DE2521319C3

DE2521319C3 - Piezooptischer Meßwandler

Info

Publication number: DE2521319C3
Application number: DE2521319A
Authority: DE
Inventors: Georgy Mironovitsch Belizky; Natalia Lvovna Kaplinskaya; Jury Vasilievitsch Mironov; Vladimir Aleksandrovitsch Schiryaev; Isaak Isaevitsch Slesinger
Original assignee: Moskovskij Gosudarstvennyj Universitet Imeni Mv Lomonosova Moskau
Current assignee: Moskovskij Gosudarstvennyj Universitet Imeni Mv Lomonosova Moskau
Priority date: 1974-05-14
Filing date: 1975-05-13
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2521319B2; SE7505491L; SE408341B; JPS51138458A; JPS5528005B2; DE2521319A1; FR2271545B1; FR2271545A1

Description

40

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezooptischen Meßwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Meßwandler bekannt, bei welchen eine 4i Änderung des Spannungszustandes eines elastischen Elements eine Änderung der entsprechenden elektrischen Größe hervorruft. Zu solchen zählen z. B. Dehnungsmeßstreifen, die eine Änderung der mechanischen Spannung in einem elastischen Element in eine >» Änderung des elektrischen Widerstandswertes der mit jenem starr verbundenen Dehnungswiderstände (s. zum Beispiel A. ivt. Turitschin, »Elektrische Messung nichtelektrischer Größen«, »Energijaw-Verlag, Moskau-Leningrad. 1966) umformen. -,-.

Diese Wandler haben auf Grund ihrer Robustheit und Kleinbauart vielfach Eingang in der Technik und wissenschaftlichen Forschung gefunden. Jedoch gestatten die Dehnungsmeßstreifen es nicht, hinreichend große Ausgangssignale bei kleineren Formänderungen Mi der elastischen Elemente zu erhalten, und dies führt zu Begrenzungen ihrer Frequenzgänge bei dynamischen Messungen und einem erhöhten Aufwand an Verstärkungsund Registriergeräten bei statischen Messungen. Ursache dafür ist, daß die relative Widerslandswertänderung des Dehnungswiderstandselements, die von der Meßgröße bewirkt wird, bei verhältnismäßig niedrigen Werten lieg', und folgf.cn das Ausgangssignal auch gering ist, verhält sie sich doch bei jeder Konstruktion des Dehnungsmeßstreifens zur Speisespannung wie der Widerstandswert des Dehnungswiderstandes zu seinem Anfangswert.

Wesentlich höhere Empfindlichkeit und höhere Leistung des Ausgangssignals zeigen magnetoelastische Meßwandler. Ein solcher Wandler hat ein elastisches Element aus ferromagnetische!!! 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 eignen, ist der Anwendungsbereich für diese Wandler in erster Linie auf Fälle beschränkt, wo es sich um die Messung von großen Kräften in der Industrie hand*·':.

Für die Messung von kleineren Kräften, Drücken, Beschleunigungen finden Piezotransistorwandler Anwendung, die sich durch hohe Empfindlichkeit und kleine Maße (s. zum Beispiel Zeitschrift »Experimentelle Geräte rnd Techniken«, Nr. 5,1969) auszeichnen.

Ein solcher Wandler wird normalerweise auf Basis eines Planartransistors hergestellt, gegen dessen Bereich des pn-Überganges sich die Spitze einer Nadei stützt. Bei Einwirkung der Meßgröße ändert sich die Andrückkraft der Nadel und folglich die mechanische Spannung im pn-übergang, die den Ausgangsstrom des Transistors beeinflußt. Da die bei diesen Meßwandlern genutzte Wirkung bei verhältnismäßig hohen mechanischen Spannungen, die nahe der Bruchfestigkeit 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 zw^;scher Ausgangsstrom des Transistors und mechanischen Spannungen verläuft die Laständerung bei einem solchen Ge? U 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 nicntelektrischer Größen«, »Energija«-Verlag, Moskau-Leningrad, 1966).

