DE2422706B2

DE2422706B2 - Vorrichtung zum messen der ab- oder durchbiegung von konstruktionen und konstruktionsteilen

Info

Publication number: DE2422706B2
Application number: DE19742422706
Authority: DE
Inventors: Franz Michael Dipl.-Ing. Alleroed Mannstaedt (Dänemark)
Original assignee: A/S Burmeister & Wain's Motor- og Maskinfabrik af 197!,Kopenhagen
Priority date: 1974-05-10
Filing date: 1974-05-10
Publication date: 1976-07-15
Also published as: DE2422706A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Ab- oder Durchbiegung von Konstruktionen und Konstruktionsteilen, bei d<r mit Hilfe eines von einer Lichtquelle ausgehenden gebündelten Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und an der Konstruktion oder dgl angebrachter photoempfindlicher Detektoren Bezugslinien festlegbar und jeweils bei relativer Aus-

der Auswanderung abhängige.. Signal erzeugt wird.

Es ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder von Verformungen von Gegenständen od. dgl. mit Hilfe von Laserstrahlen bekannt, bei der ein einziger, von einem fest aufgestellten Laser ausgehender gebündelter Laserstrahl verwendet wird (vgl DT-OS Ί913399). Dieser Laserstrahl trifft 'bei seiner Ausrichtung auf die Bezugslinie auf zwei Meßzellen, die an der Auswanderungsbswegung teilnehmen. Die eiae MeSzelte weist dabei eine gleichbleibende und die andere eine sich in Abhängigkeit von der Auswanderung zwischen den Meßzellen und dem Laserstrahl sich ändernde Empfindlichkeit, auf. Beide Meßzellen sind an eine Vergleichseinrichtung angeschlossen, welche die relative Auswanderung der MeB-zelle*i gegenüber dem Laserstrah! feststellt Bei dieser bekannten Anordnung trifft der Laserstrahl in jeder Stellung auf die photöempfindliche Fläche der Meßzelle, die ihrerseits auf die Änderung der Auftreffstelle des Laserstrahls auf diese Fläche anspricht
Es ist weiterhin eine Vorrichtung mit einer Lichtquelle als Bezugspunkt und einem von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl als Bezugslinie bekannt, der auf ein in einem Rotor zentriscb angeordnetes photoelektrisches Element auftrifft. Der Rotor weist auf seinem

to Umfang in Abständen verteilte Blendenlöcher oder Blendenschlitze auf, durch die der Lichtstrahl auf das photoelektrische Element treffet, kann. Der Rotor läuft mit konsiqnter Umlaufgeschwindigkeit um. Eine dem Meßelement vorgeschaltete Kondenserlinse fokusiert den Lichtstrahl auf das photoelektrische Element Wenn das Meßelement in seiner Lage quer zu der Bezugslinie abweicht, gelangt der Lichtstrahl auf einen anderen Bereich der Linse, die den Lichtstrahl nicht mehr entlang der Achse der Linse auf das photoelektrische

Element fokusiert, sondern unter einem dazu verlaufenden Winkel. Der Lichtstrahl gelangt also durch eine Blendenöffnung auf das photoelektrische Element in einer vom normalen Fall abweichenden Winkelstellung der Blendenöffnung. Die auf diese Weise erzeugten Lichtimpulse werden also gegenüber der Drehbewegung des Rotors in f ^hängigkeit von den Abweichungen phasenverschoben (vgl. brii. Patentschrift 13 23 104).
Um die Vibrationscharakieristik einer Turbinenschaufel testen zu können, ist es bekannt, einen Laserstrahl mit Hilfe eines transf irenten Sp egels in zwei Strahlen aufzuspalten. Der durch den Spiegel durchgelassene Strahlenanteil wird über eine Linse aufgefächert, so daß der Strahl eine photographische Platte gleichförmig ausleuchtet Der an dem durchlässigen Spiegel reflektierte Strahl wird ebenfalls durch ein ähnliches System aufgefächert, wobei die Anordnung so getroffen wird, daß dieser zweite aufgefächerte Strahl die eine Oberfläche einer Turbinenschaufel vollständig

ausleuchtet, die so angeordnet ist, daß das Streulicht /on der Turbinenschaufel ebenfalls auf die photographische Platte fäiit Die Schaufel wifd mit riiifc einer Vibrationseinrichtung in vorbestimmte Schwingungen versetzt Auf diese Weise erhält man ein Hologramm auf der photographischen Platte, welches Auskunft Über das Vibrationsverhalten ("er Turbinenschaufel gibt (vgL brit °atentschrift 12 18 865).

Es ist weiterhin eine tinrichtung zum objektiven Prüfen der Neigung der Verbindungslinie zweier Punkte bekannt bei der eine ladeeinrichtung für einen Lichtstrahl zugleich ab photographische Empfangseinnrknina für Hon ι irhtstrahl ausgebildet ist Dieser Sende- und Empfangseini eit sind mehrere räumlich von einander getrennte Zentralspiegel zugeordnet, die mit

Sä der Einheit nacheinander anvisiert werden können, um auf diese Weise zeitlich auseinanderliegende Meßwerte für verschiedene Punkte der zu vermessenden Konstruktion oder dgl. zu erhalten. Hiermit ist es jedoch nicht möglich, Von einer sich mit der Zeit ändernden

fio Durchbiegung eines Konstruktionsteils Momentaufnahmen zu machen (vgl. deutsche Patentschrift 4 94957).

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs näher bezeichneten Art so

weiterzubilden, daß ausgehend von einer Lichtquelle und einem gebündelten lichtstrahl an der gleichen zu vermessenden Konstruktion an verschiedenen Stellen die auftretenden Auswanderungen, Durchbiegungen

oder dgl- gleichzeitig durch korrelierende Messungen festgestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- !öst, daß eine gegenüber der Lichtquelle feste, den gebündelten Lichtstrahl in wenigstens drei gleichzeitig parallel zueinander oder unter Einschließung vorbestimmter Winkel austretende gebündelte Teilstrahlen aufteilende Einrichtung vorgesehen ist und die Signalausgänge der den Teilstrahlen zugeordneten Detektoren gemeinsam an einer Einrichtung zur Ermittlung der Bezugslinie und der dieser gegenüber auftretenden Abweichungen angeschlossen sind.

Damit wird die Möglichkeit eröffnet, Informationen über Schwingungen sowie über Resonanzph: anene in komplizierten Durchbiegemustem von Kor—-jKtionen und Konstruktionsteilen zu erhalten. , iü "g wird es erst dadurch möglich, die Ursache ffl- —ic, wünschte Schwingungen festzustellen. Auch k. « man Informationen über die Struktur der Kr ,tnsMionen erhaiten.

Ein weiterer wesentlicher Vo* < besteht darin, daß die Lichtquelle unabhängig gegenüber dem Konstruktionsteil frei aufgestellt or'er auch bewegt werden kann und nicht in eine starre Beziehung zu de^n zu kontrollierenden oder zu vermessenden Konstruktionstei! gebracht werden muß. Durch die korreüerende Messung _2S der gleichzeitig vorliegenden verschiedenen Meßwerte werden die Bewegungen der Lichtquelle gegenüber dem Konstruktionsteil automatisch kompensiert.

Eine besonders zuverlässige und einfache Anordnung erhält man, wenn man als den gebündelten Strahl aufteilende Einrichtung ein optisches System vorsieht, das aus einer Vielzahl von rechtwinkligen Prismen mit halbdurchiassigen Oberflächen zusammengesetzt ist

Zweckmaßigerweise ist jedem Detektor eine Nachstelleinrichtung zugeordnet, die in Abhängigkeit von der relativen Auswanderung von Teilstrahl und Detektor den betreffenden Detektor selbsttätig derart nachstellt, daß die Lage des Auftreff-Fleckes des Teilstrahls auf der photoempfindlichen Fläche des Detektors unverändert beibehalten wird, und daß von der Nachstelleinrichtung ein der Nachstellbewegung entsprechendes Signal abgeleitet wird. Bei dieser Weiterbildung kann sine größere Verschiebung des Detektors in bezug auf das diesem zugeordnete Teilstrahlbündel zugelassen werden, als difs mit einer linse bei feststehenden Detektoren möglich ist Auch wird es dadurch möglich, daß über die Zeitkonstante des den Nachstelleinrichtungen zugeordneten Scrvorsystems verhindert werden kann, daS kurze, durch ^.rschütterungen verursachte Schwankungen Einfluß auf das Meßergebnis erhaiten können.

Auch besteht die Möglichkeit, bei Anwendung entsprechender Detektoren Durchbiegungen in zwei Richtungen in einer zur Ausörehungsriwmuiig aus TcÜ3tr=h lenbündels rechtwinklig verlaufenden Fbene zu messen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausfüurungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

F i g. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit sechs Detektoren,

F i g. 2 ein Schaubild, welches die mit der Vorrichtung nach F i g. 1 möglichen Messungen und deren Bewertung veranschaulicht,

F i g. 3 die Ansicht einer den gebündelten Lichtstrahl in gebündelte Teilstrahlen aufteilende Einrichtung und

Fig.4 eir <&gewar '<>tes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung.

40 Die in F i g. 1 veranschaulichte Vorrichtung umfaßt einen Laser I₁ 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.

An einem Konstruktionsteil, dessen Durchbiegung gemessen werden soll, und das in F i g. 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 t, 2,3 getroffen wird. Vor jedem Detektor ist eine Linse angeordnet, die dafür sorgt, daß die gesamte Energie des betreffenden Teilstrahl^es in den Detektor gelangt und auf dessen photoempfinunche Oberfläche fällt.

Die benutzten Detektoren sind von derjenigen Art, die ein Signal mit einer charakteristischen Größe abgeben, welch*; 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 Rechner 9 verbunden, 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, Begrenzerschalungen, sp^: zenwertregistrierende Glieder und ännliche 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.

Im Rechner 9 erfolgt also eine Verarbeitung der Ausgangssignale der Detektoren 6, bei welcher in Übereinstimmung mit den gewünschten Auskünften an Hand der Ausgangssignale eine Bezugslinie festgelegt und in bsrug auf d'e^cp KeMieslinie die Durchbiegung de3 Trägers angegeben wird, so wie es im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 2 als Beispiel erläutert wird.

F^: g. 2 zeigt ine Reihe Meßergebnisse, die mit der in F i g. 1 veranschaulichten Vorrichtung bei Belastung des Trägers 5 hätten erzielt werden können. Diese MeBergebnisse sind durch eine Kurve A miteinander verbunden Nachdem die Detektoren ά"τ Vorrichtung zu einem . iitpunkt, zu welchem der Träger unbelastet war und angenommen wird, daß er sich in seiner neutralen Stellung beiai.d, zuerst auf Null gestellt worden waren, w Ue der Träger einer Belastung ausgesetzt, deren Resultat in der Form einer Durchbiegung gemes se" werden soll. Wenn der Träger hierdurch an einer Stelle niedergedrückt wirrt, folgt der Detektor an dieser

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Stelle mit, was darin resultiert, daß sich der Auftrefffleck, des Teilstrahlenbühdels auf^der photoempfindlichen Oberfläche des Detektors nach oben verschiebt. Diese Verschiebung, die in der charakteristischen Größe im Ausgangssignal des Detektors, z. B.'in derHöhe ,der Ausgangsspannung'des Detektors, ,zum Ausdruck kommt/ist für jeden d^r sechs Detektoren in der Form derjenigen Meßpunkte abgetragen, die durch die Kur ve A miteinander verbunden sind.

Im Rechner 9 wird eine Verarbeitung diese. Ausgangssignale vorgenommen, und im vorliegenden Beispiei sind die beiden Detektoren, die an den Enden des Trägers angebracht sind, zur Festlegung der Rezugsli nie 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

Es liegt auf der Hand, daß auch andere Punkte des Trägers zur Festlegung einer Bezugslinie benutzt werden können.

Aus F i g. 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 Änderung 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 habea Zweitens kann die aus dem Laser t, der Optik 2 und dem strahlenaufteilenden System 3 bestehende Einheit ihre Lage in bezug auf den Träger geändert habea Unangesehen der Änderungen der Bezugslinie und der Ursachen hierfür gibt die Kurve B trotzdem die Durchbiegung des Trägers :a bezug auf die vorgeschriebene Be zugslinie 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 vornin«nt

Als strahlenaufteilendes System 3 kann die in F i g. 3 wiedergegebene 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 m F i g. 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 Teilstrabi ein Viertel der Energie enthält.

