DE1548394B2 - Verfahren und Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung mechanischer Schwingungen mit Hilfe eines Interferometers, das die mechanischen Schwingungen in Intensitätsschwankungen eines kohärenten Lichtstrahls umwandelt und nach Umwandlung dieser Intensitätsschwankungen in elektrische Signale Frequenz, Amplitude und Verlauf der mechanischen Schwingungen durch Auswertung der elektrischen Signale bestimmt werden.

Dieses z.B. aus der Zeitschrift »Instruments & Control Systems«, Juni 1966, S. 141 und 142 bekannte Verfahren ermöglicht die rückwirkungsfreie Ermittlung mechanischer Schwingungen eines Meßobjektes. Mit dem bekannten Verfahren sind jedoch nur sinusförmige Schwingungen ihrem Verlauf nach eindeutig zu bestimmen, während der Verlauf periodischer Schwingungen beliebiger Form wegen der dann auftretenden Mehrdeutigkeit nicht ohne weiteres festgestellt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein neues Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit denen der Verlauf periodischer Schwingungen auch beliebiger Kurvenform einfach und schnell eindeutig zu ermitteln ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß durch gleichförmiges Bewegen des den Umweg des einen Teilstrahls bestimmenden Spiegels des Interferometers zu der sich ändernden Frequenz der Intensitätsschwankungen eine konstante Frequenz addiert wird.

Die Auswertung und Sichtbarmachung des Verlaufs einer periodischen mechanischen Schwingung eines Meßobjektes geschieht wie bei dem bekannten Verfahren durch einfache Demodulation, wobei das demodulierte Signal gemäß der Erfindung dadurch eindeutig wird, daß der veränderlichen Frequenz der Lichtintensität eine konstante Trägerfrequenz zugeordnet ist, die durch die Geschwindigkeit der gleichförmigen Bewegung des Umwegspiegels gegeben ist.

Zur Durchführung des gemäß der Erfindung angegebenen Verfahrens ist eine Anordnung mit einem Interferometer, einer fotoelektrischen Einrichtung sowie elektrischen Meßgeräten vorgesehen, die sich gemäß der Erfindung durch eine Antriebsvorrichtung zur gleichförmigen Bewegung des Umwegspiegels und durch einen Demodulator und einen Oszillographen zur Auswertung der elektrischen Signale auszeichnet.

Mit Hilfe dieses Oszillographen ist in einfacher und schneller Weise der Verlauf mechanischer Schwingungen beliebiger Form sofort zu erkennen und gegebenenfalls auch aufzuzeichnen.

Verwendet man ein solches Interferometer gemäß der Erfindung auch zur Messung mechanischer Schwingungen, d. h. also zur dynamischen Messung von Abständen, Abstandsänderungen und Beschleunigungen, so ist eine einfache und hochgenaue Erfassung der mechanischen Schwingungen mit Hilfe fotoelektrischer Mittel möglich. Über die bekannte Umwegmethode wird durch Interferenz eine Ände- ' rung der Lichtintensität eines kohärenten Lichtstrahls in Abhängigkeit von Amplitude, Frequenz und Schwingungsform der mechanischen Schwingungen erreicht, wobei durch einfaches digitales Auszählen .«.* der durch Interferenz hervorgerufenen Intensitätsschwankungen die Amplitude und Frequenz der mechanischen Schwingungen ermittelt werden können.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, durch gleichförmiges Bewegen des den Umweg des einen Teilstrahls bestimmenden Spiegels des Interferometers auch nichtsinusförmige, unbekannte mechanische Schwingungen ihrem Verlauf nach zu erfassen.

Durch Verwendung eines Interferometers zur Messung mechanischer Schwingungen ist es möglich, ohne jede Rückwirkung auf das Meßobjekt die Schwingungen nach Amplitude, Frequenz und Schwingungsform sehr genau zu erfassen. Die Erzeugung des kohärenten Lichts ist heute durch Verwendung kontinuierlich strahlender Laser relativ einfach. Die scharfe Bündelung eines solchen Laserstrahls ermöglicht dabei streng punktförmige Messungen z. B. an Membranen oder ähnlichen schwingenden Flächen.

Alles Nähere der Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

In der Zeichnung ist ein bekanntes Interferometer 1 dargestellt. Eine Quelle 2 kohärenten Lichts gibt einen gebündelten Lichtstrahl 3 auf einen halbdurchlässigen, unter 45° zur Strahlachse geneigten Spiegel 4, der den Strahl 3 in einen Teilstrahl 5 und einen Teilstrahl 6 aufteilt. Der senkrecht zum Strahl 3 abgelenkte Teilstrahl 5 wird von einem in einem bestimmten Abstand fest angeordneten, als Umwegspiegel bezeichneten Spiegel 7 total reflektiert und gelangt zumindest teilweise 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 schwingende Fläche entweder blank poliert oder z. B. mit einer spiegelnden Folie versehen ist, so daß 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.