Das elastische Element solcher Wandler ist aus Keramik oder einem Monokristall mit piezoelektrischen Eigenschaften hergestellt, so daß sich bei Beanspruchung eine elektrische Ladung auf den Seitenflächen des elastischen Elements ausbildet. Auf Grund einer Reihe von Vorteilen werden sie häufig verwendet. Da jedoch ihr Amplitudenfrequenzgang ungleichmäßig im n;derfrequenten Bereich ist, eignen sie sich nicht zur Untersuchung von Vorgängen, in deren Spektren es auch niederfrequente Teile gibt. Aus dem gleichen Grund muß man die Eichung dieser Geräte mit dynamischen Methoden durchführen und also wieder neue technische Probleme in Kauf nehmen. Die piezoelektrischen Meßwandler verfügen nur üb^r eine geringe Leistung des Ausgangssignals. Dies ist eine der Ursache für die beträchtliche Störanfälligkeit der Meßanlage, 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

5) Unempfindlichkeit gegen Überbelaslungen. Die deltt Meßbereich des piczooplischeti Geräts entsprechende mechanische Spannung im photoelastischen Element kann lediglich einige kp/cm-² betragen, somit

ι um zwei Größenordnungen unter der Bruchfestigkeit des Materials des photoclastischen Elements liegen.

6) Keine hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des Materials des photoelastischcn Elements. Bei den vorstehend angegebenen kleinen

ίο Werten der mechanischen Spannungen im photoelaslischen Element genügen die Materialien dem Hookeschen Gesetz gut.

7) Der piezooptische Meßwandler kann derart aufgebaut sein, daß Lichtquelle und Photoempfänger sich in einiger Entfernung vom Meßwandler befinden und mit diesem beispielsweise durch einen biegsamen Lichtfaserleiter verbunden sind. Ein derart aufgebaut^

Frequenz des Ausgangssignals umformen. Solche Meßwandler haben einen schwingenden Teil (z. B. eine Saite), dessen Eigenfrequenz Funktion der Belastung (s. zum Beispiel A.M. Tu ritsch in, »Elektrische Messung nichtelektrischer Größen«, »Energija«-Verlag, Moskau-Leningrad, 1966) ist.

Diese Geräte haben sich noch nicht richtig durchgesetzt, hauptsächlich wegen großen konstruktiven Aufwands 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 US-PS 31 22 922) umgeformt wird.

Wesentlicher Nachteil dieses Geräts ist die geringe

^Eni^Hiiiiüchksi' weswegen es nur bei Messungen des Weⁿd!e^r is* elektrisch neutral und ksnn sich sofern die ;hohen Drucks verwendbar ist. Der Absorptionskoeffizient 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 atm.

Von vielen vorstehend angegebenen Nachteilen ist der piezooptische Meßwandler frei. Die Funktion dieses Wandlers beruht auf der Nutzung der piezooptischen Wirkung, die darin besteht, daß die Lichtgeschwindigkeit in einem festen durchsichtigen Körper (photoelastischen Element) von der mechanischen Spannung darin und der Orientierung des Lichtvektors gegen die Hauptspannungen, die diesen Spannungszustand kennzeichnen, abhängig ist

Hauptvorteile eines piezooptischen Meßwandlers sind:

1) Hohe Empfindlichkeit So kann die dimensionslose Empfindlichkeit S (Dehnempfindlichkeit), ähnlich definiert wie für Dehnungsmeßstreifen üblich, d. h. als relative Änderung der Ausgangsspannung dividiert durch die relative Formänderung des photoelastischen Elements, hier je nach Größe und Material des photoelastischen Elements einige 10 000 oder auch 100 000 erreichen. Das ist um einige Größenordnungen höher, als es z. B. bei den Dehnungswiderständen, sowohl metallisch (S= 2) als auch halbleitend (5=200), der Fall ist

2) Hoher Pegel des Ausgangssignals, der ungefähr die Hälfte der Speisespannung betragen kann. Wie noch weiter unten zu zeigen sein wird, erreicht die Spannung des Ausgangssignals bei den piezooptischen Geräten in der Praxis einige Vt)It

3) Weiter Frequenzbereich. Die Ungleichmäßigkeit des Amplitudenfrequenzganges (AFG) ist im wesentlichen auf die Eigenschaften des mechanischen Schwingers des piezooptischen Meßgeräts, bestehend aus photoelastischem Element und daran angekoppelter Masse, zurückzuführen. Der Amplitudenfrequenzgang ist im Niederfrequenzbereich bis auf 0 Hz herunter gleichmäßig.

Auf Grund der hohen mechanischen Steifheit des Wandlers kann seine Eigenfrequenz sehr groß sein, so daß das Arbeitsfrequenzband im Bereich der oberen Frequenzen sich bis zu einigen 10 kHz erstrecken kann.

4) Großer dynamischer Bereich. Die piezooptischen Meßwandler haben einen relativ niedrigen Pegel eigener Geräusche, der durch das Eigengeräusch der Photoempfänger bedingt wird und einige Bruchteile mV nicht überschreitet Somit beträgt der dynamische Bereich bei obigem Ausgangssigna] einige 1000.

optischen Bauelemente aus ihre Eigenschaften unter den« Einfluß elektrischer und magnetischer Felder nicht ändernden Materialien gefertigt werden, als unempfindlich gegen diese Störungen erweisen.

