelungstechnik
Priority date: 1966-01-24
Filing date: 1966-01-24
Publication date: 1969-04-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, bei der die Meßgröße »Kraft« direkt in ein codiertes elektrisch-digitales Signal umgewandelt wird.The invention relates to a device in which the measured variable "force" is converted directly into a coded electrical-digital signal.

Es ist bekannt, daß lichtdurchlässige, fotoelastische Medien bei mechanischer Belastung durch eine flächenhaft einsetzende Zugkraft die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles, welcher das Medium durchsetzt, drehen. Die Anzahl der Drehungen der Polarisationsebene läßt sich elektrisch in Form von Impulsen zählen. Hierzu ist folgender Versuchsaufbau notwendig: Das fotoelastische Medium wird mit parallem, linear polarisiertem Licht durchsetzt. Die vom Medium ausgehenden Lichtstrahlen treten durch einen Analysator und werden durch ein Linsensystem auf einer Fotodiode vereinigt. Wird das fotoelastische Medium durch eine Kraft beaufschlagt, so wird die Polarisationsebene entsprechend der wirksamen Kraft mehrmals gedreht, so daß die Fotodiode eine entsprechende Anzahl von Hell-Dunkel-Steuerungen durchläuft. Um entsprechende digitale Signale (0-L-Impulse) zu erhalten, wird dem fotoelektrischen Empfänger eine Impulsformerstufe nachgeschaltet. Solch eine Impulsformerstufe kann beispielsweise aus einer Vorstufe (Verstärker) und einem Schmitt-Trigger bestehen. Die 0-L-Signale am Ausgang des Triggers betreiben einen Vor-Rückwärts-Zähler.It is known that translucent, photoelastic media with mechanical Load through a tensile force applied over a large area the plane of polarization of a linearly polarized light beam, which penetrates the medium, rotate. The number the rotations of the plane of polarization can be counted electrically in the form of pulses. The following experimental set-up is necessary for this: The photo-elastic medium is used with interspersed with parallel, linearly polarized light. The rays of light emanating from the medium pass through an analyzer and are passed through a lens system on a photodiode united. If a force is applied to the photo-elastic medium, then the plane of polarization rotated several times according to the effective force, so that the photodiode goes through a corresponding number of light-dark controls. The photoelectric Receiver connected downstream with a pulse shaper. Such a pulse shaper stage can for example, consist of a pre-stage (amplifier) and a Schmitt trigger. The 0-L signals at the output of the trigger operate an up / down counter.

Das codierte elektrisch-digitale Ausgangssignal wird dadurch gewonnen, daß zwischen Polarisator und Analysator ein Meßelement aus fotoelastischem Material gebracht wird, dessen Querschnitte senkrecht zur Kraftrichtung abgestuft werden. Verhalten sich die Teilquerschnitte wie 1:2:4: 8:16:. . ., so verhalten sich bei einer Zug- oder Druckbelastung die in den einzelnen Querschnitten auftretenden Spannungen auch wie 1:2:4:8: 16: ... Man erhält dann in den einzelnen Querschnitten, da Spannung und Drehung der Polarisationsebene sich linear verhalten, dem Graycode entsprechende Hell-Dunkel-Signale, die die einzelnen Fotodioden steuern. Neben dem oben beschriebenen Verfahren kennt man in der Digitaltechnik noch folgende Möglichkeit, um ein codiertes Ausgangssignal zu erhalten: Man bringt den Code an Scheiben an oder verwendet codierte Abtastplatten. Der Abgriff erfolgt mechanisch über Bürsten oder fotoelektrisch. Der z. B. von der Meßgröße »Kraft«, die an eine Feder angreift, hervorgerufene Weg wird auf die codierte Abtastplatte übertragen. Die einzelnen Rasterbahnen der Abtastplatte werden auf fotoelektrische Empfänger abgebildet, wodurch man an den Empfängern das codierte Signal erhält.The coded electrical-digital output signal is obtained by that between the polarizer and analyzer a measuring element made of photoelastic material is brought, the cross-sections of which are graded perpendicular to the direction of force. The partial cross-sections behave like 1: 2: 4: 8:16 :. . ., so behave at a tensile or compressive load, the stresses occurring in the individual cross-sections also like 1: 2: 4: 8: 16: ... You then get tension in the individual cross-sections and rotation of the plane of polarization behave linearly, corresponding to the Gray code Light-dark signals that control the individual photodiodes. Besides the one described above The following method is known in digital technology to create a coded To obtain the output signal: The code is attached to discs or coded is used Scanning plates. The pick-up takes place mechanically via brushes or photoelectrically. The z. B. the path caused by the measured variable "force" acting on a spring is transferred to the encoded scanning plate. The individual grid lines of the scanning reticle are mapped onto photoelectric receivers, which means that the receives coded signal.

