DE19517195C2 - Meßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Lage- und/oder Spannungszustandsänderungen eines Ob­ jektkörpers.

In den unterschiedlichen technischen Gebieten existiert die Anforderung, die genaue Lage, Lageänderungen oder Spannungszustandsänderungen von Objektkörpern zu ermit­ teln, um eine Aussage über den Objektkörper oder über auf den Objektkörper wirkende Kräfte treffen zu können. Dabei werden sowohl solche Meßgeräte verwendet, die direkt an dem Objektkörper angreifen, als auch solche, die die mit ihnen erfaßbaren Größen berührungslos er­ mitteln.

Aus DE 42 01 890 A1 ist ein faseroptischer Sensor be­ kannt, der ausschließlich zur berührungslosen Lagebe­ stimmung von Objektkörpern dient. Der faseroptische Sensor weist einen zentral angeordneten Sendelichtwellenleiter 1 und mehrere Empfangslichtwellenleiter auf, wobei mehrere Empfangslichtwellenleiter paarweise ver­ wendet werden, der Sendelichtwellenleiter und die Emp­ fangslichtwellenleiter parallel ausgerichtet sind und die Empfangslichtwellenleiter radial um den Sendelicht­ wellenleiter verteilt angeordnet sind. Der Sendelicht­ wellenleiter und die Empfangslichtwellenleiter enden mit ihren Lichtaustrittsflächen in einer gemeinsamen Ebene. Zum Messen der Lage des Objektkörpers werden Lichtwellen von dem Sendelichtwellenleiter zu einer Meßoberfläche des Objektkörpers ausgesendet und von dieser reflektiert. Das reflektierte Licht wird von den Empfangslichtwellenleitern empfangen und die von dem Empfangslichtwellenleiter auf diese Weise bereitge­ stellten Lichtsignal werden zur Bestimmung des Abstands des Objektkörpers zu dem Sendelichtwellenleiter und zur Bestimmung der Neigung ausgewertet.

Aus DD 295 235 A5 sind ferner ein Verfahren und eine Anordnung zur faseroptischen Messung von Kräften be­ kannt. Bei der aus dieser Patentschrift bekannten An­ ordnung arbeitet ein Sendelichtwellenleiter mit zwei Empfangslichtwellenleitern zusammen. Der Sendelichtwel­ lenleiter ist dabei an einem Objektkörper befestigt, der seinerseits über ein elastisches Element mit einem an einem Gestell befestigten Halteteil verbunden ist. Das von dem Sendelichtwellenleiter ausgehende Strahlen­ bündel ist im unbelasteten Zustand derart ausgerichtet, daß beide Empfangslichtwellenleiter teilweise be­ leuchtet sind. Bei Ausübung einer Kraft auf den Objekt­ körper verformt sich das elastische Element und die von dem Sendelichtwellenleiter beleuchteten Flächenanteile der Empfangslichtwellenleiter verändern sich, so daß durch entsprechende Signalauswertung unter Zugrundelegung der Eigenschaften des elastischen Elements Betrag- und Kraftangriffswinkel, der auf den Objekt­ körper wirkenden Kraft ermittelbar sind.

Aus DE 40 01 954 A1 ist ein faseroptischer Sensor be­ kannt, dessen Abstand von einer Reflektionsfläche an­ hand des Anteils an aus einem Lichtleiter austretenden, an der Reflektionsfläche reflektierten und wieder in den Lichtleiter eintretenden Lichts ermittelt wird.

In DE 34 15 855 C2 ist ein faseroptischer Sensor be­ schrieben, bei dem sich das Lichtübertragungsverhalten eines fest mit einem Biegebalken verbundenen Lichtlei­ ters verändert, und zwar in Abhängigkeit von dem Grad der Durchbiegung des Biegebalkens.

Die bekannten Vorrichtungen weisen jedoch Nachteile auf. So können die von der Vorrichtung nach DE 42 01 890 A1 gelieferten Meßergebnisse fehlerbehaftet sein, da das Meßergebnis durch die Reflexionseigen­ schaften der Meßoberfläche des Objektkörpers beeinflußt werden könnte.

Bei der Vorrichtung nach DD 295 235 A5 könnten Meßfeh­ ler aus der mechanischen Verbindung zwischen dem Ob­ jektkörper und einem Gestell durch das elastische Ele­ ment sowie durch die zu den Lichtwellenleitern bzw. Fotosensoren führenden Zuleitungen resultieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Verfügung zu stellen, mit der Lage- und/oder Spannungszustandsänderungen eines Objektkörpers mit großer Genauigkeit feststellbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Gemäß der Erfindung ist ein Modulator vorgesehen, der mechanisch von einem Sender und Empfänger tragenden Meßkopf getrennt ist und der an einem Objektkörper an­ bringbar ist. Da der Modulator von dem Objektkörper unabhängig und dennoch als Bestandteil der Vorrichtung auf den Meßkopf abstimmbar ist, werden einerseits Ein­ flüsse des Objektkörpermaterials beispielsweise dessen Oberflächeneigenschaften, auf die Messung verhindert und andererseits eine optimale Abstimmbarkeit von Meß­ kopf und Modulator erreicht.