8) Relativ einfache, gedrängte und vibrationsfeste Bauweise. Das photoelastische Element des piezooptisehen Meßwandlers kann aus einem normalen Silikatglas atigefertigt sein und eine sehr einfache Form haben. PolarisK-.ir und Analysator in Gestalt von Polarisationsfolien, die sehr einfache und billige Bauelemente sind, können unmittelbar auf die Seitenflächen des photoelajo stischen Elements aufgeklebt werden. Als Lichtquelle und Photoempfänger können verhältnismäßig billige Miniaturhalbleiterelemente zum direkten Aufkleben an den Bauelementen des optischen Polarisationsoptischen Kanals angewandt werden.

9) Einfachheit der Elektronik. Auf Grund der hohen Empfindlichkeit kann das Ausgangssignal des piezooptischen Meßwandlers gegebenenfalls direkt auf das Registriergerät oder eine andere Ausgabeeinrichtung gegeben werden.

Zur Zeit sind mehrere piezooptische Meßwandler (s. zum Beispiel den Meßwandler des Kraftmessers nach SU-Erfinderschein 274 422, Kl. GOl 11/24) bekannt

Bei diesem Wandler tritt ein Teillichtbündel von einer Lichtquelle durch — im Strahlengang hintereinander stehend — einen Polarisator, ein photoelastisches Element, wobei das Licht empfindlich gegen Änderungen der mechanischen Spannung darin ist, die durch die Meßgröße hervorgerufen werden, und einen Analysator und gelangt zu einem Photoempfänger, der zusammen mit den vorerwähnten Bauelementen einen poluiisationsoptischen Kanal bildet, während ein anderes Teillichtbündel an den aufgezählten optischen Bauelementen vorbei auf einen zusätzlichen Photoempfänger fällt, der zum Hauptphotoempfänger in Differenzschaltung geschaltet ist Diese Photoempfänger wandeln das auf sie fallende Licht in elektrische Signale um, von deren Differenz man auf die Meßgröße schließt

Ähnlich ist der Meßwandler eines am Ende einer biegsamen Sonde angebrachten Druckmessers (mit einer von der Meßgröße unabhängigen Lichtquelle) zum Einführen in die Blutgefäße bei Blutdruckmessungen (s. zum Beispiel US-PS 32 67 932) aufgebaut

Ein Nachteil der bekannten piezooptischen Wandler ist, daß sie nur einen polarisationsoptischen Arbeitskanal besitzen. Das Signal des zusätzlichen Photoempfängers hängt von der Meßgröße nicht ab. Dies wirkt sich als eine Erniedrigung der Empfindlichkeit aus. Außerdem sind die Zeit- und die Temperaturabhängigkeit des

Äusgangssignals bei solchen Geräten groß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen empfindlicheren piezooplischen Meßwandler mit erhöhter Temperatur- und Zeitkonstanz zu entwickeln, der sich insbesondere zur Beschleunigungs-, Druck-, Kraft-, j Temperaturmessung einsetzen läßt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfirtdungsgehläß gekennzeichnet durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Beim erfindungsgemäßen piezooptischen Meßwandler wird also von mindestens zwei aktiven pöiarisationsöptischen Kanälen Gebrauch gemacht, weshalb man die Empfindlichkeit mindestens um das Zweifache gegen über den bekannten piezooptischen Meßwandlern mit einem einzigen aktiven polarisationsoptischen Kanal steigern kann.

Hinzu kommt, daß der Aufbau des erfindungsgemäßen piezooptischen Meßwandlers aus zwei und mehr Γϊίΐ!ϊϊΓ!':ί;!!ίϊη^ϊ:θϊ!^ι·^βΓ·^*^Α" ΙίαηΒ|ί»η mil lfnnctrillrtiV ulpi-

chen oder ähnlichen optischen Bauelementen aus gleichem Material eine Verbesserung der Zeit- und Temperaturkonstanz der Kennwerte des piezooptischen Wandlers sowie eine Verminderung des Einflusses von Störgrößen, die sich in allen polarisationsoptischen Kanälen gleich auswirken, ermöglicht.

