DE2416708C3

DE2416708C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Verschiebung einer punktförmigen Fläche auf der Oberfläche eines festen Körpers

Info

Publication number: DE2416708C3
Application number: DE2416708A
Authority: DE
Inventors: Michel Eric Charles Paris Philbert; Jean Marcel Sylvain Joinville- Le-Pont Surget
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1973-04-06
Filing date: 1974-04-05
Publication date: 1978-06-15
Also published as: DE2416708B2; GB1471372A; US4028935A; DE2416708A1; FR2241767B1; FR2241767A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten ArL Ein derartiges Verfahren ist bekannt (DT-AS 11 08 925). Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Bei der Untersuchung des Schwingung? Verhaltens eines Körpers ist es erwünscht, kleine Verschiebungen von punktförmigen Flächen auf der überfläche des festen Körpers zu bestimmen, ohne daß hierzu eine mechanische Verbindung zwischen dem Körper und einem Meßgerät hergestellt wird, da das Meßgerät das Schwingungsverhalten beeinflussen würde.

Eine zu diesem Zweck vorgesehene Meßeinrichtung (DT-AS 11 08 925) tastet die Körperoberfläche optisch ab, was jedoch nur dann möglich ist, wenn die abgetastete Oberfläche ausreichende Reflexionseigenschaften besitzt Bei nicht oder schlecht reflektierenden Körperoberflächen versagt die bekannte Meßeinrichtung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingang.» erwähnten Art dahingehend zu verbessern, claO eine optische Messung auch bei nicht oder schlecht reflektierenden Körperoberflächen mit ausreichender Meßgenauigkeit möglich ist.

Die auf die Schaffung eines Verfahrens gerichtete Teilaufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die auf die Schaffung einer Vorrichtung gerichtete Teilaufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 2 sind in den Ansprüchen 3 bis 24 gekennzeichnet.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, das Schwingungsverhalten eines nicht reflektierenden Körpers berührungsfi ei mit hoher Meßgenauigkeit zu erfassen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. I fine schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung,

Fig.2 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Zusammenhänge zwischen den Verschiebungen der betrachteten punktförmigen Fläche und dessen Abbildung,

Fig.3 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der sich im Bereich der Abbildung ergebenden Veränderungen bei Verschiebungen der punktförmigen Fläche,

F i g. 4 und 5 schematische Darstellungen von jeweils einem Teil alternativer Ausführungsformen de Vorrichtung,

Fig.6 eine schematische Darstellung eines Teils der Vorrichtung,

F i g. 7 eine weitere Ausführungsforrn einer Vorrichtung in schematischer Darstellung, (>o

F i g. 8 einen Teil einer Vorrichtung,

F i g. 9 einen Teil einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 10 eine Ansicht einer in einer Vorrichtung vorhandenen Blende, <><,

Fig. i! eine schematische Ansicht eimer Geräteauslührung der Vorrichtung,

Fie. 12 einen Schnitt durch einen Teil der Vorrichtung nach F ig. U,

Fig. 13 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der bei einer Verschiebung der betrachteten punktförmigen Fläche auftretenden Vorgänge,

F i g. 14,15,16 und 18 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen einer Vorrichtung und

F i g. 17 eine Ansicht eines bei einer Ausführungsform der Vorrichtung verwendeten Gitters.

In F i g. 1 ist der feste Körper, dessen Verschiebungen bestimmt werden sollen, schematisch durch die Linie Σ veranschaulicht Dieser Körper kann eine beliebige Form aufweisen. Die Messung kann beispielsweise an einem mechanischen Bauteil durchgeführt werden, etwa an einer Schaufel einer Turbo-Maschine, wobei die Schaufel an einem Schlagwerk befestigt ist und so periodischen Belastungen ausgesetzt ist. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen dann die Verschiebungen oder Lageveränderungen verschiedener Punkte des Werkstückes bestimmt werden, um daraus Rückschlüsse auf das Schwingungsverhalten der Schaufel zu ziehen. Ein solcher betrachteter Punkt ist mit O veranschaulicht. Auf den Punkt O, d. h. in einem sehr kleinen, diesen Pumkt umgebenen Bereich, wird ein Plächenstück G einer catadioptischen Eigenschaften aufweisenen Folie geklebt. Unter »catadioptischen Eigenschaften« wird dabei ein Reflexionsverhalten verstanden, welches dazu führt, daß einfallende Lichstrahlen in ihre Einfallsrichtungen rückgestrahlt, werden. Von einem solchen im Handel erhältlichen Band oder einer entsprechenden Folie wird ein Stück abgeschnitten und dieses Stück im Punkt O mit dem Werkstück oder Körper Σ beispielsweise durch Klebung verbunden.

Anstelle der Verwendung einer Folie kann auf den Körper zur Bildung einer Auftragsschicht ein Anstrich mit catadioptischen Eigenschaften aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Lichtquelle S auf, die beispielsweise durch den Leuchtfaden einer Glühbirne gebildet wird. Ein Kondensator O\ erzeugt eine Abbildung der Lichtquelle S auf einem Projektionsobjektiv, welches vorteilhaft aus zwei Linsen Ch und Ch besteht, nachdem die Lichstrahlen an einem halbtransparenten ebenen Spiegel T reflektiert wurden, der unter 45° zur Strahlenachse geneigt ist. Unmittelbar neben dem Kondensator O\ ist eine als Lochblende ausgebildete Blende D angeordnet. Die aus der Blende D austretenden Lichstrahlen werden auf das reflektierende Folienstück E od. dgl. projiziert, wo sie einen gleichmäßig beleuchteten Bereich abgrenzen. Die Lichstrahlen sind dabei so gelenkt, daß der erleuchtete Bereich etwas größer als das rückstrahlende Folienstück Eod. dgl. ist.