Der Modulator weist mindestens ein Lichtleiterelement mit einer Lichteintrittsfläche und einer Lichtaus­ trittsfläche auf. Die Lichteintrittsfläche des Licht­ leiterelements des Modulators liegt dem im Meßkopf an­ geordneten Sender gegenüber und bildet mit dem Sender eine erste Lichtübertragungsstelle. Die Lichtaustritts­ fläche des Lichtleiterelements des Modulators liegt dem in dem Meßkopf angeordneten Empfänger gegenüber und bildet mit dem Empfänger eine zweite Lichtübertragungs­ stelle.

Durch das mindestens eine Lichtleiterelement des Modu­ lators wird erreicht, daß die Signalübertragungsver­ luste auf dem Übertragungsweg von dem Meßkopf-Sender über den Modulator zu dem Meßkopf-Empfänger minimiert werden. Dadurch wird die Signalauswertung erleichtert und es kann mit größerer Genauigkeit gemessen werden.

Da der Modulator von dem Meßkopf mechanisch getrennt ist, also insbesondere an dem Modulator keine Signal­ leitungen oder ähnliches angreifen, werden unkorrigier­ bare Meßwertverfälschungen vermieden. Auf den Objekt­ körper wirken die Kräfte und Momente, die sich an dem Objektkörper als Lage- und/oder Spannungszustandsände­ rungen bemerkbar machen können, dennoch mit großer Ge­ nauigkeit gemessen werden.

Vorzugsweise weist der Sender des Meßkopfes ein Sende- Lichtleiterelement auf, in das ein Lichtsendeelement einstrahlt. Das Lichtsendeelement kann sowohl in dem Meßkopf als auch außerhalb des Meßkopfs angeordnet sein. Das Sende-Lichtleiterelement, an dessen Ende das Licht aus dem Sender austritt und das vorzugsweise ein Glasfaser-Lichtwellenleiter ist, erlaubt die Sammlung und Weiterleitung von Lichtsignalen in besonders ein­ facher Art und Weise. Vorzugsweise ist der Empfänger entsprechend dem Sender aufgebaut, so daß das von einem Empfangs-Lichtleiterelement empfangene Licht zu einem Empfangselement übertragen wird, das die Lichtsignale in auswertbare elektrische Signale umsetzt.

Lage- und/oder Spannungszustandsänderungen eines Ob­ jektkörpers werden dadurch gemessen, daß Licht, UV- Licht oder ähnliche Strahlen von einem Sender über einen Modulator auf einen Empfänger übertragen werden. Dabei auftretende Veränderungen des Übertragungsverhal­ tens des Sensors werden ausgewertet.

Die Änderung des Übertragungsverhaltens des Sensors kann modulatorseitig dadurch verursacht sein, daß sich die Lage des Modulators relativ zu dem Meßkopf ändert. Sie kann ferner dadurch verursacht sein, daß sich die Geometrie des Modulators verändert und auch dadurch, daß sich das Lichtübertragungsverhalten des Licht­ leiterelements des Modulators verändert. Je nach dem, auf welchem Prinzip die Messung der Lage- und/oder Spannungszustandsänderung des Objektkörpers beruht, ist es vorteilhaft, daß der Querschnitt des Lichtleiterele­ ments des Modulators mit dem lichtaussendenden bzw. lichtempfangenden Querschnitt des Senders und/oder Em­ pfängers übereinstimmt oder daß der Querschnitt des Lichtleiterelements des Modulators größer ist als der lichtaussendende bzw. lichtempfangende Querschnitt des Senders und/oder Empfängers.

Grundsätzlich ist es, wie oben dargelegt, möglich, Lage- und/oder Spannungszustandsänderungen des Objekt­ körpers auf der Grundlage des Abstands des Modulators von dem Meßkopf zu bestimmen. Die mit dem Abstand vari­ ierende Lichtintensität ist dabei die zu ermittelnde Größe, so daß es vorteilhaft ist, die Übertragungsver­ luste durch ein Lichtleiterelement mit möglichst großem Querschnitt gering zu halten.

Andererseits ist es - wie dargelegt - möglich, Span­ nungszustandsänderungen dadurch zu ermitteln, daß ein auf Spannungen reagierendes Lichtleiterelement mit dem Modulator verwendet wird.

