DE2422706C3 - Vorrichtung zum Messen der Ab- oder Durchbiegung von Konstruktionen und Konstruktionsteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 photoempfindlicher Detektoren Bezugslinien festlegbar und jeweils bei relativer Auswanderung des Detektors und des Lichtstrahls ein von der Auswanderung abhängiges Signal erzeugt wird.

Es ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder von Verformungen von Ge- «Tpnctänrlpn nr] Aa\ mit Hilf» unn I ocorcu-ohlnn ω.

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bekannten Anordnung trifft iL-r Laserstrahl in jeder Stellung aui die photoempfindhche f lache der Meß/e! Ie. die ihrerseits auf die Änderung der Auftreffstelle des Laserstrahls auf diese Fläche anspricht.

Es ist weiterhin eine Vorrichtung mit einer Lichtquu Ie als Bezugspunkt und einem von der Lichtquelle jus «ehenden Lichtstrahl als Be/ugsltnie bekannt, der auf ein in einem Rotor /entrisch angeordnetes phntoelektrisches Element auftrifft. Der Rotor weist auf seinem Umfang in Abständen verleihe Blendenlöcher oder Blendenschlit/e auf, durch die der Lichtstrahl auf das photoelektrische Element treffen kann. Der Rotor lauft mit konstan'T Umlaufgeschwindigkeit um. Eine dem Meßelement vorgeschaltete Kondenserlinse fokusiert den Lichtstrahl auf das photoelektrische Element. Wenn das Meßelement in seiner Lage quer zu der Bezugslmie 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 photoelektiische Element in einer vom normalen Fall abweichenden Winkelstellung der Blendenöffnung. Die auf diese Weise erzeugten Lichtimpulse werden also gegenüber der Drehbewegung des Rotors in Abhängigkeit von den Abweichun gen phasenverschoben (vgl. brit. Patentschrift 13 23104).

Um die Vibrationscharakteristik einer Turbinenschaufel testen zu können, ist es bekannt, einen Laserstrahl mit Hilfe eines transparenten Spiegels in zwei Strahlen aufzuspalten. Der durch den Spiegel durchgelassene Strahlenanteil wird über eine Linse aufgefächeit. so daß der Strahl eine photographische Platte gleichförmig ausleuchtet. Der an dem durchlässigtn 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 vo!'ständig ausleuchtet, die so angeordnet ist. daß das Streulicht von der Turbinenschaufel ebenfalls auf die photographische Platte fällt. Die Schaufel wird mit Hilfe einer Vibrationseinrichtung in vorbestimmte Schwingungen verse'zt. Auf diese Weise erhält man ein Hologramm auf der photographischen Platte, welches Auskunft über das Vibrationsverhalten der Turbinenschaufel gibt (vgl brit. Patentschrift 12 18 865).

Es ist weiterhin eine Einrichtung zum objektiven Prüfen der Neigung der Verbindungslinie zweier Punkte bekannt, bei der eine Sendeeinrichtung für einen Lichtstrahl zugleich als photographische Empfangseinrichtung für den Lichtstrahl ausgebildet ist. Dieser Sende- und Empfangseinheit sind mehrere räumlich von einander getrennte Zentralspiegel zugeordnet, die mit der Einheit nacheinander anvisiert werden können, um

für verschiedene Punkte der zu vermessenden Konstruktion oder dgl. zu erhalten. Hiermit ist es jedoch nicht möglich, von einer sich mit der Zeit ändernden Durchbiegung eines Konstruktionsteils Momentaufnahmen zu machen (vgl. deutsche Patentschrift 4 94 957).

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingang.', 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

kannt, bei der ein einziger, von einem fest aufgestellten Laser ausgehender gebündelter Laserstrahl verwendet wird (vgl. DT-OS 19 13 399). Dieser Laserstrahl trifft bei seiner Ausrichtung auf die Bezugslinie auf zwei Meßzelien, die an der Auswanderungsbewegung teilnehmen. Die eine Meßzelle 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 fts Meßzellen sind an eine Vergleichseinrichtung angeschlossen, welche die relative Auswanderung der Meßzeilen gegenüber itm Laserstrahl feststellt. Bei dieser

oder dgl gleichzeitig dun.li *< >rrclicrenilo Mcv.nigcifestgestellt werden können.

[iiese Aufgabe wird erfindungsgemaU il.ulun.-h ge löst, daß cine gegenüber der Lichtquelle tesie. don gebündelten Lichtstrahl in wenigstens drei gleichzeitig parallel zueinander oder unter Hinschliel.tu.ig vorbestimmten Winkel austretende gebündelte Teilstrahlen aufteilende Hinrichtung vorgesehen isl und die Signalausgange der den Teilstrahlen zugeordneten Detektoren gemeinsam an einer Hinrichtung /ur Ermittlung der Be/.ugslinie und der dieser gegenüber auftretenden Ah we:hungen angeschlossen sind.

