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Verfahren und Einrichtung zur Messung mechanischer Schwingungen Zur
Messung mechanischer Schwingungen ist es z. B. aus der Akustik bekannt, mechanische
Schwinger mit Hilfe von niezoelektrischen oder induktiven Aufnehmern abzutasten.
Diese Aufnehmer werden mit dem mechanischen Schwinger so verbunden, dan site dessen
Bewegungen in Me3richtnng'in gleicner Grol3e und Phase folgen und die so aufgenommenen
mechanischen Schwingungen in elek-
trische Signale umwandeln.
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Besonders bei zleinen Abmessungen eines mechanischen Schwingers treten
durch deratige, mit dem Schwinger verbundene Aufnehmer Rückwirkungen auf den Schwinger
selbst auf, so da# dadurch bedingte @e#wertverfälschungen eintreten. Die Aufnehmer
selbst welsen ein frequenzabhängiges Übetragungsverhalten auf, so da# zur Ermittlung
der Me#werte eine für jeder.
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Aufnehmer unterschiedliche Eichkurve nerangezogen werden mu , wodurch
weitere Ungenauigkeiten auftreten können (v@l. z.B.
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NACHRICHTENTEC@@IK, Heft 7, 1966, Seiten 270 bis 275).+ Aufgabe der
Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das eine absolut rückwirkungsfrie Messung
von mechanischen Schwingungen eines mechanischen Schwingers mit einfachen Witteln
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemä# der Erfindung dadurch Gelöst, da# die mechanischen
Schwingungen mit Hilfe eines Interferonoters in Intensitätsschwankungen eines Zoh@renten
Lichtstr@@@@ u @ gewandelt werden, und da# nach Umwandlung dieser Intensit@tsschwandkungen
in elektrische Signale die mechanischer Se@@@ingungen durch Demodulation der elektrischen
Signale Sestimmt werden.
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Interferometer sind bereits seit langem bekannt und werden unter anderem
auch zur statischen Nostandsmassung verwendet.
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(vgl. F. Kohlrausch, "Praktische Physik" Band 1, Seiten 563
und 564).+
+Im Durck wegzulassen
Verwendet man ein solches Interferometer gemä#
der Erfindung auch zur Messung mechanischer Schwingungen, d.h. also . zur dynamischen
Messung von Abständen, Abstandsänderungen uild so ist eine einfache und hochenaue
Erfassung der mechanischen Schwingungen mit Hilfe fotoelektrischer Mittel möglich.
Über die bekannte Umwegmethode wird durch Interferenz eine Änderung der Lichtintensität
eines kohXrenten Lichtstrahls in Abhängigkeit von Amplitude, Frequenz und Schwingungsform
der mechanischen Schwingungen erreicht, wobei lurcli einfaches digitales Auszählen
der durch Inter-/ ferenz hervorgerufenen Intensitätsschwankungen die Amplitude und
Frequenz mechanischen Schwingungen ermittelt werden i.'nne...
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Gemä@ einer Weiterbildun@ der Nrfindung ist es möglich, durch gleichförmiges
Bewegen des den Umweg des einen Teilstrahls bestingenden Spiegels des Interferometers
auch nichtsinusförmige, unbekannte mechanische Schwingungen ihrem Verlauf nach zu
erfassen.
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@ure@ Verwendung eines Interferometers zur Messung mechanischer '-.c=:r:r,ac.iistsw;lic~,c:me,.e:acl:vir:an,afi:s:'.^-objekt
die Schwingung@en nach Amplitude, Frequenz und Schwingungsform sehr genau zu erfassen.
Die Erzeugung des kohärenten Eichts ist heute durch Verwendung kontinuierlich strahliender
Laser relativ einfach. Die scharfe Bündelung eines solchen Laserstr ermöglicht debei
stren@ punktförmige @essungen z.B.
an Membranen oder ähnlichen schwingenden
Flächen.
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Alles Höhere der Erfindung wird an ! land eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert.
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In der Zeichnung ist ein bekanntes Interferometer 1 dargestellt. Line
Quelle 2 kohärenten Lichts gibt einen gebündelten Lichtstrahl 3 auf einen halbdurchlässigen,
unter 45. Grad zur Strahlachse geneigten Spiegel 4, der den Strahl 3 in einen Teilstrahl
5 und einen Teilstrahl 6 aufteilt. Der senkrecht zum Strahl 3abgelenkte Teilstrahl
5 wird von einem in einem bestimrnten Abstand fest angeordneten, als Umwespiegel
bezeichneten Spiegel 7 total reflektiert und gelangt zumindest teillreise durch
den Spiegel 4 als Lichtstrahl 15 auf eine fotoelektrische Einrichtung 8. Der den
Strahl 3 in seiner Richtung fortsetzende Teilstrahl 6 gelangt auf das eigentliche
Meßobjekt 9, dessen schwindende Flache entweder blank poliert oder z.B. mit einer
spiegelnden Folie versehen ist, so da# der Teilstrahl 6 in sich selbst total reflektiert
wird und an dem Spiegel 4 zumindest teilweise ebenfalls als Lichtstrahl 15 in die
Richtung der fotoelektrischen Einrichtung 8 reflektiert wird.