Vorzugsweise werden aber Lage- und/oder Spannungszu­ standsänderungen eines Objektkörpers dadurch bestimmt, daß Lateralbewegungen der Lichteintritts- bzw. Licht­ austrittsachsen des Modulators gegenüber den Licht­ sende- bzw. Lichtempfangsachsen des Meßkopfes nach­ gewiesen werden. Durch seitlichen Versatz der genannten Achsen des Modulators gegenüber den gegenüberliegenden Achsen des Meßkopfes wird die Überdeckung der lichtsen­ denden bzw. lichtempfangenden Flächen des Meßkopfes und des Modulators blendenartig verändert, so daß sich die­ ser seitliche Versatz bestimmen und damit Lageänderun­ gen meßtechnisch bestimmen lassen.

Je nach der Ausgestaltung eines das Lichtleiterelement des Modulators haltenden Lichtleiterelementhalters kön­ nen auf diese Weise auch Spannungszustandsänderungen bestimmt werden. Wenn der Lichtleiterelementhalter als Teil eines Verformungskörpers verformbar ist und das Verformungsgesetz des Verformungskörpers bekannt ist, lassen sich aus der Signalveränderung unter Zuhilfe­ nahme des Verformungsgesetzes Kräfte und Momente ermit­ teln.

Um sämtliche Lageveränderungen sowie sämtliche an einem Körper angreifende Kräfte und Momente ermitteln zu kön­ nen, sind mehrere Sensoren erforderlich, deren Anord­ nung an die verschiedenen zueinander senkrecht ste­ henden Achsen des Objektkörpers angepaßt ist.

Die Lichtleiterelemente des Modulators und ggf. des Meßkopfes weisen vorzugsweise faseroptische Lichtwel­ lenleiter mit eckigen, insbesondere quadratischen, mit rundem und vorzugsweise mit kreisrundem Querschnitt auf. Je nach der Art des Querschnitts der Lichtleiter­ elemente und der Überlagerungsgeometrie (z. B. Quadrate in rautenförmiger Überdeckung) läßt sich eine Erhöhung der Meßgenauigkeit der Vorrichtung gemäß Anspruch 9 dadurch erreichen, daß die Achsen des Senders und des Lichtleiterelements des Modulators an der ersten Licht­ übertragungsstelle koaxial ausgerichtet sind und daß die Achse des Empfängers und des Lichtleiterelements des Modulators an der zweiten Lichtübertragungsstelle achsversetzt ausgerichtet sind. Wenn bei einer gleich­ mäßigen lateralen Bewegung des Modulators gegenüber dem Meßkopf die Überdeckung an den beiden Übertragungsstel­ len verändert wird, wird der Einfluß der Überdeckungs­ veränderung an der ersten Lichtübertragungsstelle dem Einfluß der Überdeckungsveränderung an der zweiten Lichtübertragungsstelle überlagert, so daß eine höhere Meßgenauigkeit erreicht wird.

Die Ausrichtung der Achsen des Senders und des Em­ pfängers gegenüber der jeweiligen Achse des Licht­ leiterelements des Modulators an der ersten bzw. zweiten Übertragungsstelle ist vorzugsweise derart, daß eine seitliche Verschiebung des Modulators gegenüber dem Meßkopf an der einen Übertragungsstelle eine Vergrößerung der Überdeckung und an der anderen Über­ tragungsstelle eine Verringerung der Überdeckung von Sender oder Empfänger und Lichtleiterelement des Modu­ lators bewirkt. Auf diese Weise werden Randeffekte kom­ pensiert, die insbesondere bei Paaren aus kreisrunden einander gegenüberliegenden meßkopf- und modulatorsei­ tigen Lichtleiterelementen auftreten.

Eine Erhöhung der Meßgenauigkeit ist auch durch die Anordnung eines Zusatzübertragungsabschnitts mit Zu­ satz-Lichtübertragungsstellen möglich. Mit den Zusatz- Lichtübertragungsstellen ist es möglich, nach dem oben beschriebenen Versatz-Prinzip die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Auch die Anordnung mehrerer Lichtwellenleiter, deren Lichteintritts- und Lichtaustrittsachsen parallel zu­ einander verlaufen, an dem Modulator dient der Erhöhung der Meßgenauigkeit. Wenn die Lichteintritts- und Licht­ austrittsachsen der Lichtwellenleiter des Modulators an den winklig zueinander verlaufenden Schenkeln eines Körpers liegen, lassen sich mit einem Sensor auch Rich­ tungseinflüsse bestimmen.

Durch das Zusammenwirken eines Senders mit mehreren Empfängern läßt sich der für die Signalübertragung er­ forderliche Leitungsaufwand verringern. Dies gilt in gleicher Weise, wenn mehrere Sender mit einem Empfänger zusammenwirken.

Vorzugsweise weist der Modulator einen Lichtleiterele­ menthalter auf, der Bestandteil eines Tragebalkens einer Windkanalwaage ist. Die Verwendung eines Trage­ balkens einer Windkanalwaage erlaubt es, die auf dem Gebiet von Windkanalwaagen gewonnenen Erfahrungen und Kenntnisse hinsichtlich des Verformungs- und Spannungs­ verhaltens von Tragebalken für die Erfindung zu nutzen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen sowie aus der Zeichnung im Zusammenhang mit der Beschreibung.

