DE2521319A1 - Piezooptischer messwandler und beschleunigungs-, druck-, kraft- und temperaturmesser auf dessen grundlage - Google Patents
Piezooptischer messwandler und beschleunigungs-, druck-, kraft- und temperaturmesser auf dessen grundlageInfo
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Description
Patentanwälte
Dfpl.-!ng. R. BEETZ ββη-
• Mt««k*ii SS, hrfdoit It
b3O-2M.l62P 13. 5. 1975
Moskovsky Gosudarstvenny Universitet imeni M.I. Lomonosova
MOSKAU - UdSSR
PIDZOOIl1 ISCHMi MESSWANDLER UMD BuLCHLEUHIGUIiGS-,
DRUCK-, KRAFT- UJND OiiÄQPjjaiATUEMEiäShR AUF DESSEN
GRUNDLAGE
Die vorliegende Erfindung bezieht sich, aui' primäre Leßwandler,
die eine Änderung der mechanischen Spannung, ent~ standen in einem unter der Wirkung einer Meßgröße wie ilraft,
Druck, Beschleunigung oder Temperatur stehenden elastischen
Element in eine elektrische Größe umformen, nämlich auf piezooptische
üeßwandler und Beschleunigung-, Druck-, Kraft-
und Temperaturmesser auf deren Grundlage.
Es sind iviößwandler bekannt, bei welchen eine Änderung
des SpannungszusLandes eines elastischen Elements eine An-
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derung der entsprechenden elektrischen Größe hervorruft. Zu solchen zählen zum Beispiel Dehnwiderstandswandler, die
eine Änderung der mechanischen Spannung in einem elastischen
Element in eine Änderung des elektrischen Widerstandswertes der mit jenem starr verbundenen Dehnwiderstände (s. zum
Beispiel A.M. Turitschin, "Elektrische Messung nichtelektrischer
Größen", "Energija"-Verlag, Moskau-Leningrad» 1966)
umformen·
Diese Wandler haben auf Grund ihrer Hobustheit und Kleinbauart
vielfach Eingang in der Technik und wissenschaftlichen
Forschung gefunden. Jedoch gestatten die Dehnwiderstandswandler
ec nicht, hinreichend große Ausgangssignale bei kleineren Formänderungen der elastischen Elemente zu erhalten,
und dies führt zu Begrenzungen ihrer Frequenzgänge bei dynamischen Messungen und einem erhöhten Aufwand an Verstärkungs-
und Registriergeräten bei statischen Messungen· Ursache dafür ist, daß die relative Widerstandsänderung des DehßwiderStandselements,
die von der Meßgröße bewirkt wird, bei verhältnismäßig niedrigen Werten liegt und folglich das Ausgangssignal
auch gering ist, verhält es sich doch bei ,jeder Konstruktion des Dehnwiderstandswandlers zu Speisespannung
wie Widerstandswert dos Dehnwiderstandes zu seinem Anfangswert.
Wesentlich höhere Empfindlichkeit und höhere Leistung des Ausgangssignals zeigen magnetoelastische Meßwandler.
Ein solcher Wandler hat ein elastisches Element aus ferro-
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magnetischem Material, wobei es ein Teil des Eisens der
elektrischen Anlage mit einer oder mehreren Wicklungen ist. Bei Beanspruchung des elastischen Elements ändert sich der
Strom durch die Wicklungen des Eisens, der Aufschluß über die Meßgröße (s. zum Beispiel.W.B. Ginsburg "Magnetoelastische
Geber", "Energija"-Verlag, Moskau, 1970) gibt.
Wegen Unvollkommenheit magnetischer und mechanischer
Eigenschaften bekannter Materialien, die sich zur Herstellung der elastischen Elemente eigneten, ist der Anwendungsbereich
für diese Wandler in erster Linie auf Fälle beschränkt, wo es sich um die Messung von großen Kräften in
der Industrie handelt.
Für die Messung von kleineren Kräften, Brücken, Beschleunigungen finden Piezotransistorwandler Anwendung,
die sich durch hohe Empfindlichkeit und kleine Maße (s. zum Beispiel Zeitschrift "Geräte und Techniken des Versuchs",
Br. 5» 1969) auszeichnen.
Ein solcher Wandler wird normalerweise auf Baeie eines
Planartransistors hergestellt, gegen dessen Bereich des pn-tJberganges sich die Spitze einer Nadel stützt· Infolge
Wirkung der Meßgröße ändert sich die Andirückkraft der SIadel
und folglich die mechanische Spannung im pn-Ubergang,
die den Ausgangsetrom des Transistors beeinflußt. Da die bei diesen Meßwandlern genutzte Wirkung bei verhältnismäßig
hohen mechanischen Spannungen, die nah an der Bruchfestig-
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keit des Halbleiters liegen, eintritt, kann eine relativ
kleine Überhöhung des Arbeitsbereichs für die Meßgröße schon zu einem vollständigen Ausfall des Geräts führen· Wegen
Nichtlinearität der Beziehung zwischen Ausgangsstrom des Transistors
und mechanischen Spannungen verläuft die Laständerung bei einem solchen Gerät auch nichtlinear, was sich als
noch ein Hindernis für seinen Einsatz auswirkt.
Für die dynamischen Messungen verwendet man vielfach piezoelektrische Meßwandler (s. zum Beispiel A.M. Turitschin
"Elektrische Messung nichtelektrischer Größen", "Energija"-Verlag,
Moskau-Leningrad, 1966).
Das elastische Element solcher Wandler ist aus Keramik
oder Monokristall, die piezoelektrische Eigenschaften besitzen,
hergestellt, so daß sich bei Beanspruchung eine elektrische Ladung auf den Seitenflächen des elastischen Elements
ausbildet. Auf Grund einer Reihe von Vorteilen genießen sie viel Anerkennung. Doch da ihr Amplit udenf re quenzgang ungleichmäßig
im niederfrequenten Bereich ist, eignen sie sich zur Untersuchung von Vorgängen, in deren Spektren es auch niederfrequente
Teile gibt, nicht. Aus gleichem Grund muß man die Eichung dieser Gerate mit dynamischen Methoden durchführen
und also wieder neue technische Probleme in Kauf nehmen· Die piezoelektrischen ivießwandler verfügen nur über eine geringe
Leistung des Au*;gangssignals. Dies ist eine der Ursache
für die beträchtliche Störanfälligkeit der Meßanlage,
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welche gleichzeitig Ursache für eine Herabsetzung der Meßgenauigkeit
ist.
Sehr günstig in Bezug auf die Störanfälligkeit liegen
Geräte, welche die Meßgröße in eine Änderung der Frequenz des Ausgangssignale umformen· Solche Meßwandler haben einen
schwingenden Teil (zum Beispiel eine Saite), dessen Eigenfrequenz Funktion der Belastung (s. zum Beispiel A.M. Turifcschin,
"Elektrische Messung nichtelektrischer Größen",
"Energija"-Verlag, Moskau-Leningrad, 1966) ist.
Diese Geräte haben sich noch nicht richtig durchgesetzt, hauptsächlich wegen großem konstruktivem Aufwand
an dem Geber und mit diesem zusammenarbeitenden elektronischen
Einrichtungen.
Bekannt sind auch optische Meßwandler, bei welchen
eine durch mechanische Spannungen hervorgerufene .Änderung
der Durchsichtigkeit eines elastischen Elements in ein elektrisches Signal durch Photoempfänger (s. zum Beispiel
den Meßwandler des optischen Druckmessers nach USA-Patent Kr· 3122922, Klasse 73 - 39ö) umgeformt wird.
Wesentlicher JSachteil dieses Geräts ist die geringe Empfindlichkeit, weswegen es nur bei Messungen des hohen
Drucks verwendbar ist. Der Absorbtionskoeffizient des Germaniums, aus welchem das elastische Element hergestellt
wird, (und also die Lichtintensität) ändert sich bei diesem Wandler um etwa 10% im Druckbereich von 1000 bis 2000 amt,
d.h. die Änderung der Lichtintensität nur noch 0,02% atm
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— D —
beträgt.
Von vielen vorstehend angegebenen Nachteilen ist der
piezoojitiache fceßwandler frei. Die Funktion dieses Wandlers
oeruht auf !Nutzung der piezooptischen Wirkung, die darin besteht,
daß die Lichtgeschwindigkeit in einem festen durchsichtigen Körper von mechanischer Spannung darin und Orientierung
des Lichtvektors gegen die Hauptspannungen, die diesen
Spannungszustand kennzeichnen, abhangig ist.
Hauptvorteile eines piezooptischen Meiiwandlere sind:
1) Hohe Empfindlichkeit;. So kann die diinensionslose
ftiipfLndlichkeit S (Dehneiupfindlichkeit), definiert ähnlich,
wie es für die Dehnmeßstreifen üblich ist, d.h. als relative Änderung der Ausgangsspaimung, devidiert durch die relative
Formänderung des elastischen KLeinem-s, hier je nach
Größe und Material des elastischen EleiutiiLs einige zehn
oder auch hundert tausend erreichen. Dati ist um einige Größenordnungen höher, als es '/.um Bei.spi«l bui den Dehnwiderständen,
metallisch sowohl ( £'~<-!), als auch halbleitend
(S£r200), der Fall ist.
2) Hoher Pegel des Ausgangssignals, der ungefähr die
Hälfte der Speisespannung bet ragen kann. Wie es noch weiter unten zu zeigen sein wird, erreicht die Spannung des
Ausgangssignals bei den piezoo[tischen ueräten in der Praxis
einige Volt.
3) Weiter Frequenzbereich. Die Ungleichmäßigkeit des
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Aiiiplitudenfrequünzganges (AFG) ist im wesentlichen auf die
Eigenschaften des wo c hon iac ilen Schwinger s des piezoopti&chen
keßgeräts, bestehend aus elastischem Element und daran angekoppelter
Masse, zurückzuführen. Der Ai1G ist im Wiederfrequenzbereich
bis auf WuIl Herz herunter gleichmäßig.
Auf Grund der hohen mechanischen Starrheit des Wandlers kann seine Eigenfrequenz sehr groß sein, so daß das
Arbeitsfrequenzband im Bereich der oberen Frequenzen sich
bis zu einigen zehn Kiloherz erstrecken kann.
4) Großer dynamischer Bereich. Die jjiezooptischen Meßwandler
haben einen relativ niedrigen Pegel eigener Geräusche, de ι· durch das Eigengeräusch der Photoempfanger bedingt
wird und einige Bruchteile des Millivoltes nicht überschreitet. Somit betragt der dynamische Bereich bei obigem
Ausgangssigrial einige tausend.
5) LJnempfindlichkeit gegen Überbelastungen. Die dem
fcieß bereich dee piezooptischen Geräts entsprechende mechanische
Spannung im eJastischen Element kann lediglich einige
Kilogramm pro QuadratZentimeter betragen, somit mit zwei
Größenordnungen unt-er der Bruchfestigkeit des Materials
des elastischen Elements liegen.
b) Keine In.hen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften
deb materials des elastischen Elements. Bei den
vorstehend angegebenen kleinen Werten der mechanischen
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-s~ 2521313
Bpa»muae«n is elastischen aUeaent genügen die Materialien
des HookeseJU« Gesetz gut« .
7) Der primär* piesooptiache keßwandler kann derart
aufgeoaut sein, da* Lichtquelle und Phot©empfänger sich in
einiger Entfernung -vom primären Meüwandler befinden und als
diesem beispielsweise durch einen biegsaaes Licbtfaaerleiter verbinde». Sis derart aufgebauter Wandler let elektrisch
neutral und kai» sich, sofern die optischen iSfeuelemente aus
ihre Eigenschaften unter dem XinfiuS elektrischer und sagnetischer leider nicht ändernden Materialien gefertigt werden,
al« unempfindlich gegen dies« Störung*a erweisen.
U)1 !Relativ einfach« üawwiae» gedrängt und vibrationsfest· Das elastische Element des piezooptIschen Mir&wandlers
kann aus einem normalen Silikat glas angefertigt sein und
eine maximal einfache iorm haben· Polarisator und Analysator la Gestalt von Polarisationsfolien (Polaroiden), die
sehr einfache und billige Baueldnente sind, können unmittelbar auf die öeitenflachen das elastischen llesents aufgeklebt «erden, ils Licht quell« und Photo*api"in«er können vernaltaiamäfiig billige Miniaturhalbleitereleaentt sum direkten
▲ui'jKleoen an den Bauelementen aes optischen Poiarisationekanals angewandt" werden.
9) Eiini'achheit aar Jülektronik. lu±' urund der hohen iunpi'indlichkeit kann das Ausgangeeignal des plezooptischen
Ließwandlers gegebenenfalls direkt auf den Registratur oder
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eine andere Ausgabeeinrichtung gegeben werden.
ZiUr Zeit sind mehrere Konstruktionen aes piezooptischen
Aießwandlers (s. zum Beispiel den üießwanaler des isj?aftmessersnach
UdSSk-UiWieberschein JMr. 274422, Kl. G0111/24) be-Kannt.
liei diesem Wandler tritt ein Teil aes .Licntstromes von
einer Lichtquelle aurch im strahlengang hintereinanaer stehende
Polarisator, elastisches Element, empfindlich gegen Änderungen der bpannung aarin, aie durch solche der keßgröße
Hervorgerufen werden, Analysator und gelangt zu einem Photoempfänger, der zusammen mit den vorerwähnten Bauelementen
einen polarisationsoptischen Kanal bildet, während ein anderer Teil des Lichtrlusses an den aufgezählten optischen
Bauelementen vorbei auf einen zusätzlichen Photoempfänger fällt, der zu dem Hauptphotoempfänger differential geschaltet
ist. Diese Photoempfänger wandeln das auf sie fallende Licht in elektrische Signale um, von aeren Differenz man
auf die Meßgröße schließt.
Ähnlich ist der Meßwandler eines am J£nde einer biegsamen
Sonde angebrachten Druckmessers zum .einführen in die Blutgefäße bei Blutdruckmessungen (s. zum Beispiel das USA-Patent
Ar. 3267932, Klasse 128-205) aufgebaut.
.Nachteil der bekannten piezooptischen Wandler ist,
daß sie nur einen polarisationsoptischen Arbeitskanal besitzen. Das Signal des zusätzlichen Photoempfängers hängt
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von der Meßgröße nicht ab. Dies wirkt sich als eine Erniedrigung der Empfindlichkeit aus. Außerdem ist die Zeit-
und die Temperaturinkonstanz des Ausgangssignals bei solchen Geräten groß.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Beseitigung der oben angeführten Nachteile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen empfindlicheren piezooptischen Meßwandler mit erhöhter
Temperatur- und Zeitkonstanz zu entwickeln, der sich in
verschiedenen Geräten wie Beschleunigungs-, Druck-, Kraft-,
Temperaturmessern einsetzen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindung:jgemäß dadurch gelöst,
daß bei einem piezooptischen Meßwandler mit muuiestens
einer Lichtquelle, von deren Licht ein erstes Teillichtbündel
in einem ersten polarisationsoptischen Kanal nacheinander
einen ersten Polarisator, ein mit der Meßgröße beaufschlagtes und deren Änderungen in Spannungsänderungen
umsetzendes elastisches Element und einen ersten Analysator durchstrahlt und zu einem ersten Photoempfänger gelangt,
während ein zweites Teillichtbündel einen zweiten Photoempfänger beeinflußt, der mit dem ersten Photoempfänger
in Differentialschaltung zusammengeschaltet ist und ebenso wie dieser das einfallende Licht in elektrische Signale
umwandelt, deren Differenz zu den elektrischen Signalen aus dem ersten Photoempfänger ein Maß für die Meßgröße
darstellt, wobei im Wege des zweiten Teillichtbündels zum zweiten Photoempfänger in einem zweiten polarisationsoptischen
Kanal vor dem elastischen Element ein zweiter Polarisator und nach dem elastischen Element ein zweiter
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Analysator liegt, und wobei außerdem eine Einrichtung
zum Verändern der Intensität des auf den zweiten Photoempfänger· auftreffenden Lichts im entgegengesetzten
Sinne zu der für das a« ersten Photoeapfänger einfallende
Licht in den Strahlengang eingefügt ist.
Das Mittel zur Änderung der zum zusätzlichen Photoempfinger hindurchgelassenen Lichtintensität ent-t
gegengesttzt zu jener der zum Hauptlichtempfänger hindurchgegangenen Lichtintensität hat sweckmä&ig die Qe**
stalt von zwischen Polarisator und Analytator in gekreuzter oder paralleler Stellung im jeweiligen Kanal
- in dem Haupt- sowohl als auch in dem zusätzlichen Kanal - in den Strahlengang eingebrachten eventuell
ungleich starken Phasenplättchen für um das Bogenma*
η ~Ά mit η = ungerade ganze Zahl, ^* 3*1^ ♦·· verschieden« Phasenverschiebungen.
Aus Gründen einer leichteren Fertigung und eines kleineren Einflusses der Temperatur auf das Ausgangesignal können die Phasenplättchen so gestellt werden,
daft die Achse für
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die größte L > M yefjchwiiullgkeit im Phasenplättclien des polarisatiorif
(pt-jficli«n Hauptkanels in die Stellung unter dem
Winkel +45° zu der ί>l>vingungsrichtung des Polarisators i»
besagten I.'5IH 1, je."» Ί c ? Phasenplättchens im zusätzlichen
ion Kanal unter dem Winkel -45° zu der
ö '.; Polarisators gebracht wird·
Aus Gründe «r- iünfacheren Konstruktion des WaBfil·«
isr werden im τ öl? : :;; j.cneoptisehen Haupt- sowohl, als auch
5m zusätzliche.™ pe? r.·? pot ionsoptischen Kanal auf gleicht Wei-
ß% orientiearte Phopf «plättchen für gleiche Phasenverschiebungen
angeordnet-
Dabei eeilte» Ji-Ja^isator und Analysator des ©Inen polarisationsoptiBolKiM
> finale derart gestellt werden, daß, sofern ihre ^^hwjjigi-r^tsrIchtungen senkrecht aufeinander stehen,
jene von FolS-ri? m;or und Analysator des anderen polarisationsoptiscben
Kriin.le parallel zueinander verlaufen, sofern
jene aber zueinander parallel, diese zueinander gekreuzt sind, und als üittel zur Änderung der zum zusätzlichen Photoempfänger
hindurch^ Ißssenen Lichtintensität entgegengesetzt
zu jener der zum Rnuptphotoempfanger hindurchgegangenen
Lichtintensität diese Polarisatoren und Analysatoren dienen·
Aus Gründen ..einer höheren mechanischen Festigkeit hat
das elastische Element zweckmäßig die Gestalt eines vielflächigen Prismas mit mindestens zwei durchsichtigen Parallelseitenflächen,
verlaufend ungefähr senkrecht zu den optischen Achsen des polarieationsoptischen Haupt- und des zusätzlichen
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polaxisationsoptiechen Kanals·
Aus Gründen einer höheren Empfindlichkeit hat der pi·- zooptiache Meßwandler sinnvoll mindestens noch ein Paar polarisationsoptischer Kanäle, wobei sämtliche polarisationeoptischen Kanäle in zwei Gruppen unterteilt und die Photoempfänger der einen Gruppe zu Jenen der anderen Gruppe deferential geschaltet sind·
Aus Gründen einer höheren Empfindlichkeit kann das
elastische Element die Gestalt eines Balkens mit zwei gegenseitig parallelen durchsichtigen Seitenflächen haben,
wobei die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle ungefähr senkrecht auf den Seitenflächen stehen und
zu verschiedenen Seiten der neutralen Schicht des Balkens ungefähr in gleichen Abständen von dieser verlaufen und
als Mittel zur Änderung der zum zusätzlichen Photoempfänger hindurchgelasseneA Lichtintensität entgegengesetzt zu jener der zum Hauptphotoempfänger hindurchgegangenen Lichtintensität das genannte elastische Element dient.