Der Aufbau des Projektionsobjektivs durch zwei nebeneinanderliegende Objektive O₂ und O₃, beispielsweise zwei Clairaut-Objektive, deren Brennpunkte jeweils mit der Blende D und dem Folienstück E zusammenfallen, gestattet eine Fokussierung den jeweiligen Abständen entsprechend, wobei Objektive Ch mit unterschiedlichen Brennweiten zusammen mit dem Objektiv O₂ verwendet werden.

Wenn für das rückstrahlende Element E eine diffuse catadioptische Oberfläche mit hoher Richtwirkung gewählt wird, wie etwa ein Überzug aus Glaskügelchen, verhak sich das Element £in Richtung des Strahlenganges wie eine Lichtquelle hoher Intensität, die sich von einem praktisch dunklen Untergrund abhebt, nämlich der Oberfläche des Körners oder Werkstückes.

Der vom Element E unter Streuung rückgestrahlte Lichtfluß durchquert die Objektive O? und Ch und den halbdurchlässigen Spiegel T wobei die genannten Objektive in der Ebene P (F i g. 2) einer messerartigen Blende C eine Abbildung des rückstrahlenden Elemen- s tes Eerzeugen. Die messerartige Blende C₁ deren Ebene senkrecht zur optischen Achse p' die auch die gemeinsame Achse der Linsen Οι, Ot und Oa ist, liegt. weist eine Kante oder einen Rand f auf. Die Lichstrahlen, die in der Ebene P an der einen Seite des Randes f ankommen, durchdringen diese Ebene, während diejenigen Lichstrahlen in der Ebene, weiche an der anderen Seite des Randes f auf treffen, durch das Blendenmesser abgedeckt werden.

Ein Leuchtfeldobjektiv Oa ist unmittelbar hinter der is Messerblende C angeordnet und sichert die optische Verbindung des Objektivs O₂-O₃ und der Meßfläche r eines lichtempfindlichen Empfängers R, beispielsweise einer Fotozelle, welche an seinem Ausgang eine der auf die Meßfläche r auffallenden Lichtmenge analoge, vorzugsweise proportionale, Spannung liefert.

Wenn das Element E eine quadratische Umriflform aufweist, so ist die von den Objektiven O2-OJ in der Ebene P der Messerblende C — welche der senkrecht zur optischen Achse ρ liegenden und durch den 2s betrachteten Punkt O am Element Egehenden Ebene P konjugiert ist — erzeugte Abbildung ein Parallelogramm.

In einer bestimmten Stellung des Körpers Σ, welche beispielsweise eine Anfangsstellung oder eine neutrale Stellung ist, wird die Abbildung des Elementes Edurch das in starken Linien in F i g. 3 dargestellte Parallelogramm veranschaulicht. Ein Teil des Parallelogramms, und zwar derjenige, der durch die Punkte a, b, c und d begrenzt ist liegt außerhalb der Messerblende C. Die vom Element Eherkommenden Lichstrahlen, die in der Ebene P im Inneren dieses Parallelogrammteiles ankommen, durchdringen die Ebene. Im Gegensatz hierzu werden diejenigen Strahlen nicht durchgelassen, welche in der Ebene P in dem in dickem Strich gestrichelten Teilbereich des Parallelogramms ankommen und auf die lichtundurchlässige Messerblende C auftreffen.

Die Lichtmenge, die auf die lichtempfindliche Meßfläche rgelangt, entspricht der Teilfläche a, b, cund 4s c/des Parallelogramms.

In einer anderen Stellung des Werkstückes oder Körpers Σ mit dem rückstrahlenden Element E wird dessen Abbildung beispielsweise durch das in F i g. 3 in dünnen Linien eingezeichnete Parallelogramm gebildet. Eine Teilfläche dieses Parallelogramms liegt immer noch außerhalb der Messerblende C; diese Teilfläche ist durch κ, ti, d und «5 veranschaulicht und es ist klar erkennbar, daß diese Fläche einen anderen Flächeninhalt aufweist als die Teilfläche a, b. c und d Das Licht, ss welches auf die lichtempfindliche Meßfläche r gelangt besitzt eine dem Flächeninhalt dieses Flächenteiles et, ti, d, ö und des Parallelogramms entsprechende Energie. Da das Parallelogramm gleichmäßig ohne Schwankung der Helligkeitswerte ausgeleuchtet ist kennzeichnet die Änderung des Ausgangssignals des lichtempfindlichen Empfängers R, beispielsweise einer Fotozelle, die Verschiebung des rückstrahlenden Elementes E und folglich des festen Körpers Σ, welcher das Element tragt hs

Die räumliche Verschiebung des Punktes O des Elementes E ist durch den Vektor OA in Fig.2 veranschaulicht Der Vektor OB ist die Projektion des Vektors OA auf die zur optischen Achse ppf senkrechte und den Punkt Oenthaltende Ebene. Der Vektor OB_x ist die Projektion des Vektors OB auf eine Achse χ in der Ebene P, die senkrecht zum Rand /"der Messerblende C verläuft. Der Vektor OB_x ist somit die Projektion des Verschiebungsvektors OA auf die Achse x.

Die Vektoren OB" und O'ß,' sind die Abbildungen der Vektoren OB und Oß, auf die zur Ebene l· konjugierte und die Messerblende Centhaltende Ebene

Wie F i g. 2 veranschaulicht, ist das Ausgangssignal des lichtelektrischen Empfängers R proportional dem Vektor O'ß/, dessen vorderer Endpunkt B_x' auf der Geraden ad liegt, welche aus der Geraden a </bei der Verschiebung des Parallelogramms aus der in starker Linien veranschaulichten Stellung in die mit dünnen Linien veranschaulichte Stellung hervorgegangen äst.

Die Verwendung des Leuchtfeldobjektivs O₄ stellt sicher, daß die Abbildung des Parallelogramms auf der lichtempfindlichen Meßfläche r nicht verschoben wird Daher erhält immer derselbe Bereich der lichtempfindlichen Meßfläche r das Meßlicht, wodurch der Einfluß von eventuellen Änderungen der Empfindlichkeit der Meßfläche r der Foto-Kathode des lichtempfindlichen Empfängers Λ ausgeschaltet wird.

Auch bei der Darstellung gemäß Fig.4 ist davor ausgegangen, daß auf einen Punkt O, dessen Verschiebung gemessen werden soll, ein unter Lichstreuung reflektierendes Element E aufgeklebt ist. Um die in der Achsen x, y und ζ liegenden Komponenten de: Verschiebungsvektors A zu bestimmen, wird eine zuvor anhand der F i g. 1 bis 3 beschriebene Vorrichtung welche als Visieroptik L\ mit der optischen Achse p, veranschaulicht ist, in Fluchtrichtung mit einer der Achsen, beispielsweise der Achse x, angeordnet. Mil Hilfe einer Messerblende C\ der genannten Visiervorrichtung wird die Komponente By, die senkrecht zurr Rand /Ί der Messerblende C\ liegt, ermittelt, und zwar durch die elektrische Ausgangsspannung des zui Vorrichtung gehörenden lichtempfindlichen Empfängers.

Wird die Messerblende Q derart gedreht, daß iht Rand bei /2 senkrecht zum Rand /Ί liegt, wie dies bei Q veranschaulicht ist, so kann die Komponente B, in der Achse zermittelt werden.

Eine zweite Vorrichtung der oben beschriebenen Art als Visieroptik L2 veranschaulicht, fluchtet mit ihrei optischen Achse pi mit der Achse y. Auf diese Weise kann mit einer Messerblende Cz als Teil der Zieloptik L. die Komponente B_x des Vektors A ermittelt werden wenn der Rand /3 senkrecht zur Achse χ liegt. Auf diese Weise sind die Komponenten des Verschiebungsfaktor! A bestimmbar.

Weiterhin ist insbesondere dann, wenn das rückstrah lende Element Emit einem Metallkörper verbunden ist vorgesehen, vor jede Zieloptik ein Polarisationsfilter zi setzen, wobei die Polarisationsebenen aufeinandei senkrecht stehen. Auf diese Weise wird der Einfluß de Lichtanteils erheblich vermindert der von der Umge bung des rückstrahlenden Elements E reflektiert wird wodurch der Kontrast der lageveränderlichen Abbil dung und als Folge hiervon die Stärke des Signalaus Schlages verbessert wird.

Mit Hilfe der Visiervorrichtung Li kann auch die Komponente B₁ ermittelt werden, wenn die Messerblen de Cj in die bei O, veranschaulichte Stellung gebrach wird, bei der ihr Rand U senkrecht zurAchse zliegt.

Bei einer anderen Ausführungsform können dii

optischen Achsen p\ und pi der Visieroptiken L\ und L^ auch einen anderen Winkel als 90° zwischen sich einschließen und somit nicht aufeinander senkrecht stehen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist eine Visieroptik L\ vorgesehen, wie sie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde, und die eine Messerblende Ci aufweist, deren Rand /·. in der optischen Achse />/ und senkrecht zur Achse ζ liegt. Eine Leuchtfeldlinse O₄ 2 projeziert den nicht abgedeckten Teil des Strahlenbündels auf einen ersten lichtempfindlichen Empfänger R₂.

Ein halbdurchlässiger Spiegel Fist in den hinter dem halbdurchlässigen Spiegel T liegenden Strahlengang eingeschaltet. Der in der Achse p\ reflektierte Lichtanteil ist teilweise von einer Messerblende Γι abgedeckt, deren Rand in der Achse p·,' und senkrecht zur Achse /liegt. Eine Leuchtfeldlinse CVi projiziert den nicht abgedeckten Teil des Strahlenbündels auf die lichtempfindliche Oberfläche eines lichtempfindlichen Empfängers R_u dessen Ausgangsspannung d:aher der Komponente B, des Verschiebungsvektors A analog ist.

Zur Eichung einer Vorrichtung mit einer Visieroptik, einer Messerblende und einem lichtempfindlichen Empfänger wird eine der Messerblenden, beispielsweise die Messerblende G verschieblich derart an einer Trägerplatte g befestigt, daß sie unmittelbar von Hand senkrecht zu ihrem Rand /i verschoben werden kann. Bei feststehendem Körper Σ wird die Messerblende um einen Weg x¹ verschoben. Dies ergibt eine Änderung s¹ des Ausgangssignals. Daraus ergibt die Eichkonstante

" s'

ermittelt, wobei γ die Vergrößerung des Projektionsobjektives ist.

In einer Abwandlung ist die Messerblende fest mit einem Antriebsorgan zu ihrer linearen Bewegung verbunden, welches durch elektrischen Strom oder elektrische Spannung gesteuert wird. Die Stromstärke oder der Wert der Spannung ist dann ein Maß für den Verschiebeweg der Messerblende.

Wenn die Vorrichtung zur Untersuchung eines zu Schwingungen angeregten Körpers verwendet wird, wird die Eichung vorteilhaft dadurch vorgenommen, daß das Antriebsorgan zur Erzeugung einer linearen Bewegung durch ein elektrisches Wechselsignal emer mehr oder weniger hohen Frequenz gesteuert wird, wobei beispielsweise der wirksame Ausschlag des Eichsignals einer wirksamen Amplitude der mechanischen Schwingung zugeordnet wird. Auf diese Weiie werden Signalverschiebungen bei niedrigen Frequenzen leichter ausgeschaltet.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.6 sind die nicht mehr näher dargestellten Teile dieselben wie bei der Ausführungsform gemäß 1; jedoch ist die Messerblende C an einem linear beweglichen Antriebsoigrji eines Motors M befestigt dessen Antriebsrichtung in der Ebene der Messerblende und senkrecht zu ihrem Rand f liegt. Der Ausgangs s des lichtempfindlichen Empfängers R liegt an einem Verstärker AM, dessen Ausgangssignal exakt den Antriebsgrad des Motors M bildet Damit ist ein geregeltes System geschaffen, welches durch Verschiebung der Messerblende C die RelativsteUungen einerseits der Abbildung des rückstrahlenden Elementes in der Ebene der Messerblende und andererseits des Randes / der Messerblende im Sinne einer Konstanthaltung ausregelt. Der Spannungswert am Ausgang des Verstärkers ist ein Maß für die Komponente des Verschiebungsvektors.
Die Übertragungsfunktion der Regelung lautet:

y
.v'

k'

■■■ :■

Hierin bedeutet:

χ¹ Eingangsgröße = Verschiebung der Abbildung,

y Ausgangsgröße = Anstieg der Spannung an den

Motorklemmen,
is β Spannungsverstärkung am Verstärker,

/ι Wirkungsleitwert des Motors (Verhältnis der Längsbewegung der Messerblende zur angelegten Spannung),

k Transfer-Impedanz der Empfängervorrichtung (Verhältnis der Längsbewegung x¹ der Messerblende bei festgehaltener Abbildung zum Anstieg s¹ der Ausgangsspannung des Empfängers), k' = yk.

Die Fehlerübertragungsfunktion lautet

k¹

Durch Wahl eines Verstärkers, dessen Verstärkung groß ist gegenüber —, wird der Fehler e klein, und die

Messerblende folgt den Verschiebungen der Abbildung mit einer guten Annäherung.

Die Lichtintensität, der Einfall der Lichtstrahlen, die Abmessung und die Gefügeform des als Zielfläche dienenden rückstrahlenden Elementes haben keinen praktischen Einfluß auf die Messung. Die Eichung ist unabhängig von den Betriebsbedingungen und durch die Übertragungsfunktion des Motors bestimmt.

Bei dem in F i g. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Projektionsobjektiv Ch - Ch in Strahlrichtung vor dem halbdurchlässigen Spiegel T im Strahlengang angeordnet. Es ist daher möglich, im Strahlengang des von der Zielfläche oder dem Element E auf dem Körper Σ reflektierten Lichtes hinter dem halbdurchlässigen Spiegel T ein dem Objektiv Oi gleiches Objektiv O₅ anzuordnen, welches die Abbildung der Zielfläche ins

so Undendliche projiziert. Hinter dem Objektiv Os ist ein Objektiv Ob mit kurzer Brennweite angeordnet, welches die Abbildung der Zielfläche in der Ebene der Messerblende C abbildet. Dadurch wird die Verschiebung der Abbildung außerordnet lieh klein gehalten, derart daß für die aus dem Empfänger R, dem Verstärker AM und dem Motor M bestehende Regelanordnung ein Motor M gewählt werden kann, der lediglich sehr geringe Verschiebungen der Messerblende erzeugt Eine solche Begrenzung der Amplitude der Verschiebungen der Messerblende ermöglicht einen Betrieb mit vergleichsweise niedrigen, vom Verstärker AM erzeugten Steuerspannungen.

In Anbetracht dessen ist als Motor eine piezoelektrische Vorrichtung vorgesehen, welche einen einwand- freien Betrieb über einen vergleichsweise großen Frequenzbereich ermöglicht beispielsweise von 0 bis IiXX) Hertz, ohne daß Phasenverschiebungen auftreten. Bei einer Anordnung, bei der die Brennweite des

Objektivs O₅ 400 mm, diejenigen des Objektivs O₆

10 mm beträgt, führt eine Schwingungsamplitude der Zielfläche oder des Elementes E von 1 mm zu einer Verschiebung der Abbildung um 25 μηι.

Bei der Ausführungsform der Regelanordnung gemäß > Fig. 8 wird der Motor durch einen nach Art eines Bimetallstreifens arbeitenden piezoelektrischen Stab 11 gebildet, dessen Steuerspannung über zwei Elektroden ~\2 und 13 in der in F i g. 8 dargestellten Lage angelegt wird und eine Ausdehnung der einen Fläche und eine ι ο Kontraktion der anderen Fläche bewirkt, was zu einer Ausbiegung des Stabes 11 führt. Bei dieser Ausführungsform bilden die Elektroden 12 und 13 eine Einspannung für den Stab, derart, daß das dem eingespannten Ende gegenüberliegende Ende 14 des Stabes 11 eine Auslenkung senkrecht zur Längserstreckung des Stabes

11 erfährt. Der Stab 11 ist unter einem kleinen Winkel gegen den Strahlengang angestellt, derart, daß seine Kante 15, deren Stellung so einreguliert ist, daß sie in der neutralen Mittelstellung des Werkstückes oder Körpers mit der Abbildung der Zielfläche zusammenfällt, als Rand der Messerblende dient. Auf diese Weise wird vermieden, daß der Stab mit einer besonderen Messerblende gewichtsmäßig belastet wird.

Mit einem Stab von 5 mm wurden Auslenkungen des Randes oder der Kante 15, welche als Rand / der Messerblende C wirkt, in der Größenordnung von 20 μπι unter einer Steuerspannung von 200 Volt erzielt.

Damit wird ein Regelkreis mit einem Übertragungsfehler von

= 0,1

.1°

geschaffen, welcher bis zu 250 Hertz praktisch konstant ist.

Für eine Erhöhung der Regelgenauigkeit wird eine vergleichsweise geringe Vergrößerung der Abbildung auf der Messerblende gewählt. Ein Ausgleich wird durch die Verwendung eines als Fotovervielfacher ausgebildeten Empfängers geschaffen. Die Abbildung der Zielfläehe wird dabei vorteilhaft durch ein Objektiv Oj (F i g. 7) im Inneren eines Loches G geringen Durchmessers erzeugt. Ein Objektiv Ot stellt die Konjugation der festen Pupille und der Fotokathode sicher.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 9 ist die Vorrichtung entsprechend derjenigen gemäß F i g. 1 aufgebaut, weist somit eine Lichtquelle S, einen Kondensor Oi.eine Lochblende D, einen halbdurchläisigen Spiegel Γ und Objektive Ch und Ch auf. Die Lichtstrahlen werden nach dem Durchtritt durch die Blende D durch den Spiegel T reflektiert, durchlaufen die Objektive Ch und Ch und beleuchten die in Fig.9 nicht mehr näher dargestellte durch das Element E gebildete catadioptische Zielfläche.

Die von der ZielHäche reflektierten Lichtstrahlen treten durch die Objektive Ch und Ch und bilden eine optische Abbildung E der Zielfläche auf der Fotokathode PC eines als Fotomultiplikator ausgebildeten lichtempfindlichen Empfängers R. Die optische Abbildung E wird in eine elektronische Abbildung E umgewandelt, welche Verschiebungen der optischen Abbildung der Zielfläche exakt folgt Der so erzeugte Elektronenstrahl FE wird durch geeignete Elektroden beschleunigt und an einer inneren Platte mit einer kleinen öffnung ω gebündelt Der Fotomultiplikator R ist mit elektromagnetischen Ablenkspulen B_x und B₂ versehen. Ohne eine Verschiebung der Zielfläche bildet sich die Abbildung E im Zentrum der Fotokathode PC und die Elektronenstrahlen durchlaufen das Zentrum der inneren Platte, derart, daß die Begrenzungslinie der elektronischen Abbildung E durch die Achse der öffnung ω (F i g. 10) geht. Der Teil der Elektronenstrahlen, der die öffnung durchläuft, wird dann durch verstärkende Drallanoden Di, Ch, CK D* ... zur Empfängeranode AN geleitet.

Wenn die Abbildung E der Zielfläche nach oben oder nach unten verschoben wird, erfährt die elektronische Abbildung Γ eine entsprechende Verschiebung, was zu einer Änderung des Elektronenflusses durch die öffnung ω und damit zu einer Änderung des Ausgangsrelais des Fotomultiplikators R führt.

Das Ausgangssignal wird über den Verstärker AM an die Ablenkspulen B\ und Bi gelegt, derart, daß die Ablenkung der Elektronenstrahlen die Abbildung Γ wieder zum Zentrum der öffnung ω zurückführt. Dadurch wird ein Regelkreis geschaffen, und die Ausgangsspannung VSdes Verstärkers RM ist ein Maß für die Verschiebungen der Abbildung entlang der durch die Ablenkspulen B\ und Bi bestimmten Achse.

Durch zwei nicht näher dargestellte weitere Ablenkspulen, die in einer zur Achse der Ablenkspuien B\ und Bi senkrechten Achse angeordnet sind, kann auf analoge Weise die Horizontalkomponente der Bewegung gemessen werden.

Mit einem einzigen Fotomultiplikator mit Strahlablenkung kann auf diese Weise die Amplitude und die Richtung der Verschiebung in einem Achsensystem gemessen werden, welches durch die Ausrichtung der Ablenkspulen Si, Bj und der weiteren zugeordneten Ablenkspulen bestimmt ist. Eine der Vorrichtung gemäß F i g. 6 entsprechende Vorrichtung, deren Ausrichtung zu dieser um 90° geschwenkt ist, gestattet die Messung einer dritten Verschiebungskomponente, die nicht in der Ebene der beiden genannten Komponenten liegt, wodurch die Lage des Verschiebungsvektors im Raum erfaßt werden kann.

Mit Hilfe eines derartigen Fotomultiplikators mit Strahlablenkung wird die Bandbreite der Regelung erheblich in Flichtung auf höhere Frequenzen vergrößert, da die Ablenkung des Elektronenstrahles nicht durch Trägheitskräfte beeinflußt ist.

Mit dem in F i g. 11 dargestellten Gerät wird eine Turbo-Maschinenschaufel 21 mit zweidimensionalem Profil geringerer Dicke untersucht. Die Schaufel 21 wird durch zwei Schwingungserreger 23 und 24 auf Torsion belastet, wobei die Kräfte über zwei Spannstücke 25 und 26, die im Bereich der Längsränder der Schaufel 21 angreifen, übertragen werden.

Die Anordnung 27 mit der Schaufel 21 und ihren Schwingungserregern 23 und 24 ist auf einer Konsole 28 aus Beton gelagert, welche gegenüber dem Boden über schwingungsdämpfende Stützen 29 und 30 abgestützt ist.

Auf die Außenfläche 31 der Schaufel sind in Schaufellängsrichtung verlaufende catadioptische Bän der Gi, G2, G3, Gi und Gs geklebt Diese unter Lichtstreuung reflektierenden Bänder bestehen aus einer Klebefolie mit Glaskügelchen.

Die Visieroptik L der in Fig. 12 veranschaulichten Art liegt in einer zu den Erzeugenden der Schaufel 21 senkrechten Ebene und ist etwa unter 45° gegenüber der Normalen zur Längsmittelebene der Schaufel geneigt Die Visieroptik L (vgl. auch Fig. 12) weist in einem ersten Gehäuse 31 eine in der Nähe des Gehäuseendes liegende Lichtquelle auf, welche durch eine Glühlampe 32 gebildet ist Die Blende 32 weist eine

quadratische öffnung auf, deren eines Seitenpaar parallel und deren anderes Seitenpaar senkrecht zu den Erzeugenden der Schaufel 21 liegt. Eüine Linse 34 verbindet den Glühfaden 35 der Glühlampe 32 mit den Linsen 36 und 37 eines Clairaut-Objektivs, welches in einem zum ersten Gehäuse 31 senkrecht liegenden Gehäuse 38 gelagert ist. Das Hauptgehäuse 38 weist den halbdurchlässigen Spiegel 39 auf, welcher das aus dem ersten Gehäuse 31 auftretende Strahlenbündel 40 umlenkt, das durch gegenüberliegende öffnungen 41 und 42 des ersten Gehäuses 31 und des Hauptgehäuses 38 gelangt. Das aus den Clairaut-Objektiven austretende Strahlenbündel 43 ist auf die Schaufel 21 gerichtet, und das rückgestrahlte Strahlenbündiel bildet nach seinem Austritt aus der Rückseite des halbdurchlässigen Spiegels 39 eine Abbildung der Zielfläche in der Ebene einer Messerblende 44. Die Messerblende 44 ist an einem Biendenträger 45 befestigt, der an einem geradlinig hin- und herbewegbaren Blendentisch 46 und dieser wiederum an einem drehbaren Blendentsich 47 gelagert ist, der im Inneren eines an einem Flansch 49 des Hauptgehäuses 48 befestigten gehäuseartigen Tragteil 48 liegt. Die Messerblende 44 liegt in einer Ausnehmung 50 eines Tragteils 51, in dem eine Linse 52 gelagert ist, welche die Bildebene der Clairaut-Objektive 36 und 37 mit der fotoelektrischen Zelle 53 eines lichtempfindlichen Empfängers 54 verbindet, dessen Ausgänge 55 und 56 das zu ermittelnde Signal liefern.

Die Visieroptik ist um eine Achse 57 (vgl. Fig. 11) drehbar gelagert, welche Teil eines Supportes 58 ist, der von einer Trägerplatte 59 abgestützt ist. Die Trägerplatte 59 weist Verstellmittel 60 auf, mit denen sie in der Ebene der Darstellung gemäß F i g. 11 der einen oder anderen Richtung an einer Parallelführung gegenüber einem Tragtisch 61 verschoben werden kann, der selbst wiederum auf einem Grundkörper 62 derart gelagert ist, daß er gegenüber dem Grundkörper senkrecht zur Richtung der Verschiebung der Trägerplatte 59 gegenüber dem Tragtisch 61 in der einen oder anderen Richtung verschoben werden kann. Der Grundkörper 62 ruht mit eine Spitzenlagerung bildenden Füßen 63 auf Säulen 64 der Konsole 28.

In Fig. 13 ist die Stellung der Abbildung/4 SCDder Lochblende 33 auf einem rückstrahlenden Band G dargestellt. In der Ebene der Messerblende 44 spielen sich bei der Schwingung der Schaufel alle Vorgänge so ab, als sei die Messerblende und die Abbildung des rückstrahlenden Bandes G feststehend und lediglich die Abbildung A B C D der Lochblende 33 beweglich.

Die Einstellungen werden derart vorgenommen, daß in der Anfangsstellung die Abbildung der Lochblende bzw. ihrer öffnung auf einem Rand, beispielsweise dem Rand // des Bandes aufliegt, so daß dieser Rand // beidseits eines Abschnittes EF zwischen den Rändern AD und BC Rechtecke gleicher Höhe ΔΧ" mit den Begrenzungspunkten ABEF und EF H G abteilt. Dadurch wird ein maximaler Amplitudenausschlag des optischen Signals erreicht, ohne daß- sprunghafte Signaländerungen durch eine Verschiebung des Randes des Bandes über den Rand der Abbildung der öffnung der Lochblende hinaus auftreten. Die Leuchtstärke der Lichtquelle wird so eingestellt, daß die Ausgangsspannung des lichtempfindlichen Empfängers in der Mittelstellung Null ist

Wenn die Schaufel Schwingungen hoher Amplitude unterworfen ist, wird das projizierte Rechteck nur wenig abgedeckt, derart, daß die Seite AH im wesentlichen der maximalen Amplitude zwischen zv.ei gegensinnigen Ausschlügen entspricht, wobei die Leuchtstärke der Lichtquelle reduziert wird.

Bei Schwingungen geringer Amplitude wird umgekehrt die projizierte Abbildung in ihrer Höhe verringert ^s und die Lichtintensität erhöht, um dieselbe Intensität des elektrischen Signals zu erhalten.

Bei der in Fig. 14 schematisch veranschaulichten Anordnung ist der feste Körper nicht mit einem rückstrahlenden Element versehen, jedoch ist die

ίο Richtung seiner Verschiebung bekannt: Es ist dies die mit (Δ) gekennzeichnete Richtung. Die Verschiebung eines Punktes Pdes Körpers Σ wird dadurch bestimmt, daß die Achse 6' einer ersten Visieroptik L\ und die Achse 62' einer zweiten Visieroptik Li auf den Punkt P

is gerichtet werden, wobei die Achsen 61' und 62' aufeinander senkrecht stehen. Die Visieroptik Li projiziert auf den Punkt P die Abbildung ihrer Blende. Sie ist nicht mit einer Messerbiende und einem lichtempfindlichen Empfänger versehen. Umgekehrt ist die Visieroptik Li nicht mit einer Lichtquelle und einer Lochblende versehen. Bei der Verschiebung des festen Körpers Σ in die Stellung Σ' gestattet sie durch die am Ausgang ihres lichtempfindlichen Empfängers auftretende Spannung die Bestimmung der Größe des Vektors PP₀. Diese Bestimmung gestattet die Bestimmung der Größe des Vektors PP, da die Richtung (Δ) der Verschiebung des festen Körpers bekannt ist.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 15 ist eine geometrische Bestimmung vorgesenen: P ist der Schnittpunkt des Verschiebeweges in der Verschieberichtung (A) des Punktes /'mit der Geraden (ό), welche selbst wiederum die Verschneidungslinie der Ebene Σ' mit derjenigen Ebene ist, welche durch die den Verschiebeweg darstellende Gerade in Richtung (A) und die Strahlenachse 61 der Visieroptik L\ bestimmt ist.

Mit der in F i g. 16 schematisch dargestellten Vorrichtung soll die Verschiebung eines Punktes P₁ eines festen Körpers 5 untersucht werden, der in Fig. 16 in den beiden Stellungen Sund S veranschaulicht ist. Auf den Punkt P₅ ist ein catadioptisches Element V geklebt, welches durch eine Kugel aus Glas oder anderem durchsichtigen Material mit einem Durchmesser in der Größenordnung von Zehntelmillimetern gebildet ist. Die optische Achse ppi eines Objektivs Q schneidet das catadioptische Element V und fällt nicht mit der Normalen auf die Oberfläche des Körpers Sim Punkt P_s zusammen. Eine Lichtquelle L ist hinter eine Lochblende W angeordnet; die Lochblende W weist eine kreisrunde öffnung auf, an der eine Linse L\ angeordnet ist, deren Achse senkrecht zur optischen Achse pff des Objektivs Q liegt. Das aus der Lochblende IV austretende Licht wird durch einen halbdurchlässigen Spiegel LS reflektiert, der im Schnittpunkt der optischen Achse pp' und der Achse der Linse L\ liegt und gegenüber diesen Achsen um 45° geneigt ist Das Objektiv Q bildet auf der Oberfläche des Körpers F die Lochblende IVbzw. deren öffnung ab, deren Abbildung nicht notwendigerweise kreisrund ist, jedoch erheblich größer ist als das catadioptische Element V, beispiels-

fto weise in der Größenordnung von einigen Millimetern liegt Die Linse L\ konjugiert die Lichtquelle L mit der Ebene des Objektivs Q.

Das vom catadioptischen Element Vreflektierte Licht wird durch das Objektiv Q in der Ebene eines Gitters C in Reflexionsrichtung hinter dem halbdurchlässigen Spiegel LS gebündelt Das Gitter G wird duch abwechselnd angeordnete undurchsichtige bzw. durchsichtige Bänder g bzw. g gleicher Breite gebildet (vgl.

Fig. 17). Eine am Gitter G angeordnete Linse L? konjugiert die Ebene des Objektivs Q mit der lichtempfindlichen Oberfläche eines Empfängers R.

Wenn in der Stellung S des Körpers der die Abbildung des Elemenis V bildende Lichtfleck ν mit ; einem Durchmesser θ in der Ebene des Gitters G auf einem durchsichtigen Band oder Streifen g zu liegen kommt, wie dies in F i g. 17 veranschaulicht ist, so liefert der Empfänger R an seinem Ausgang eine Spannung. Wenn der Lichtfleck jedoch auf einen lichtundurchlässi- ι ο gen Streifen g fällt, so liefert der Empfänger R keine Spannung.

Wenn die Oberfläche des Körpers aus der Stellung 5 in die Stellung S verschoben wird, so wird der Lichtfleck in der Ebene des Gitters G beispielsweise von der Stellung ν bis in die Stellung • verschoben und überquert dabei nacheinander lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Streifen g und g. Dadurch wird am Ausgang des Empfängers R eine Spannung erzeugt, welche im wesentlichen als Rechteckimpuls aufi-ia und von der ausgehend eine Bestimmung der Art der Verschiebung des Punktes P_s möglich ist.

Der Durchmesser θ des Lichtfleckes der Ebene des Gitters G hängt von der öffnung des aus dem Objektiv Q austretenden Strahlenbündel und ebenso vom Durchmesser der das Element V bildenden Kugel ab. Der Lichtfleck ist das von der Kugel Verzeugte Abbild der öffnung des Objektives Q.

Die Breite e der Streifen oder Bänder g, g wird als Funktion des Durchmessers θ des in der Ebene des Gitters G gebildeten Lichtfleckes festgelegt.

Die Vorrichtung eignet sich zur Messung von Verschiebungen großer Amplitude mit hoher Genauigkeit.

Mit einem Gitter einer Schrittweite von einem Hundertstel Millimeter, erzeugt eine Lageänderung von 10 mm 1000 elektrische Impulse.

Eine solche Vorrichtung gestattet auch eine einfache Bestimmung der Kennwerte einer sinusförmigen Schwingung eines Werkstücks.

Bei einer Ausführungsform wird das Gitter G an einem Support befestigt, der um die optische Achse de Strahlenbündels als Drehachse einstellbar ausgebildet ist. Auf diese Weise können die Streifen oder Bänder g g derart ausgerichtet werden, daß sie senkrecht zu Verschieberichtung des Lichtfleckes liegen, was ein« maximale Signalstärke des Empfängers ergibt

Bei der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform ist das aus einer Folge von lichtdurchlässigen unc lichtundurchlässigen Bändern oder Streifen bestehend' Gitter Gaufeinem Film 101 gebildet, der beispielsweise in einer endlosen Schleife gleichmäßig weiterbeweg wird. Solange die Oberfläche des Körpers S kein Verschiebungen erfährt, ist die Frequenz des Signals welches von dem hinter dem Gitter G angeordneter Empfänger erzeugt wird, mit Rücksicht auf die gleichmäßige Bewegung des signalerzeugenden Gitter: konstant. Eine Verschiebung des ca tadioplischer Elements V, beispielsweise der Kugel gemäß Fig. 16 moduliert die Frequenz dieses Signals, wobei diese Modulation eine Information über die Bewegung dei Oberfläche des Körpers 5 enthält.

In dieser Ausführungsform ermöglicht die Vorrich tung Untersuchungen der Bewegungen der Werkstück oberfläche bei nichtsinusförmigen Schwingungen, wenn das Werkstück beispielsweise einer sägezahnartig verlaufenden Erregung unterworfen wird.

Das Werkstück kann nicht nur mit einem einstückigen catadioptischen Element wie einer Kugel, sondern aucr mit einer Vielzahl catadioptischer Elemente verseher werden, wie dies bei den oben angegebenen Anstricher oder Folien vorgesehen ist. Die auf den lichtelektrischer Empfänger gelangende Lichtmenge wird dadurch erhöht.

Hierzu X Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bestimmung der Verschiebungen einer punktförmigen Fläche auf der Oberfläche eines festen Körpers mit Hilfe eines auf den festen Körper gerichteten Lichtstrahlenbündels und der Auswertung des von dem Körper reflektierten Lichstrahlenbündels, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Fläche mit einem die Lichstrahlen in ihre Einfallsrichtung reflektierenden Bauteil voll- ι ο ständig bedeckt wird und daß zur Bestimmung der Verschiebung der punktförmigen Räche in einer Richtung eine Abbildung des Bauteils mit Hilfe der in einer gegenüber der Verschieberichtung unterschiedlichen Richtung einfallenden Lichtstrahlen is erzeugt wird, daß ein lichtundurchlässiger Schirm in der Ebene der Abbildung unter teilweiser Abdekkung der Abbildung angeordnet wird und daß die Verschiebungsinformation aus der Änderung der hinter dem Schirm vorhandenen Lichtmenge ge- ίο wonnen wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Eine Einrichtung zur Erzeugung einer Abbildung einer durch einen kleinen Teil des die punktförmige Fläche umgebenden Oberflächenabschnittes bestimmten Oberfläche mit Hilfe eines bezüglich der zu bestimmenden Verschiebung schräg gerichteten Lichtstrahlenbündeis, sowie

b) ein in der Ebene der Abbildung angeordneter und einen Teil der Abbildung abdeckender Schirm mit einer zur Gewinnung der Information vorgesehenen, lichtempfindlichen Zelle, welche die dem nichtabgedeckten Teil der Abbildung entsprechende Lichtmenge empfängt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des auf den festen Körper gerichteten Lichtstrahlenbündels ein halbdurchlässiger Spiegel angeordnet ist, der für den zur Erzeugung der Abbildung des Bauteils dienenden Strahlenanteil durchlässig ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekenrizeichnet durch eine Linsen-Einrichtung (O<) zur optischen Verbindung des Schirms (I) mit dem Bauteil (R, Jl

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leuchtfeldobjektiv (Oa,) zwischen dem Schirm (I) und der Meßfläche (r) der lichtempfindlichen Zelle ^vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Verschiebung des Schirms in seiner Ebene.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur translatorischen Verschiebung und eine Einrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung, beispielsweise um 90°, des Schirms.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch (>o gekennzeichnet, daß der Schirm an einem Antriebsorgan eines Motors gelagert ist, der mit dem verstärkten Ausgangssignal der lichtempfindlichen Zelle steuerbar ist.

9. Vorrichtungnach Anspruch 8, dadurch gekenn- <>.s zeichnet, daß das Antriebsorgan des Motors geradlinig bewegbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch

gekennzeichnet, daß der mit dem Schirm verbundene Motor ein piezoelektrischer Motor ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Motor einen Stab aus piezoelektrischem Material aufweist, dessen eine Kante einen Rand des Schirms darstellt

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-11, gekennzeichnet durch eine optische Einrichtung zur Erzeugung einer im Vergleich zur Verschiebung der punktförmigen Oberfläche geringen Verschiebung der Abbildung in der Schirmebene.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2—12, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere lichtempfindliche Zelle vorgesehen ist, deren optische Achse senkrecht zu der optischen Achse der ersten lichtempfindlichen Zelle orientiert ist und die mit einem weiteren Schirm zusammenwirkt, dessen Rand senkrecht zum Rand des ersten Schirms orientiert ist

H. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-13, dadurch gekennzeichnet, daß als reflektierendes Bauteil eine biegsame Klebefolie mit reflektierenden Mikrokugeln vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 —13, dadurch gekennzeichnet, daß als reflektierendes Bauteil ein Anstrich mit Streureflexionseigenschaften vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 — 13, dadurch gekennzeichnet, daß als reflektierendes Bautei¹ ein katadioptischer Überzug mit rechteckförmigem Umfang vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 — 13, dadurch gekennzeichnet, daß als reflektierendes Bauteil wenigstens ein Dispersionsband vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, zur Untersuchung einer Turbinenschaufel, dadurch gekennzeichnet, daß längs jeder Erzeugenden der Turbinenschaufel ein Dispersionsband angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2—18, dadurch gekennzeichnet, daß ais Schirm eine Lochblende oder eine Messerblende vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-18, dadurch gekennzeichnet, daß als Schirm ein aus abwechselnd lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Streifen oder Bändern bestehendes Gitter vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen oder Bänder des Gitters gleiche Breitenabmessungen aufweisen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter auf einem in senkrechter Richtung bezüglich der Streifenlängsachse bewegten Film ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter bzw. der Film um eine zur Achse des reflektierten Strahlenbündels senkrechte Achse in einer geschlossenen Schleife geführt ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtempfindliche Zelle ein Fotovervielfacher mit Strahlablenkung vorgesehen ist, dessen Ablenkspulen Bestandteil eines Regelkreises sind, welcher den Elektronenstrahl in der Öffnung einer Blende hält, wobei die an die Ablenkspulen angelegte Spannung ein Maß für die zu bestimmende Verschiebung ist.