Demgegenüber ist bisher lediglich noch folgender Stand der Technik bekanntgeworden:

Aus der DE-OS 2144 835 eine Einrichtung zum Messen der Winkelstellung eines rotierenden Körpers, bei der Licht von einer Lichtquelle durch einen mit der jö Drehai iise des rotierenden Körpers verbundenen Polarisator hindurchtritt und dann auf einen Strahlteiler fällt, so daß zwei dadurch entstehende Teillichtbündel nacheinander jeweils nach Durchlaufen eines eigens zugeordneten Analysators auf ein entsprechend zugeordnetes photoelektrisches Element einer Photoelektronik fallen, wobei die Durchlaßrichtungen der beiden Analysatoren um einen Winkel von π/4 gegeneinander geneigt sind; ein elastisches Element ist also bei dieser bekannten Meßeinrichtung nicht vorgesehen; aus der US-PS 38 OO 594 ein Laser-Beschleunigungsmesser, bei dem der Laser-Resonator in zwei Kammern unterteilt ist, deren eine mit einem Gasgemisch und deren andere teilweise mit einem Element aus doppelbrechendem Material gefüllt ist, das mechanisehen Spannungen durch Beschleunigung ausgesetzt und vom Laser-Lichtbündel durchsetzt wird, das dabei infolge der Doppelbrechung in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufgeteilt wird, die zueinander senkrecht polarisiert sind (photoelastischer Effekt) und anschließend über einen Polarisator mit einer um 45° gegen die Polarisationsebene des ordentlichen und des außerordentlichen Strahls geneigten Polarisationsebene auf einen optischen Überlagerungsempfänger gelangen; bei dieser bekannten Meßeinrichtung ist also das photoelastische Element Teil der Lichtquelle selbst und damit von der Meßgröße, hier der Beschleunigung, abhängig; während bei dieser bekannten Meßeinrichtung also ein einziges Teillichtbündel in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufgespalten wird, sind beim piezooptischen Meßwandler von vornherein zwei Teillichtbündel vorhanden, die selbst wiederum in zwei Teilstrahlen (ordentliche und außerordentliche Strahlen) durch das elastische Element aufgespalten werden, so daß insgesamt vier Teilstrahlen entstehen; und

aus der US-PS 35 87 297 eine Einrichtung zur genauen Messung mechanischer Spannungen, bei der auf einen mechanisch belasteten Köfpef äri benachbarten Seitenflächen zwei Ultraschallwellen von jeweils einem eigenen Sender abgegeben und auf der gegenüberliegenden Seitenfläche von einem jeweils eigenen Empfänger empfangen werden, wobei jedes Sender· Empfänger-Paar an einem eigenen Geschwindigkeitsmesser angeschlossen ist und die Ausgänge beider Geschwindigkeitsmesser an eine Differenzschaltung geführt sind, die die Geschwindigkeitsdilferenz der beiden Ultraschallwellen von senkrechtem bzw. parallelem Wellenlyp ermittelt: ein photoelastisches Element und sonstige Licht fortpflanzende Bauteile fehlen also völlig.

Die Erfindung kann insbesondere durch die Lehre nach dem Patentanspruch 2, gegebenenfalls in Verbindung mit der Lehre nach dem Patentanspruch 3, realisiert werden, wobei die Phasenplättchen jeweils zwischen Polarisator und Analysator in gekreuzter oder "Ersüeler SteHiin⁰ an^sordnit sein können.

Besonders leicht herstellbar und besonders wenig temperaturempfindlich ist der piezooptische Meßwandler nach der Lehre des Patentanspruchs 4.

Sehr einfach herstellbar ist auch der Meßwandler nach der Lehre des Patentanspruchs 5, wobei sich die Lehre nach dem Patentanspruch 6 empfiehlt

Eine besonders hohe mechanische Festigkeit zeigt der piezooptische Meßwandler nach der Lehre des Patentanspruchs 7.

Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen piezooptischen Meßwandlers wird weiter gesteigert durch die Lehre des Patentanspruchs 8.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit des piezooptischen Meßwandlers um sogar eine ganze Größenordnung kann mit der Lehre nach dem Patentanspruch 9 erreicht werden.

Für eine noch bessere Zeit- und Temperaturkonstanz empfehlen sich die Lehren nach den Patentansprüchen 10—12 allein oder in Kombination.

Zur Stabilisierung der Empfindlichkeit des piezooptischen Meßwandlers wird vorzugsweise die Lehre nach dem Patentanspruch 13 angewendet, zweckmäßigerweise in Verbindung mit der Lehre nach dem Patentanspruch 14. Auf diese Weise können die Empfindlichkeitsschwankungen und die Temperaturdrift des Wandler-Nullpunkts um mehr als das lOfache verringert werden.