Aus Gründen einer höheren Zeit- und Temperaturkonstanz.
und einer einfacheren Konstruktion werden die Polarisation des polarisationsoptiechen Haupt- und des zusätzlichen
polarisationsoptischen Kanals zweckmäßig aus einem Stück gefertigt.
Aus Gründen einer höheren Zeit- und Temperaturkonetanz und einer einfacheren Konstruktion werden die Analysatoren
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das polarisationsoptischen Haupt- und des zusätzlichen polarisationsoptischen
Kanals zweckmäßig aus einem Stück gefertigt.
Aus Gründen einer höheren Zeit- und Temperaturkonstanz
und einer einfacheren Konstruktion werden die Phasenplättchen des polarisationsoptischen Haupt- und des zusätzlichen
polarieationeoptischen Kanals zweckmäßig aus einen
Stück gefertigt.
Zur Stabilisierung der Empfindlichkeit kann der piezooptische Meßwandler einen Summierer, an dessen Eingängen
die Photoempfänger des polarisationsoptischen Haupt- und des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals liegen,
einen Vergleicher, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Summierers verbunden ist, eine Bezugsspannungsquelle,
auf den zweiten Eingang dee Vergleichers geschaltet, und eine steuerbare Speisequelle, deren Eingang vom Ausgang
des Vergleichers, dessen Ausgang (eine galvanische Verbindung) zu der Lichtquelle führt, haben.
Zur Unterbringung der Wanderung des Wandlernullpunktee'
mit sich ändernder Temperatur kann der piezooptische Meßwandler
noch eine Auegleichssignalquelle haben, die mit dem Eingang am Ausgang der steuerbaren Speisequelle, mit dem
einen Ausgang an der Lichtquelle und den beiden anderen Ausgängen an den Eingängen des Summierers angeschlossen
ist.
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Mit IfT vorliegenden Krfinduii/ί wird auch ein Besclüeunigimgsmeij;
α· vorgeschlagen, bei dom inderungen der Spannung
iii ©inert eiertieohen Element, hervorgerufen dort durch
Änderungen der Meßgröße - der LinearbenoUleunigiing -fdi·
ti ich. von ein?m mit ('em ^l as ti seilen Element« verbundenen Masse element auf <Joß eistücft übertragen, von eint-m piezooptiechen
MeliwanvUei gemeoirit wer der. und gemfüi der Erfindung
die Funktion einen solchen piez-ooptineben Ideüwandlere νοκ
vorstehend beachiiebenen Wandler übernommen wird.
Mit der vorliegenden Krfindung wird auch «in Druckmesser
vorgeschlagen, bei dem Änderungen de.r Spannung in einen
elastischen Element, hervorgerufen dort durch Änderungen
der Meßgröße - dee Drucke -, die sich von einer sit dea elastischen
Element verbundenen Membran auf das erstere übertragen, von einem plezooptischen Meßwandler gemessen werden
und gemäß der Erfindung die Funktion eines solchen piezooptischen
Meßwandlers vom vorstehend beschriebenen Wandler übernommen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch ein Kraft- ■
messer vorgeschlagen, bei dem Änderungen der Spannung in einem elastischen Element, hervorgerufen dort durch .Änderungen
der Meßgröße - der Kraft -, die sich von einem alt dem elastischen Element verbundenen Stützzapfen auf das
erstere übertragen, von einem piezooptiachen Meßwandler
gemessen werden und gemäß der Erfindung die Funktion eines
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aolchen piezooptIschen Meßwandlers vom vorstehend beschriebenen
Wandler übernommen wird.
Mit der vorliegenden Erfindung wird auch ein Temperaturmesser
vorgeschlagen, bei dem .Änderungen der Spannung in einem elastischen Element, hervorgerufen dort durch .Änderungen
der Meßgröße - der Temperatur -, die sich von einem mit dem elastischen Element verbundenen, eich in Wärmeausdehnungszahl
von diesem unterscheidenden Gehäuse auf das erstere übertragen, von einem piezooptischen Meßwandler gemessen
werden und gemäß der Erfindung die Funktion eines solchen piezooptischen Meßwandlers vom vorstehend beschriebenen
Wandler übernommen wird.
Bei dem vorgeschlagenen piezooptischen Meßwander wird
von mindestens zwei aktiven polarisationsoptischen Kanälen Gebrauch gemacht, weshalb man die Emfpindlichkeit mindestens
um das Zweifache gegenüber den bekannten piezooptischen
Meßwandlern mit einem aktiven polarisationsoptischen Kanal steigern konnte. Die Anwendung des elastischen Elements
in Gestalt eines auf Biegung beanspruchten Balkens bringt die Vergrößerung der Empfindlichkeit des piezooptischen
Meßwandlers um eine weitere Größenordnung mit sich·
Die Anwendung einer optischen Zwei- bzw. Mehrkanalanordnung
mit konstruktiv gleichen oder ähnlichen optischen Bauelementen aus gleichem Material in sämtlichen Kanälen
ermöglicht eine Verbesserung der Zeit- und Temperaturkonstanz der Kennwerte des piezooptischen Wandlers
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sowie eine Minderung des Einflusses seitens anderer Einflußgroßen,
die nun ja auf gleiche Welse auf seine beiden Kanä- '
Ie einwirken»
Der Gebrauch der vorgeschlagenen Stabilieierungeschaltung
für Bmpfindliehkeit und Ausgleichsschaltung für Temperaturdrift
des Wandlernullpunktee ist ein wirksames Mittel zur Yerbrsserung der Kennwerte des piezooptlachen Wandlers·
Bei deren Anwendung werden Empfindlichkeitsinkonstanz und Temperaturdrift des Wandlernullpunktes mehr als 10oal geringer.
Durch Einsatz des vorgeschlagenen piezooptischen Wandlers in verschiedenen Geräten, die eine mechanische Größe
in eine elektrische umformen, kommt man zu einer Beine von
Vorteilen gegenüber den anderen, bekannten Wandlern. Auf der Grundlage des piezooptischen Meßwandere kann man einen
hochempfindlichen breitbandigen Beschleunigungsmesser entwickeln, der sich für die Untersuchung von Vibrations- und
Stoßvorgängen gut eignet.
Es lohnt sich auch die Entwicklung eines Druckmessers unter Verwendung des vorgeschlagenen piezooptischen Meßwandlers,
denn auf "Grund der hohen mechanischen Starrheit des letzteren kann man innerhalb eines breiten Frequenzbereichs
auch dann arbeiten, wenn die auf das elastische Element bezogene Masse große Werte hat, beispielsweise wenn der
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Druckmesser nit dem ließ objekt durch ein dünnes, steifes
Rohr verbunden ist. Mit einem solchen FaII hat nan zum
Beispiel in der Medizin bei der Messung des Arteriendrucke oder dee Drucks im Innern des Herzens mit einem Druckmesser,
der mit dem betreffenden Baum durch ein Bohr, Katheter genannt, verbunden ist, zu tun·
Sehr vorteilhaft können hohe Starrheit und Empfindlichkeit des piezooptiiühen Wandlers bei der Entwicklung mechanisch
starrer Kraftmesser mit sehr kleinen Veriagerungsen des Angriffspunkts der Meßkraft werden.
Hohe Empfindlichkeit und großer dynamischer Bereich
des piezooptischen Meßwandlers gestatten es, auf dessen
Grundlage einen hochempfindlichen Temperaturmesser mit einem Meßbereich von einigen Grad und einer Empfindlichkeitsschwelle von unter einem hundert st el Grad zu entwickeln·
Vorteil eines solchen Temperaturmessers ist nor den bekannten
Konstruktionen höhere Empfindlichkeit, höhere Leistung
des Außgangseignala, Einfachheit der Elektronik·
Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen
und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert, wobei in den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Optik des piezooptischen Meßwandlera gemäß der
Erfindung mit in der Dicke verschiedener Phasenplättchen
und zueinander gekreuzten Polariaatoren und Analysatorenj
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Fig. 2 wie Fig. 1, nur daß die Schwingungsebenen der Polarisatoren und Analysatoren zueinander parallel verlaufen;
Fig. 3 Optik des piezooptischen Meßwandlers gemäß der Erfindung mit Phasenplättchen, deren gleichnamige optische
Achsen senkrecht aufeinander stehen, und zueinander gekreuzten Polarisatoren und Analysatoren;
Fig. 4 wie Fig. 3t hur daß die Schwingungsebenen der
Polarisatoren und Analysatoren parallel zueinander verlaufen;
Fig. 5 wie Fig. 4, nur daß die optischen Achsen der polarisationsoptischen Kanäle senkrecht aufeinander stehen;
Fig. 6 Optik des vorgeschlagenen piezooptischen Meßwandlers mit Phasenplättchen, deren gleichnamige optische
Achsen parallel zueinander verlaufen, und paralleler Stellung von Polarisator und Analysator in dem einen polarisationsoptischen
Kanal, gekreuzter Stellung von Polarisator und Analysator in dem anderen;
Fig. 7 wie Fig. 6, nur daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle parallel zueinander
verlaufen;.
Fig. ö wie Fig. 6, nur daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle senkrecht aufeinander
stehen;
5 0 9 B A B / ι Ii u 7
Fig· 9 Optik des piezooptißchen Jiaeßwandlers gemäß der
Erfindung mit zwei Paaren polarisationsoptische Kanäle}
Fig. 10 Optik des erfindungsgemäßen piezooptischen Meßwandlers
mit dem elastischen Element in Gestalt eines Balkens;
Fig. 11 wie Fig. 10, nur daß die optischen Achsen der
beiden polarisationsoptischen Kanäle parallel zueinander verlaufen;
Fig. 12 prinzipielle elektrische Schaltung des erfindungsgemäßen Wandlers nach Fig· 1;
Fig. 13 prinzipielle elektrische foehaltung des erfindungsgemäßen
Wandlers nach Fig. 5 (7» 11);
Fig. 14 prinzipielle elektrische Schaltung des erfindungsgemäßen
piezooptischen Meßwandlers nach Fig. 9;
Fig. 15 eine Variation der Blockschaltung des elektrischen Teils des piezooptischen Meßwandlers nach Fig· 1;
Fig. 16 die prinzipiell· elektrische Schaltung des
Wandlers nach Fig. 15;
Fig. 17 eine weitere Variation der Blockschaltung des elektrischen Teils des piezooptischen Meßwandler» nach
Fig. 1;
Fig. 18 prinzipielle elektrische Schaltung des Wandlers nach Fig. 17.
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Fig. 19 den Beschleunigungsmesser auf Basis des Wandlers
nach Pig. 5 (Längsschnitt);
Fig. 20 wie Fig, 19, nur im Schnitt durch die Linie Xl-JX gemäß Fig. 19 t
Fig. 21 den Beschleunigungsmesser auf Basis des Wandlers
nach Fig. 10 (Längsschnitt);
Fig. 22 wie Fig. 21, nur im Schnitt durch die Linie XXII - XXII gemäß Fig. 21|
Fig. 23 den Druckmesser auf Basis des Wandlers nach Fig. 4 (LängsBchnitt)}
Fig. 24 den Druckmesser auf Basis des Wandlers nach Fig. 10 (Längsachnitt;j
Fig. 23 wie Fig. 24, nur im Schnitt durch die Linie
XXV - XXV gemäß Fig. 24;
Fig. 26 den Kraftmesser auf Basis des Wandlers nach Fig. 8 (Längsschnitt);
Fig. 2? wie Fig. 26, nur im Schnitt durch die Linie XXVII - XXVII gemäß Fig. 26|
Fig. 28 den Kraftmesser auf Basis des Wandlers nach Fig. 10 (Längsschnitt);
Fig. 29 wie Fig. 28, nur im Schnitt durch die Linie XXIX - XXIX gemäß Fig. 28;
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i'ig. 30 cien Temperaturmesser auf Basis des Wandlers
nach Fig. 4 (Längsschnitt)|
Fig. 31 Anderungsverläufe der Lichtintensitäten für aie
polarisationeoptischen Kanäle 14, 83 bzw. 15, öö in Abhängigkeit
von der Phasenverschiebung, Δ<£·
Der piezooptische Meß wandler gemäß der üirfindung, dessen
Optik in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einer Lichtquelle 1, die ein Licht bündel (Lichtfluß) in Richtung auf
Polarisatoren 2 und 3 ausstrahlt, einem elastischen Element 4 in Gestalt eines rechtwinkligen Prismas mit durchsichtigen
Seitenflächen 5 und 6 auf einer festen Unterlage 7t Phasenplättchen
8 und 91 Analysatoren 10 und 11 und Photoempfängern
12 und 13* Als elastisches Element 4 wird ein Bauelement bezeichnet, das empfindlich gegen Änderungen der
Spannung darin, hervorgerufen durch Änderungen dar in eine
Kraft JN umgewandelten Meßgröße, ist· üiin Teillichtbündel
A durchläuft den einen polarisationeoptischen (Haupt-)Kanal
14, der im Strahlengang hintereinander stehende Polarisator 2, elastisches Element 4, Phasenplättchen 8, Analysator
2, elastisches ülernent 4, Phasenplättchen 8, Analysator
10 und Photoempfänger 12 zur Umwandlung des auffallenden Lichtes in elektrisches Signal umfaßt, win andere^ Teillichtbündel
B geht durch den anderen (zusätzlichen) polarisationsoptischen
Kanal 15» der in den ötrahlengang hinter-
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einander gebrachte Polarisator 3» elastisches Element 4, Phasenplättchen 9, Analysator 11 und Photoempfänger 13 zur
Umwandlung des auffallenden Lichtes in elektrisches Signal, der differential zu dem Photoempfänger 12 geschaltet (die
elektrische Schaltung s. weiter unten) ist, einschließt,
Wach der Differenz der beiden elektrischen Signale der Photoempfänger
12 und 13 urteilt man über die Meßgröße. Die Ebene durch die optischen Achsen der Kanäle 14 und 15 steht
senkrecht auf den durchsichtigen Seitenflächen 5 und 6 (die optischen Achsen der Kanal· verlaufen ungefähr senkrecht
zu den Seitenflächen 5 und 6).
Ale die Lichtquelle 1 kann ein beliebiger Strahler dienen«
Besonders geeignet dafür ist eine ausstrahlende Halbleiterdiode (Lichtdiode), weil sie erschütterungsl'est ist
und klein dimensioniert sein kann·
uie Polarisatoren ü, 3 und Analysatoren 10, 11 Jcönnen
eine und dieselbe Bauweise haben, zum Beispiel gleicherweise aus besonders behandelter Polavinylalkoholfolie, die
sie durchdringendes Licht in ein linear polarisiertes überführt, ausgeschnitten sein. i>ie erwähnte uoxie bezeichnet
man üblicherweise als Polaroid, Zur Jürhaltung der größtmöglichen
Empfindlichkeit verlauft die Schwingungsebene (in der Zeichnung durch einen nach oeiden Seiten zeigenden Pfeil
veranschaulicht) der irOlisatoren und Analysatoren beim Wandler
nach Fig. 1 wie bei allen nachstehend aufgeführten Bau-
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arten des Wandlers zu der größten und kleinsten Kormalspannung
im elastischen Element 4, die senkrecht zum Lichtstrahl sind, Immer unter dem Winkel + 45°· Unter der
Schwingungsebene eines Polaroide wird hier eine senkrecht
auf dem Polaroid stehende Ebene verstanden, in der der Lichtvektor des vom Polaroid durofegelassenen linear polarisierten
Lichtes liegt. Da man annehmen kann, daß der Spannungszustand im durchstrahlten Bereich homogezi und
einachsig ist, wobei seine größte Normalspannung die Richtung der Kraft N hat, sind die Schwingungsebenen der Polarisatoren
2, 3 und die der Analysatoren 10, 11 gegen die
Richtung der erwähnten Kraft N, in welche die Meßgröße umgeformt wird, unter dem Winkel + 45° orientiert·
Das elastische Element 4 ist aus hartem durchsichtigem Material hergestellt, als welches zum Beispiel Silikatglas
verwendet werden kann· Man kann auch einige Monokr ist alle verwenden, die eine wesentlich größere piezooptische
Wirkung zeigen und einen größeren Elastizitätsmodul besitzen, so daß Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Wand- lers
steigen.
Die Phasenplättchen 8 und 9 sind aus doppelbrechendem
Material, etwa Glimmer, gefertigt· Sie dienen zur Verlagerung der Arbeitspunkte der polarisationsoptischen Kanäle
auf besonders steile und geradlinige Abschnitte ihrer statischen Kurven (Kurven des Lichtstromes an den Kanalaus-
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gangen als Funktion der Kraft N), die sinusförmig sind·
Eingehender wird darüber weiten unten die Rede sein· Ein jedes Phasenplättchen wird durch die optische Phasendifferenz
(o£Q)f die es dem Licht beibringt, und Achsen für
die größte (F) und kleinste (S) Geschwindigkeit, deren Eichtungen die Pfeile in den Zeichnungen zeigen, gekennzeichnet.
Als Achse F der größten Geschwindigkeit wird hier die Richtung des Lichtvektors für die Teilwelle bezeichnet,
deren Ausbreitungsgeschwindigkeit im gegebenen Plättchen die größte ist. Dergleichen bezeichnet man als Achse S der
kleinsten Geschwindigkeit hier die Richtung des Lichtvektor
β derjenigen Teilwelle, deren Ausbreitungsgeechwindigkeit
im gegebenen Plättchen die kleinste ist· Die Achsen F und S des gleichen Plattchens stehen, senkrecht aufeinander.
Zur Erhaltung der größtmöglichen Empfindlichkeit
des piezooptischen Wandlers sind die Achsen F und S der
Phasenplättchen 8 und 9 bei der Anordnung nach Fig. 1 und sonst bei jeder ^m folgendem in Rede stehenden Anordnung
derart orientiert, daß sie zu den zum Lichtstrahl senkrechten Normalspannungen, die im elastischen Element unter
Einfluß der in die Kraft N umgewandelten Meßgröße entstehen,
immer parallel verlaufen· Da eine der NormalspannungeZL
im elastischen Element zu der Kraft H parallel gerichtet ist, bilden die Schwingungsebenen von Polarisatoren und
Analysator en beim Wandler nach Fig. 1 wie bei allen weiter
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unten kommenden Wandlern, die wie oben erwähnt mit der Richtung der Kraft N jeweils einen Winkel von + 45° einschließen,
auch mit den Achsen F der größten und Achsen S der kleinsten Geschwindigkeit der Phasenplättchen immer
einen Winkel von + 45°. Die Vorzeichen der Winkel ergeben
sich jeweils aus der gegenseitigen Orientierung der Schwingungsebenen
von Polarisatoren und Analysatoren einerseits und der Achsen der größten (F) und der kleinsten (S) Geschwindigkeit
der Phasenplättchen, deren Richtungen wie die Schwingungsrichtungen von Polarisatoren, Analysatoren und
Phasenplättchen in allen Figuren Pfeile zeigen·
Die optische Phasendifferenzo£ , von einem Phasenplättchen
8 bzw. 9 erzeugt, ist im Bogenmaß gleich "K /2 (2n - 1)
mit η s natürliche Zahl, W = 3,14 ··..
Außer der angeführten Funktion erfüllen die Phasenplättchen beim Wandler nach Fig. 1 sowie bei einigen anderen
piezooptischen Wandlern, die nachstehend beschrieben werden,
noch eine, nämlich dienen sie als Mittel zur Änderung der nach Durchgang durch den zusätzlichen polarisationsoptischen-Kanal
15 auf den Photοempfänger 13 fallenden Lichtintensität
zur Änderung der nach Durchtritt durch den polarisationsoptischen
Hauptkanal 14 auf den Photoempfänger 12 fallenden Lichtintensität entgegengesetzten Vorzeichens· Dies wird
erreicht, indem die obengenannten zwischen Polarisator 2 und Analysator 10 im Hauptkanal 14 bzw. zwischen Polarisator
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und Analysator 11 im zusätzlichen Kanal 15 angeordneten Phasenplättchen
8 und 9 derart auegeführt werden, daß ihre gleichnamigen optischen Achsen F bzw. S zueinander parallel
sind und ihre Phasenverschiebungen sich um einen Winkel von ηSf mit η as ungerade ganze Zahl, JT = 3,14 .·· voneinander
unterscheiden. Der Unterschied zwischen den Phasenverschiebungen der beiden Phasenplättchen entsteht, weil das Plättchen
9 dicker, Als das Plättchen 8 ist, so daß die vom erst
er en dem auf den Photoempfänger 13 fallenden Lichtbündel
B beigebrachte ursprüngliche optische Phasendifferenz cC^p
mit JF rad größer, als die vom Phasenplättchen 8 dem auf den Photoempfänger 12 fallenden idchtbündel aufgeprägte ursprüngliche
optische Phasendifferenz <sC _ (also hier η = 1) ist.