Die fotoelektrische Einrichtung 8 wandelt die an ihr auftretenden Intensitätsschwankungen des Lichtstrahls 15 in elektrische Signale um, die in einer Einrichtung 10 verarbeitet werden.

Die Einrichtung 10 weist dabei einen ersten Zähler 11, einen Demodulator 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 Zählers 14 die Folgefrequenz dieses Signals bestimmt.

Je nachdem, wie 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 Länge unterscheiden, treten bei der Vereinigung der beiden Teil strahlen 5 und 6 auf dem Spiegel 4 Phasenverschiebungen auf. Ist z. B. der Weg, den der Teilstrahl 6 zurücklegen muß, um ein ungeradzahliges Vielfaches der

Strecke ζ) ζ = —länger als der Weg, den der Teilstrahl 5 zurückzulegen hat, so tritt am Spiegel 4 bei der Vereinigung der beiden Teilstrahlen ein Phasenunterschied von Δ φ auf. Im anzustrebenden Ideal-

fall, d. h., wenn die beiden Teilstrahlen 5 und 6 genau die gleiche Intensität besitzen, ergibt sich für eine Phasenverschiebung Δ φ = O maximale Intensität und für Δ φ — π 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 Intensität, und zwar mit einer sich ändernden Frequenz, die eine Funktion der durch die mechanische Schwingung bedingten Auslenkung des mechanischen Schwingers 9 ist.

Die fotoelektrische Einrichtung 8 registriert eine Folge von Intensitätsänderungen des Strahls 15 mit sich periodisch ändernder Frequenz. Von der fotoelektrischen Einrichtung 8 wird dieses optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt, das mit Hilfe elektrischer Meßgeräte ausgewertet werden kann. So wird die Amplitude der mechanischen Schwingungen, also die maximale Auslenkung des mechanischen Schwingers 9 durch einfaches Auszählen der auftretenden Intensitätsmaxima bzw. -minima während

* der Zeitdauer zwischen zwei Augenblicken jeweils gleicher Frequenz der Intensitätsänderung bestimmt. Der Betrag der maximalen Auslenkung ergibt sich dann unmittelbar aus der Anzahl der Perioden der Intensitätsänderung und der Wellenlänge λ des jeweils verwendeten kohärenten Lichts.

Die Frequenz der mechanischen Schwingung kann aus der Zeitdauer 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 demoduliert. Das so demodulierte Signal kann auf dem Leuchtschirm des Oszillographen 13 sichtbar gemacht werden und mit Hilfe des Zählers 14 die Frequenz des Signals bestimmt werden.

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 16 die Intensität des Strahls 15 mit konstanter Frequenz geändert. Dadurch tritt jetzt an der fotoelektrischen Einrichtung 8 die Intensitätsänderung des Strahls 15 mit einer Frequenz auf, die sich aus einem konstanten, durch Bewegen des Umwegspiegels 7 bedingten Anteil und einem sich ändernden, durch die mechanischen Schwingungen des Schwingers 9 bedingten Anteil zusammensetzt.

Bei der praktischen Anwendung wird als Quelle 2 des kohärenten Lichts ein kontinuierlich strahlender Laser verwendet, dessen Emissionsstrahl so scharf gebündelt werden kann, daß schwingende Systeme

ίο punktförmig ausgemessen werden können.

Die meßtechnische Auswertung in der Einrichtung läßt sich je nach gewünschter Genauigkeit mit einfachen analogen oder hochwertigen digitalen Meßgeräten durchführen. Die im Interferometer auftretenden Meßfehler sind dabei äußerst gering und betragen z. B. bei der Messung der Amplitude der mechanischen Schwingung nur +λ, wobei λ die Wellenlänge des jeweils verwendeten kohärenten Lichts ist, deren Größenordnung selbst bei der Messung mechanischer Schwingungen extrem kleiner Amplitude gegenüber dieser vernachlässigbar klein ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung mechanischer Schwingungen mit Hilfe eines Interferometers, das die mechanischen Schwingungen in Intensitätsschwankungen eines kohärenten Lichtstrahls umwandelt und nach Umwandlung dieser Intensitätsschwankungen in elektrische Signale Frequenz, Amplitude und Verlauf der mechanischen Schwingungen durch Auswertung der elektrischen Signale bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch gleichförmiges Bewegen des den Umweg des einen Teilstrahls bestimmenden Spiegels (7) des Interferometers (1) zu der sich ändernden Frequenz der Intensitätsschwankungen eine konstante Frequenz addiert wird.

2. Anordnung mit einem Interferometer, einer fotoelektrischen Einrichtung sowie elektrischen Meßgeräten zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Antriebsvorrichtung (16) zur gleichförmigen Bewegung des Umwegspiegels (7) und durch einen Demodulator (12) und einen Oszillographen (13) zur Auswertung der elektrischen Signale.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen