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Vorrichtung zum Messen der Durchbiegung von Konstruktionsteilen Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Durchbiegung von Konstruktionsteilen
in bezug auf eine bei der Messung festgelegte Bezugslinie mit Hilfe eines Lichtstrahlenbündels,
vorzugsweise eines Laserstrahlenbündels, und am Konstruktionsteil angebrachter.,
photoempfindlicher Detektoren.
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Aus der dänischen Patentschrift 91 043 ist es bekannt geworden, die
Durchbiegung eines Schiffes unter Voll- oder Teillast mit Hilfe eines Lichtstrahlenbündels
zu messen, das von einer Lichtquelle am einen Ende des Schiffes ausgesendet und
von einem photoempfindlichen Detektor am anderen Ende des Schiffes empfangen wird.
Dieser Detektor stellt einen Teil eines Servosystems dar, welches die Lichtquelle
so steuert, dass das Lichtstrahlenbündel die richtige Richtung erhält und als Bezugslinie
dient. An derjenigen Stelle, wo die Durchbiegung des Schiffes gemessen werden soll,
ist ein Detektorsystem angebracht, auf das ein Teil des Lichtstrahlenbündels trifft.
Das Detektorsystem umfasst eine Reihe photoempfindlicher Detektoren, und bei unterschiedlicher
Durchbiegung des Schiffes werden verschiedene Detektoren vom Licht im Lichtstrahlenbündel
getroffen und erzeugen dadurch von der Durchbiegung des Schiffes abhängige Signale.
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Diese bekannte Anordnung ist ein schweres und unhandliches System,
das nur wenige und ungenaue Auskünfte über die Beanspruchungen des Schiffes gibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
angegebenen Art zu schaffen, mit deren Hilfe mehrere detaillierte Informationen
über die Durchbiegung eines Konstruktionsteils erzielt werden können. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Vorrichtung ein in bezug auf die
Quelle Ils des Lichtstrahlenbündels befestigtes, strahlenaufteilendes System zum
Aufteilen des Lichtstrahlenbündels
in wenigstens drei Teilstrahlenbündel
umfasst, die entweder parallel sind oder feste Winkel miteinander bilden und auf
je einen Detektor am Konstruktionsteil gerichtet sind, welche Detektoren,die eventuell
mit einer geeigneten Optik versehen sein können, eine so grosse Einfallöffnung haben,
dass das gesamte Licht des betreffenden Teilstrahlenbündels auf die photo empfindliche
Oberfläche des Detektors fällt, und welche Detektoren ein vom Auftrefffleck des
Lichtstrahlenbündels auf der photoempfindlichen Oberfläche bestimmtes Signal abgeben,
wobei die Ausgänge der Detektoren an eine Ausrüstung zur Bestimmung der Bezugslinie
und der Durchbiegung des Konstruktionsteils in bezug auf diese Linie angeschlossen
sind.
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Durch Anwendung des strahlenaufteilenden Systems, dessen Teilstrahlenbündel
auf Detektoren am Konstruktionsteil gerichtet sind, wird ermöglicht, Information
über die Durchbiegung in genau so vielen Punkten zu erhalten, wie Detektoren vorgesehen
sind, und durch die Anwendung derartiger Detektoren, bei welchen die Lage des Auftreffflecks
auf der photoempfindlichen Oberfläche das Ausgangssignal bestimmt, indem die Detektoren
zu jedem Zeitpunkt das gesamte im betreffenden Teilstrahlenbündel enthaltene Licht
empfangen, erhält man eine detaillierte Information über die Grösse der Durchbiegung,
und zwar in der Form eines analogen Signals, welche Signale in der angeschlossenen
Ausrüstung dazu benutzt werden, eine Bezugslinie und an denjenigen Punkten des Konstruktionsteils,
wo die Detektoren angebracht sind, die Durchbiegung in bezug auf diese Linie zu
bestimmen.
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Durch die Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung wird man ausserdem
freier gestellt bezüglich der Anordnung der Lichtquelle mit dem strahlenaufteilenden
System, die nicht unbedingt in bezug auf das Konstruktionsteil, dessen Durchbiegung
gemessen werden soll, starr angebracht sein muss, und diese unabhängige Anordnung
der Lichtquelle mit dem strahlenaufteilenden System ermöglicht es somit, auch in
denjenigen Fällen die Durchbiegung zu messen, in welchen die Anordnung der Lichtquelle
auf dem Konstru tionsteil Schwierigkeiten bereiten kann. Dies kann z.B. bei Messungen
an Hochhäusern
oder an Flugzeug-Tragflächen von Bedeutung sein.
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Durch Anwendung geeigneter Detektoren ist es ferner möglich, Durchbiegungen
in zwei Richtungen in einer zur Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlenbündels rechtwinklig
verlaufenden Ebene zu messen.
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Als strahlenaufteilendes System kann einer Ausführungsform der Erfindung
gemäss ein optisches System Anwendung finden, das aus rechtwinkligen Prismen mit
halbdurchlässigen Oberflächen zusammengesetzt ist. Eine weitere Möglichkeit wäre,
dass das strahlenaufteilende System das von der Lichtquelle ausgesendete Lichtstrahlenbündel
in Lichtimpulse aufteilt, die in zeitmultiplexer Form auf die Detektoren auftreffen,
und dass die Ausrüstung Bausteine mit Speicherfunktion enthält.
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Damit grössere Bewegungen zwischen der Lichtquelle mit dem strahlenaufteilenden
System und den photoempfindlichen Detektoren ermöglicht werden können, als sie die
Einfallöffnung der Detektoren erlauben würde, können die Detektoren nach einer Ausführungsform
der erfindungsgemässen Vorrichtung jeweils einen Teil eines Servosystems darstellen,
welches den betreffenden Detektor so verschieben kann, dass die Position des Auftreffflecks
auf der photoempfindlichen Oberfläche des Detektors beibehalten wird, und dass vom
Servosystem ein dieser Verschiebung entsprechendes Signal abgeleitet wird, welches
als Ausgangssignal der Detektoren dient.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die schematische
Zeichnung näher erklärt. Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit
sechs Detektoren, Fig. 2 Kurven, welche die mit der Vorrichtung nach Fig. 1 möglichen
Messungen und deren Bewertung veranschaulichen, Fig. 3 ein in der Vorrichtung nach
Fig. 1 zu verwendendes, strahlenaufteilendes System und Fig. 4 ein skizziertes Beispiel
für eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit zeitlich verteilter Strahlenaufteilung.
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Die in Fig. 1 veranschaulichte Vorrichtung umfasst einen Laser 1,
der einen Lichtstrahl erzeugt, welcher mit Hilfe einer geeigneten Optik 2 zu einem
dünnen Lichtstrahlenbündel gesammelt wird. Dieses Lichtstrahlenbündel wird in einen
Strahlenaufteiler 3 geschickt, welcher weiter hinten näher beschrieben werden wird
und von welchem sechs Teilstrahlenbündel 4 ausgehen, die alle dieselbe Lichtstärke
haben. Der Laser 1, das optische System 2 und der Strahlenaufteiler 3 sind relativ
zueinander fixiert und bilden somit eine Einheit, von welcher die Teilstrahlenbündel
mit fester Relation zwischen den Bahnen der einzelnen Strahlen ausgesendet werden.
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An einem Konstruktionsteil, dessen Durchbiegung gemessen werden soll,
und das in Fig. 1 durch einen Träger 5 repräsentiert wird, ist eine Anzahl photoempfindlicher'Detektoren
6 angebracht, die so verteilt sind, dass jeder Detektor von einem Teilstrahl aus
der Strahlenquelle 1, 2, 3 getroffen wird. Vor jedem Detektor ist eine Linse angeordnet,
die dafür sorgt, dass die gesamte Energie des betreffenden Teilstrahles in den Detektor
gelangt und auf dessen photoempfindliche Oberfläche fällt.
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Die benutzten Detektoren sind von derjenigen Art, die ein Signal mit
einer charakteristischen Große abgeben, welche davon abhängig ist, wo das Lichtstrahlenbündel
auf die photoempfindliche Oberfläche trifft. Folglich wird die charakteristische
Grösse des Ausgangssignals geändert, wenn der Träger 5 unter Beanspruchung seine
Lage in einer rechtwinklig zum Strahlenbündel verlaufenden Richtung ändert und dadurch
die Detektoren versetzt. Die Ausgänge der Detektoren sind durch Leitungen 8 mit
einem Rechner9verbunden, in welchem die charakteristischen Grössen der Detektor-Ausgangssignale
zwecks Ableitung der zu jedem Zeitpunkt gewünschten Auskünfte über die Durchbiegung
des Trägers verarbeitet werden. Zu diesem Zweck kann der Rechner 9 Verstärker, Linearisierungsglieder,
Filter, Begrenzerschaltungen, spitzenwertregistrierende Glieder und ähnliche Schaltungen
zur Verarbeitung der charakteristischen Grössen der Ausgangssignale enthalten. Ferner
kann der Rechner einen Analog/Digital-Umsetzer und entsprechende Ausrüstungen für
die digitale Verarbeitung der Signale sowie Ausrüstung zur
Darstellung
der Messergebnisse umfassen, wie beispielsweise Schreiber, Oszillographen, analoge
oder digitale Ausgabeeinheiten sowie Registriergeräte für den Anschluss an Datenverarbeitungsanlagen.
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Im Rechner 9 erfolgt also eine Verarbeitung der Ausgangssignale der
Detektoren 6, bei welcher in Ubereinstimmung mit den gewünschten Auskünften anhand
der Ausgangssignale eine Bezugslinie festgelegt und in bezug auf diese Bezugslinie
die Durchbiegung des Trägers angegeben wird, so wie es im folgenden unter Bezugnahme
auf Fig. 2 als Beispiel erläutert wird.
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Fig. 2 zeigt eine Reihe Messergebnisse, die mit der in Fig. 1 veranschaulichten
Vorrichtung bei Belastung des Trägers 5 hätten erzielt werden können. Diese Messergebnisse
sind durch eine Kurve A miteinander verbunden. Nachdem die Detektoren der Vorrichtung
zu einem Zeitpunkt, zu welchem der Träger unbelastet war und angenommen wird, dass
er sich in seiner neutralen Stellung befand, zuerst auf Null gestellt worden waren,
wurde der Trager einer Belastung ausgesetzt, deren Resultat in der Form einer Durchbiegung
gemessen werden soll. Wenn der Träger hierdurch an einer Stelle niedergedrückt wird,
folgt der Detektor an dieser Stelle mit, was darin resultiert, dass sich der Auftrefffleck
des Teilstrahlenbündels auf der photoempfindlichen Oberfläche des Detektors nach
oben verschiebt.
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Diese Verschiebung, die in der charakteristischen Grösse im Ausgangssignal
des Detektors, z.B. in der Hohe der Ausgangsspannung des Detektors, aum Ausdruck
kommt, ist für jeden der sechs Detektoren in der Form derjenigen Messpunkte abgetragen,
die durch die Kurve A miteinander verbunden sind.
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Im Rechner 9 wird eine Verarbeitung dieser Ausgangssignale vorgenommen,
und im vorliegenden Beispiel sind die beiden Detektoren, die an den Enden des Tragers
angebracht sind, zur Festlegung der Bezugslinie benutzt. Der Rechner bildet die
Differenz zwischen der geraden Linie zwischen den Endpunkten der Kurve A und der
eigentlichen Kurve A, so dass sich die Kurve B ergibt, welche einen direkten Ausdruck
für die Durchbiegung des Trägers 5 aus seiner neutralen Lage in bezug auf die Endpunkte
des
Trägers darstellt.
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Es liegt auf der Hand, dass auch andere Punkte des Trägers zur Festlegung
einer Bezugslinie benutzt werden können.
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Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Bezugslinie, die auf Grundlage
der der Kurve A entsprechenden Messungen gebildet ist, in bezug auf die waagerechte
Achse, welche die Bezugslinie im neutralen Zustand des Trägers, in welchem die Detektoren
nullgestellt sind, gedreht ist. Diese Anderung der Bezugslinie kann zwei Ursachen
haben. Erstens kann sich durch die Belastung oder aus anderen Gründen in der Zeit
zwischen der Nullstellung der Detektoren und der Messung unter Belastung die Lage
des Trägers geändert haben. Zweitens kann die aus dem Laser 1, der Optik 2 und dem
strahlenaufteilenden System 3 bestehende Einheit ihre Lage in bezug auf den Träger
geändert haben. Unangesehen der Anderungen der Bezugslinie und der Ursachen hierfür
gibt die Kurve B trotzdem die Durchbiegung des Trägers in bezug auf die vorgeschriebene
Bezugslinie an, und die erfindungsgemässe Vorrichtung weist somit den grossen Vorteil
auf, dass diese Durchbiegung mit Hilfe einer lichtaussendenden Einheit gemessen
werden kann, die nicht starr mit den Detektoren .verbunden zu sein braucht, sondern
deren Lage in bezug auf die Detektoren geändert werden kann, da der Rechner dann
die erforderliche Korrektur des Messergebnisses vornimmt.
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Als strahlenaufteilendes System 3 kann die in Fig. 3 wiedergegebe
ne Zusammensetzung aus rechtwinkligen Prismen Anwendung finden, deren der Hypotenuse
entsprechende Seitenflächen die Hälfte des Lichtes hindurchlassen und die andere
Hälfte reflektieren. Durch Hinzufügung rechtwinkliger Prismen, deren der Hypotenuse
entsprechende Seitenflächen das gesamte auf sie auftreffende Licht reflektieren
und die in Fig. 3 durch Doppellinien dargestellt sind, ergibt sich ein Strahlengang,
wie der strichpunktiert angedeutete, bei welchen die beiden oberen und die vier
unteren Teilstrahlen jeweils ein Achtel der Energie des Eingangsstrahls enthalten,
während der durch einen Doppelpfeil gekennzeichnete Teilstrahl ein Viertel der Energie
enthält.
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In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsfcrmeiner erfindungsgemässen
Vorrichtung wiedergegeben, bei welcher die aus dem Laser 1, der Optik 2 und einem
strahlenaufteilenden System 3' bestehende Lichtquelle einstückig ist. In diesem
Fall bildet das strahlenaufteilende System eine Anzahl Teilstrahlenbündel, die einen
Winkel miteinander bilden. Diese Teilstrahlenbündel sind, wie bei der Ausführungsform
nach Fig. 1, auf Detektoren 6 gerichtet, die mit Linsen 7 versehen sind. Der Ubersichtlichkeit
halber sind nur zwei dieser Detektorsysteme eingezeichnet.
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Bei der in Fig. 4 gezeigten Konstruktion wird zur Bildung der Teilstrahlen
ein System 3' benutzt, welches den Laserstrahl in zeitmultiplexer Form in die verschiedenen
Teilstrahlenbündel aussendet, wobei jedes Teilstrahlenbündel aus Impulsen besteht.
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Das System 3' kann zu diesem Zweck eine Reihe verschiedener Prismen
enthalten, die nacheinander in die Bahn des Laserstrahls gebracht werden. Damit
es anhand der Messungen von den Detektoren inöglich gemacht wird, die Durchbiegung
in bezug auf eine Bezugslinie festzulegen, muss der Rechner 9 Bausteine mit Speicherfunktion
enthalten, so dass die von sämtlichen Detektoren gelieferten Informationen im Rechner
9 gleichzeitig zur Verfügung stehen.
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In der Vorrichtung nach Fig. 4 sind Detektoren benutzt, die jeweils
auf einer verschieblichen Welle eines Servosystems 10 befestigt sind, welches vom
Ausgangssignal des Detektors 6 gesteuert wird und das Teilstrahlenbündel konstant
in der Mitte des photoempfindlichen Bereiches des Detektors zu halten sucht.
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Als Ausgangssignal, welches der Verschiebung des Detektors proportional
ist, wird dem Servosystem 10 ein Signal entnommen.
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Diese Konstruktion des Detektors und dessen Steuerung hat den Vorteil,
dass eine grössere Verschiebung des Detektors 6 in bezug auf das zugeordnete Teilstrahlenbündel
zugelassen werden kann, als es die Linse 7 bei feststehenden Detektoren zulassen
würde, so dass man sich einer kleineren Einfallöffnung im Linsensystem 7 bedienen
kann. Da das Servosystem im übrigen eine gewisse Zeitkonstante hat, erhält man hierdurch
eine zweckmässige Weise, um zu verhindern, dass schnelle, durch Erschütterungen
verursachte Schwankungen Einfluss auf das
Messergebnis erhalten
können.
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Die Erfindung ist nicht auf die auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen
beschränkt, sondern innerhalb des Rahmens der Erfindung sind verschiedene Kombinationen
möglich. Beispielsweise ware es möglich, statt eines Lasers eine gewohnliche Lichtquelle
zu benutzen, doch ist der Laser vorzuziehen, da dieser monochromatisches Licht erzeugt,
welches sich leicht filtrieren lässt. Die benutzten photoempfindlichen Detektoren
könnten ferner so eingerichtet sein, dass sie zwei Ausgangssignale erzeugen, die
rechtwinklig zueinander verlaufende Koordinaten für den Auftreffpunkt des Teilstrahlenbündels
repräsentieren, wodurch ermöglicht würde, eine zweidimensionale Darstellungder Durchbiegung
des Konstruktionteils zu erreichen.