Die Lehre nach dem Patentanspruch 15 gestattet den Bau von hochempfindlichen breitbandigen Beschleunigungsmessern, die für die Untersuchung von Schwingungs- und Stoßvorgängen gut geeignet sind.

Die Lehre nach dem Patentanspruch 16 ermöglicht einen Druckmesser, der aufgrund der hohen mechanischen Steifheit des piezooptischen Meßwandlers innerhalb eines breiten Frequenzbereichs auch dann arbeiten kann, wenn die auf das elastische Element einwirkende Masse große Werte annimmt, z. B. der Druckmesser mit dem Meßobjekt durch ein dünnes, steifes Rohr verbunden ist, wie es insbesondere der Fall ist in der Medizin bei der Messung des Arteriendrucks oder des Drucks im Herzinnern über ein Verbindungsrohr in Form eines Katheters.

Die Lehre nach dem Patentanspruch 17 gestattet unter Ausnutzung der großen Steifheit und hohen Empfindlichkeit des piezooptischen Meßwandlers den Bau von mechanisch steifen Kraftmessern mit sehr kleinen Verschiebungen des Angriffspunkts der zu messenden Kraft

Schließlich gewährleistet die Lehre nach dem

Patentanspruch 18 wegen der hohen Empfindlichkeit und des großen dynamischen Bereichs des erfindungsgemäßen piezooptischen MeBwandlers den Bau von hochempfindlichen Temperaturmessern mit einem Meßbereich von einigen Grad und einer Empfindlichkeitsschwelle von weniger als 10~² Grad, die trotzdem gegenüber dem bekannten Stand der Technik empfindlicher sind und ein stärkeres Ausgangssignal abgeben, so daß auch die verarbeitende Elektronik vereinfacht werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Optik des piezooptischen Meßwandlers mit in der Dicke verschiedener Phasenplättchen und zueinander gekreuzten Polarisatoren und Analysatoren,

Fig.2 wie Fig. 1, nur daß die Schwingungsebenen der Polarisatoren und Analysatoren zueinander parallel verlaufen,

F i g. 3 die Optik des piezooptischen Meßwandlers mit Phasenplätlchen, deren gleichnamige optische Achsen senkrecht aufeinander stehen, und zueinander gekreuzte Polarisatoren und Analysatoren,

Fig.4 wie Fig.3, nur daß die Schwingungsebenen der Polarisatoren und Analsysatoren parallel zueinander verlaufen,

F i g. 5 wie F i g. 4, nur daß die optischen Achsen der polarisationsoptischen Kanäle senkrecht aufeinander stehen,

Fig.6 die Optik des 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,

F i g. 7 wie F i g. 6, nur daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle parallel zueinander verlaufen,

F i g. 8 wie F i g. 6, nur daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle senkrecht aufeinander stehen,

Fig.9 die Optik des piezooptischen Meßwandlers mit zwei Paaren polarisationsoptischer Kanäle,

Fig. 10 die Optik des piezooptischen Meßwandlers mit dem elastischen Element in Gestalt eines Balkens,

F i g. 11 wie F i g. 10, nur daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle parallel zueinander verlaufen,

F i g. 12 das elektrische Prinzipschaltbild des piezooptischen Wandlers nach F i g. 1,

F i g. 13 das elektrische Prinzipschaltbild des piezooptischen Wandlers nach F i g. 5 (7,11),

F i g. 14 das elektrische Prinzipschaltbild des piezooptischen Meßwandlers nach F i g. 9,

Fig. 15 eine Variation der Blockschaltung des elektrischen Teils des piezooptischen Meßwandlers nach F ig. 1,

Fig. 16 das elektrische Prinzipschaltbild des Wandlers nach F i g. 15,

Fig. 17 eine weitere Variation der Blockschaltung des elektrischen Teils des piezooptischen Meßwandlers nach F i g. 1,

Fig. 18 das elektrische Prinzipschaltbild nach Fig. 17,

F i g. 19 eben Beschleunigungsmesser mit dem Wandler nach F i g. 5 (Längsschnitt),