Was die Größe 0^ ΓΛ anbelangt, so wird für sie vorzugsweise
der Wert ausgewählt, der nah bei W/2 liegt· Bei der Anordnung
nach Fig. 1 sind die Schwingungsebenen der Polarisatoren 2, 3 zueinander parallel und zu jenen der Analysatoren
10, 11 senkrecht, d.h. die Schwingungsebenen von Polarisator und Analysator im jeweiligen Kanal senkrecht aufeinander
stehen·
Der Wandler nach Fig. 2 unterscheidet sich vom Wandler nach Fig. 1 dadurch, daß die Schwingungsebenen der Polarität
or en 16, 17 parallel zu jenen der Analysatoren 18, 19 verlaufen. Eine solche Ausführung des piezooptischen Meßwandlers
ist gleichbedeutend mit der Ausführung nach Fig.
Der Wandler, dessen Optik in Fig. 3 dargestellt ist, unterscheidet sich vom Wandler nach Fig. 1 dadurch, daß
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er Phasenplättchen 20, 21 hat, die an den Kanalausgängen
das Auftreten gleich großer Phasenverschiebungen cc herbeiführen,
welche jeweils auch π /2 betragen sollten. Wie bei der Anordnung nach Fig· 1, verlaufen die Schwingungsebenen der Polarisatoren 2 und 3 hier gleichfalls parallel
zueinander, dagegen sind die Schwingungsebenen der Analysator en 10, 11 zueinander senkrecht· Die Achse F der größten
Geschwindigkeit des Phasenplättchens 20, eingesetzt im polarisationsoptischen Kanal 14, ist parallel zu der Kraft
Ii, jene des Phasenplättchens 21 im anderen polarisationsoptischen
Kanal 15 senkrecht zu der Kraft N orientiert.
Der Wandler nach Fig. 4 unterscheidet sich vom Wandler nach Fig. 3 dadurch, daß die Schwingungsebenen der
Polarisatoren 22 und 23 einerseits und der Analysatoren
24 und 25 andererseits zueinander parallel verlaufen. Diese
Ausführung ist mit der nach Fig. 3 gleichzusetzen.
Der Wandler nach Fig. 5 iß* ähnlich wie der nach Fig.
4 ausgeführt. Der Unterschied besteht darin, daß das elastische Element 26 die Gestalt eines rechtwinkligen Prismas
mit vier durchsichtigen Seitenflächen 27» 28 und 29» 30 hat, die beiden polarisationsoptischen Kanäle 14 und
15 über/s'eine eigene Lichtquelle 31 bzw. 32 verfügen und
die optischen Achsen der beiden Kanäle 14 und 15 senkrecht
zueinander sowohl, als auch jede für sich auf den durch-
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sichtigen Seitenflächen 27, 28 bzw. 29, 30 stehen. Bei dieser Optik kann das elastische Element 26 kleiner in der Höhe
dimensioniert sein, so daß seine Starrheit in Richtung der Kraft N zunimmt, weshalb auch die Eigenfrequenz der
mechanischen Schwingungen größer wird·
Der piezooptische Wandler nach Fig. 6 besteht aus einer Lichtquelle 33 für den polarisationsoptischen Haupt- 14
und den zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal und im jeweiligen Kanal im Strahlengang hintereinander stehenden
Polarisator 34 bzw. 35, elastischem Element 4, Phasenplättchen
36 bzw. 37, wobei die beiden Plättchen gleiche Orientierung haben und gleiche Phasenverschiebung verursachen,
Analysator 38 bzw. 39 und Photoempfänger 40 bzw. 41. Bei
der vorliegenden Variation des Wandlere sind Polarisator 34 und Analysator 38 des polarisationsoptischen Hauptkanals
14 zueinander und zu Polarisator 35 und Analysator 39 des
zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals 15 so gestellt,
daß die Schwingungeebenen der ersteren parallel zueinander
verlaufen, jene der letzeren senkrecht aufeinander stehen.
Die Holle des Mittels zur Änderung des Lichtstromes im zusätzlichen
polarisationsoptischen Kanal 15 zur Änderung der
Lichtintensität im polarisationsoptischen Hauptkanal 14 entgegengesetzten Vorzeichens übernehmen diese Polarisatoren
34 und 35 und Analysatoren 38 und 39.
Der piezooptische Meßwandler nach Fig, 7 unterscheidet
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sich vom piezooptischen. Meßwandler nach Fig. 6 dadurch,
daß bei jenem die beiden polar isationsoptischen Kanäle 14 und 15 über seine eigene Lichtquelle 42 bzw. 43 verfügen
und die optischen Achsen dieser Kanäle zueinander parallel und zu den durchsichtigen Seitenflächen 5 und 6 senkrecht
gerichtet sind.
Die ßchwingungsebenen des Polarisators 34 (Fig. 7) und Analysators 3ö, die im polarisationsoptischen Hauptkanal
14 eingesetzt sind, stehen senkrecht, aufeinander, diejenigen
des Polarisators 35 und Analysatore 39t die sich
im zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 15 befinden,
verlaufen einander parallel.
Der piezooptische Meßwandler nach Fig. 8 hat den ähnlichen
Aufbau wie der Wandler nach Fig. 7. Der Unterschied besteht darin, daß hier das elastische Element 26 nach
Fig. 5 verwendet wird, die optischen Achsen der beiden polar isationsoptischen Kanäle 14, 15 (Fig. 8) senkrecht zueinander
und jede einzeln den durchsichtigen Seitenflächen 27, 28 bzw. 29, 30 sind.
Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Variationen des Wandlers nach Fig. 1 ... 8 sind die Photoempfänger des
polarisationsoptischen Haupt- und des polarisationsoptischen
zusätzlichen Kanals gegenseitig differenzial ge-
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schaltet, wobei die Schaltung selbst an Hand des Ausführungsbeispiels für den Wandler gemäß Pig. 1 weiter unten zu behandeln
sein wird·
Eine der Ausführungsmöglichkeiten besteht darin, daß
das elastische Element 44 (Fig. 9) die Gestalt eines achtflächigen
Prismas mit paarweise durchsichtigen Seitenflächen 45, 46* 47, 48, 49, 50, 51 und 52 hat. Das elastische Element
44 steht auf einer Unterlage 53·
Bei dieser Ausführung des Wandlers gibt es awei Gruppen
polarisationsoptische Kanäle: das Paar von Hauptkanälen 54, 55 und das Paar von Zusatzkanälen 56» 57, die jeweils
Lichtquellen 5ö, 59 bzw. 60, 61 und in die Strahlengänge
(A und B) gebrachte Polarisatoren 62, 63 bzw· 64, 65, elastisches
Element 44, Phasenplättchen 66, 67 bzw· 68, 69t Analysatoren 70, 71 bzw. 72, 73 und das auffallende Licht
in elektrische Signale umformende Photoempfanger 74, 75 bzw.
76, 77 enthalten·
Beim vorliegenden Aueführungsbeispiel sind alle polarisationsoptischen
Kanäle mit gleichartigen und gleichartig orientierten Phasenplättchen 66, 67, 68, 69, die jwmer gleich
große optische Phasendifferenz O^ = -w- erzeugen, und
gleichartig orientierten Polarisatoren 62, 63, 64, 65 versehen.
Das Mittel zur Änderung der sich in der Gruppe polarisationsoptische
zusätzliche Kanäle 56» 37 ausbreitenden
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Lichtintensität jener der sich in der Gruppe polarisationsoptische
Hauptkanäle 54, 55 fortpflanzenden Intensität entgegengesetzten Vorzeichens besteht darin, daß die ßehwingungsebenen
der Analysatoren 72, 73 der zusätzlichen Kanäle senkrecht auf den fckshwingungsebenen der Analysatoren 64, 65
dieser Kanäle stehen, während die Schwingungsebenen der Analysatoren 70, 71 der Hauptkanäle parallel zu den Schwingungsebenen
der Polarisatoren 62, fa3 dieser Kanäle verlauten.
.Die in Fig. 9 dargestellte Ausführung der polarisationsoptischen
Haupt kanäle 54, 55 ist die des Kanals 14 nach
Fig. 8, die Ausführung der zusätzlichen polarisationsoptischen Kanäle 56, 57 ist die des Kanals 15 Bach Fig. 8· Es
sind aber auch andere Ausführungen der polarisationsoptischen Kanäle möglich:
1· Sie Kanäle der Hauptgruppe sind ausgerührt genauso,
wie der Kanal 14 nach ü'ig. 1, die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso, wie
der Kanal 15 nach Ji'ig. 1$
2. Die Kanäle der Haupt gruppe genauso, wie der Kanal
14 nach Fig. 2>
die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso, wie der Kanal 15 nach Ji'ig. 2;
3« die Kanäle der Hauptgruppe genauso, wie der Kanal
14 nach Fig. 3,
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die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso, wie der Kanal 15 nach Fig. 3;
4· die Kanäle der Hauptgruppe genauso, wie der Kanal
14 nach Ji1Ig. 4,
die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso, wie der Kanal 15 nach Fig. 4.
für die fälle, wo die Meßgröße kleine Werte annimmt,
eignen sich gut Meßwandler mit elastischem Element in Gestalt eines aus piezooptiechem Material hergestellten Balkens,
der auf Biegung beansprucht wird. So ist beim Wandler, deren Optik in Fig. 10 gezeigt ist, das elastisch· Element
78 als im Träger 79 fliegend befestigter balken mit zwei durchsichtigen Parallelseitenflachen 80 und 81 ausgeführt. Die von des Meßgröße abhängige Kraft N greift am
freien Balkenende an. Das von der Lichtquelle 82 durch den polarisationsoptischen Hauptkanal 83 geschickte Teillichtbündel
A durchläuft nacheinander den !Polarisator 84, das elastische Element 78, das Phasenplättchen 85» den Analysator
86 und gelangt am Photoempfänger ti? an. Das im zusätzlichen
polarisationsoptischen Kanal 88 laufende Teillichtbündel
B von der Lichtquelle 82 geht durch die gleichen üeuelemente und trifft beim zusätzlichen Photoempfanger 89
ein. Die Achsen der Kanäle 83 und 88 stehen etwa senkrecht
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auf den Seitenflächen ÖO und ü1 und durchdringen das elastische
liileiaent 78 in einem Abstand h voneinander zu beiden
beiten der neutralen Schicht 90 des elastischen Clements
78. Besser durchdrigen sie das elastische Element
h '/3 in einem gleich großen Abstand vom Betrage -7- von der
neutralen Schicht 90. Polarisator 84, Analysator 86 und Phasenplättchen 85 sind den beiden Kanälen 83 und 88 gemeinsam,
d.h.· die Polarisatoren, Analysatoren und Phasenplättchen
des polarisationsoptischen Haupt- und des zusätzlichen Kanals Jeweils aus einem Stück ausgeführt sind.
xiei dieser Variation des Heßwandlers erscheint das elastische Clement '/8 als Mit eel zur Änderung der Lichtintensität
im polarisat ionsoptischen zusätzlichen Kanal 88 im jener der Lichtintensität im polarisationsoptischen
Hauptkanal 83 entgegengesetzten Sinn.
Die Phtoempfanger 87 *md t>9 sind gegeneinander differential
geschaltet, nie Schaltung fällt unter die Besehreiüung
uer xür den Wandler nach i'ig. 1, weil die beiden
Schaltungen analog sind.
uer Wandler nach .b'ig. 11 i&fc äliiiLioh wie der nach Jsig.
lü ausgeführt. Der Unterschied besttcu iarin, daß dort in
den beiden Kanälen 83 und 88 je eine ? Lg em Licht quelle 91
uüd 92 vorhanden ist, so daß axe optischen Achsen der Kanäle
83 und 88 zueinander wie zu den durchsichtigen
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ιlachen 80 und Ö1 αββ elastischen Clementa 76 senkrecht
stehen und auf einen größeren Abstand h voneinander versetzt sein können, weshalb die jBimpfindlichkeit des Wandlers
verbessert wird.
Das elastische Element nach JB'ig. 10 und 11 kann auch
aus Metall gefertigt sein und nur in einem kleineren Bereich der durchstrahlten Zone ein eingeklebtes oder vielleicht
durch ein anderes bekanntes Verfahren ia Balken
befestigtes Einsatzstück aus pie ζ ο optischem Material aufweisen·
Wie aus den obenangeführten Optiken ersichtlich, gelten die Begriffe "polarisationsoptischer Haupt kanal1*
und "polarisationsoptischer zusätzlicher Kanal" für die
einzelnen Kanäle nur als konventionelle, weil deren jeder sowohl als Haupt-, als auch zusätzlicher Kanal auftreten
kann.
Die Polarisatoren des polarisationsoptischen Haupt-
und des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals des Wandlers können gemäß der Erfindung sowohl als Einzelteile,
als auch einstückig ausgeführt sein, sofern ihre ßchwingungsebenen
parallel sind·
Die Analysatoren des polarisationsoptischen Haupt-
und des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals können
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beim vorgeschlagenen Wandler sowohl als Einzelteile, als
auch einstückig ausgeführt sein, sofern ihre Schwingungsebenen parallel sind·
Die Phasenplättchen des polarisationsoptischen Haupt- und des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals des Wandlers
können gemäß der Erfindung sowohl als Einzelteile, als auch einstückig ausgeführt sein, sofern die Achsen F
und S der größten und der kleinsten Geschwindigkeit des Phasenplättchens in dem einen polarisationsoptischen Kanal
zu den entsprechenden Achsen dee Phasenplättchene in dem anderen
polarisationsoptischen Kanal parallel sind·
Bei dem zum Patent angemeldeten Wandler, und zwar in Variation, bei welcher die Polarisatoren und Analysatoren
die Punktion des Mittels zur Änderung der sich im zusätzlichen
polarisationsoptischen Kanal ausbreitenden Lichtintensität entgegengesetzt jener der sich im polarisationsoptischen
Hauptkanal fortpflanzenden Lichtintensität nicht übernehmen, können ihre Schwingungerichtungen in den beiden polarisationsoptischen
Kanälen entweder parallel, oder ebenfalls' in den beiden Kanälen senkrecht zueinander sein. Beim Wandler,
dessen Polarisatoren und Analysator en die Friction des
Mittels zur. Änderung der sich im zusätzlichen polarisationsoptischen
Kanal ausbreitenden Lichtintensität entgegengesetzt jener der sich im polarisationeopti sehen Hauptkanal
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fortpflanzenden Lichtintensität übernehmen, sind ihre Schwingungsrichtungen im polarisationsoptischen Hauptkanal
zueinander senkrecht, dagegen im Zusatzkanal parallel oder umgekehrt.
Diese Kombinationsmöglichkeiten gelten für alle in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Ausführungsvaria-»
tionen des piezooptischen Wandlers. Diejenigen Kombinationen,
die auf die hier aufgeführten piezooptischen Wandler nicht angewandt wurden, unterstützen wir durch Zeichnungen
in Anbetracht der Klarheit ihrer Arbeitsweise nicht.
Nun bringen wir (Pig. 12) die prinzipielle elektrische Differentialschaltung der Photoempfänger 12 und 13
für den Wandler nach Fig. 1 (die Differenzialschaltungen der Photoempfänger für den Wandler in sonstigen Variationen
bis auf die Wandlervariationen nach Fig. t?» 7» 9 und
11 werden, weil analog, weggelassen) vor.
Die Lichtquell· 1 (Fig. 12) ist eine Galliumareenid-Lichtdiode.
Zur Begrenzung des Stromes durch die Lichtdiode ist in seinem Stromkreis ein Widerstand 93 eingeschaltet.
Die zwei differential geschalteten Photoempfanger 12, 13» die Silizium-I/ichtdioden sind, werden auch als
Dioden betrieben. An zwei Widerständen 94 und 93» die &1&
Last?widerstände für die* Lichtdioden auftreten, sind Transistoren 96 und 97 angeschlossen, mit welchen ein Diff eren-
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- 3ö -
tialfolger für die Verringerung des Ausgangswiderstandee
des Wandlers bestückt wird· An den Transistoren 96 und liegen zwei weitere Widerstände 98 und 99. Ein veränderlicher
Widerstand 100 dient zum Abgleich des Wandlers. Die Klemmen 101 sind für die Aufnahme der Speisequelle (in der
Zeichnung weggelassen) Klemmen 102 für die Ausgabe des Aus· ^angssignals des Wandlers bestimmt.
Die Differentialschaltung für die Photoempfänger 12,
13 des Wandlers nach Fig. 5» die Photoempfänger 40, 41 des Wandlers nach Fig. 7 und die Photoempfänger U7, ö9 des
Wandlers nach Fig. 11 sind in Fig. 13 vorgeführt.
Die Differentialschaltung für die Photoempfänger 74,
75» 76, 77 des Wandlers nach Fig. 9 ist in Fig. 14 gebracht.
Die Schaltungen nach Fig. 13» 14 sind analog der
Schaltung nach Fig. 12 und unterscheiden sich von dieser nur in der Anzahl der Lichtquellen and Photoempfänger.
Zur Stabilisierung der Empfindlichkeitszahl ist der Wandler gemäß der .Erfindung mit einer kcabilisierungsschaltung
für Empfindlichkeit versehen,
Die Stabilisierungsschaltung für Empfindlichkeit kann auf eine- beliebige vorstehend beschriebene Variation
des piezooptlachen Meßwandlers angewandt werden# aber
dar Einfachheit der Darstellung halbet· *ird hi^- aar dia
Schaltung
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für den Wandler nach Fig. 1 aufgeführt. Die Schaltung umfaßt
einen Summierer 103 (Pig. 15), an dessen Eingängen die Photoempfänger 12 und 13 liegen, einen Vergleicher 104, dessen
einer Eingang mit dem Ausgang des.Summierers 103 verbunden
ist, eine Bezugsspannungsquelle 105» die an dem zweiten Eingang des Vergleichers 104 angeschlossen ist, und
eine steuerbare Speisequelle 106, die eingangsseitig hinter dem Vergleicher 104, ausgangsseitig vor der Lichtquelle 1
geschaltet ist.
Der Summierer 103 (Fig· 16) wird mit einem Regelwiderstand
realisiert.
Der Vergleicher 104 ist aus zwei Transistoren 107» 108 zusammengeschart et, geren Emitter über einen Widerstand
109 an die Plusklemme 101 der Speisequelle und deren Kollektoren an die Minusklemme 101 der Speisequelle geführt Und,
wobei der Transistor 107 an der Minusklemme 101 über einen
Widerstand 111 liegt. Die Basis des Transistors 107 ist am Schieber des Widerstandes, der die Punktion dee Summierers
103 erfüllt, und über den Kondensator 110 an die Plusklemme 101 der Speisequelle geschaltet, während die
Basis des Transistors 108 am Schieber eines weiteren Regelwiderstandes
112, der in die Bezugsspannungequelle 105 eingeht
, angeschlossen.