Das geschilderte Verfahren zeigt nur befriedigende Ergebnisse für sehr hohe Kräfte. Bei kleinen Kräften ist die Anzahl der Hell-Dunkel-Impulse zu gering. Das bedeutet, daß der Meßbereich nur grob unterteilt werden kann. Die Erzeugung eindeutiger Impulse bereitet Schwierigkeiten. Die fotoelastischen Medien müssen mit reinem Zug oder Druck belastet werden. An den Verbindungsstellen der einzelnen Schichten treten Kerbspannungen auf, die den gewünschten Spannungszustand stören und die Festigkeit herabsetzen. Um eine Messung im Gebiet der überlagerung der Kerbspannungen mit der Zug-oder Druckspannung zu umgehen, müssen die Abmessungen der Schichten entsprechend gewählt werden. Dadurch nimmt das Meßelement verhältnismäßig große Ausmaße an. Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei einer großen räumlichen Ausdehnung des Meßelements durch die Abbildung jeder einzelnen Schicht durch getrennte optische Systeme. Die Querschnitte der einzelnen Schichten des Meßelements müssen genau entsprechend dem Code abgestimmt sein, da sonst das Meßelement unbrauchbar ist. Die eindeutige Verschlüsselung bei diesen Verfahren wird also durch die exakte Abstimmung der Querschnitte des Meßelements erreicht. Bei dem anderen angeführten Verfahren muß der Code auf einem Träger (Scheibe oder Platte) angebracht werden. In allen Fällen ist die Art des Codes unveränderlich. So liefert das erste Verfahren einen Graycode, während bei dem zweiten Verfahren nur der Code gewonnen wird, der auf der Abtastplatte angebracht ist.The method described shows only satisfactory results for very high forces. With small forces, the number of light-dark impulses increases small amount. This means that the measuring range can only be roughly divided. The production clear impulses cause difficulties. The photo-elastic media must be loaded with pure tension or pressure. At the junctures of each Layers occur notch stresses that disrupt the desired stress state and reduce the strength. A measurement in the area of the superposition of the notch stresses To deal with the tensile or compressive stress, the dimensions of the layers must be be chosen accordingly. As a result, the measuring element takes a relatively large size Dimensions. Another disadvantage arises with a large spatial expansion of the measuring element by the imaging of each individual layer by separate optical Systems. The cross-sections of the individual layers of the measuring element must correspond exactly be matched to the code, otherwise the measuring element is unusable. The clear one Encryption in this process is based on the exact coordination of the cross-sections of the measuring element reached. For the other method mentioned, the code must be be attached to a carrier (disc or plate). In all cases, Art of the code immutable. So the first method provides a gray code while in the second method, only the code is obtained that is attached to the scanning plate is.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgröße »Kraft« mit Hilfe eines Meßumsetzers in ein codiertes elektrisch-digitales Ausgangssignal umzuformen. Die Umwandlung soll direkt im Meßelement erfolgen, also ohne besondere Zwischenelemente. Vom Meßelement werden kleine Ausmaße gefordert. Schon bei kleinen Kräften (bis 1 kp) soll eine hohe Anzahl von Impulsen erreicht werden. Außerdem soll die Art des Codes veränderlich sein.The invention is based on the object of using the measured variable "force" Using a transducer to convert it into a coded electrical-digital output signal. The conversion should take place directly in the measuring element, i.e. without any special intermediate elements. Small dimensions are required of the measuring element. Even with small forces (up to 1 kp) a high number of pulses should be achieved. In addition, the type of Codes can be mutable.

Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Kraftmessung mit digitaler Meßwertanzeige und benutzt eine an sich bekannte spannungsoptische Polarisationseinrichtung, bei der ein Meßelement aus fotoelastischem Material, das sich zwischen Polarisator und Analysator im monochromatischen Licht befindet, auf Biegung beansprucht wird.The invention thus relates to a device for measuring force digital measured value display and uses a known optical voltage polarization device, in which a measuring element made of photoelastic material, which is located between the polarizer and analyzer is in monochromatic light, is stressed on bending.