Nachfolgend werden im Zusammenhang mit der Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Sensors für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem im Modulator vorgesehenen Lichtleiterelement mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Licht­ eintritts- und Lichtaustrittsachse koaxial zu Lichtsende- bzw. Lichtempfangsachsen eines Meßkopfes verlaufen,

Fig. 2 den Sensor von Fig. 1 gemäß der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Sensors entsprechend Fig. 1, bei dem die Lichtein­ trittsachse eines Lichtleiterlements eines Modulators koaxial zur Lichtsendeachse eines Meßkopfes und bei dem eine Lichtaustritts­ achse des Lichtleiterelements des Modulators lateral versetzt zur Lichtempfangsachse des Meßkopfes verläuft,

Fig. 4 den Sensor von Fig. 3 gemäß der Linie IV-IV der Fig. 3,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines Sensors entsprechend Fig. 1, bei dem die Lichtein­ trittsachse und die Lichtaustrittsachse eines Modulators gegenüber der Lichtsende­ achse bzw. der Lichtempfangsachse eines Meß­ kopfes versetzt angeordnet sind,

Fig. 6 den Sensor von Fig. 5 gemäß der Linie VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform eines Sensors, dessen Meßkopf einen Zusatzübertragungs­ abschnitt aufweist,

Fig. 8 den Sensor von Fig. 7 gemäß der Linie VIII- VIII der Fig. 7,

Fig. 9 eine fünfte Ausführungsform eines Sensors mit einem Sender und mehreren Empfängern, wobei die Lichtsende- und Lichtempfangs­ achsen einen rechtwinkligen prismatischen Körper beschreiben,

Fig. 10 den Sensor von Fig. 9 gemäß der Linie X-X der Fig. 9,

Fig. 11 eine Kennlinie, die die Signalübertragung in Abhängigkeit von der Verschiebung des Modu­ lators gegenüber dem Meßkopf eines Sensors gemäß Fig. 1 wiedergibt, und

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Em­ pfängern zur Messung von Lage- und/oder Spannungszustandsänderungen in verschiedenen Richtungen.

Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer Vor­ richtung 10 zur Messung von Spannungszustandsänderungen eines Objektkörpers 12. Die Vorrichtung 10 weist einen Meßkopf 14 auf, der mit einem Modulatorelemente 16e bis 16f aufweisenden Modulator 18 zusammenwirkt. Der Modu­ lator ist an einen Tragebalken 20 einer Windkanalwaage gekoppelt.

In dem Meßkopf 14 ist ein Lichtsendeelement 22 ange­ ordnet, dessen Lichtstrahlen in sechs Sende-Licht­ leiterelemente 24a bis 24f eingespeist werden. Das Lichtsendeelement 22 ist eine Licht aussendende Diode, die im Querschnitt kreisförmige Glasfaserkabel ein­ strahlt. Als Lichtempfangselemente 26a bis 26f sind in dem Meßkopf 14 sechs Fotozellen angeordnet, die mit sechs Empfangs-Lichtleiterelementen 28a bis 28f derart gekoppelt sind, daß von den Empfangs-Lichtleiterele­ menten 28a bis 28f empfangenes Licht zu dem jeweiligen Licht-Empfangselement 26a bis 26f übertragen wird.

Der Meßkopf 14 steht mit einer Auswerteeinheit 30 über eine Signalleitung 32 in Verbindung.

Wenn auf den Tragebalken 20 Kräfte Fx, Fy, Fz oder Momente Mx, My, Mz ausgeübt werden, führt dies zu einer Veränderung des Übertragungsverhaltens des aus Meßkopf 14 und Modulator 18 bestehenden Sensors 34 der Vorrich­ tung 10. Die von den Lichtempfangselementen 26a bis 26f aufgrund des geänderten Übertragungsverhaltens empfan­ genen Lichtsignale werden über die Signalleitung 32 an die Auswerteeinheit 30 weitergeleitet, die aufgrund der übermittelten Signale Lage- und/oder Spannungszustands­ änderungen und damit auch Kräfte und Momente bestimmt.

Mit der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung 10 können eine Vielzahl von Kräften und Momenten gleichzeitig bestimmt werden. Letzlich läßt sich jedoch die Bestim­ mung der Kräfte und Momente auf den Fall eines ein­ dimensionalen Kraftangriffs zurückführen, so daß aus Gründen der Übersichtlichkeit im nachfolgenden das Zu­ sammenwirken von Meßkopf und Modulator zunächst für diesen eindimensionalen Fall beschrieben wird.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Sensors 40 für einen eindimensionalen Kraftangriff, der aus einem Meßkopf 42 und einem Modulator 44 besteht. Der Meßkopf 42 weist als Sender ein Glasfaserkabel als Sende-Lichtleiterelement 46 auf, das zusammen mit einem weiteren Glasfaserkabel als Empfangs-Lichtleiterelement 48 gemeinsam in einem Halteteil 50 gehalten ist. Die Lichtsendeachse 52 des Sende-Lichtleiterelements 46 verläuft parallel zu der Lichtempfangsachse 54 des Em­ pfangs-Lichtleiterelements 48.

Der Modulator 44 des Sensors 40 weist ein halbbogen­ förmiges Lichtleiterelement 56 auf, das nachfolgend auch als Modulator-Lichtleiterelement 56 bezeichnet wird. Das Modulator-Lichtleiterelement 56 weist eine Lichteintrittsfläche 58 und eine Lichtaustrittsfläche 60 auf, die entsprechenden Flächen des Meßkopfes 42 gegenüberliegen.

Das Modulator-Lichtleiterelement 56 wird in dem Modu­ lator von einem Lichtleiterelementhalter 62 derart ge­ halten, daß die normal zu der Lichteintrittsfläche bzw. Lichtaustrittsfläche 58, 60 des Modulator-Lichtleiter­ elements 56 verlaufenden Lichteintritts- bzw. Lichtaus­ trittsachse 64, 66 im unbelasteten Zustand des Sensors 40 koaxial zur Lichtsendeachse 52 bzw. der Lichtem­ pfangsachse 54 des Meßkopfes 42 verlaufen.

Der in Fig. 1 gezeigte Sensor 40 ist über die Span­ nungsbestimmung in X-Richtung zur Bestimmung der Größe einer Kraft Fx vorgesehen, die in einer durch die Lichteintrittsachse und die Lichtaustrittsachse 64, 66 definierten Ebene und senkrecht zu der Lichteintritts­ achse 64 wirkt. Aufgrund der Kraft Fx wird der Modula­ tor 44 lateral in Richtung des Pfeils A ausgelenkt, so daß sich eine Verschiebung und damit eine von der Aus­ gangslage abweichende Überdeckung der Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsfläche 58, 60 mit den entsprechenden Flächen des Meßkopfes 42 ergibt. Aufgrund der veränder­ ten Überdeckung wird ein Lichtsignal, das von einem Lichtsendeelement 68 ausgeht, auf seinem Weg zu einem Lichtempfangselement 70 geschwächt.

Eine Kennlinie, die die Stärke des empfangenen Signals im Verhältnis zum gesendeten Signal in Abhängigkeit von der Verschiebung des Modulators 44 gegenüber dem Meß­ kopf 42 angibt, ist in Fig. 11 gezeigt. Aufgrund der ermittelten Signalstärke am Empfänger läßt sich damit die Verschiebung bestimmen. Die Verschiebung ihrerseits kann in eine Kraft umgerechnet werden, wenn die Mate­ rialeigenschaften und Geometriedaten eines den Modula­ tor gegen die Kraft haltenden Verbindungsteils bekannt sind.

Der Sensor 40 in Fig. 1 kann wie gezeigt ein eigenes Lichtsendeelement 68 und ein eigenes Lichtempfangs­ element 70, die in dem Meßkopf angeordnet sind, auf­ weisen. Er kann jedoch auch mit Lichtsendeelementen und Lichtempfangselementen arbeiten, die außerhalb des Meß­ kopfes 42 angeordnet sind, oder die für mehrere Meß­ köpfe bestimmt sind.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte zweite Ausführungs­ form eines eindimensionalen Sensors 40' unterscheidet sich von dem Sensor 40 in den Fig. 1 und 2 lediglich durch die Lage der Lichtaustrittsachse 66' gegenüber der Lichtempfangsachse 54'. Im übrigen stimmen die beiden Sensoren 40, 40' überein, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung der einzelnen Bauteile des Sensors 40' verzichtet wird. Den Teilen des Sensors 40 entsprechende Teile des Sensors 40' sind mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen, das zur Unterscheidung gestrichen ist.

Bei dem Sensor 40' gemäß den Fig. 3 und 4 liegt die Lichtsendeachse 52' koaxial zu der Lichteintrittsachse 64' des Modulator-Lichtleiterelements 56'. Da das Sende-Lichtleiterelement 46' einen mit dem Modulator- Lichtleiterelement 46' übereinstimmenden kreisförmigen Querschnitt aufweist, überdeckt die Lichteintritts­ fläche 58' in unbelastetem Zustand des Sensors 40 voll­ ständig die entsprechende Fläche des Sende-Lichtleiter­ elements 46'. Da die Lichtaustrittsachse 66' gegenüber der Lichtempfangsachse 54' versetzt ist, liegt zwischen den beiden zugehörigen Flächen nur eine teilweise Über­ deckung vor.