Fig.20 wie Fig. 19, nur im Schnitt XX-XX gemäß Fig. 19,

Fig. 21 eitf-än Beschleunigungsmesser mit dem Wandlernach Fig. 10(Längsschnitt),

Fig.22 wie Fig.21, nur im Schnitt XXII-XXII gemäß Fig. 21,

ι Fig.23 einen Druckmesser mit dem Wandler nach F i g. 4 (Längsschnitt),

F i g. 24 einen Druckmesser mit dem Wandler nach Fig. 10 (Längsschnitt),
Fig.25 wie Fig.24, nur im Schnitt XXV-XXV

in gemäß F i g. 24,

F i g. 26 einen Kraftmesser mit dem Wandler nach F ig. 8 (Längsschnitt),

Fig. 27 wie Fig. 26. nur im Schnitt XXVII-XXVI! gemäß F i g. 26,

K Fig. 28 einen Kraftmesser mit dem Wandler nach Fig. 10 (Längsschnitt),

Fig.29 wie Fig.28, nur im Schnitt XXIX-XXiX gemäß F i g. 28,

F i g. JU einen Temperaturmesser mit dem Wandler nach F i g. 4 (Längsschnitt),

Fig.31 die Änderung der Lichtintensitäten für die polarisationsoptischen Kanäle 14, 83 bzw. 15, 88 in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung Aol.
Der piezooptische Meßwandler, dessen Optik in F i g. 1 dargestellt ist, besteht aus einer Lichtquelle 1, die Lichtbündel in Richtung auf Polarisatoren 2 und 3 ausstrahlt, einem photoelastischen Element 4 (kurz elastisches Element genannt) in Gestalt eines rechtwinkligen Prismas mit durchsichtigen Seitenflächen 5

jo und 6 auf einer festen Unterlage 7, Phasenplättchen 8 und 9, Analysatoren 10 und 11 und Photoempfängern 12 und 13. Das elastische Element 4 ist empfindlich gegen Änderungen seiner mechanischen Spannung. Diese wird durch die in eine Kraft N umgewandelte Meßgröße

J5 hervorgerufen. Ein Teillichtbündel A durchläuft den einen polarisationsoptischen (Haupt-)Kanal 14, der — im Strahlengang hintereinander — einen Polarisator 2, ein elastisches Element 4, ein Phasenplättchen 8, einen Analysator 10 und einen Photoempfänger 12 zur

•to Umwandlung des auffallenden Lichtes in elektrische Signale umfaßt. Ein anderes Teillichtbüi.del B geht durch den zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 15, der einen Polarisator 3, das elastische Element 4, ein Phasenplättchen 9, einen Analysator Il und einen Photoempfänger 13 zur Umwandlung des auffallenden Lichtes in elektrische Signale, der zu dem Photoempfänger 12 differenz geschaltet ist, einschließt Aus der Differenz der beiden elektrischen Signale der Photoempfänger 12 und 13 ermittelt man 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 Kanäle verlaufen ungefähr senkrecht zu den Seitenflächen 5 und 6).

Als Lichtquelle 1 kann ein beliebiger Strahler dienen.

Besonders geeignet dafür ist eine lichtemittierende Halbleiterdiode (Leuchtdiode), weil sie erschütterungsfest ist und klein dimensioniert sein kann.

Die Polarisatoren 2, 3 und die Analysatoren 10, 11 können ein und dieselbe Bauweise haben und zum Beispiel aus besonders behandelter Polyvinylalkoholfo-He, die sie durchdringendes Licht in ein linear polarisiertes überführt, ausgeschnitten sein. Zur Erhaltung der größtmöglichen Empfindlichkeit verläuft die Schwingungsebene (in der Figur durch einen Doppel-

b5 pfeil veranschaulicht} der Poiarisatorsn und Analysatoren beim Wandler nach F i g. 1 wie bei allen nachstehend aufgeführten Bauarten des Wandlers zu der ,größten und kleinsten Normalspannung im elastischen Element 4, die

senkrecht zum Lichtstrahl sind, immer unter dem Winkel -t 45°. Unter der Schwingungsebene eines Polarisators wird eine senkrecht auf ihm stehende Ebene verstanden, in der der Lichtvektor des durchgelassenen linear polarisierten Lichtes liegt Da man annehmen kann, daß der Spannungszustand im durchstrahlten Bereich homogen und einachsig ist, wobei seine größte Normalspannung die Richtung der Kraft N hat, sind die Schwingungsebenen der Polarisatoren 2,3 und die der Analysatoren 10,1 i gegen die Richtung der erwähnten Kraft /V, in welche die Meßgröße umgeformt wird, unter dem Winkel ± 45" orientiert.

Das elastische Element 4 ist aus hartem durchsichtigem Maierk) hergestellt, als welches zum Beispiel Silikatglas verwendet werden kann. Man kann auch einige Monokristalle verwenden, die eine wesentlich größere piezooptische Wirkung zeigen und einen größeren Elastizitätsmodul besitzen, so daß Empfindlichkeit und Eigenfrequenz des Wandlers steigen.