Die Bezugsspannungsquelle 105 umfaßt den Regelwider-
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stand 112, einen weiteren Widerstand 113 und eine Zenerdiode
114. Der Widerstand 113 und die Zenerdiode 114 liegen in Eeihe und sind an den Klemmen 101 der ßpeisequelle angeschlossen,
und zwar der Widerstand 113 8^ der Minus-,
die Zenerdiode 114 an der Plusklemme. Der Widerstand 112 liegt; ,mit dem einen Ende am Verbindungspunkt zwischen Widerstand
113 und Zenerdiode 114, mit dem anderen an der Plusklemme 101 der Speisequelle·
Die steuerbare Speisequelle 106 ist mit (Transistoren 115 und 116 aufgebaut. Die Basis des !Transistors 115 führt
zum Kollektor des in den Vergleicher 104 eingehenden Transistors 107» sein Kollektor zur Minusklemme 101 der Speisequelle·
Die Basis des Transistors 116 ist an den Emitter des Transistors 115>
sein Kollektor an die Minusklemme 101 der Speisequelle und sein Emitter über einen Widerstand
117 an die Lichtquelle 1 gelegt.
Die Blockschaltung dee elektrischen Teils des Wandlere
nach Fig. 1, die in Fig. 17 dargestellt ist, ist analog der Blockschaltung nach Fig. 15· Der Unterschied besteht darin,
daß sie durch eine zusätzliche Ausgleichsschaltung für Temperaturdrift des Wandlernullpunktes ergänzt wird· Dieser
Schaltungsteil hat die Gestalt einer Ausgleichssignalquelle 118, die mit ihrem Eingang auf die steuerbare Spei-
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sequelle 106, ihres einen Ausgang auf die Licht quell· 1 und
ihren zwei anderen Ausgängen auf die Klemmen 102 für das Ausgangssignal des Wandlere geschaltet ist·
Diese Ausgleichssignalquelle 118 (Fig. 18) enthält Regelwiderstände 119, 120, deren Schieber miteinander verbunden sind, und zwei weitere Widerstände 121, 122· Der
Hegelwider et and 119 ist zwischen dem Auegang der steuerbaren Speisequelle 106 und dem Eingang der Lichtquelle 1 geschaltet. Der Regelwiderstand 120 liegt über Widerstand·
121, 122 zwischen den Klemmen 102 zur Heraueführung des Ausgangssignals des Wandlers. Die Ausgleichsschaltung für
Temperaturdrift des Wandlernullpunktes kann bei jedem der piezooptischen Wandler nach Fig» 1 ··· 11 Anwendung finden·
Auf Basis jeder der vorstehend beschriebenen Anordnungen für die Wandler nach Fig. 1 ... 11 und entsprechender
elektrischen Schaltungen kann man Einrichtungen zur Messung verschiedener mechanischen Größen, wie zum Beispiel
der Beschleunigungs-, der Druck-, der Kraft- und der Temperaturmesser solche sind, entwickeln.
Fig. 19 und 20 zeigen den Aufbau eines Beschleunigungsmessers zur Messung einer Linearbeschleunigungskomponente,
für den ein beliebiger von den Wandlern nach Fig. 1 ... 9 verwendet werden kann.
Für diese Beschleunigungsmesserkonstruktion let die
Wandleranordnung nach Fig. 5 benutzt· Der elektronische
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Teil ist nach der prinzipiellen elektrischen Schaltung gemäß Fig. 13 ausgeführt.
Das elastische Element 26 (Fig. 19, 20) des Beschleunigungsmessers hat die Gestalt eines Parallelepipeds, auf
dessen durchsichtigen Seitenflächen 27» 28, 29, 30 (Fig. 20) in deren Mitten die Phasenplättchen 20, 21, Polarisator en 22, 23 und Analysatoren 24, 25, orientiert wie lsi
Fig. 5t aufgeklebt sind. Mit der Grundfläche ist das elaetißche Element 26 in eine Aussparung in der Unterlage 123
(Fig. 19), mit der Deckfläche in eine solche im Masseelement 124 eingeklebt. Der Schwerpunkt des Masseelements
124 liegt auf der Symmetrieachse 125 des elastischen Elements 26, die parallel zu seinen Seitenflächen 27 ..· 30
(Fig. 20) verläuft· Mit dem Masseelement 124 (Fig. 19) sind Membranen 126, 127 gekoppelt, deren Ebenen senkrecht
auf der Symmetrieachse 125 stehen·
Die Bauelemente 20, 21, 22, 23. 24, 25» 26, 123, 124,
126, 127 bilden eine Baugruppe, die mit den Membranen 126, 127 und der Unterlage 123 in zylindrische Bohrungen des Gehäuses 128, deren Achsen mit der Symmetrieachse 125 des
elastischen Elements 26 zusammenfallen, eingeklebt wird· Im Gehäuse 12Ö gibt es vier weitere paarweise koaxiale Bohrungen, deren Achsen 129, 130 (Fig. 20) zu den entsprechenden durchsichtigen Seitenflächen 27, 28 und 29 des elaati-
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sehen Elements 26 senkrecht sind und In seiner Mitte sich
schneiden. Die Achsen 129, 130 fallen mit den Eichtungen
der entsprechenden Lichtbündel A und B in den polarisationsoptischen Kanälen 14 und 15 (Fig. 5) zusammen.
In den Bohrungen des Gehäuses 12Ö (Fig. 20) in der Achse 129 sind Lichtquelle 31 und Photoempfänger 12 befestigt.
In den Bohrungen in der Achse I30 sind Lichtquelle
32 und Hiotoempfanger I3 eingebaut. In Aussparungen des
Gehäuses 128 sind die Transistoren 96» 97» daneben die Widerstände
94, 95 eingesetzt.
Die Schaltungselemente der Schaltung nach Fig. 13 sind zwecks Erweiterung des Frequenzbereiches des Beschleunigungsmessers
in dessen Gehäuse 123 untergebracht, da hierdurch die dämpfende Wirkung des Kabels 135 für die Speisung
des Beschleunigungsmessers und Herausführung des Ausgangssignals beseitigt wird. Ein Deckel I36 (Fig. 19)
schützt das Gerät gegen mechanische Beschädigungen und Wasser. Im Bodenteil des Deckels 136 ist ein Loch mit einer
Verschlußschraube 137 vorgesehen. In ein Gewindeloch. I38
im Masseelement 12.4 des Beschleunigungsmessers wird ein !Teller (in der Zeichnung weggelassen) eingeschraubt, woran
die Last bei der Eichung des Beschleunigungsmessers angreift.
Die Linearbeschleunigung wird in Richtung des Pfeils
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139 gemessen. Ein Gewindeloch 140 dient zum Aufsetzen des Beschleunigungsmessers am Meßobjekt·
In Fig. 21 und 22 ist eine andere Modifikation des Beschleunigungsmessers gezeigt, bei der die Wandleranordnung
nach Fig. 10 verwendet wird. Die elektrische Schaltung ist die nach Fig. 12.
Das elastische Element 78 (Fig. 21, 22) des Beschleunigungsmesser hat die Gestalt eines aus durchsichtigem Material
angefertigten, im Querschnitt rechtwinkligen Balkens, der mit dem einen Ende in einem Auflager (Fig. 21), mit
dem anderen im Masseelement 142 v&rklebt ist. Zwei Seitenflächen
80 und 81 des elastischen Elements 78 sind durchsichtig ausgeführt. Der Schwerpunkt des Masseelements 142
liegt auf der Symmetrieachse 143 des elastischen Elements 78, die mit dessen neutralen Schicht 90 (Fig. 22) zusammenfällt.
In der Mitte der durchsichtigen Seitenfläche 80 (Fig. 21) ist Polarisator 84, in der Mitte der durchsichtigen
Seitenfläche 81 Phasenplättchen 85 und obenauf Analysator
86 aufgeklebt. Die Schwingungsebenen von Polarisator 84, Analysator 86 und die Achse F der größten und die Achse S
der kleinsten ..Geschwindigkeit des Phasenplättchens 85 sind
gegen die neutrale Schicht 90 (Fig. 22) des elastischen
Elements 78 so, wie es Fig. 10 zeigt, orientiert. Auf der Seite des Polarisators 84 (Fig. 22) werden die Bauelemente
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Ö4, 78, 85, 86 vom Lichtfluß durchsetzt, der von der in
einem Träger 144 befestigten Lichtquelle 82 ausgeht. Am Analysator
86 ist obenauf ein Differentialphotoempfänger geklebt, der zwei lichtempfindliche Flächen 146, 147 aufweist.
In Fig. 22 stellen Polarisator 84, Teil des elastischen Elements 78 in der Zeichnungsebene rechts von der
Sftutralen Schicht 90, Phasenplättchen Ö5, Analysatöj^86
einen polarisatio.nsoptisch.en Kanal 148 wie der polarisationsoptische
Kanal 83 nach Fig. 10 einer ist. Durch den polarisationsoptiscien
Kanal 148 (Fig. 22) gelangt das von der Lichtquelle 82 ausgestrahlte Lichtbündel A zu der lichtempfindlichen Fläche 146 des Different ialphotoeiupf anger 145»
Polarisator 84, linkerTeil (in der Zeichnungsebene gesehen)
des elastischen Elements 78 und Phasenplättchen 85 bilden einen zweiten polarisationeoptischen Kanal 149, der analog
dem polarisationsoptischen Kanal 88 nach Fig. 10 ist. Der polarisationsoptische Kanal 149 (Fig. 22) leitet das
von der Lichtquelle 82 kommende Lichtbündel der lichtempfindlichen
Fläche 147 des Differentialempfängers 145 zu.
In den Bohrungen des Auflagere 141 sind die Traneistoren
9&» 97 untergebracht, daneben befestigt man die Widerstände
94, 95 des nach Fig· 12 ausgeführten elektrischen Teils des Wandlers. Ein Deckel 150 (Fig.21) sichert den
Beschleunigungsmesser gegen mechanische Beschädigungen und
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Wasser. Im Auflager 141 ist ein Stutzen 151 zur Herausführung
des Kabels (in der Zeichnung weggelassen) vorgesehen. Die Sichtung, in welcher die Beschleunigung gemessen wird,
ist die des Pfeiles 152 (Fig. 22).
Fig. 23 zeigt den Aufbau eines Druckmessers, für den
jeder piezooptische Wandler nach Fig. 1 ... 9 anwendbar ist.·
Dieser Druckmesserkonstruktion (Fig. 23) liegt der Wandler 4 zugrunde, nur daß hler die Polarisatoren wie
Analysatoren aus einem Stück ausgeführt sind· Der elektrische
Teil entspricht der Schaltung nach Fig. 12.
Das elastische Element 4 (Fig. 23) des Druckmessers hat die Gestalt eines rechtwinkligen Parallelepipeds, das
mit der Grundfläche in eine Unterlage 153 i^ Druckmesser,
mit der Deckfläche in den verstärkten Mittelteil einer Membran 154 eingeklebt ist. In der Mitte einer durchsichtigen
Seitenfläche 155 des elastischen Elements 4 ist ein Polarisator 156» in der Mitte der üje^enüberliegenden durchsichtigen
Seitenfläche 157 Phasenplätchen 20, 21 und obenauf . ein Analysator 158 aufgeklebt» Die SchwingiiTigaxichtungen
von Polarisator 156, Analysator 158 und die Achsen F und
S für die größte und die kleinste Geschwindigkeit der Phasenplättchen
20, 21 sind gegen üie Kraft ü, in deren Richtung der Pfeil 159 weist, genauso orientiert, wie es tür
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die Polarisatoren 22, 23, Analysatoren 24, 25 und Phasenplättchen
20, 21 in ihrer Stellung zu der Hichtung der
Kraft N Fig. 4 zeigt.
Kraft N Fig. 4 zeigt.
Die Bauelemente 4, 20, 21, 156, 15Ö, 153» 154 bilden
eine Baugruppe, die mit der Unterlage 153 und der Membran 154 in Bohrungen eines Gehäuses 160 befestigt, beispielsweise
verklebt ist. In andere Bohrungen des Gehäuses 160
sind Lichtquelle 1 und Photoempfänger 12, 13 eingesetzt,
derart, daß ein Teil des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichtflusses nach Durchtritt durch Polarisator 156, elastische Element 4, Phasenplättchen 20 und Analysator 158 auf den Lichtempfänger 12 fällt, wie es mit dem den polarisationsoptischen Kanal 14 durchlaufenden Licht bündel A nach Fig. 4 geschieht, während ein anderer Teil des Lichtflusses der Lichtquelle 1 nach JJurchgang durch Polarisator 156,
elastisches Element 4, Phasenplättchen 21, Analysator 153 am Licht empfänger 13 wirksam wird, genauso wie beim durch den polarisationsoptischen Kanal 15 geschickten Lichtbündel nach Fig. 4. Im Gehäuse 160 (Fig. 23) sind noch die
Transistoren 96, 97 und Widerstände 94, 95 der Wandlerelektrik nach Fig. 12 untergebracht. Deckel 161 mit Stutzen,
aufgeschraubt Bufs Gehäuse 160 so, daß jener über der Membran 154 zu liegen kommt, dient zur Zuführung dee Meßdruckes unter die Membran 154, Ein Gehäuse 162 schützt den Druckmesser gegen mechanische Beschädigungen und wasser· Ein
sind Lichtquelle 1 und Photoempfänger 12, 13 eingesetzt,
derart, daß ein Teil des von der Lichtquelle 1 ausgesandten Lichtflusses nach Durchtritt durch Polarisator 156, elastische Element 4, Phasenplättchen 20 und Analysator 158 auf den Lichtempfänger 12 fällt, wie es mit dem den polarisationsoptischen Kanal 14 durchlaufenden Licht bündel A nach Fig. 4 geschieht, während ein anderer Teil des Lichtflusses der Lichtquelle 1 nach JJurchgang durch Polarisator 156,
elastisches Element 4, Phasenplättchen 21, Analysator 153 am Licht empfänger 13 wirksam wird, genauso wie beim durch den polarisationsoptischen Kanal 15 geschickten Lichtbündel nach Fig. 4. Im Gehäuse 160 (Fig. 23) sind noch die
Transistoren 96, 97 und Widerstände 94, 95 der Wandlerelektrik nach Fig. 12 untergebracht. Deckel 161 mit Stutzen,
aufgeschraubt Bufs Gehäuse 160 so, daß jener über der Membran 154 zu liegen kommt, dient zur Zuführung dee Meßdruckes unter die Membran 154, Ein Gehäuse 162 schützt den Druckmesser gegen mechanische Beschädigungen und wasser· Ein
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Stutzen 163 am. Gehäuse 162 führt das elektrische Kabel (in
der Zeichnung weggelassen) hindurch·
In Fig. 24, 25 ist eine Druckmesserkonstruktion dargestellt,
für die der piezooptische Wandler nach Fig. 10,
verwendet werden kann, üei der vorliegenden Druckmesserkonstruktion
benutzt man aie Optik des piezooptischen Wandlere
nach ü'ig. 10 und elektrische Schaltung nach if ig. 12.
Das elastische Element 78 des Druckmessers nach Fig.
24, 25 hat die (restalt eines im Querschnitt rechtwinkligen
Balkens, der mit der einen Stirnfläche in einem Auflager 164 (Jb1Ig* 24) eingeklebt ist· An der anderen Stirafeite des
elastischen Elements 78 ist ein Hebel 165 befestigt. Das
Auflager 164 trägt ein Gehäuse 166» Das freie / des Hebels
165 ist durch eine Zugstange 167 mit der Kundplatte
168 einer Membran 169 verbunden, die mit ihren Rändern an einer Scheibe 170 angelötet ist· Die Scheibe 170 saut einem
Kopf 171 aus durchsichtigem Material ist mittels vier Schrauben 172 am Gehäuse 166 angeschraubt,Dei-Druck liegt an »iner
Kammer 173 des Kopfes 171 über Stutzen 174, 175 an·
In der mitte der einen durchsichtigen Seitenfläche ÖO
(Fig. 25) des elastischen Clements 78 ist Polarisator 84,
in die Mitte der anderen durchsichtigen Seitenfläche 81 Phasenplättchen 85 und über dieses Analysator 86 geklebt.
Die Schwingungsrichtungen von Polarisator 84, Analysator ö6
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und die Achsen Ji1 und S der größten und aer kleinsten Geschwindigkeit
von Phasenplättchen 85 sind gegen die neutrale
Schicht 90 des elastischen ülementa 78, wie in Fig· 1O9 '
orientiert. Vom Polarisator 84 Urig· 25) her werden dl·
Bauelemente 84, 78, 85, ö6 vom Licht der Lichtquelle 82
durchdrängt a die in einer .Bohrung ues Gehäuses 166 befestigt
ist. Auf aer Seite des Analysators 86 sind im Gehäuse 16b
ale Photoempfänger 871 89 eingebaut.
Polarisator 84, 'feil aes elastischen Clements 78 zu
der einen Seite der neutralen Schicht 90, Phasenplättchen
8^, Analysator 86 stellen einen polarisationsoptischen Kanal
dar, der analog dem polarisationsoptischen Kanal. 86
nach Fig. 10 ist. Polarisator 84 (Fig. 25), Teil des elastischen Elemente 78 zu der anderen Seite der neutralen
Schicht 90, Phasenplättchen 35, Analysator 86 stellen einen polarisationsoptischen Kanal dar, der analog den polarisationsoptischen
Kanal 88 nach Fig. 10 ist·
Blindflansche 176, 177 (Fig. 24) und 178, 179 (?ig. 25) schließen Montageöffnungen Ια Gehäuse 166 ab· Ein
Stutzen 180 (Fig. 24) führt das elektrische Kabel (in der Zeichnung weggelassen) heraus. Die Schaltungselemente des
elektrischen Teile bis auf die Lichtquelle 82 und Photoempfänger 87» 89 sind außer dem Druckmesser gebracht.
Fig. 26, 27 zeigen den Aufbau eines Kraftmessers. Für
509848/1097
den Kraftmesser eignet sich ein beliebiger von den Wandlern nach Fig. 1 ... 9.
Bei der Kraftmesserkonstruktion nach Fig· 26, 27 ist
die Anordnung des piezooptischen Wandlers nach Fig. 8 angewandt· Der elektrische Teil des Kraftmessers entspricht
der Schaltung nach Fig· 13·
■ Das elastische Element 26 (Fig. 26) des Kraftmessers hat die Gestalt eines rechtwinkligen Parallelepipeds, auf
dessen zwei durchsichtigen Seitenflächen 27, 29 (Fig. 27)
die Polarisatoren 34, 35· auf dessen zwei anderen durchsichtigen Seitenflächen 28, 30 die Phasenplättchen entsprechend
36, 37 und obenauf Analysatoren entsprechend 38, 39 jeweils in der Mitte aufgeklebt sind. Beim Kraftmesser
nach Fig· 26, 27 sind die Polarisatoren 34, 35» Analysatoren
38, 39 mit ihren Schwingungsrichtungen und die Phasenplättchen
mit ihren Achsen F und S der größten und der kleinsten Geschwindigkeit gegen die Kraft N wie in Fig. 8 orientiert.
Mit der Grundfläche ist das elastische Element 26
(Fig. 26) in einer Unterlage 181, mit der Deckfläche in einem Sx; atz zapf en 182, angesetzt an einer Membran 183, befestigt,
beispielsweise eingeklebt, Die Bauelemente 26, 34, 35i 36, 37, 38, 39» 181, 182, 183 bilden eine Baugruppe,
die mit der Unterlage 181 und der Membran 183 am Ge-
509848/1097
häuse 184 befestigt wird. Die Membran 183 *ird an das
einen &Q.
Gehäuse 184 durch/Ring 185 und Schrauben 186/gepreßt. Der
Punkt am Stützzapfen 182, wo die Kraft N angreift, liegt
auf der Symmetrieachse 187 des elastischen Elements 26, die zu seinen durchsichtigen Seitenflächen 27, 28, 29ι 30
(Fig. 27) parallel verläuft. Im Gehäuse 184 gibt es vier paarweise koaxiale Bohrungen, deren Achsen 188, 189 auf
den entsprechenden durchsichtigen Seitenfläche 28, 28 und 29» 30 des elastischen Elements 26 senkrecht stehen und
sich in dessen Mitte schneiden. Die Achsen 188, 189 fallen mit den Ausbreitungsrichtungen der Lichtbündel entsprechend
A und B in den polarisationsoptischen Kanälen entsprechend 14, 15 nach Fig. 8 zusammen.