Wenn nun der Modulator 44' aufgrund einer Kraft aus­ gelenkt wird, ändert sich der Überdeckungsgrad an beiden Lichtübertragungsstellen, so daß die Größe der Auslenkung bestimmbar ist. Da jedoch an beiden Licht­ übertragungsstellen zu Beginn der Auslenkung unter­ schiedliche geometrische Verhältnisse herrschen, treten an beiden Lichtübertragungsstellen nicht gleichzeitig die gleichen Randeffekte auf.

Das Lichtübertragungsverhalten einer einzelnen Licht­ übertragungsstelle ausgehend von vollständiger Über­ deckung, dessen qualitativer Verlauf dem in Fig. 11 gezeigten Lichtübertragungsverhalten des ersten Sensors entspricht, zeigt, daß bei einer Verschiebung aus der Vollüberdeckung zunächst nur kleine Signaländerungen feststellbar sind. Wenn jedoch bei einer Teilüber­ deckung eine weitere Auslenkung erfolgt, ist das Ant­ wortsignal linear zu der Verschiebung. Da sich das Übertragungsverhalten an der ersten Lichtübertragungs­ stelle dem Übertragungsverhalten an der zweiten Licht­ übertragungsstelle überlagert, läßt sich die Wahl unterschiedlicher Überdeckungsverhältnisse ein gutes Gesamtübertragungsverhalten erzielen.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigte dritte Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Sensors 40" unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Sensoren 40, 40' wiede­ rum durch die Ausrichtung der Lichtsendeachse 52" und der Lichtempfangsachse 54" gegenüber der Lichtein­ trittsachse 64" und der Lichtaustrittsachse 66". Bei dem Sensor 40" gemäß den Fig. 5 und 6 sind die zuein­ ander parallelen Achsen 52", 54", 64" und 66" derart ausgebildet, daß sie jeweils um den Radius des Modula­ tor-Lichtleiterelements 56" lateral zueinander versetzt sind. Ansonsten entspricht der Sensor 40" den Sensoren 40, 40', so daß auf die Beschreibung dieser beiden Sensoren durch Verwendung zwei-gestrichener Be­ zugszeichen Bezug genommen wird.

Auch der in den Fig. 7 und 8 gezeigte Sensor 40''' ist ein eindimensionaler Sensor. Bauteile, die Bauteilen der zuvor genannten Sensoren 40, 40', 40" entsprechen, sind mit drei-gestrichenen Bezugszeichen versehen, wobei auf die Beschreibung der zuvor genannten Sensoren verwiesen wird.

Im Gegensatz zu den drei zuvor genannten Sensoren 40, 40', 40" weist der Sensor 40''' jedoch zusätzlich einen Zusatzübertragungsabschnitt 72 mit Zusatz-Licht­ übertragungsstellen 74 auf. Um diese Zusatz-Lichtüber­ tragungsstellen 74 zu bilden, ist an dem Meßkopf 42''' ein Zusatzübertragungs-Lichtleiterelement 76 vorge­ sehen, das wie das Sende-Lichtleiterelement 46''' und das Empfangs-Lichtleiterelement 48''' ein faserop­ tischer Lichtwellenleiter mit kreisförmigem Querschnitt ist. Das Sendelichtleiterelement 46''', das Zusatzüber­ tragungs-Lichtleiterelement 76 und das Empfangs-Licht­ leiterelement 48''' wirken mit einem Modulator-Licht­ leiterelement 56''' zusammen, das einen ersten Licht­ wellenleiter 78 und einen zweiten Lichtwellenleiter 80 aufweist. Beim Angriff einer parallel zu der Reihe der Lichtübertragungsstellen wirkenden Kraft wird der Modu­ lator 44''' lateral gemäß dem Pfeil A versetzt. Dies hat zur Folge, daß an der ersten Lichtübertra­ gungsstelle die Vollüberdeckung von Sende-Lichtleiter­ element 46''' und erstem Lichtwellenleiter 78 aufge­ hoben und der Überdeckungsgrad verkleinert wird. An der einen Zusatz-Lichtübertragungsstelle 74 wird die Überdeckung von erstem Lichtwellenleiter und dem Zusatz­ übertragungslichtleiterelement 76 ausgehend von einer Überdeckung, bei der die Achsen um den Radius des Lichtwellenleiters 80 versetzt sind, vergrößert, während sie an der anderen Zusatz-Lichtübertragungs­ stelle 74 ausgehend von einer ebensolchen Überdeckung verringert wird. An der letzten Lichtübertragungsstelle wird schließlich der Überdeckungsgrad von dem zweiten Lichtwellenleiter 80 mit dem Empfangs-Lichtleiter­ element 48''' ausgehend von einer Überdeckung, bei der die Achsen um etwa den Radius des zweiten Lichtwellen­ leiters 80 versetzt sind, vergrößert.

In den Fig. 9 und 10 ist ein Sensor 90 schematisch dargestellt, mit dem sich die Richtung der Kraft in einer Ebene ermitteln läßt. Dazu weist der Sensor 90 einen Meßkopf 92 auf, der mit einem Modulator 94 zusam­ menwirkt und ein Sende-Lichtleiterelement 96 sowie zwei Empfangs-Lichtleiterelemente 98, 99 aufweist. Das Sende- Lichtleiterelement 96 und die Empfangs-Lichtleiterele­ mente 98, 99 sind in einem Halteteil 100 derart gehal­ ten, daß sie die Kanten eines rechtwinkligen prisma­ tischen Körpers beschreiben. Das Sende-Lichtleiterele­ ment und die Empfangs-Lichtleiterelemente 98, 99 wirken mit einem Modulatorlichtleiterelement 106 zusammen, das einen ersten bogenförmigen Lichtwellenleiter 108 und einen zweiten bogenförmigen Lichtwellenleiter 110 auf­ weist. Die beiden Lichtwellenleiter 108, 110 sind derart angeordnet, daß sie in zueinander senkrechten Ebenen liegen.

Wenn aufgrund einer angreifenden Kraft eine Auslenkung erfolgt, ist das Antwortsignal proportional zu der Ver­ schiebung. Da sich das Übertragungsverhalten an der ersten Lichtübertragungsstelle dem Übertragungsverhal­ ten an der zweiten Lichtübertragungsstelle überlagert, läßt sich durch die Wahl unterschiedlicher Über­ deckungsverhältnisse ein gutes Gesamtübertragungsver­ halten erzielen.

Wenn auf einen Objektkörper, mit dem der Modulator ge­ koppelt ist, eine in einer X, Y-Ebene liegende Kraft Fx, Fy ausgeübt wird, verändert sich der Überdeckungs­ grad an den einzelnen Lichtübertragungsstellen. Durch geeignete Signalauswertung läßt sich dann aus dem ge­ änderten Signal die Verschiebung bestimmen und damit die auf den Objektkörper wirkende Kraft.

Bei den gezeigten Sensoren 40 bis 40''', 90 ist davon ausgegangen worden, daß das Halteteil 50 bis 50''', 100 starr ist. Es ist jedoch auch möglich, das Halteteil verformbar auszugestalten und von der Verformung des Halteteils auf den Spannungszustand oder die Span­ nungszustandsänderung eines Objektkörpers zu schließen.

Bei den im Detail beschriebenen Sensoren kann das Meß­ prinzip jeweils als "Blendenprinzip" bezeichnet werden. Es ist jedoch auch möglich, den Modulator so zu gestal­ ten, daß die modulatorseitige Veränderung des Über­ tragungsverhaltens durch Vergrößerung des Abstands des Modulators vom Meßkopf erreicht wird oder durch Einwir­ kung auf das Übertragungsverhalten des Licht­ leiterelements des Modulators selbst.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Messung von Lage- und/oder Spannungs­ zustandsänderungen eines Objektkörpers (12), mit

• - einem Meßkopf (14; 42), der mindestens einen einen Lichtstrahl aussendenden Sender (22, 24a-24f; 68, 46) und mindestens einen Empfänger (26a-26f, 28a-28f; 70, 48) für den Lichtstrahl aufweist und
• - einem Modulator (18; 44), der dem Meßkopf (14) gegenüberliegt und der den Lichtstrahl des Senders (22, 24a-24f; 68, 46) zu dem Empfänger (26a-26f, 28a-28f; 70, 48) überträgt, wobei
• - das Übertragungsverhalten des Modulators (18; 44) bei Lage- bzw. Spannungszustandsänderungen des Objektkörpers (12) veränderbar ist,
• - der Modulator (18; 44) mechanisch von dem Meßkopf (14; 42) getrennt und derart an dem Objektkörper (12) anbringbar ist, daß der Modulator (18; 44) den linearen Bewegungen des Objektkörpers (12) folgt und/oder Spannungszustandsänderungen des Objektkörpers (12) auf den Modulator (18; 44) übertragen werden,
• - der Modulator (18; 44) mindestens ein Lichtleiterelement (56) mit einer Lichteintrittsfläche (58) und mit einer Lichtaustrittsfläche (60) aufweist,
• - die Lichteintrittsfläche (58) des Lichtleiterelements (56) des Modulators (18; 44) dem Sender (22, 24a-24f; 68, 46) gegenüberliegt und mit diesem eine erste Lichtübertragungsstelle bildet, und
• - die Lichtaustrittsfläche (60) des Lichtleiterelements (56) des Modulators (18; 44) dem Empfänger (26a-26f, 28a-28f; 70, 48) gegen­ überliegt und mit diesem eine zweite Lichtübertragungsstelle bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender ein Sende-Lichtleiterelement (24a-24f; 46) aufweist, in das ein Lichtsendeelement (22; 68) einstrahlt und daß das Licht aus dem Sender am Ende des Sende-Lichtleiterelements (24a-24f; 46) austritt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger ein Empfangs-Lichtleiterelement (28a-28f; 48) aufweist, das mit einem Lichtempfangselement (26a-26f; 70) derart gekoppelt ist, daß von dem Empfangs-Lichtleiterelement (28a-28f; 48) empfangenes Licht zu dem Empfangselement (26a-26f; 70) übertragen wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleiterelement (56) des Modulators (44) einen Querschnitt aufweist, der mit dem lichtaussendenden bzw. lichtempfangenden Quer­ schnitt des Senders (46) und/oder Empfängers (48) übereinstimmt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Lichtleiterelements des Modulators größer ist als der lichtaussendende bzw. lichtempfangende Querschnitt des Senders und/oder Empfängers.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (44) einen Lichtleiterelementhalter (62) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterelementhalter als Teil eines Verformungskörpers verformbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleiterelement (56) des Modulators (44) derart angeordnet ist, daß eine Lateralbewegung des Lichtleiterelementhalters (62) einen lateralen Achsversatz der Lichteintritts- bzw. Lichtaustrittsachse (64, 66) des Lichtstrahls des Lichtleiters (56) des Modulators (44) gegenüber der Lichtsendeachse (52) des Senders (46) und/oder der Lichtempfangsachse (54) des Empfängers (48) in der Ausgangslage bewirkt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangszustand einer Messung die Achsen (52', 64') des Senders (46') und des Lichtleiterelements (56') des Modulators (44') an der ersten Lichtübertragungsstelle koaxial ausgerichtet und die Achse (54', 66') des Empfängers (48') und des Lichtleiterelements (56') des Modulators (44') an der zweiten Lichtübertragungsstelle lateral achsversetzt ausgerichtet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangszustand einer Messung die Achsen des Senders und des Lichtleiterelements des Modulators an der ersten Lichtübertragungsstelle lateral achsversetzt ausgerichtet und die Achsen des Empfängers und des Lichtleiterelements des Modulators an der zweiten Lichtübertragungsstelle koaxial ausgerichtet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangszustand einer Messung die Achsen (52", 54") des Senders (46") und des Empfängers (48") gegenüber der jeweiligen Achse (64", 66") des Lichtleiterelements (56") des Modulators (44") an der ersten bzw. zweiten Übertragungsstelle derart achsversetzt ausgerichtet sind, daß eine seitliche Verschiebung des Modulators (44") gegenüber dem Meß­ kopf (42") an der einen Übertragungsstelle eine Vergrößerung der Über­ deckung und an der anderen Übertragungsstelle eine Verringerung der Überdeckung von Sender (46") oder Empfänger (48") und Lichtleiterele­ ment (56") des Modulators (44") bewirkt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (44'''; 94) ein Lichtleiterelement (56'''; 106) mit mehreren Lichtwellenleitern (78, 80; 108, 110) enthält, deren Lichteintritts- und Lichtaustrittsachsen (64''', 66''') parallel zueinander angeordnet sind und daß in dem Meßkopf (42''') ein Zusatzübertragungsabschnitt (72) mit Zusatz-Lichtübertragungsstellen (74) vorgesehen ist, der ein Zusatzüber­ tragungs-Lichtleiterelement (76) aufweist, das Licht von einem Lichtwellenleiter (78) des Modulators (44''') empfängt und an einen wei­ teren Lichtwellenleiter (80) des Modulators (44''') sendet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßkopf (92) ein Sender (96) und mehrere Empfänger (98, 99) vorgesehen sind, die mit den Lichtwellenleitern (108, 110) des Modulators (94) mehrere Lichtübertragungsstellen bilden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Meßkopf mehrere Sender und ein Empfänger vorgesehen sind, die mit den Lichtleiterelementen des Modulators mehrere Lichtübertra­ gungsstellen bilden.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichteintritts- und Lichtaustrittsachsen jedes Lichtleiterelementes des Modulators (94) an den freien Enden und den Verbindungsenden zweier zueinander winklig verlaufender Arme eines Haltekörpers (100) angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sender (46'''), jedes Zusatzübertragungs- Lichtleiterelement (76) und jeder Empfänger (48''') an den Lichtübertra­ gungsstellen und den Zusatz-Lichtübertragungsstellen (74) einen jeweils unterschiedlichen Achsversatz aufweisen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (18) an den Tragebalken einer Windkanalwaage gekoppelt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (18) einen Lichtleiterelementhalter aufweist, der Be­ standteil eines Tragebalkens einer Windkanalwaage ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (14) mit einer Auswerteeinheit (30) über genau ein Lichtleiterelement verbunden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (18) derart angeordnet ist, daß Lage- und Spannungszustandsänderungen den Abstand des Modulators (18) zu dem Meßkopf (14) verändern.