Damit wird die Möglichkeit eröffnet. Informationen übei Schwingungen sowie über Resonanzphänomene in komplizierten Durchbiej-^mustern von Konstruktionen und Konstruktionsteilen zn erhalten. Häufig vv.rd es erst dadurch möglich, -lie Urs -^u -■ für unerwünschte Schwingungen testzubtdle... Ai. : kann man Informationen über die Struktur der ·' ■.. -,truktionen erhalten.

hin weiterer wesentü:.._lC, Vorteil besteht darin, daß die Lichtquelle unab^K-n.»ig gegenüber dem Konstruktionsteii frei auf. >. s»*lli oder auch bewegt werden kann und nicht in eine Si_.rre Beziehung zj dem zu kontrollierenden oder zu vermessenden Konr.truktionsteil gebracht werden muß. Durch die korrelierende Messung 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 halbdurchlässigen Oberflächen zusammengesetzt ist.

Zweckmäßigerweise 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 eine größere Verschiebung des Detektors in bezug auf das diesem zugeordnete Teilstrahlbündel zugelassen werden, als dies mit einer Linse bei feststehenden Detektoren möglich ist. Auch wird es dadurch möglich, daß über die Zeitkonstante des den Nachstelleinrich-'ungen zugeordneten Srrvorsystems verhindert werden kann, daß kurze, durch Erschütterungen verursachte Schwankungen Einfluß auf das Meßergebnis erhalten können.

Auch besteht die Möglichkeit, bei Anwendung entsprechender Detektoren Durchbiegungen in zwei Richtungen in einer zur Ausbreitungsrichtung des Teilstrahlenbündels rechtwinklig verlaufenden Ebene zu messen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand schematischer Zeichnungen an nicincfcü Aü5iü!~rurigsbc;sp;c!cri 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

F i g. 4 ein abgewandeltes Ausfiihrungsbeispiel der neuen Vorrichtung.

'¹Ii-- .-ι 1 'g ' -ei anschjulichte Von κ i,:ir g .'':.'■ einen 'awl I. der euii-n Lichtstrahl e-zeiit" w ■. . ' <. ' in ' Mille einer geeigneten Optik 2 .' ·■■'■ in >!■ ^e:. LiehiNtiahlenbiindel gesammelt win! Dieses ■ ■ fn strahlenbündel vwrd in cnen Strahlenauiteikr i .t'c ■lChn'kl. welcher weiter hiiürn naher beschrieben «ei den wird und von welchem sechs '!ciistrdhlenhundi i 4 ausgehen die alle dieselbe Lichtstarke haben D.i La ic: 1 d.is optische Svsie'ii 2 und der StrahlenautleJe: I sind relativ zueinander fixiert und biUten suuii: e.in Linheii. von weicher d;e leilstrahlenbundei .im ',mci Relation zwischen den Bahnen der einzelnen Str.ihk-n ausgesendet wcden.

An e:nem Kons:rukiions;eil. dessen Durchbiegung gemessen werden soll, und das in F 1 g. 1 durch einen Träger S repräsentier¹ wird, ist eine· Anzahl photoempfindiicher 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 TeilstrjMes in den Deu-ktor gelangt und auf dessen photoempfindliche Oberfläche fällt.

Die benutzten Detek ;en sind von derjenigen Art. die ein Signal mit einer char ktenstischen Größe abgeben, welche davon abhängig ist. ^-"O das Lichtstrahlenbündel auf die photoempfindliche Oberfläche trifft Folglich wird die charakteristische Größe des Ausgangssignais geändert, wenn der Träger 5 ν ter Beanspruchung seine Lage in einer rechtwinklig zum Strahlenbündel verlaufenden Richtung ändert '.ind 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, Lineansierungsglieder, Filter, Begrenzerschaltunger·,

spitzenwertregistrierende Glieder und ähnliehe 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 Anscnluß 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 bezug auf diese Bezugslinie die Durchbiegung des Trägers angegeben wird, so wie es im folgenden unter Bezugnahme auf F i g. 2 als Beispiel erläutert wird.

τ- : - ο .»„:„( _a;„a Pelho Μ^βρτσρΚηίςςρ dip mit der

in F i g. 1 veranschaulichten Vorrichtung bei Belastung des Trägers 5 hätten erzielt werden können. Diese Me3ergebnisse sind durch eine Kurve A miteinandpr verbunden. Nachdem die Detektoren der Vorrichtung zu einem Zeitpunkt, zu welchem der Träger unbelastet war und angenommen wird, daß er sich m viner neu tralen Stellung befand, zuerst auf Null gesell! worden waren, wurde der Träger 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 - dieser

Stelle mit, was darin resultiert, daß sich der Auftrefffleck des Teilstrahlenbündels auf der photoernpfindlichen Oberfläche des Detektors nach oben verschiebt. Diese Verschiebung, die in der charakteristischen Größe im Ausgangssignal des Detektors, z. B. in der Höhe der Ausgangsspannung des Detektors, zum Ausdruck kommt, ist für jeden der sechs Detektoren in der Form derjenigen Meßpunkte abgetragen, die durch die Kurve A miteinander verbunden sind.