In F i g. 4 ist eine zweite Ausführungsform einer erfimdungsgemäßen Vo.richtung wiedergegeben, bei welcher die aus dem Laser/i, der Optik^2 und einem strah-Ipnaufteilenden System <3Tbestehende Lichtquelle ein-

'stückig ist Jn diesem Fail ,bildet* das strahlenauf teilende

System eine^Anzahl Teilstrahlenbündel, die einen AVin-

j kel miteinander biklen' Dj,ese Teilstrahlenbünde! sind,

wie bei der Ausfütifungsforrri nach Fig 1.' auf Detekto ren 6 gerichtet die mit Linsen 7 versehen sind. Det

ίο Übersichtlichkeit halber sind nur zwei dieser Detektor systeme eingezeichnet.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Konstruktion wird zur Bildung der Teilstrahlen ein System 3' benutzt, welches den Laserstrahl in zeitmultiplexer Form in die verschiedenen Teilstrahienbündel aussendet wobei jedes Teil strahlenbündel aus Impulsen besteht Das System 3 kann zu diesem Zweck eine Reihe verschiedener Pns men enthalten, die nacheinander in die Bahn des Laser Strahls gebracht werdea Damit es an Hand der Mes sungen von den Detektoren möglich gemacht wird, die Durchbiegung in bezug auf eine Bezugslinie fe^ctzule gen, muß der Rechner 9 Bausteine mit Speicherfunk tion enthalten, so daß die von sämtlichen Detektoren gelieferten Informationen im Rechner 9 gleichzeitig zur Verfügung stehen.

In der Vorrichtung nach F i g.4 sind Detektoren be nutzt die jeweils auf einer verschiedenen W?Ue eines Servosystems 10 befestigt sind, welches vom Ausgangs signal des Detektors 6 gesteuert wird und das Teilstrahlenbündel konstant in der Mitte des photoempfindlichen Bereiches des Detektors zu halten sucht Als Ausgangssignal, welches der Verschiebung des Detektors proportional ist wird dem Servosystem 10 ein Signal entnommea Diese Konstruktion des Detektors und dessen Steuerung hat den Vorteil, daß eine größere Verschiebung des Detektors 6 in bezug auf das zugeordnete Teüstrahlenbündel 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 übirgen eine gewisse Zeitkonstante hat erhäit man hierdurch eine zweckmäßige Weise, um zu verhindern, daß schnelle, durch Erschütterungen verursachte Schwankungen EmHuB auf das Meßergebnis erhalten können.

Die Erfindung ist nicht auf die auf der Zeic-Jiung dargestellten Ausführungsformen beschränkt sondern innerhalb des Rahmens der Erfindung sind verschiedene Kombinationen möglich. Beispielsweise wäre es möglich, statt eines Lasers eine gewöhnliche Lichtquelle zu benutzen, doch ist der Laser vorzuziehen, da dieser monochromatisches licht erzeugt, welches sich leicht filtrieren läßt Die Im nutzten photoempfindlichen Detektoren konnten ferner so eingerichtet sein, daß sie

zwei Ausgangssignale erzeugen, die rechtwinklig zueinander verlaufende Koordinaten für den Anffreffpunkt des Teüstrahlenbündels repräsentieren, wodurch ermöglicht würde, eine zweidimensionale Darstellung der Durchbiegung des Konstruktionsteils zu erreichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Ab- oder Durchbiegung von Konstruktionen und Konstruktionsteilen, bei der mit Hilfe eines von einer Lichtquelle ausgehenden gebündelten Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und an der Konstruktion oder dgl. angebrachter fotoempfindlicher Detektoren Bezugslinien festlegbar und jeweils bei relativer Auswanderung des Detektors und des Lichtstrahls ein von der Auswanderung abhängiges Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegenüber der Lichtquelle (U 2) feste, den gebündelten Lichtstrahl in wenigstens drei gleichzeitig parallel zueinander oder unter Einschließung yorbesthnmter Winkel austretende gebündelte TeSstrahlen aufteilende Einrichtung (3) vorgesehen ist und die Signalausgänge dei ien Teilstrahlen (4) zugeordneten Detektoren (6) gemeinsam an einer Einrichtung (9) zur Ermittlung der Bezugslinie und der dieser gegenüber auftretenden Abweichungen angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als den gebündelten Strahl air, teilende Einrichtung (3) ein optisches System vorgesehen ist, das aus einer Vielzahl von rechtwinkligen Prismen mit halb durchlässigen Oberflächen zusammengesetzt ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Detektor (6) euie Nachstelleinrichtung (10) zugeordnet ist, we'<c.e in Abhängigkeit von der relativen Auswanderung von Teilstrahl und Detektor den betreffenden Detektor selbsttätig derart nachstellt daß die Lage des Auftrefffleckes des Teilstrahles auf der fotoempfindlichen Fläche des Detektors unverändert beibehalten wird und daß von der Nachstelleinrichtung ein der Nachstellbewegung entsprechendes Signal abgeleitet wird.