Die Phape.nplättchen 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 Kanalausgängen als Funktion der Kraft NX die sinusförmig sind. Eingehender wird darüber weiter unten die Rede sein. Jedes Phasenplättchen wird durch die optische Phasendifferenz (<%o), die es dem Licht beibringt, und die Achsen für die größte (F) und kleinste fSjGeschwindigkeit, deren Richtungen 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 Lichtvektors derjenigen Teilwelle, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit im gegebenen Plättchen die kleinste ist Die Achsen F und S des gleichen Plättchens stehen senkrecht aufeinander. Zur Erhaltung der größtmöglichen Empfindlichkeit des piezooptischen Wandlers sind die Achsen Fund 5 der Phasenplättchen 8 und 9 bei der Anordnung nach F i g. 1 und sonst bei jeder im folgenden 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 Normalspannungen im elastischen Element zu der Kraft N parallel gerichtet ist, bilden die Schwingungsebenen von Polarisatoren und Analysatoren beim Wandler nach F i g. 1 wie bei allen weiter 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 Phasendifferenz «o, von einem Phasenplättchen 8 bzw. 9 erzeugt, ist im Bogenmaß gleich πΙ2 (2n - l)mitn = ganzzahlig.jT = 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, sie dienen nämlich als Mittel zur Änderung der nach Durchging durch den zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 15 auf den Photoempfänger 13 fallenden Lichtintensität, zur Änderung der nach Durchtritt durch den polarisationsoptischen Hauptkanal 14 auf den Phötoempfänger 12 fallenden Lichtintensität entgegengesetzten Vorzeichens. Dies wird erreicht, indem die obengenannten zwischen Polarisator 2 und Analysator 10 im Hauptkanal 14 bzw. zwischen Polarisator 3 und Analysator 11 im zusätzlichen Kanal 15 angeordneten Ph-isenplättchen 8 und 9 derart ausgeführt werden, daß ihr', gleichnamigen optischen Achsen Fbzw. 5zueinander parallel sind und ihre Phasenverschiebungen sich um einen Winkel von rat mit π = ungerade ganze Zahl, ;t = 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 Plättchen 9 dem Lichtbündel B aufgeprägte ursprüngliche optische Phasendifferenz «02 um sr rad größer als die dem Lichtbündel A vom Phasenplättchen 8 aufgeprägte optische Phasendifferenz «οι (also hier η = 1) ist. Was die Größe aoi anbelangt, so wird für sie der Wert ausgewählt, der nahe bei π/2 liegt Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind die Schwingungsebenenen der Polarisatoren 2, 3 zueinander parallel und zu jenen der Analysatoren 10, 11 senkrecht, d. h. die Schwingungsebenen von Polarisator und Analysator stehen im jeweiligen Kanal senkrecht aufeinander.

Der Wandler nach Fig.2 unterscheidet sich vom Wandler nach F i g. 1 dadurch, daß die Schwingungsebenen der Polarisatoren 16, 17 parallel zu jenen der Analysatoren 18, 19 verlaufen. Eine solche Ausführung des piezooptischen Meßwandlers ist gleichbedeutend mit der Ausführung nach F i g. 1.

Der Wandler, dessen Optik in F i g. 3 dargestellt ist unterscheidet sich vom Wandler nach F i g. 1 dadurch, daß er Phasenplättchen 20, 21 hat, die an den Kanalausgängen das Auftreten gleich großer Phasenverschiebungen «o herbeiführen, welche jeweils auch π/2 betragen sollten. Wie bei der Anordnung nach F i g. 1 verlaufen die Schwingungsebenen der Polarisatoren 2 und 3 hier gleichfalls parallel zueinander, dagegen sind die Schwingungsebenen der Analysatcren 10, 11 zueinander senkrecht Die Achse F der größten Geschwindigkeit des Phasenplättchens 20, eingesetzt im polansationsoptischen Kanal 14, ist parallel zu der Kraft N, 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 F i g. 3 dadurch, daß die Schwingungsebenen der Polarisatoren 22 und 23 einerseits und der Analysatoren 24 und 25 andererseits zueinander parallel verlaufen.

Der Wandler nach Fig.5 ist 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 polansationsoptischen Kanäle i4 und 15 über je eine eigene Lichtquelle 31 bzw. 32 verfugen und die optischen Achsen der beiden Kanäle 14 und 15 senkrecht zueinander verlaufen. Die optischen Achsen der Kanäle 14 und 15 stehen ferner senkrecht

auf den durchsichtigen Seitenflächen 27, 28 bzw. 29, 30 des Prismas. Bei dieser Optik kann das elastische Element 26 kleiner in der Höhe dimensioniert sein, so daß seine Steifheit in Richtung der Kraft W zunimmt, weshalb auch seine mechanische Eigenfrequenz größer wird.