Im Rechner 9 wird eine Verarbeitung dieser Ausgangssignale vorgenommen, und im vorliegenden Beispiel sind die beiden Detektoren, die an den Enden des Trägers angebracht sind. ?ur 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, weiche einen direkten Ausdruck für die Durchbiegung des Trägers 5 aus seiner neutralen Lage in bezug auf die Endpunkte des 11 agers 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 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 Änderungen 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.

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 HinzufügUi.g rechtwinkliger Prismen, deren der Hypotenuse entsprechende Seitenflächen das gesamte auf sie auftreffende Licht reflektieren und die in F i g. 3 durch Doppellinien dargestellt sind, ergibt sich ein Strahlengang, wie der strichpunktiert angedeutete, bei weichen 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 enthälL

In Fig.4 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben, bei wel-'cher die aus dem Laser 1, der Optik 2 und einem strahlenaufteilenden System 3' bestehende Lichtquelle ein-S stückig ist. In diesem Fall bildet das strahlenaufteilende System eine Anzahl Tcilstrahlenbündel, 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

ίο Übersichtlichkeit halber sind nur zwei dieser Detektorsysteme eingezeichnet.

Bei der in Fig.4 gezeigten Konstruktion wird zur Bildung der Teibirahlen ein System 3' benutzt, welches den Laserstrahl in zeitmultiplexer Form in die verschleiß denen Teilstrahlenbündel aussendet, wobei jedes Teilstrahlenbündel aus Impulsen besteht. Das System 3 kann zu diesem Zweck eine Reihe verschiedener Prismen enthalten, die nacheinander in die Bahn des Laserstrahls gebracht werden. Damit es an Hand der Msssungen von den Detektoren möglich 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 Verfugung stehen.

In der Vorrichtung nach F i g.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 Teil-..irahlenbündel konstant in der Mitte des photoempfindlichen Bereiches des Detektors zu halten sucht. Als Ausgangssignal, welches der Verschiebung des Detektors proportional ist, v/ird dem Servosystem 10 ein Signal entnommen. 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 /eilkonstanic hat. er hält man hierdurch eine zweckmäßige Weise, um zu verhindern, daß schnelle, durch Erschütterungen verursachte Schwankungen Einfluß auf das Meßergebnis er-

4s halten können.

Die Erfindung ist nicht auf die auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern innerhalb des Rahmens der Erfindung sind verschiedene Kombinationen möglich. Beispielsweise wäre es möglich, stati eines Lasers eine gewöhnliche Lichtquelle zu benutzen, doch ist der Laser voTuziehen. da dieser monochromatisches Licht erzeugt, welches sich leicht filtrieren Jäßt Die benutzten photoempfindlichen Detektoren könnten ferner so eingerichtet sein, daß sie

>5 zwei Ausgangssignale erzeugen, die rechtwinklig zueinander verlaufende Koordinaten für den Auftreffpunkt des Teilstrahlenbündek repräsentieren, wodurch ermöglicht würde, eine zweidimensionale Darstellung der Durchbiegung des Konstruktionsteils zu erreichen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung /um Messen der Ab- oder Durch biegung von Konstruktionen und Konstruktionstei· s len, 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 v> Auswanderung des Detektors und des Lichtstrahls ein von der Auswanderung abhängiges Signal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine gegenüber der Lichtquelle (1, 2) feste, den gebündelten Lichtstrahl in wenigstens drei gleichzeitig in parallel zueinander oder unter Einschließung vorbestimmter Winkel austretende gebündelte TeiLtrahlen aufieilende Einrichtung (3) vorgesehen ist und die Signalausgänge der den Teilstrahlen (4) zugeordneten Detektoren (6) gemeinsam an einer Einrichtung (9) zur Ermittlung der Bezugslinie und der diese·· gegenüber auftretenden Abweichungen angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als den gebündelten Strahl aufteilende 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 jeaem Detektor (6) eine Nachstel'einrichtung (10) zugeordnet ist, welche in Abhängigkeit von der relativen Auswanderung von Teilstrahl und Detektor den betreffenden Detektor selbsttätig derart nachstellt, daß die Lage des Auf- 3s trefffleckes des Teüsti ahies auf der fotoempfindlichen Fläche des Detektois unverändert beibehalten wird und daß von der Nachstelleinrichtung ein der Nachstellbewegung entsprechendes Signal abgeleitet wird.