In den Bohrungen des Gehäuses 184 (Fig. 27) in der Achse 188 sind Lichtquelle 42 und Photoempfanger 40 untergebracht.
In den Bohrungen des Gehäuses 184 in der Achse 189 befinden sich Lichtquelle 43 und Photoempfänger 41. In
Aussparungen des Gehäuses sind die Transistoren 96 t 97 und
mit ihnen zusammen die Widerstände 94, 95 des elektrischen
Teils des Wandlers nach Fig. 13 angeordnet. Stutzen 190 dient als Herausführung für das elektrische Kabel (in der
Zeichnung weggelassen). Die Gewindelöcher 191» 192
(Fig. 26), die im Gehäuse 184 vorgesehen sind, sind für die Befestigung dei Kraftmessers bestimmt.
:·. η 9 R L 11 m η
In Fig. 28, 29 ist der Aufbau eines Kraftmessers vorgestellt,
für den der piezooptische Wandler nach Fig. 10 und 11 Anwendung finden kann. Bei der Kraftmesserkonstruktion
geht man von der Optik des Wandlers 10 und der elektrischen Schaltung nach Fig. 12 aus.
Das elastische Element 193 des Kraftmessers nach Fig.
28 hat die Gestalt eines im Querschnitt rechtwinkligen Balkens, der mit der einen Stirnfläche in einem Auflager
194 eingeklebt, mit der anderen Stirn mit einem Hebel 195
verbunden ist. Der Auflager 194 ißt in dem Gehäuse 196 fest
eingebaut. Am freien Ende des Hebels 195 greift die MeB-kraft
N an, deren Richtung durch den Pfeil 197 veranschaulicht ist. Der Hohlraum des Gehäuses 196 ist von einem
biegsamen Rohrelement 193 zum Beispiel aus Gummi abgeschlossen.
In die Mitte der einen durchsichtigen Fläche öO (Fig. 29) des elastischen Elements 193 ist der Polarisator
84, in die Mitte der anderen durchsichtigen Seitenfläche 81 des Phasenplättchen 85 und obenauf des Analysator 86 geklebt.
Die Schwingungsebenen von Polarisator 84, Analysator 86 und die Achse F der größten, die Achse S der kleinsten
Geschwindigkeit des Phasenplättchens 63 liegen zu der
neutralen Schicht 90 des elastischen Elements 193 bo, wie
es in Fig. 10 gezeigt ist·
509848/10 1A 7
Vom Polarisator 84 (S1Ig. 29) her werden die Bauelemente
84, 193, 85, 86 vom Lichtstrom der Lichtquelle 82 durchstrahlt,
die in einer Bohrimg des Gehäuses 196 eitzt. Auf
der Seite des Analysatorβ 86 sind im Gehäuse 196 die Photo
empfang er 87t 89 eingelassen.
Polarisator 84, Teil des elastischen Elemente 193 zu der einen Seite seiner neutralen Schicht 90, Phasenplättchen
85» Analysator 86 bilden einen polarisationeoptischen
Kanal, der analog dem polarisationeoptischen Kanal 83 nach
Fig. 10 ist. Polarisator 84 (Fig. 29)ι Teil des elastischen
Elements 193 zu der anderen Seite seiner neutralen Schicht
90, Phasenplättchen 85» Analysator 86 bilden wieder einen
polarisationsoptischen Kanal, der mit dem polarisationeoptischen Kanal 8ö nach Fig. 10 identisch ist.
Die Blindflansche 199» 200 (Fig. 29) verschließen die
Hohlräume im Gehäuse 196. Stutzen 201 (Fig. 28) ist die Durchführung für das elektrische Kabel (in der Zeichnung
weggelassen). Die die elektrische Schaltung nach Fig. 12 bestückenden Bauelemente bis atff die Lichtquelle 82 und
die Photoempfänger 87, 89 sind außerhalb des Kraftmessers montiert.
Fig. 30 zeigt den Aufbau eines Teniperaturmeasere, dem
ein jeder von den pie^ooptischen Wandlern nach Fig. 1 ... zugrundegelegt werden kann.
509848/1097
Für die gegebene T.emperaturmesserkonstruktion ist die
Optik des piezooptischen Wandlers nach. Fig. 4 gewählt, nur
daß hier sowohl die Polarisatoren, als auch die Analysatoren
aus einem Stück hergestellt werden. Der elektrische Teil des Temperaturmessers ist nach Fig. 12 ausgeführt.
Das elastische Element 4 (Fig. 30) hat die Gestalt eines rechtwinkligen Parallelepipeds, das mit seiner Grund- und
seiner Deckfläche an Ansätzen eines starren Gehäuses 202
verklebt ist. Über die Mitte der einen durchsichtigen Seitenfläche 203 des elastischen Elements 4 klebt man einen
Polarisator .204 , darüber die Lichtquelle 1· In der Mitte der anderen durchsichtigen Seitenfläche 205 des elastischen Elements 4 sind die Phasenplättchen 20, 21, obenauf der Analysator 206 geklebt. Über den Analysator 206 klebt man einen Differentialphotoempfänger 207 mit lichtempfindlichen Flächen 20ö, 209.
seiner Deckfläche an Ansätzen eines starren Gehäuses 202
verklebt ist. Über die Mitte der einen durchsichtigen Seitenfläche 203 des elastischen Elements 4 klebt man einen
Polarisator .204 , darüber die Lichtquelle 1· In der Mitte der anderen durchsichtigen Seitenfläche 205 des elastischen Elements 4 sind die Phasenplättchen 20, 21, obenauf der Analysator 206 geklebt. Über den Analysator 206 klebt man einen Differentialphotoempfänger 207 mit lichtempfindlichen Flächen 20ö, 209.
Die Schwingungsebenen des Polarisators 204, Analysator
s 206, die Achsen F und S der größten und der kleinsten Geschwindigkeit der Phasenplättchen 20, 21 verlaufen gegen die
Wärmeschrumpfungs(Wärmeausdehnung3T)kraft, in deren
Richtung der Pfeil 210 zeigt, genauso, wie es für die entsprechenden Elemente und die Kraft N in Fig. 4 dargestellt ist.
Richtung der Pfeil 210 zeigt, genauso, wie es für die entsprechenden Elemente und die Kraft N in Fig. 4 dargestellt ist.
50 9 8 48/ 1 ο 97
Ein Teillicbtfluß erreicht nach Austritt aus der Lichtquelle
1 (Fig. 30) und Durchtritt durch Polarisator 204, elastisches Element 4, Phasenplättchen 20 und Analysator 206 1
die lichtempfindliche Fläche 208 des Photοempfangers 207» wie
es beim auf den l'hotoempfanger 12 fallenden Lichtbündel A
(Fig. 4) im polarisationsoptischen Kanal 14 der Fall ist. Ein anderer Teil des von der .Lichtquelle 1 (Fig. 30) ausgehenden
Lichtstromes kommt über den Polarisator 204, elastisches Element
4, Phasenplättchen 21 und den Analysator 206 an der lichtempfindlichen. Fläche 209 ani genauso wie das Liehtbün—
del B (Fig. 4), sich im polarisationsoptiechen Kanal 15 ausbreitend,
am Photοempfänger 13 eintrifft.
Im Gehäuse 202 (Fig. 30) sind eine Nut 211 und ein Schlitz 212 eingearbeitet. Ins Gewindeloch 213 des Gehäuses
202 HCliraubt man eine Schraube 214 ein, zwischen deren Kopf
216
und dem Gehäuse eine Feder 215,/angeordnet wird. Das elektrische
Kabel zur Herstellung einer Verbindung zwischen der
Lichtquelle 1 und dem Photoempfänger 207 einerseits und den anderen Elementen der Schaltung nach Fig. 12 andererseits
ißt in der Zeichnung nicht gezeigt.
Die Wirkungsweise der piezooptischen Wandler beruht auf
der Photoelastizität, die sich als Entstehen einer optischen Anisotropie in ursprünglich isotropen Medien bzw. als Veränderung
der optischen Anisotropie in anisotropen Medien, beispielsweise Kristallen, unter Einwirkung mechanischer Span-
S 0 9 8 4 R / 1 0 q 7
mangen, hervorgerufen im Medium zum Beispiel infolge dessen
Belastung durch äußere "Kräfte, nach außen wirkt. Dabei
ist das Ausmaß der sich einstellenden optischen Anisotropie oder das ihrer Änderung proportional der mechanischen
Spannung im Medium.
Insbesondere erscheint die optische Anisotropie im gegebenen Fall, wo sie für die piezooptischen Wandler genutzt
wird, als Vorhandensein von zwei Brechungsindizes n. und η im Medium in zwei zueinander senkrechten Eichtungen
0 und 0 , die hier als zwei optische Hauptachsen bezeichnet werden. Ein Licht streu wird in solchen Medien
in zwei Teilstrahlen, nämlich den "ordentlichen" und den "außerordentlichen" Strahl, aufgespalten, deren Schwingungsrichtungen zu den optischen Hauptachsen 0 und 0 sowie der
* y
Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls im Medium parallel
liegen.
Eine Änderung der optischen Anisotropie tritt als Änderung
der Differenz der beiden Brechungsindizes el. und η , also als Änderung der Differenz, welche die Ausbreitung
sgeschwindigkeiten der Wellenfronten des "ordentlichen"
und des "außerordentlichen" Strahls zeigen, in Erscheinung, so daß auch eine Änderung der Phasendifferenz AcC der beiden
Teilstrahlen sich einstellt, welche dann nach deren Austritt aus optisch anisotropem Medium nachweisbar ist
509848/1097
(s. zum Beispiel 1) "Physical Properties of Cryctals iDheir
representation by tensors and matrices" by I.F. Nye, M.A.,
Ph. D. Oxford at the Clarendon Press 1957; 2) "Polarised Light. Production and use'.1 William A. Shurkiiff. Harward
University Press Cambridge Massachusetts).
Falls das unter Wirkung einer Außenkraft stehende Medium eine einachsige Stauchung (Dehnung) erfährt, weshalb
in ihm eine homogene mechanische Spannung GT erzeugt wird, werden die optischen Hauptachsen 0 , 0 der dabei entstehenden
optischen Anisotropie so orientiert sein, daß deren eine mit der Richtung der mechanischen Spannung Ö und somit mit
der !Richtung der diese Spannung verursachten Kraft N zusammenfällt. Für die Phasendifferenz AcL (Phasenverschiebung), die
die "ordentliche" und die "außerordentliche" Komponente eines sich zu den optischen Hauptachsen 0 und 0 senkrecht
*. y
ausbreitenden Lichtstrahls, gilt dann
mit dl = optische Weglänge für den Strahl im gegebenen Me- dium,
(j ss piezoqptische Konstante von den Eigenschaften des
Mediums und der Wellenlänge des Lichts abhängig.
Die Änderung der Phasendifferenz des "ordentlichen" und des "außerordentlichen" Lichtstrahls zieht die Änderung
ihrer Interferenzverhältnisse nach sich, so daß sie grund-
5098Ü8/1097
sätzlich bei der Änderung der Lichtintensität durch Änderung
der optischen Anisotropie des Mediums, durch das das Licht hindurchtritt, benutzt werden kann.
Ausgehend von den vorausgeschickten Ausführungen kann man nun die Arbeitsweise der einzelnen Optiken und elektrischen
Schaltungen des vorgeschlagenen piezooptischen Wandlers und piezooptischen Meßgeräte auf dessen Basis betrachten.
Der Wandler nach Fig. 1 selbst und seine elektrische Schaltung nach Fig. 12 haben folgende Funktion.
Das von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte Lichtbündel A
(Fig. 1) wird nach Durchtritt durch den Polarisator 2 in linear polarisiertes Licht übergeführt, dessen Schwingungsrichtung mit der Richtung der Kraft N einen Winkel vom Betrage
45° bildet. Im elastischen Element 4, das, unter Wirkung
der Kraft N stehend, anisotrop geworden ist, wird das Lichtbündel in zwei linear polarisiöit« Lichtkomponenten
zerlegt, deren Schwingungsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, wobei die Schwingungsrichtung einer der Lichtkomponenten
zu der Kraft N parallel ist. Nach Austritt aus dem
elastischen Element 4 zeigen die linear polarisierten Teilwellen des Bündels A eine Phasendifferenz vom Betrage AoC ,
der sich nach Gleichung (1) berechnet.
Weiterhin geht das Lichtbündel A durch das ox^tisch unisotrope I'hasenpläctchen d hindurch. Die Dicke d d«s
509848/1097
Phasenplättchens 8 ist so gewählt, daß den linear polarisierten Komponenten des Lichtbündeis A zusätzlich eine sogenannte
ursprüngliche Phasenverschiebung vom Betrage oC Q beigebracht
wird. Somit ist der Gesamtbetrag der Phasenverschiebung, welche
die linear polarisierten Komponenten des Lichtbündele A nach Austritt aus dem Phasenplättchen 8 gegeneinander zeigen,
gleich AoC + oC .
Die Schwingungsrichtungen der linear polarisierten Komponenten des Lichtbündele A stehen senkrecht aufeinander,
daher wird das Lichtbündel A bei der Interferenz seiner Komponenten hinter dem Phasenplättchen im allgemeinen zu
elliptisch polarisiertem Licht und geschieht keine Änderung seiner Intensität.
Danach treten die linear polarisierten Komponenten des Lichtbündels A in den Analysator 10 ein. Durch den Analysator
10 werden nur Projektionen der Komponenten des Lichtbündels A auf die Schwingungsebene des Analysators 10 hindurchgelassen.
Die Schwingungsebenen der durch den Analysator 10 hindurchgegangenen Komponenten des Lichtbündele A
sind parallel, und die Interferenz dieser Komponenten wird von einer .Änderung der Intensität des Lichtbündele A begleitet,
deren Verlauf von der bekannten (ileichung beschrieben wird
h O μ i* - M / j ή <ί 7
mit Lj, Lj j = Intensität des Licht bündeis A (B) nach Austritt
aus dem Analysator bei Polarisatoren entsprechend in gekreuzter (Gleichung (2) )
und paralleler (Gleichung (3) ) Stellung. Ln = kleinste Intensität des Lichtbündels A (B)
nach Austritt aus dem Analysator,
L = Intensität des Licntbündels A vor Eintritt
in den Polarisator minus L_.
Das Vorhandensein von L wird durch die Unvollkommenheit
der optischen .bauelemente bedingt.
ils muß betont werden, daß eine Änderung der Indensität
des Lichtbundeis A bei der Interferenz seiner Komponenten jeweils gleichmäßig im ganzen Volumen des Bündels hinter
dem Analysator 10 eintritt. Dies behebt die Begrenzungen rür die Lage des Photoempfängers 12, die normalerweise
bei Interrerenzanordnungen bestehen. Im Gegensatz dazu
kann hier der Photoempfänger 12 in einem beiliebigen Volumenbereich des Lichtbündels A hinter dem Analysator 10
angeordnet werden, wie auch die lichtempfindliche Jj'läche
des Photpempfängers nicht unbedingt senkrecht auf dem Lichtbündel A stehen muß.
Mit Ansatz von AcL und ÖL entsprechender Vorzeichen
erhält man aus Gleichung (2) und (3) die Änderung
509848/1097
- b1 -
der Lichtintensität am Ausgang eines jeden polarisationsoptischen
Kanals eines jeden piezooptischen Wandlers.
Die Bauelemente 2, 4, ö, 10 des Wandlers nach Fig. 1
bilden den polarisationsoptischen Kanal 14, Die im Phasenplättchen
8 entstehende ursprüngliche Phasenverschiebung kann gleich ~ΊΓ" + nif mit η = O, 2, 4, 6 ... sein.
Dabei gehorcht die Veränderung der Intensität des Lichtbündels A hinter dem Analysator 10 in Jttinktion der üröße
Ao£ nach Gleichung (2) einem üinusgesetz, und die entsprechende
den Inderungsverlauf darstellende Kurve ist die
gezogene Sinuslinie L.^1, in Fig. 31» wo die L. „.-Werte
über den AöC-werten aulgetragen sind. Die kleinsten Werte
von ^ΐΛΐί. sind gleich L . Wenn N = O, ist ebenfalls
gleich Null, uann ist Li^ gleich hQ und entspricht dem
Punkt 0 auf der AqC - L ^1, - Kurve, die im .bereich das
Punktes 0 größte Steilheit und Linearität aufweist. Der Punkt 0 ist daher Arbeitspunkt des polarisationsoptischen
canals 14.
Die Phasenverschiebung ist proportional der Größe der Kraft N, da Gleichung (1) sich in folgender Jjorm schreiben
läßt:
hl
6 β0 (4)
mit b = (#ierschnitt des elastischen Elements 4 senkrecht
zum Licht bündel A.
509848/1097
Daher trägt man die Werte der Kraft N im entsprechenden Maßstab längs der χ - Achse in Fig. 31 ab.
Alles obengesagte über physikalische Grundlagen des polarisationsoptischen
Kanals 14 (Fig. 1) gibt auch für jeden polarisationsoptischen Kanal der piezooptischen Wandler
nach Fig. 1 ... 11. Der Unterschied all dieser Kanäle vom polarisutionsoptischen Kanal 14 (Fig. 1) besteht jeweils in
einer anderen Auswahl des Mittels zur Gewährleistung entgegengesetzter
Änderungsvorzeichen für die Lichtintensitäten
A und B an den Ausgängen der entsprechenden polarisat ionsoptischen
Kanäle. Diese Mittel sind: Dicke der Phasenplättchen, ihre Orientierung, Orientierung der Polarisatoren und
Analysator en und schließlich elastisches Element. Nur diese
Unterschiede werden auch weiterhin jedesmal erwähnt bei der Beschreibung der Arbeitsweise der einzelnen polarisationsoptischen Kanäle der piezooptischen Wandler, über dia physikalischen
Grundlagen aber, die ja für alle Kanäle die gleichen sind, wird der Kürze der Darlegung halber nicht mehr
die Rede sein.
Der polarisationsoptische Kanal 15 (Fig. 1), der Polarisator
3, elastisches Element 4, Phasenplättchen 9j Analysator
11 umfaßt., unterscheidet sich vom polarisationsoptischen
Kanal 14 nur durch die Dicke des Phasenplättcheno 9t
die so gewählt ist, daß oCQ -^- +äff beträgt. Hierbei
hat der Änderungsverlauf der sich im polarisationaopti-
509848/1097
- 63 -
sehen Kanal 15 ausbreitenden Lichtintensität B als Funktion
von AoC hinter dem Analysator 11 nach Gleichung (2) die Gestalt
einer Sinuskurve L^1-, die in Fig. y\ gestrichelt
eingezeichnet ist.
Die sinusförmigen Verläufe L , ^1, und L -,- der Änderung
der licht Intensitäten A und B in Abhängigkeit von fkyC sind
in Fig. 31 um eine halbe Periode entlang der x-Achse gegeneinander
verschoben, d.h.?bei Belastung des elastischen Ele ments durch die Kraft N haben die Änderungen Ali. ^2,,
der Lichtintensitäten A und B die gleiche Größe, doch entgegengesetzte
Vorzeichen.
Das Mittel, welches die Änderung der Lichtintensität im zusätzlichen polarisationeoptischen Kanal 14 im jener
der Lichtintensität im polarisationsoptischen Hauptkanal 15 entgegengesetzten Sinn ermöglicht, ist hier die unterschiedliche
Dicke der Phasenplättchen 8 und 9* Bei N = O ist AcC auch gleich Null, L j, ^ und
sind dann gleich L und entsprechen dem Arbeitspunkt 0 auf
der dcL- L . ^1, - bzw. L ^x- - Kurve.