Die- Erfindung besteht darin, daß zur Erfassung und digitalen Auswertung sich periodisch ändernder Intensitätsverteilungen fotoelektrische Empfänger innerhalb eines festen Abbildungsbereiches so angeordnet sind, daß die Periodenzahl der Intensitätsverteilung an diesen Stellen, bezogen auf einen gemeinsamen Bezugspunkt sich wie 1:2:4:8:... verhalten, wobei das Intensitätsniveau im Bezugspunkt den Code bestimmt.The invention consists in that for acquisition and digital evaluation periodically changing intensity distributions within photoelectric receivers of a fixed imaging area are arranged so that the number of periods of the intensity distribution at these points, related to a common reference point, are like 1: 2: 4: 8: ... behavior, with the intensity level in the reference point determining the code.

Betrachtet man durch einen Analysator hindurch ein fotoelastisches Material, das sich unter Spannung befindet und mit polarisiertem, monochromatischem Licht durchstrahlt wird, so sieht man ein dem Spannungszustand entsprechendes Interferenzbild im fotoelastischen Material. Wird das fotoelastische Material auf reine Biegung beansprucht, so entstehen parallele Interferenzstreifen. Die Anzahl der Interferenzstreifen, gezählt zwischen der neutralen Faser und einer beliebigen Stelle im fotoelastischen Material bei einem bestimmten Biegemoment M, steht in fester Beziehung zu der an dieser Stelle herrschenden Biegespannung. Zählt man an dieser Stelle die Interferenzstreifen, die vom Moment Null bis zum Moment M vorbeiwandern, so erhält man die gleiche Anzahl, wie wenn man beim Moment M die Interferenzstreifen zwischen der neutralen Schicht (Ursprung) und dieser Stelle auszählt. Damit hat man eine sich periodisch (sinusförmig) ändernde Intensitätsverteilung erhalten, deren Periodenzahl an jeder Stelle eines fest vorgegebenen Abbildungsbereichs im gleichen funktionellen Zusammenhang mit der Meßgröße (dem Moment bzw. der zu messenden Kraft) steht. Wählt man in dem vorgegebenen Abbildungsbereich solche Stellen aus, an denen sich die Ordnungszahlen (Periodenzahlen) der Interferenzstreifen, gerechnet zwischen diesen Stellen und der neutralen Schicht (gemeinsamer Bezugspunkt, Ursprung) wie 1:2:4:8:... verhalten, und tastet diese Stellen mit fotoelektrischen Empfängern ab, dann erhält man an den Empfängern codierte Signale. Die Codierung ist damit nur eine Frage der Justierung der Lage der fotoelektrischen Empfänger. Es ist nicht Aufgabe der fotoelektrischen Empfänger, die vorbeiwandernden Impulse zu zählen, sondern zu entscheiden, welcher Zustand (L oder 0, Hell oder Dunkel) anliegt. Aus den 0-L-Aussagen der einzelnen Empfänger ergibt sich dann das codierte digitale Signal. Den fotoelektrischen Empfängern werden in der Regel Vorstufen (Verstärker) und Trigger nachgeschaltet. Am Ausgang der Trigger erhält man dann das elektrisch-digitaleSignal entsprechend dem Code. Welche Art des Codes man erhält, richtet sich nach dem Intensitätsniveau im gemeinsamen Ursprung, in diesem Fall nach dem Niveau in der neutralen Schicht. Herrscht z. B. an dieser Stelle minimale oder maximale Intensität, dann erfolgt die Verschlüsselung nach dem Graycode, während das mittlere Intensitätsniveau den Dualcode liefert. Bei dem spannungsoptischen Meßelement kann das Niveau in der neutralen Schicht mit Hilfe eines optischen Kompensators (Babinet, Soleil, Senarmont usw.) entsprechend verändert werden. Ein solcher Kompensator müßte zusätzlich in die im Ausführungsbeispiel beschriebene Anordnung eingebaut werden.If one looks through an analyzer through a photoelastic Material that is under tension and with polarized, monochromatic If light is shone through, one sees an interference pattern corresponding to the state of tension in photoelastic material. If the photo-elastic material is pure bending stressed, parallel interference fringes arise. The number of interference fringes, counted between the neutral fiber and any point in the photoelastic Material at a certain bending moment M has a fixed relationship to the bending stress prevailing at this point. If one counts the interference fringes at this point, which pass from moment zero to moment M, one obtains the same number, as if at the moment M the interference fringes between the neutral layer (Origin) and this point counts. With this one has a periodic (sinusoidal) changing intensity distribution, the number of periods at each point one fixed mapping area in the same functional context with the measured variable (the moment or the force to be measured). If you choose in the given Figure area from those places where the ordinal numbers (period numbers) the interference fringe, calculated between these bodies and the neutral layer (common reference point, origin) like 1: 2: 4: 8: ... behave, and scans these places with photoelectric receivers, then one receives signals coded to the receivers. The coding is therefore only a question of adjustment the location of the photoelectric receiver. It is not the photoelectric job Receiver to count the passing impulses, but to decide which one State (L or 0, light or dark) is present. From the 0-L statements of the individual Receiver then results in the encoded digital signal. The photoelectric receivers As a rule, pre-stages (amplifiers) and triggers are connected downstream. At the exit the trigger then receives the electrical-digital signal according to the code. The type of code you get depends on the intensity level in the common Origin, in this case according to the level in the neutral layer. Z. B. at this point minimum or maximum intensity, then the encryption takes place according to the Gray code, while the middle intensity level provides the dual code. In the case of the stress-optical measuring element, the level in the neutral layer can also be used Using an optical compensator (Babinet, Soleil, Senarmont, etc.) accordingly to be changed. Such a compensator would also have to be in the embodiment described arrangement are installed.