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Die fotoelektrische Einrichtung 8 wandelt die an ihr auftretenden
Intensitätsschwankungen des Lichtstrahls 15 in elektrische Signaleum,dieineiner.Einrichtung10verarbeitetwerden,
DieEinrichtung10weistdabeieinen ersten Zähler 11, einen Denodulator 12, einen Oszillographen
13, und einen zweiten
Zähler 14 auf. Das von der fotoelektrischen
Einrichtung 8 abgegebene elektrische Signal gelangt unmittelbar auf den Zähler 11
und auf den Demodulator 12, Das vom Demodulator 12 abgegebene demodulierte Signal
wird auf dem Leuchtschirm des Oszillographen sichtbar gemacht und mit Hilfe des
Zlihlers 14 die Folgefrequenz dieses Signals bestimmt.
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Je nachdem rie sich die beiden Wege, die die Teilstrahlen 5 und 6
nach deren Trennung aus dem Strahl 3 bis zu ihrer Wiedervereinigung zum Strahl 15
zurücklegen, in der Lange unterscheiden, treten bei der Vereinigung der beiden Teilstrahlen
5 und 6 auf dem Spiegel 4 Phasenverschiebungen auf. Ist z. . der Weg, den der Teilstrahl
6 zurücklegen muß, um ein ungeradzahliges Vielfaches der Strecke « inger als der
Weg, den der Teilstrahl 5 zurückzulegen hat, so tritt am Spiegel 4 bei der Vereinigung
der beiden TeilstrahleneinPhasenunterschiedvon auf. im anzustrebenden Idealfall,
d. h. wenn die beiden Teilstrahlen 5 und ó genau die gleiche Intensität besitzen,
ergibt sich fUr eine Phasenverschiebung # # 0 maximale Intensität und für # # #
Auslöschung des Strahls 15. Durch Bewegung des mechanischen Schwingers 9 wird nun
der Weg für den Teilstrahl 6 nach Maßgabe der von dem Schwinger ausgeführten mechanischen
Schwingung periodisch geändert. Der Strahl 15 ändert damit ebenfalls periodisch
seine Intensitat, und zwar mit einer sich ändernden Frequenz, die eine Funktion
der durch die mechanische Schwingung bedingten Auslenkung des mechanischen Schwingers
9, ist.
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Die fotoelektrische Einrichtung 8 registriert eine Folge von Intensitätsänderungen
des Strahls 15 mit sich periodisch ändern-
der Frequenz. Von der
fotoelektrischen Einrichtung 8 wird dieses optische Signal in ein elektrisches Signal
umgewandelte das mit Hilfe elektrischer Me#geräte ausgewertet werden kann. So wird
die Amplitude der mechanischen Schwingungen, also die maximale Auslenkung des mechanischen
Scliwingers 9 durch einfaches Auszählen der auftretenden Intensitätsmaxima bzw.-minima
während der Zeitdauer zwischen zwei Augenblicken jeweils gleicher Frequenz der Intensitätsnderung
bestimit. @t. Der Betrag der maximalen Auslenkung ergibt sich dann unmittelbar aus
der Anzahl der Perioden der Intensitatsanderun ; und der Wellenlänge # des jeweils
verwendeten kohärenten Lichts.
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Die Frequenz der mechanischen Schwingung kann aus der Zeltciauer
zwischen zwei Augenblicken gleicher Intensitätsänderungsfrequenz bestimmt werden.
Zur Ermittlung dieser Zeitdauer wird das von der fotoelektrischen Einrichtung 8
abgegebene elektrische Signal in einem Demodulator 12 denodullert. Das so demodulierte
Signal kann auf dem Leuchtschirm des Oszillographen 13 sicntbar er-, werden und
mit Hilfe des Zählers 14 die Frequenz des Signals bestimmt werden.
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Zur eindeutigen Bestimmung von auch nicht sinusförmigen Schwingungsformen
der mechanischen Schwingungen des schwingers 9, wird durch Bewegen des Umwegspiegels
7 mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Teilstrahls 5 mit Hilfe einer hier
nicht näher dargestellten Einrichtung l6 die Intensität des Strahls 15 mit konstanter
Frequenz geändert. Dadurch tritt jetzt
an der fotoeicktrischen Einrichtung
3 die Intensitätsänderung des Strahls 15 mit einer Frequenz auf, die sich aus einem
konstanten, durch Rewegen des Umwegspiegels 7 bedon : 7-ten Anteil und einen sich
ändernden, durch die-mechanischen Schwingungendeschwiners 9 bedingten Anteil zusammensetzt.
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Bei der praktischen Anwendung wird als Quelle 2 des leoharenten Lichts
ein kontinuierlich strahlender Laser verwendet, dessen Emissionsstrahl so scharf
gebündelt werden kann, da# schwingende Systeme punktförmig ausgemessen werden können.
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Die me#technische Auswertung in der Einrichtung 10 lä#t sich je nach
gewünschter Genauigkeit mit einfachen analogen oder hochwertigen digitalen Fe#geräten
durchführen. Die im Interferometer auftretenden Me#fehler sind dabei äuSerst gering
und betragenz.B.beideressunderAmplitudedermechanischen Schwingung nur ~#, wobei
# die Wellenlänge des jeweils verwendeten kohärenten Lichts ist, deren Grö#enordnung
selbst bei der Nessung mechanischer Schwingungen extrem kleiner Amplitude gegenüber
dieser vernachlässigbar klein ist.