Bei durch die Kraft N beanspruchtem elastischem Element 4 sind die "ordentliche" und die "außerordentliche"
Komponente des Lichtbündels A bzw. B in den beiden polarisationsoptischen Kanälen 14, 15 um den sich aus Gleichung
(4) ergebenden Betrag&cCgegeneinander phasenverschoben,
und die Lichtintensitäten A und B an den Ausgängen der po-
509848/10
larisationsoptischen Kanäle- 14, I5 durchlaufen Änderungen
Δ L Λ1ί und ^ L7V1C- und sind dann gleich entsprechend
L +AL,,,,, und L -£L Λτ-· Diese Werte entsprechen den Punk-
O *"* ΧΊ4 O J/i?
ten a und b auf den betreffenden Kurven in Fig. 31·
Den Arbeitsbereich für die Größe A^t iß- dem sie sich
bewegen kann, wählt man je nach der vorgegebenen zulässigen
Abweichung von der Linearität der Beziehung L. ^ Cl»,^c)«
Beim. Linearitätsfehler 1% beträgt die zulässige Größe von
Δ cC inf olgeÄ N der Kraft U 20°· Dabei erreichen die Änderungen
der Licht bündel A und B an den Ausgängen der polar isationsoptlachen
Kanäle 14 und 15 ihre Maximalwerte
wobei die Differenz der Intensitäten der besagten Licht bündel A und B ist
^z Q5sLo=-o,3?Lm '
C6)
Man setzt hier -^— = LQ an, wie es auch bei Polarisator
und Analysator hoher Qualität berechtigt ist, da
Den Faktor 0,35 bei Lm bezeichnet man als relativer
keßgrößen-Grenzänderungskoeffizient K^, wobei als Meßgröße
509848/1097
hier die L auftritt.
Zum Vergleich, sei es darauf hingewiesen, daß dieser
Koeffizient bei Dehnwiderstandswandlern mit Draht- oder
Halbleiter-Dehnwiderständen ungefähr gleich entsprechend
0,001 und 0,02 ist.
Die elektrische Schaltung nach Fig. 12 des Wandlers
nach Fig. 1 arbeitet wie folgt.
Bei N=O, also bei &oC & 0 fallen auf die Photoempfänger
12, 13 (Fig. 1)» die hinter den Analysatoren 10, angeordnet sind, die Lichtbündel entsprechend A und ß, jedes
vom Betrag LQ (Fig. 31). Dann ist der jeweiliche Photostrom
1^. bzw. 1,J1- der beiden Photoempfänger 12, 13 gleich
I , und diese Ströme erzeugen Spannungsabfälle U ^, ü\ ic
über den Widerständen 94, 95 (Fig. 12), welche beide vom Betrag U sind. Die Spannungen an den beiden Widerständen
98f 99ι an den Transistoren 96, 97 angeschlossen, sind hierbei
ebenfalls gleich groß, so daß das Ausgangssignal an den Klemmen 102 gleich Null ist.
Es sei hier gleich bemerkt, daß bei der Schaltung nach Fig. 12 sowohl, als auch bei allen sonst nachstehend zu
beschreibenden elektrischen Schaltungen die Photoströme der Photοempfänger und damit die Spannungsabfälie über den
Widerständen 9^, 95 von der Größe /cCnach einem Sinusgesetzt
abhängen und mit den sinusförmigen Änderungen der Lichtintensitäten in den Lichtbündeln A und B an den Aus-
509848/1097
" 6b " 2B2131Ü
fangen der polarisationsoptischen Kanäle in Phase liegen.
Daher sind die Werte der Spannungsabfälle wie die der Photoströme in Fig. 31 auf der y-Achse aufgetragen, und zwar
in einem Maßstab, bei dem sie mit der Größe Δτ£ in gleicher
Beziehung wio die entsprechenden Lichtströme stehen. Um die
Verhältnisse in Fig. 3I besser überschauen zu können, hat
man dort nur die Anderungsverläufe der Spannungsabfälle Uj^ und Uj1^i- über den Widerständen 94 und 95 in Abhängigkeit
von A P^ nur für den Wandler nach Fig. 1 in seiner Funktion
zusammen mit der elektrischen Schaltung nach Fig. 12
eingezeichnet.
Die Widerstände 98» 99 liegen an der Plusklemme 101
über den Regelwiderstand I09. Der Widerstand 109 dient zur
Einstellung des an den Klemmen 102 anstehenden Wandlerausgangssignals auf Null, falls das Wandlerausgangssignal infolge
Ungleichheit der Kennwerte der einzelnen Bauelemente
in den polarisationsoptischen Kanälen 14, 15 (Fig. 1) und
den entsprechenden elektrischen Kreisen beim Ausfall der Kraft N nicht gleich auf Null steht.
Nach erfolgter Belastung des elastischen Elements 4 durch die Kraft N, weshalb sich eine Phasenverschiebung
einstellt, entsprechen die Intensitäten der Lichtbündel A und B, die nun gleich L + A L,,.^ bzw. LQ -4L^r sind,
den Punkten a und b (Fig. 31) der ApC-Funktionen Jj 1 ^ und
509848/1097
L-C- Hierbei erfahren die Photoströme der Photοempfänger
12, 13 (Fig. 12) die Änderungen & I*.^ und—^ 1^c und sind
dann gleich entsprechend I + Δ I** und I -Al,.,-.
Die von den Photoströmen erzeugten Spannungsabfälle über den Widerständen 94, 95 zeigen jeweils auch eine Änderung
von Betrege /IU^ bzw. -ALr und sind dann gleich
UQ +^TJ^j^ bzw· UQ - A ^15» so daß üire Differenz nun ist
Die Differenz der Spannungen an den Widerständen 99» an den Transistoren 96, 97 angeschlossen, und somit an
den Klemmen 102 ist dabei gleich 2 Κ(4ϋ^ +Δ U15) ait
K = Übertragungefaktors des Transistors 96 bzw. 97t der nahe
bei Eins liegt.
Diese Spannungsdifferenz an den Klemmen 102 ist proportional
der Größe der Kraft N und ist somit Ausgangssignal
des Wandlers«
Berücksichtigt man, daß die Änderungen ^\ U^x, und M U4-C
der Spannungsabfälle über den Widerständen 94 und 95 proportional
den Änderungen A I und /|Lr der entsprechen-
-· 1
den Photoströme, also den Änderungen Δ L^ und AL^,- der Licht intensität en in den entsprechenden Lichtbündeln A und B an den Ausgängen der polarisations optischen Kanäle 14 und
den Photoströme, also den Änderungen Δ L^ und AL^,- der Licht intensität en in den entsprechenden Lichtbündeln A und B an den Ausgängen der polarisations optischen Kanäle 14 und
509848/1097
- 6ö -
15 sind, so kann man Gleichung (6) folgenderweise umschreiben:
(8)
mit U = größtmögliche Differenz der Spannungsabfälle über
den Widerständen 94 und 95 (Fig. 21 s. auch Fig.31),
Der Wert Um ist etwa gleich der Speisespannung U des
Wandlers. Sind die Photoempfanger 12, 13 (Fig. 1) mit Silizium-Lichtdioden
bestückt, kann üm bzw. U beispielsweise
24 Volt betragen. Dann kann gemäß Gleichung (ö) die Differenz der Spannungsabfälle über den Widerständen 94 und 95
(Fig. 12) die Werte + 4,5 Volt bei Messung der einwertigen Kraft aber auch 9 Volt erreichen·
Einen Vergleich mit Dehnwiderstandswandlern kann man
noch nach solch einem für den Meßwandler wichtigen Kennwert anstellen, wie die Dehnempfindlichkeitszahl einer ist, welche
man für die Dehnwiderstände nach der bekannten Formel berechnet: Δ -
Jl up
mit η = Zahl der aktiven Brückenzweige, U = Speisespannung der Brücke,
£ = spezifische Formänderung des elastischen Elements
mit aufgeklebtem Dehnwiderstand,
509848/1097
U = Änderung der Spannung am Dehnwideretand bei den Messungen.
für den piezooptIschen Wandler, für den man schreiben kann
I=JL. ^JL -ρ
A Jiuo '
(9)
Aus Gleichung (7) kann man den Grenzwert für dieses Verhältnis erhalten:
= 0,35.
Uo
Die entsprechende spezifische Grenzformänderung S ergibt sich aus der bekannten Gleichung S = "-5— »it E » Elastizitätsmodul des elastischen Elemente 4 (Fig· 1), der beispielsweise für Glas gleich 7*10^ —*_— iSt.
Die entsprechende spezifische Grenzformänderung S ergibt sich aus der bekannten Gleichung S = "-5— »it E » Elastizitätsmodul des elastischen Elemente 4 (Fig· 1), der beispielsweise für Glas gleich 7*10^ —*_— iSt.
ca
Die Größe G berechnet sich nach der Gleichung
560° ^o (10)
mit Einsatz der von früher her bekannten Grenzwerte für und (on 1*°:/ic6= 20° und 6^0 1*0 = 240 -X- für Glas· Dann
n
0
.. cm
- 1 , ζ G 2.10~5 und S β 35*1O3 (bei η = 1 in
cm
Gleichung 9),
Bei Verwendung von einigen Uonokristallen als Material
für das elastische Element kann man die Dehnempfindlichkeita-
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zahl, sofern das Material eine wesentlich, größere Ό o
(in der Größenordnung von 45 und einen größeren E
cm 6 to (in der Größenordnung von 1,5 . 10 —™n— ) hat, bis zu
c cm
2.1Q·7 steigern.
Nach der Dehnempfindlichkeit übertreffen die piezooptischen
Wandler somit weit sowohl die Dehnwiderstands— wendler, bei denen die Groß« S für die Dreht- und die
Halbleiter-Dehnwiderstände entsprechend 2 und 10 betragt,
als auch die den Anmeldern bekannten parametrischen Meßwandler ·
Die hohe Dehnempfindlichkeit der piezooptischen Wandler
gestattet es, in diesen sehr starre elastische Elemente einzusetzen, was bei der Entwicklung von hochfrequenten
Meßgeräten von besonderer Wichtigkeit ist.
Der optische Teil eines Wandlers in seiner wirklichen Gestalt, der aus einem Glasparallelepiped mit auf seinen
Seitenflächen aufgeklebten Glimmerplättchen als Phasenplättchen
und Folienpolaroiden als Polarisatoren und Analysator
en besteht, stellt eine gedrungene und robuste Anordnung, die beständig gegen Erschütterungen und Stöße ist.
Der optische Teil des Wandlers ist ziemlich einfach herzustellen und erfordert keine Eichung, die normalerweise
beim Zusammenbau von optischen Geräten unumgänglich ist. Dies wird dadurch bedingt, daß die Zusammenwirkung des
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Lichtes mit den optischen Bauteilen im piezooptischen Wandler nach Gesetzen der sogenannten physikalischen Optik geschieht
und bei bestimmten Bedingungen, die im Wandler erfüllt werden, keine sorgfältige Einhaltung der geometrischen
Kennwerte der Bauelemente: Hegularität deren Seitenflächen und Dicke, Genauigkeit der gegenseitigen Lage der Teile und
Orientierung deren optischen Achsen voraussetzt.
Unparallelität der Seitenflächen der optischen Bauelemente und Abweichung ihrer optischen Achsen von den vorgegebenen
Richtungen in der Größenordnung von 2 bis 3 Grad üben praktisch keinen Einfluß auf Enipfindlichkeit und Linearität
des Wandlers aus.
Zur Unterdrückung der Drift der Empfindlichkeitszahl des piezooptischen Wandlers nach Fig. 1 ist die Stabilisierungsschaltung
für Empfindlichkeitszahl nach Fig· 15» 16
vorgesehen.
Die Arbeitsweise der Stabilisierungsschaltung für Empfindlichkeit szahl beruht auf der Eigenschaft der Wandler mit
differential geschalteten Umwandlungselementen, die Summe . aus Signalen in Differentialelementen der Schaltung bei
Änderung der Meßwirkung unverändert zu erhalten. Dies wird dadurch bedingt, daß Änderungen der Signale in Differentialelementen,
insbesondere im piezooptischen Meßwandler: Änderungen der Lichtintensitäten Δ und B an den Eingängen der
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Photoempfanger 12, I3 (IPig. 16), solche der Photoströme an
den Ausgängen der Phutυempfanger 12, 13 usw., einschließlich
Änderungen der Spannungen an den Widerständen 9ö, 99» jeweils
vom absoluten Betrag her gleich groß sind, doch entgegengesetzte Vorzeichen haben.
infolgedessen bleiben die Spannun^sabfalle über dem als
Summierer wirkenden Widerstand 103 aus Ausgangsströmen der
Transistoren 96, 97 bei Änderung der am elastischen Element
4 angreifenden ivraft unverändert.
Ändert sich aber (beispielsweise verringert sich) aus irgendwelchem Grund die Leuchtstärke der Lichtquelle 1 (der
llalbleiter-Lichtdiode), so wird es einmal zur Verminderung
der Empfindlichkeit des Wandlers, zum anderen zu einem kleineren Spanxiungsabf all über dem die Funktion eines Summierers
übernehmenden Widerstand IO3 führen, da dann die Änderungen
der Signale in sämtlichen Differentialelementen, insbesondere auch an den Widerständen ein und dasselbe Vorzeichen
haben (die Signale werden kleiner).
Die Verringerung der Spannung am als Summierer geschalteten
Widerstand I03 kann durch eine Gegenkopplung wieder auf den Eingang der Lichtquelle gegeben werden, derart, daß
ihre Leuchtstärke wieder zunimmt und der Spannungsabfall über öem genannten Widerstand sowie die .Empfindlichkeit des
Wandlers wieder auf ihr ursprüngliches .Niveau gebracht werden.
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Der Hiickkopplungskreis hat seinen Anfang an der Basis
des Transistors 107» der die am Schieber des SunimierenwiderStandes
103 abgegriffene Spannung zugeleitet wird. Der Transistor 107 hat die Funktion eines Vergleichers
(Vergleicher 104), auf dem das vom Summiererwiderstand
kommende Signal und das von der Zenerdiode 114 über den
Transistor 1Od als Emitterfolger am Emitter des Transistors 107 angelangte Signal miteinander verglichen werden.
Differenz dieser beiden Signale ist die Regelabweichung. Regelwiderstand 112 dient zur Einstellung des Bezugssignals.
Widerstand 113 begrenzt Strom durch die Zenerdiode 114, der zusammen mit dem Widerstand 112 die Bezugsspannungsquelle
105 bildet.
Die dem Widerstand 111 entnommene Regelabweichung wird auf die Basis des Transistors II5 gegeben, von dessen
Jjiaitter sie der Basis des Transistors 116 zugeführt wird,
welcher mit seinem Emitter über Widerstand 117 an der Speisequelle
1 liegt.
Die Transistoren 115» 11t» bestücken die steuerbare
Speisequelle 106, die je nach dem Vorzeichen der Regelabweichung
die Speisung der Lichtquelle 1 im Sinne der Ausregelung der Regelabweichung, die dabei gegen Hull strebt,
verändert und somit die Leuchtßtärke der Lichtquelle 1
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sowie die Empfindlichkeit wie schon oben gesagt auf ihr Anfangsniveau
zurückbringt«
Zur Unterbindung der Temperaturdrift dee Wandlernullpunkteß
beim Wandler nach tfig. 1, die von der Temperaturinkonstanz
der optischen und elektrischen Bauelemente verursacht wirdι dient die Ausgleichsschaltung für Temperaturdrift
des Wandlernullpunktesι die in Fig. 17i 18 gezeigt
ist.
Die Ausgleichsschaltung für Temperatur drift des Wandlernullpunktes
besteht aus dem Regelwiderstand 119» der in den Stromkreis zwischen Widerstand 117 und Lichtquelle 1
eingeschaltet ist. Bei Änderung der Temperatur, also des
Speisestromes der Lichtquelle 1 (Halbleiter-Lichtdiode; ändert
sich auch die Spannung am Kegelwiderstand 119 infolge der .Funktion der Sbabilisierun^sschaltung für Janpfindlichkeitszahl.
Die Änderung aes Speisestroms der Lichtquelle 1 zieht eine Änderung des Spannungsabfalls über dem Widerstand
119 nach sich. Diese Spannungsänderung kann zum Ausgleich der Temperaturdrift des Wandlernullpunktes den Ausgangsklemmen
102 über Kegelwiderstand 120 und Widerstände 121, 122 zugeführt werden. Dabei stellt man den Schieber
des Regelwiderstands 119 so, üaß die Spannung zwischen Schieber und einer der .klemmen 102 gleich WuIl, wenn die
Wandlertemperatur normal, die Kraft N gleich UuIl und die
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2 b 2 1 31 9
Spannung zwiscHen den klemmen 102 eDenfalis gleich Hull
isl. Den bchieber des Widerstands 120, verbunden mit jenem
des Widerstands 119, stellt man so, daß die sich bei einer Änderung aer Temperatur einstellende Änderung der
Spannung am Widerstand 119» die von der) Widerständen 120,
121, 122 unter die Memmen 102 verteilt wird, die Temperaturdrift des Wnndlernullpunktes ausgleichen kann.
Die Stabilisierungsschaltung für ü<mpf indlichkeitszahl
(j?'ig. 15i 16) und die Ausgleichsschaltung für Temperaturdi'ift
aes wandlernulQpunirtes zeigen recht gute Wirkung
und gestatten es, sowohl die Jiänpf indlichkeits-, als
i'uoii üie i^ullpunktkon:3tanz des Wandlers um das 20lache zu
verbessern.
Die Funktion des piezooptischen Meüwandlers nach J?"ig.
2 unterscheidet sich von der des piezooptischen Wandlers nach i?ig. 1 nur dadurch, daß bei jenem infolge Parallelii
ät der Schwingungsrichtungen von Polarisator en 16, 17
iaialysatorn 1ö, 19 für die A aC -Funktionen Lj, ^^ und L,,
(j|iS· 31) der Licht intensität en in den Lichtbündeln A und
B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle 14, ^.Fig. 2) Gleichung (3) gilt. In Jj'ig. 31 fallen die .funktionen
L j. ^ und L (l ^1- mit den jmnktionen L.^c und L,.-^ entsprechend
zusammen.
i'iir uen wandler nach Fig. 2 wählt man die Schaltung
nach i-'ig. 12. Jedoch hier sowohl, als auch bei der Beschrei-
5OfHU 8/1097
bung aer anderen noch zu behandelnden Wandler werden die
.funktionen aer üpannungsabfälle über den Widerständen 94»
95 nicht angeführt, da man hier, wie bereits erwähnt, mit den gleichen Λ<^-Jftinktionen, wie oei aen Intensitäten der
Lichtbündel A und ύ zu tun hat.
Die i'unktion des piezooptischen Wandlers nach J?ig. 3
unterscheidet sich von der des piezooptischen Wandlers nach Ifig. 1 nur dadurch, üaß die im Phasenplättchen 20 entstehende
ursprüngliche Phasenverschiebung oC zwischen den
oeiden Komponenten des Lichtbündels A und die ursprüngliche Phasenverschiebung zwischen den entsprechenden Komponenten
des Lichtbündeis B infolge gleicher Dicke der Phaeenplättchen
20, 21 (jJ'ig. jj) und üenkrechtatehen der Achse F der
größten und der Achse S der kleinsten üeschwindigkeit des Phasenplä^tchens 20 auf den entsprechenden Achsen des Phasenplättchens
21 entgegengesetzte Vorzeichen haben· Die &cC
-Funktionen der Licht Intensitäten in den Lichtbündeln A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle
14, Ί5» für die hier Gleichung (2) gilt, lallen in üig. y\
mit den von den Kurven !»j^» I« /^ c aargestellten zusammen· Als
Mittel zur Änderung der Lichtilußintensität im zueätall
chen Kanal 15 entgegengesetzt jener der Lichtflußintensität
im Hauptkanal tritt hier die gegenseitige Orientierung
der Achsen Jt* und S der größten bzw. der kleinsten Geschwindigkeit
aer Phasenplättchen 20, 21 auf. Dies hat es
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zur üolge, aaß aie ursprünglichen Phasenverschiebungen <?£
in aen Kanälen 14, 15 der üräbe nach, einander gleich, jedoch
entgegengesetzter Vorzeichen sind·
Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig. 4 unterscheidet sich von der des piezooptischen Wandlers nach
Fig. 3 nur dadurch, daß die A <£ -Funktionen der Intensitäten
der Lichtbündel A und B, für die hier Gleichung (2) gilt, infolge Parallelität der Schwingungsebenen von Polarisatoren
22, 23 (Fig. 4) und Analyeatoren 24, 25 in Fig. 31
von den Kurven L .. ^2, und Lh^c- dargestellt werden.
Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig. 5
ist mit der des piezooptischen Wandlers nach Fig. 1 identisch, weil das Vorhandensein von zwei Lichtquellen 31t 32
(Fig. 5)» die die Lichtbündel entsprechend JL und £ erzeugen,
auf die Arbeitsweise der polarisationsoptischen Kanäle 14, 15 ohne Einfluß bleibt.
Für den piezooptischen Wandler nach Fig. 5 wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. 13» die sich von der
elektrischen Schaltung; nach Fig. 12 nur durch Vorhandensein
von zwei in Reihe geschalteten Lichtquellen 31» 32 unterscheidet.
Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig. 6 ist folgende. Der polarisationeoptische Kanal 14 (Fig. 6)
arbeitet analog dem polarisationsoptischen Kanal 14 (Fig.4),
der polarisationsoptische Kanal 15 (Fig. to) analog dem pola-
S098A8/1097
- 7ö -
risationsoptischen Kanal 14 (Fig. 3).
Das Mittel zur Änderung der Lichtflußintensität im
zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 15 entgegengesetzt
jener der Lichtflußintensität im polarisationspptj.-schen
Hauptkanal 14 ist hier die Auswahl der Orientierungsweise, bei der die Schwingungsebenen von Polarisator 34
und Analysator ~}8 parallel zu einander verlaufen, die von
Polarisator 35 und Analysator 39 senkrecht aufeinander
stehen·
Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig.
ist folgende. Der polarisationsoptische Kanal 14 (Fig. 7) ist seiner Funktion nach dem polarisationsoptischen Kanal
14 (Fig. 3), der polarisationsoptische Kanal 15 (Fig. 7)
dem polarisationsoptischen Kanal 14 (Fig. 4) gleichzusetzen. Das Vorhandensein der Lichtquellen 42 und 43
(Fig. 7) in den polarisationBoptißchen Kanälen 14 und 15 ändert gegenüber den entsprechenden polarisationsopticchen
Kanälen 14 (Fig. 3) und 14 (Fig. 4) an der Physik jener Kanäle nichts.
Der piezooptische Kanal nach Fi&. ü hat die gleiche
Funktion wie. der piezooptische Kanal nach Fig. 7.
Der·piezooptische Kanal nach Fig. 9 hat folgende Funktion.
Die polarisationsoptischen Kanäle 54, 55 (Fig. 9)
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sind in ihrer Funktion analog dem polarisationsoptischen
Kanal 14 des piezooptischen Wandlers nach Fig. 4, Die Punktion
der polarisationßoptischen Kanäle 56, 57 (Fig· 9) deckt
sich mit der des polarisationsoptischen Kanals 14 des Wandlers nach Fig. 3. In dieser Beziehung ist die Funktion des
Wandlers nach Fig. 9 der des Wandlers nach Fig. 6 gleichzusetzen. Beim Wandler nach Fig. 9 ist das Mittel zur Änderung
der Intensität der Lichtflüsse in den polarisationsoptischen Kanälen 56, 57 entgegengesetzt jener der Intensität
der Lichtflüsse in den polarisationsoptischen Kanälen
54, 55 das gleiche wie beim Wandler nach Fig. 6.
Für den piezooptischen Wandler nach Fig. 9 wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. 14, bei der sämtliche
Lichtquellen 58, 59ι 60, 62 miteinander in Eeihe, Photoempfanger
74 zu dem Photοempfänger 75 parallel, Photoempfänger
76 zu dem Photoempfänger 77 parallel geschaltet sind.
Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig. 10 unterscheidet sich von der aller vorstehend behandelten piezooptischen
Wandler nach Fig. 1 ... 9 dadurch, daß sein elastisches Element 7ö (Fig. 10), ausgeführt als mit dem einen
Ende befestigter Balken, eine Biegeformänderung erfährt. Die mechanische Spannung im elastischen Element 7ü hat zu den
verschiedenen Seiten der neutralen Schicht 90 verschiedene
Vorzeichen, dabei haben auch die Phasenverschiebung AoCzwischen
der "ordentlichen" und der "außerordentlichen11 Licht-
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komponente des Lichtbündels A und die zwischen den entsprechenden Lichtkomponenten des Lichtbündels B entgegengesetzte
Vorzeichen. Für die ΔoC-gunktionen Lju/i und ^j_uq (Fig. 31)
der Intensitäten der Licht bündel A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle Ö3f öö (Fig. 10) gilt
hier Gleichung (2) nach Einsatz von ΔοΟ mit entsprechendem
Vorzeichen. Da die cC für die beiden polarisationsoptischen
Kanäle 83» 88 (Fig. 10), die ja ein einziges, gemeinsames
Phasenplättchen 85 haben, nach Betrag und Vorzeichen eine und dieselbe ist, fallen die Beziehungen L,oo und Ι,ηη
(Fig. 3D zusammen.
Außerdem ändern sich die Größen Ljoq und Lj0Q nach dem
gleichen Gesetz (Gleichung (3) ), wie die Größe Lu^ für
die Intensität des Lichtbündels A beim Wandler nach Fig. 3t
daher decken sich die Kurven 1^0Q* L/«ri xm& ^1M 4. in Fig,
Greift am elastischen Element 78 (Fig. 10) die Kraft N
an, so entsteht in seinem einen Teil zu der einen Seite der neutralen Schicht 90 eine mechanische Zugspannung, in
seinem anderen 2eil zu der anderen Seite der neutralen Schicht 90 eine Druckspannung. Dies ist es auch, weshalb die
Phasenverschiebungen Δ cC zwischen den linear polarißierten
Licht komponenten der beiden Licht bündel A und B entgegengesetzte
Vorzeichen haben. Ebendeshalb zeigen die Änderungen ΔL0O und Ali b (Fig. 31) der Intensitäten L.üo und I»
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für die beiden Lichtbündel A und ß gleichfalls entgegengesetzte
Vorzeichen.
Die Intensität L·^ nimmt nach der Änderung um A L^8
den Wert an, der dem Punkt a auf der Kurve L^ (oder
auch auf der Kurve Ln,, da die Kurven Lj^y und £/«3 dekkungsgleich
sind) entspricht, die Intensität L^„- nimmt
nach der Änderung um J^ Ly- den Wert an, der dem Punkt c
auf der Kurve Lr,. (31 ^) entspricht. Die Funktion dee Mittels
zur Änderung der Lichtflußintensität im polarisationsoptischen
Kanal 88 entgegengesetzt jener der Lichtflußintensität
im polarisationsoptischen Kanal 83 übernimmt beim Wandler nach Fig. 10 des elastische Element 78 selbst, in
dem mechanische Spannungen unterschiedlicher Vorzeichen entstehen.
Für den piezooptischen Wandler nach Fig. 10 wählt man
die elektrische Schaltung nach Fig. 12, deren Funktion weiter oben beschrieben wurde.
Der piezooptische Wandler nach Fig. 11 hat die gleiche
Funktion, wie der Wandler nach Fig. 10, da das Vorhandensein eigener Lichtquellen in den einzelnen polarisa-'
tionsoptischen Kanälen 83, 88 (Fig. 11) die physikalischen
Grundlagen der Kanalfunktion unberührt läßt.
Für den piezooptischen Wandler nach Fig. 11 wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. 13, die ebenfalls
vorstehend beschrieben wurde.
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Aul" der Grundlage der obendargestellten Optiken (Fig.
1 ... 11)und elektrischen Schaltungen (Fig. 12 ... 18) für den piezooptischen Meßwandler sind verschiedene Meßeinrichtungen
wie Beschleunigungsmesser, Druckmesser, Kraftmesser, Temperaturmesser, entwickelt worden.
In Fig. 19, 20 ist der Aufbau eines Beschleunigungsmessers
gezeigt, für den man den pizooptischen Wandler nach Fig. 5 und seine elektrische Schaltung nach Fig. 13 verwendete.
Außerdem kann bei dem Beschleunigungsmesser wie auch bei allen nachfolgenden Meßeinrichtungen nach Fig.
21 ... 29 bei Bedarf von der ßtabilisierungsschaltung für
Empfindlichkeitszahl nach Fig. 15, 16, sowie Ausgleicheschaltung für lemperaturdrift des Wandlernullpunktes nach
Fig. 17f 18 Gebrauch gemacht werden. Die Funktion des piezooptischen
Wandlers nach Fig. 5 und der elektrischen Schaltungen
nach Fig. I3 und 15 ··· 18 wurde schon oben betrachtet.
Bei Bewegung des Beschleunigungsmessers mit einer Beschleunigung ist sein elastisches Element 26 (Fig. 19) von
dem Masseelement 124 her der Wirkung einer Kraft K = am mit a = Komponente des Linearbeschleunigungsvektors,
d.i. dessen projektion auf die Symmetrieachse 125t m =
Masse des Masseelements 124 auegesetzt· Piezooptigcher
Wandler und elektrische Schaltung, die im Beschleunigunga-
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messer verwendet sind, formen den Betrag der Kraft H in
elektrisches Signal um, das mit einer Hegistriereinrichtung
festgehalten oder sonst noch gebraucht werden kann.
Die Membranen 126, 127 vermindern die Zahl der Freiheitsgrade
des Masseelements 124 bis auf einen (in Eichtung der Symmetrieachse 125), d.h. es wird die Möglichkeit
von Formänderungen des elastischen Elements 26 durch vom toasseelement her wirkende Biegekräfte völlig vermeiden.
Hierdurch wird der Beschleunigungsmesser gegen auf der Symmetrieachse 125 senkrecht stehende Beschleunigungskomponenten weniger empfindlich. Es sei hier gleich betont
werden, daß die piezooptischen Wandler nach Fig· 1 ... Ö gegen Biegeformänderungen grundsätzlich unempfindlich
sind, da das Integral über die Spannungslinie längs des Lichtbündels A oder B bei einer Biegekraft, die in einer
senkrecht auf der Meßkraft M (Meßrichtung ) stehenden Ebene liegt, und daher auch die Gesamtphasenverschiebung Aoi zwischen
den Komponenten des Lichtbündels A oder B aus einzelnen mechanischen Biegespannungen im elastischen Element-,
die im Bündel gespeichert wurde, gleich Null ist.
Die Starrheit der Membranen 126, 127 (Fig. 19) in Richtung der Kraft N ist gegenüber jener des elastischen
Elements 26 in der gleichen Richtung vernachläßßigbar klein, deshalb beeinträchtigen die Membranen die Empfindlichkeit
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des Beschleunigungsmessers nicht.
Beim piezooptisühen Beschleunigungsmesser nach Fig. 21, cl2 erduldet das biegsame Element 7ö Biegeformänderungen,
daher ist hier der piezooptische Wandler nach Fig. 10 zusammen mit der elektrischen Schaltung nach Fig. 12 verwendet.
Der Beschleunigungsmesser nach Fig. 21, 22 mißt die Projektion
des Linearbeschleunigungsvektors auf die Richtung
des Pfeils 152, d.h. auf die Richtung senkrecht zur neutralen Schicht 90 des elastischen Elements 7ö. Piezooptischer
Wandler nach Fig. 10 und elektrische Schaltung nach Fig. 12, deren Funktion oben beschrieben wurde, formen die
Massenkraft JN, die in Richtung parallel zum Pfeil 152
wirkt, in elektrisches Signal um.
Der Beschleunigungsmesser ist gegen Komponenten der Linearbeschleunigung, die senkrecht zum Pfeil 152 wirken,
sowie gegen beide Komponenten des Winkelbeschleunigungsvektors, deren Achsen mit der Richtung der Kraft N zusammenfallen
bzw. zu den Licht bündeln A und B senkrecht sind unempfindlich, da beim piezooptischen Wandler nach Fig. 10
eine beliebige auf der Kraftrichtung N senkrecht stehende Kraft oder ein beliebiges Moment, das mit dem der Kraft N
nicht zusammenfällt, das Entstehen einer gleich großen Phasenverschiebung
AoC zwischen der "ordentlichen" und der "außerordentlichen" Lichtkomponente in den beiden Licht-
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bündeln herbeiführen würden. Dies geschieht darum, weil das Integral über die Spannungslinie der von den besagten Kräften
und Momenten herrührenden Spannungen im elastischen Element 78 (Fig. 10) längs der Richtungen der Lichtbündel A
und B nah bei KuIl liegt.
Fig. 23 zeigt den Aufbau eines Druckmessers mit auf
Druck bzw. Zug beanspruchtem elastischem Element. Bei diesem Druckmesser sind der piezooptische Wandler nach Fig.
und die elektrische Schaltung nach Fig. 12 verwendet, deren Funktion oben beschrieben wurde.
Bei Zuführung von Druck P dem Kaum zwischen Membran 154 (Fig. 23) und Deckel 161 ist das elastische Element 4
der Wirkung einer Kraft N=P-S mit S als wirksame Fläche
der Membran ausgesetzt. Piezooptischer Wandler und elektrische Schaltung, die beim Druckmesser verwendet sind, formen
den Betrag der Kraft N in elektrisches Signal um.
Der jenige Teil der Druckmessermeiubran 154, eier sich
zwischen deren verdicktem Mittelteil und Gehäuse 150 mit darin festgespannten Bandteilen der Membran befindet, hat
die Gestalt einer teilweieen Torusflache (weist eine ringförmige
Rille zwischen verstärktem Mittelteil und Gehäuse 160 auf). Die Auswahl der Mexabranform gestattet ee, den
sogenannten volumetriuchen Verdrängungsfaktor K , der als
Verhältnis von Volumenänderung des Raums zwischen Deckel
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161 und Membran 154 zu Druckänderung definiert wird, auf
ein Minimum zu reduzieren.
Durch entsprechende Diinensionierung der Membran 154
und elastischen Elements? 4 erhält man Druckmesser mit sehr
kleinem volumetrischem Verurängungsfaktor K und hoher Eigenfrequenz
des mechanischen Systems von Membran und elastischem Element (bis einigen zehn Kiloherz). Die untere
Frequenzgrenze des zum Patent angemeldeten piezooptischen
Wandlers liegt, wie oben erwähnt, praktisch bei Null. Bei aufgeführten Eigenschaften des Druckmessers, entwickelt auf
Basis des erfindungsgemäßen Wandlers, hat er gute Aussicht, bei Messungen in komplizierten besonderen Bedingungen verwendet
werden zu können, zum Beispiel bei dynamischen Messungen, wenn die auf die kembran bezogene Masse (beispielsweise
einer Flüssigkeit) groß ist. Dies liegt vor, wenn der Druckmesser mid dem Druckobjekt durch ein steifes
und dünnes Kohr (Katheter) verbunden ist. Solche Bedingungen
sind öfters in der '.Technik, aber auch in der üedizin anzutrelL'en.
Beim Druckmesser nach Fig. 24, 25» bei welchem das t.sehe Element 7ö Biegeformänderungen eriährt, sind
i'tidchsr Wandler nach Fig. 10 und elektrische Schaltung
nach Fitj. 12, deren Funktion oben beschrieben wurde,
verwendet.
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Wach Beaufschlagung der Druckmesserkamnier 173 init Druck
P, der dieser durch einen der Stutzen 174» 175 zugeführt
wird, entsteht eine Kraft E, die sich von starrem Mittelteil
der Scheibe 16d der keiabran 169 über Zugstange 167 auf Hebel
165, und zwar senkrecht zur neutralen Schicht 90 des elastischen
Elements Γ/ό überträgt. Piezooptischer Wandler und
elektrische Schaltung des Druckmessers formen den Betrag der Kraft υ in elektrisches Signal um.
Bei dieser Konstruktion erreicht man durch die Verminderung der Starrheit den elastischen Elements in Richtung
der Kraft N eine erhebliche Verbesserung der Druckmesserempfindlichkeit
gegenüber den Konstruktionen, bei welchen das elastische Element auf Druck bzw. Zug beansprucht ist.
Fig. 26, 27 zeigen einen Kraftmesser, bei dem das elastische Element auf Druck beansprucht ist. Beim Kraftmesser
sind ein piezooptischer Wandler nach Fig. 8 und eine elektrische Schaltung nach Fig. 13» deren Funktion oben beschrieben
wurde, verwendet,
Die Richtung der Kraft W in Fig. 26 fällt man der der
Kraft W in Fig. 8 zusammen.
Der Piezooptischer Wandler und die elektrische Schaltung des Kraftmessers formen den Betrag der Kraft W in elektrisches
Signal um.
Vorteil des aufgeführten Kraftmessers ist die geringe Verlagerung des Kraftangriffspunktes bei großem Ausgangssig-
509848/1(19
nal. Dies wird durch, die sehr hohe üehneißpfindlichkeitszahl
des zum Patent angemeldeten piezooptischen Wandlers bedingt,
worüber schon die Rede war.
Beim Kraftmesser nach Pig. 2ö, 29 erduldet das elastische
Element Biegeformänderungen. Bei diesem Kraftmesser
sind piezooptischer Wandler nach !ig· 10 und elektrische Schaltung nach Fig. 12 verwendet, deren Funktion oben beschrieben
wurde.
Die Orientierung der Kraft N in Fig, 28 gegen Achsen und Richtungen in den Kraftmesserelementen stimmt mit derjenigen
der Kraft N in Fig. 10 gegen Achsen und Richtungen in den Bauelementen des dort dargestellten Wandlers überein.
Piezooptischer Wandler und elektrische Schaltung, die beim Kraftmesser nach Fig. 28, 29 verwendet sind, sind in
Fig. entsprechend 6 und 12 dargestellt.
Wegen der Nutzung von Biegeverformung und Verwendung von Hebel 195 erreicht man bei der vorliegenden Kraftmesserkonstruktion
große Empfindlichkeitswerte.
Fig. 30 zeigt den Aufbau eines piezooptischen Temperaturmessers,
bei dem piezooptischer Wandler nach Fi^. 4 und
elektrische Schaltung nach Fig. 12 verwendet sind, deren Funktion oben beschrieben wurde.
Die Arbeitsweise des Temperaturmessers beruht auf Benutzung
einer das elastische Element 4 (Fig. 30) oelasten-
609848/1097
den Kraft N, die aus einer Differenz der linearen Wärmeausdehnungszahlen
des iuaterials des elastischen Elements und des des Gehäuses 202 resultiert. Die Kichtung der am Blasig ischen Clement angreifenden Kraft ist durch den Pfeil 210
angegeben. Piezooptischer Wandler und elektrische iachaltung,
die Deim Teiiiperaturmesser verwendet sind, formen die Kraft
N in elektrisches.Signal um.
Zur Nullpunkteinstellung des Temperaturmessers dient eine Schraube 214. Tellerfedern 215f 216 dienen zur Einstellung
auf erforderlichen Empfindlichkeitswert. Indem man steifere bzw. weichere Tellerfedern einsetzt, erhält man
höhere bzw. niedrigere Empfindlichkeit. Im Grenzfall können die Tellerfedern 215t 216 überhaupt entfernt werden,
dann wird die Empfindlichkeit maximal und kann Werte in der
Größenordnung von einigen Millivoltien pro 0,001 Celsiusb'rad
erreichen.
Temperaturmesser verschiedener j^mpfindlichkeiten können auch durch Auswahl der Materialien für biegsames Element
und Gehäuse mit verschiedenen Differenzen der linearen Wärmeausdehnungszahlen erhalten werden.
Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen piezooptischen
Meßwandlers besteht in seiner sehr hohen Dehnempfindlichkeit,
d.h. in seinem sehr guten Verhältnis von relativer
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Änderung der Meßgröße zu· relativer .Formänderung des elastischen
Elements, iiir den piezooptischen Wandler ist dieses
Verhältnis das von relativer Änderung des Betrages von Ausgangssignal des polarisationsoptischen Kanal zu relativer
Längenänderung des elastischen Elements, .bis ist vorstehend gezeigt; worden, daß die dem Meßbereich
des Wandlers entsprechende mechanische Spannung in einem elastischen Element mit den Maßen 10 χ 10 χ 10 mm, für das
solches Material wie normales Silikatglas gewählt wird,
2
nicht 12 ... 14 kg/cm überschreiten würde.
nicht 12 ... 14 kg/cm überschreiten würde.
Me Änderung der Spannung am Widerstand des Photoempfängers
eines der polarisationsoptischen Kanäle, die als Ausgangssignal dienen kann, würde dabei den Wert 4,5 V
erreichen, während das Ausgangssignal der Photoempfänger zweier differential geschalteten polarisationsoptischen
Kanäle 9 Volt betragen würde. Die Längenänderung des elastischen
Elements, die der genannten Änderung des Ausgangssignals entspricht, ist dann gleich 0,2 Mikron, während
das Verhältnis Ausgangssignal zu Ausdehnung des elastischen Elements etwa 1 Volt/0,025 Mikron beträgt,
ualls einige Monokristalle als Material für das elastische
Element verwendet werden, würde das Verhältnis der Signaländerung zur Ausdehnung des elastischen Elements für
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gleiche Bedingungen 1 Volt/O,0025 Mikron betragen. Nimmt
man für den Geräuschpegel des Wandlers und seiner elektrischen schaltung an, uaü jener in einem Frequenzbereich gleich
ί mV ist, so beträgt dann die diesem bchwellensignal entsprechende
Ausdehnung des elastischen Elements 2,5·10~*
iviikron oder 0,25.'JO 7 cm,
üs muß betont weruen, dali die Werte keine Grenzwerte
sind, sie noch erhöht werden können, indem man oesondere
Konstruktionen von elastischen Elementen anwendet»
Die Eigenschaft des vorgeschlagenen piezoop"cischen
lueßwandlers - sein© hohe Empfindlichkeit in Kombination
mit seiner großen ütarrneit macht seinen eventuellen Einsatz
bei mehreren technisch problematischen Messungen aussieh
ü sr eicn.
Ein Kraftmesser diuf üasis dieses Wandlers wird mit i*<rfolg
eingesetzt bei Messungen kleinerer ürärce in einem breiten
Frequenzbereich, große weri,e der aul' das elastische üilement
bezogenen Masse vorausgesetzt. Mn Komplex von solchen
die Messung erschwerenden Bedingungen kann beispielsweise bei Messungen kleiner Rückstoßkräfte und -momente in der
Größenordnung von einigen Gramm und Gramm-Zentimetern vorkommen, die innerhalb massiver, von einigen zehn bis einigen
hundert Kilogramm schwerer, starrer Blöcke beim Arbeiten von
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liiikromotoren und sonstigen Einrichtungen darin entstehen.
Die hohe mechanische Starrheit des vorgeschlagenen piezooptischen Wandlers ermöglicht die Entwicklung auf dessen
Grundlage eines Beschleunigungsmessers, der der oberen Meßfrequenzgrenze
nach - 10 ... 15 kHz - nah dem piezoelektrischen Beschleuni^ungemesser ist, doch zum Unterschied von
diesem noch die Eigenschaft der piezooptischen Beschleunigungsmesser
hat, daß sein Niederfrequenz-Durchlaßband bei
Null Herz beginnt. Dies erweitert ihre inöglichkeiten erheblich und gestattet es - und das ist von besonderer Wichtigkeit
-, die Eichung im statischen Verfahren durchzuführen, beispielsweise durch Auflegen von Gewichtsstücken, während
die Eichung eines piezoelektrischen Beschleunigungsmessers das Vorhandensein eines Vibrationsstandes voraussetzt.
Druckmesser auf Basis des vorliegenden Wandlers scheinen,
wie es schon oben darauf hingewiesen wurde, für solche Fälle gut geeignet au sein, wenn der Dmickmesser durch ein von
Flüssigkeit erfülltes langes steifes Rohr mit dem Meßobjekt verbunden ist. Dabei fjilt für die auf das elastische Element
bezogene Wsse m bekanntlich die Formel
m =
mit F bzw. F, = Druciaiiesseriiiembranfläche bzw. freier Rohrquerschnitt,
m. = Masse der Flüssigkeit im Rohr.
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Lit Vergrößerung des Verhältnisses und Verlängerung
des Rohrs kann die bezogene kasse große Werte erreichen, was eine sprunghafte Erniedrigung der Eigenfrequenz, also
Einengung des Arbeitsfrequenzbereichs des Druckmesser-Rohr- -System nach sich zieht. Solche Verhältnisse liegen zum
Beispiel bei der Messung des Arterienblutdrucks oder des Blutdrucks im Herzinnern mit; Verwendung von Katheterrohren
mit 1 m Länge und 1 mm Querschnitt vor. Die hohe Starrheit
des erfindungsgemäßen piezooptischen Wandlers ermöglicht
es, auf dessen Grundlage einen piezooptischen Druckmesser
zu entwickeln, der für die angegebenen Bedingungen über ein Arbeitsfrequenzband von 0 ... 100 Hz und mehr verfügt,
was den Forderungen der medizinischen Forschung und Praxis vollkommen genügt.
Wo aber die auf das elastische Element des Druckmessers bezogene kasse keine großen Werte hat, wie es zum
Beispiel bei Messungen von Drücken unmittelbar in Flüssigkeit oder Gas der Fall ist, kann der Arbeitsfrequenzbereich
des piezooptischen Druckmessers von Null bis zu 10 .·.20 kHz erweitert werden.
Oben war schon die Rede darüber, daü die dem imeßbereich
des piezooptischen Wandlers entsprechenden mechanischen Spannungen im elastischen Element dem Betrag nach
12 ... 14 kg/cm nicht überschreiten bzw. bei Verwendung
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einiger Akat er ialien (Monokristalle) auf 2 ... 3 kg/cm absinken.
Dieses Spannun^sniveau liegt im Durchschnitt mit zwei Zenerpotenzen unter der Bruchfestigkeit des katerials
für das elastische Element, daher sind die piezooptischen
Meßgeräte sehr gegen Überbelaatungen beständig, die somit
den Meßbereich des Geräts ebenfalls mit zwei Zehnerpotenzen überhöhen dürfen.
Je nach den Anforderungen an den Frequenz- bzw. Amplitudenbereich der piezooptischen Geräte kann man durch Auswahl
der oder jener Modifikation aus den oben angeführten
und durch Auswahl des entsprechenden Materials für das elastische
Element verschiedene Meßbereiche von Bruchteilen von g ( g = Erdbeschleunigung) bei Arbeitsfrequenzbereich. 0 ...
... 100 Hz bie 1000 ... 2000 g beim Arbeitsfrequenzbereich 0 ... 10 kHz für Beschleunigungsmesser, von 0,01 ... 0,03
ρ
kg/cm beim Arbeitsfrequenzbereich 0 ... 50 Hz bis 30 ···
kg/cm beim Arbeitsfrequenzbereich 0 ... 50 Hz bis 30 ···
... 50 kg/cm beim Arbeitsfrequenzbereich 0 ... 20 kHz erhalten.
Verschiedene Konstruktionen des piezooptischen Wandlers anwendend, erhält man auch verschiedene Kraftmessertypen
mit Meßbereichen von einigen zehn Gramm bis einigen Tonnen. Die Starrheit der letzteren liegt in der Größenordnung von
1.10~6 kg/cm2.
Die hohe Empfindlichkeit der piezooptischen Geräte erlaubt
den Einsatz von weitaus einfacheren Verstärkergeräten mit ihnen. Vielfach kann die Verstärkung überhaupt entfallen
oder nur noch eine Stromverstärkung erforderlich sein.
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Claims (14)
1. Piezooptischer Meßwandler mit mindestens einer Lichtquelle, von deren Licht ein erstes Teillichtbündel in
einem ersten polarisationsoptischen Kanal nacheinander einen ersten Polarisator, ein mit der Meßgröße beaufschlagtes
und deren Änderungen in Spannungsänderungen umsetzendes elastisches Element und einen ersten Analysator
durchstrahlt und zu einem ersten Photoempfänger gelangt, während ein zweites Teillichtbündel einen zweiten
Photoempfänger beeinflußt, der mit dem ersten Photoempfänger in Differentialschaltung zusammengeschaltet
ist und ebenso wie dieser das einfallende Licht in elektrische
Signale umwandelt, deren Differenz zu den elektrischen Signalen aus dem ersten Photoempfänger ein Maß
für die Meßgröße darstellt,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Wege des zweiten Teillichtbündels (B) zum zweiten Photoempfänger (13; 41; 76, 77; 89; 1^7; 209) in
einem zweiten polarisationsoptischen Kanal (15; 56, 57; 88; 149) vor dem elastischen Element (4; 26; 44; 78;
193) ein.zweiter Polarisator (3; 17; 23; 35; 64, 65) und nach dem elastischen Element ein zweiter Analysator
(11; 19; 25; 39; 72, 73) liegt, und daß außerdem eine Einrichtung (8, 9; 20, 21; 36, 37; 66, 67, 68, 69; 85)
zum Verändern der Intensität des auf den zweiten Photoempfängers
auftreffenden Lichts im entgegengesetzten Sinne zu der für das am ersten Photoempfänger (12; 40;
74, 75; 87; 146; 208) einfallende Licht in den Strahlengang
eingefügt ist.
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2. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verändern der
Lichtintensität für den zweiten Photoempfänger (13) im entgegengesetzten Sinne zu der für den ersten Photoempfänger
(12) im ersten bzw. im zweiten polarisationsoptischen Kanal (14 bzw. 15) zwischen Polarisator (2,
bzw. 3., 17) und Analysator (10, 18 bzw. 11, 19) eingefügte Phasenplättchen (8, 9; 20, 21) mit um njf im
Bogenmaß verschiedenen Phasenverschiebungen aufweist.
3. Piezooptiscner Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplättchen (8, 9) sich in
ihrer Dicke voneinander unterscheiden.
4. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeicnnet, daß die Phasenplättchen (20, 21) so gestellt
sind, daß die Achse (P) maximaler Lichtgeschwindigkeit im Phasenplättchen (20) im ersten polarisationsoptischen
Kanal (I1O unter einem Winkel von +45 zur
Durchlaßrichtung des ersten Polarisators (2) in diesem Kanal und die Achse (P) maximaler Geschwindigkeit im
Phasenplättchen (21) im zweiten polarisationsoptischen Kanal (15) unter einem Winkel von -45° zur Durchlaßrichtung
des zweiten Polarisators (3) in diesem Kanal verläuft.
5. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite
polarisationsoptische Kanal (14, 83 bzw. 15, 88) Phasenplättchen (36 bzw. 37; 85) mit gleicher Orientierung und
gleicher Phasenverschiebung enthalten.
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6. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Änderung der Lichtintensität
für den ersten und den zweiten Photoempfänger (40 bzw. Ml) im entgegengesetzten Sinne die Polarisatoren
(34 bzw. 35) und die Analyaatoren (38 bzw. 39) im
ersten und im zweiten polarisationsoptischen Kanal (14
bzw. 15) so gestellt sind, daß ihre Durchlaßrichtunggen im einen Kanal senkrecht und im anderen Kanal parallel
zueinander verlaufen.
7. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurcn gekennzeichnet, daß das elastische
Element (4) die Form eines polyedrischen Prismas mit
mindestens zwei durchsichtigen Seitenflächen (5 und 6) aufweist, die zueinander parallel und etwa senkrecht
zu den optischen Achsen des ersten und des zweiten
polarisationsoptischen Kanals (14 bzw. 15) verlaufen.
Element (4) die Form eines polyedrischen Prismas mit
mindestens zwei durchsichtigen Seitenflächen (5 und 6) aufweist, die zueinander parallel und etwa senkrecht
zu den optischen Achsen des ersten und des zweiten
polarisationsoptischen Kanals (14 bzw. 15) verlaufen.
8. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein
weiteres Paar von polarisationsoptischen Kanälen (56, 57) vorgesehen ist und alle polarisationsoptischan Kanäle (54 bis 57) in zwei Gruppen unterteilt sind, wobei die Photoempfänger (74, 75) der einen Gruppe von Kanälen mit den Photoempfängern (76, 77) der anderen Gruppe von Kanälen in Differentialschaltung zusammengeschaltet
sind.
weiteres Paar von polarisationsoptischen Kanälen (56, 57) vorgesehen ist und alle polarisationsoptischan Kanäle (54 bis 57) in zwei Gruppen unterteilt sind, wobei die Photoempfänger (74, 75) der einen Gruppe von Kanälen mit den Photoempfängern (76, 77) der anderen Gruppe von Kanälen in Differentialschaltung zusammengeschaltet
sind.
9. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (78) die
Form eines Balkens mit zwei zueinander parallelen durchsichtigen Seitenflächen (80 und 8l) aufweist, daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Ka-
Form eines Balkens mit zwei zueinander parallelen durchsichtigen Seitenflächen (80 und 8l) aufweist, daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Ka-
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- 93 -
näle (83 und 88) angenähert senkrecht zu diesen durchsichtigen
Seitenflächen und in etwa gleichem Abstand zu beiden Seiten der neutralen Schicht (90) des Balkens
verlaufen und daß dieser Balken selbst als Mittel zur Änderung der Lichtintensität im entgegengesetzten Sinne
in beiden Kanälen dient.
10. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche
1 bis 9j dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoren
(84) für beide polarisationsoptische Kanäle (83 und 88) zu einer in einem Stück gefertigten Baueinheit zusammengefaßt
sind.
11. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche
2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoren (86) für beide polarisationsoptische Kanäle (83 und 88)
zu einer in einem Stück gefertigten Baueinheit zusammengefaßt sind.
12. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche
5 oder 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplättchen
(85) für beide polarisationsoptische Kanäle (83 und 88) zu einer in einem Stück gefertigten Baueinheit
zusammengefaßt sind.
13. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge
der Photoempfänger (12, 13) der beiden polarisationsoptischen Kanäle (14 bzw. 15) jeweils einer der beiden
Eingänge eines Summierers (103) angeschlossen ist, dessen Ausgang wiederum mit einem Eingang eines Vergleichers
(104) verbunden ist, der mit seinem zweiten Ein-
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gang an eine Bezugsspannungsquelle (105) angeschlossen ist und an seinem Ausgang mit einer steuerbaren Speisequelle
(106) für die elektrische Speisung der Lichtquelle (1) verbunden ist.
14. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeicnnet, daß an den Ausgang der steuerbaren
Speisequelle (106) der Eingang einer Ausgleichssignal^
quelle (118) angeschlossen ist, die wiederum an einem Ausgang mit der Lichtquelle (1) und an zwei weiteren
Ausgängen mit den beiden Eingängen des Summierers (103) ve rb unden ist.
15· Beschleunigungsmesser mit einem piezooptischen Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das elastische Element (4; 26; 44; 78; 193) des Meßwandlers mit einem einer zu messenden
Linearbeschleunigung ausgesetzten Masseelement (124; 142) in der Weise gekoppelt ist, daß sich Änderungen
dieser Linearbeschleunigung in Änderungen der Spannung im elastischen Element äußern.
l6. Druckmesser mit einem piezooptischen Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das elastische Element (4; 26; 44; 78; 193) des Meßwandlers
mit einer e.inem zu messenden Druck ausgesetzten Membran (154; 169; I83) in der Weise verbunden ist, daß
sich Änderungen dieses Druckes in Änderungen der Spannung im elastischen Element äußern.
17· Kraftmesser mit einem piezooptischen Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das elastische Element (4; 26; 44; 78; 193)
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des Meßwandlers mit einem mit einer zu messenden Kraft beaufschlagten Stützzapfen (182) in der Weise gekoppelt
ist, daß sich Änderungen dieser Kraft in Änderungen der Spannung im elastischen Element äußern.
l8. Temperaturmesser mit einem piezo.optischen Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das elastische Element (4; 26; M; 78; 193) des Meßwandlers mit einem Gehäuse aus einem Material
mit einer anderen linearen Wärmeausdehomgszahl verbunden ist, das einer zu messenden Temperatur ausgesetzt
ist und deren Änderungen zu Änderungen der Spannung im elastischen Element umsetzt.
509848/1097
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU742022794A SU567966A1 (ru) | 1974-05-14 | 1974-05-14 | Пьезоэлектрический измерительный преобразователь |
| SU742032671A SU750449A1 (ru) | 1974-06-17 | 1974-06-17 | Способ настройки цепей температурной компенсации параметрического преобразовател с дифференциальным выходом |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2521319A1 true DE2521319A1 (de) | 1975-11-27 |
| DE2521319B2 DE2521319B2 (de) | 1978-04-27 |
| DE2521319C3 DE2521319C3 (de) | 1978-12-21 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE (1) | DE2521319C3 (de) |
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| SE (1) | SE408341B (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19710499B4 (de) * | 1996-03-13 | 2008-02-21 | Berghof Laborprodukte Gmbh | Vorrichtung zur berührungslosen Druckmessung in einem Druckaufschlußgefäß |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5537938A (en) * | 1978-09-08 | 1980-03-17 | Yokogawa Hokushin Electric Corp | Angle converter |
| US4368645A (en) * | 1980-09-26 | 1983-01-18 | United Technologies Corporation | Optical pressure sensor |
| JPS5782440U (de) * | 1981-09-01 | 1982-05-21 | ||
| JPS5848862A (ja) * | 1981-09-17 | 1983-03-22 | Mitsubishi Electric Corp | 加速度測定装置 |
| DE3228562A1 (de) * | 1982-07-30 | 1984-02-02 | Peter Prof. Dr. 4797 Schlangen Pollmann | Optisches verfahren zur messung von hohen und hoechsten druecken und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens |
| JPS5973152A (ja) * | 1982-10-21 | 1984-04-25 | Mishima Kosan Co Ltd | 連続鋳造用鋳型及びその製造方法 |
| JPS5973153A (ja) * | 1982-10-21 | 1984-04-25 | Mishima Kosan Co Ltd | 連続鋳造用鋳型及びその製造方法 |
| DE3341845A1 (de) * | 1983-11-19 | 1985-05-30 | Philips Patentverwaltung Gmbh, 2000 Hamburg | Optische druckmessvorrichtung |
| JPS61124834A (ja) * | 1984-11-21 | 1986-06-12 | Sharp Corp | 光応用センサ |
| JPS622130A (ja) * | 1985-06-27 | 1987-01-08 | Sharp Corp | 応力検知装置 |
-
1975
- 1975-05-13 DE DE2521319A patent/DE2521319C3/de not_active Expired
- 1975-05-13 SE SE7505491A patent/SE408341B/xx unknown
- 1975-05-13 FR FR7514867A patent/FR2271545A1/fr active Granted
- 1975-05-14 JP JP50057142A patent/JPS51138458A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19710499B4 (de) * | 1996-03-13 | 2008-02-21 | Berghof Laborprodukte Gmbh | Vorrichtung zur berührungslosen Druckmessung in einem Druckaufschlußgefäß |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2271545A1 (en) | 1975-12-12 |
| DE2521319B2 (de) | 1978-04-27 |
| DE2521319C3 (de) | 1978-12-21 |
| FR2271545B1 (de) | 1977-07-08 |
| JPS51138458A (en) | 1976-11-30 |
| JPS5528005B2 (de) | 1980-07-24 |
| SE7505491L (sv) | 1975-11-17 |
| SE408341B (sv) | 1979-06-05 |
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