Die Erfindung soll nachstehend an in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt den Gesamtaufbau mit Biegeeinrichtung, in der das Meßelement der optischen Anzeige und der Kraftkompensation dient.The invention is to be illustrated below in the drawings Embodiments are explained in more detail. The drawing shows the overall structure with bending device in which the measuring element of the optical display and the force compensation serves.

Polarisator 1 und Analysator 2 werden nach F i g. 1 von einer monochromatischen Lichtquelle 3 durchstrahlt. Die Polarisationsebenen von Polarisator 1 und Analysator 2 stehen senkrecht aufeinander. Zwischen Polarisator 1 und Analysator 2 befindet sich das mit Hilfe des Hebelarmes 7 auf Biegung beanspruchte fotoelastische Material 4 (Meßelement). Die entstehenden parallelen Interferenzstreifen werden durch ein optisches System 6 auf die fotoelektrischen Empfänger 5 abgebildet. Die fotoelektrischen Empfänger 5 liefern bei entsprechender Lage das dem Code entsprechende elektrisch-digitale Ausgangssignal.Polarizer 1 and analyzer 2 are shown in FIG. 1 of a monochromatic Light source 3 shines through. The polarization planes of polarizer 1 and analyzer 2 are perpendicular to each other. Located between polarizer 1 and analyzer 2 the photoelastic material subjected to bending with the aid of the lever arm 7 4 (measuring element). The resulting parallel interference fringes are caused by a Optical system 6 mapped onto the photoelectric receiver 5. The photoelectric Receivers 5 deliver the electrical-digital corresponding to the code in the appropriate position Output signal.

Das fotoelastische Material 4 (Meßelement) wird nach F i g. 2 und 3 nur als Indikator verwendet, während die Momentaufnahme im überwiegenden Maße von einer Metallblattfeder 8 vorgenommen wird. Das fotoelastische Material 4 ist an einer Metallblattfeder 8 befestigt. Dadurch verlagert sich die neutrale Faser im fotoelastischen Material 4 zur Metallblattfeder 8 um. Das ist ein wesentlicher Vorteil, weil dadurch der zur Codierung ausnutzbare Teil des Interferenzbildes bei gleichbleibender Vergrößerung des optischen Systems 6 größer wird. Die Kombination mit einer Metallblattfeder hat außerdem den Vorteil, daß die ungünstigen Federeigenschaften des fotoelastischen Materials 4 in geringem Maße zur Wirkung kommen.The photoelastic material 4 (measuring element) is shown in FIG. 2 and 3 only used as an indicator, while the snapshot is predominantly used is made by a metal leaf spring 8. The photoelastic material 4 is attached to a metal leaf spring 8. This shifts the neutral fiber in the photoelastic material 4 to the metal leaf spring 8 to. That is an essential one Advantage, because it means that the part of the interference pattern that can be used for coding is included constant enlargement of the optical system 6 becomes larger. The combination with a metal leaf spring also has the advantage that the unfavorable spring properties of the photoelastic material 4 come into effect to a small extent.

Claims

Claims: 1. Device for measuring force with digital display of measured values using a known optical voltage polarization device, in which a measuring element made of photoelastic material, which is located between the polarizer and analyzer is in monochromatic light, is stressed on bending, characterized in that for acquisition and digital evaluation periodically changing intensity distributions photoelectric receiver (5) within a fixed imaging area are arranged so that the number of periods of the intensity distribution at these points, related to a common reference point, are like 1: 2: 4: 8: ... behave, whereby the intensity level in the reference point determines the code.

2. Device according to Claim 1, characterized in that for absorbing the bending moment a metal leaf spring (8) is used, on which a photoelastic measuring element (4) is arranged is.