Der piezooptische Wandler nach F i g. 6 besteht aus einer Lichtquelle 3? für den pdarisationsoptischen Haupt- 14 und den zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal. Im jeweiligen Kanal sind in Richtung des Strahlengangs hintereinander Polarisatoren 34 bzw. 35, elastisches Element 4, Phasenplättchen 36 bzw. 37, Analysatoren 38 bzw. 39 und Photoempfänger 40 bzw. 41 angeordnet. Bei der vorliegenden Variation des Wandlers sind Polarisator 34 und Analysator 38 des polarisationsoptischen Hauptkanals 14 zueinander und zuni Polarisator 35 und Analysator 39 des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals 15 so gestellt, daß die Schwingungsebenen der ersteren parallel zueinander verlaufen, jene der letzteren senkrecht aufeinander stehen. Die Rolle des Mittels zur Änderung des Lichtstromes im zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 15 zur Änderung der Lichtintensität im polarisationjoptischen Hauptkanal 14 entgegengesetzten Vorzeichens übernehmen diese Polarisatoren 34 jnd 35 und Analysatoren 38 und 39. Die Phasenplättchen 36, 37 sind gleich orientiert und bewirken gleiche Phasenverschiebungen.

Der piezooptische Meßwandler nach F i g. 7 unterscheidet sich vom piezooptischen Meßwandler nach F i g 6 dadurch, daß bei jenem die beiden polarisationsoptischen Kanäle 14 und 15 über je eine Lichtquelle 42 bzw. 43 verfügen. Die optischen Achsen diesci Kanäle sind zueinander parallel und stehen auf den durchsichtigen Seitenflächen 5 und 6 senkrecht.

Die Schwingungsebenen des Polarisators 34 (F i g. 7) und Analysators 38. die im polarisationsoptischen Hauptkanal 14 eingesetzt sind, stehen senkrecht aufeinander, diejenigen des Polarisators 35 und Analysators 39. die sich im zusätzlichen polansationsoptischen Kanal 15 befinden, verlaufen einander parallel.

Der piezooptische Meßwandler nach F i g. 8 hat einen ähnlichen Aufbau wie der Wandler nach Fig. 7. Der Unterschied besteht dann, daß hier das elastische Element 26 nach F i g. 5 verwendet wird, während die optischen Achsen der beiden polarisationsopti«chen Kanäle 14, 15 (Fig. 8) senkrecht zueinander st.-hen. Jede Achse verläuft ferner senkrecht zu den durchsichtigen Seitenflächen 27,28 bzw. 29,30.

Bei sämtlichen vorstehend beschriebenen Variationen des Wandlers nach F i g. 1 bis 8 sind die Photoempfänger des polarisationsoptischen Haupt- und des polarisationsoptischen zusätzlichen Kanals gegenseitig differenzgeschaltet, wobei die Schaltung selbst an Hand des Ausführungsbeispiels für den Wandler gemäß F ι g 1 weiter unten zu behandeln sein wird.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit für den Wandler besteht dann, daß das elastische Element 44 (F ι g. 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 I inicrlage Ή

Bei diesem Wandler gibt es zwei Gruppen polansationsoptische Kanäle: das Paar von Hauptkanälen 54,55 und das Paar von Zusatzkanälen 56, 57, die jeweils Lichtquellen 58,59 bzw. 60,61 und in die Sirahlengänge (A und ß^gebrachte Polarisatoren 62,63 bzw. 64,65, das elastische Element 44, Phasenplättchen 66, 67 bzw. 68, 69, Analysatoren 7G, 71 bzw. 72,73 und das auffallende Licht in elektrische Signale umformende Photoempfänger 74,75 bzw. 76,77 enthalten.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind alle polarisaticnsoptischen Kanäle mit gleichartigen und gleichartig orientierten Phasenplättchen 66, 67, 68, 69, die immer eine gleich große optische Phasendifferenz

erzeugen und mit gleichartig orientierten Polarisatoren 62, 63,64, 65 ausgestattet. Die Schwingungsebenen der Analysatoren 72, 73 der zusätzlichen Kanäle stehen senkrecht auf den Schwingungsebenen der Analysato-ϊ ren 64, 65 der Hauptkanäle, während die Schwingungsebenen der Analysatoren 70, 71 der Hauptkanäle parallel zu den Schwingungsebenen der Polarisatoren 62,63 dieser Kanäle verlaufen. Die in F i g. 9 dargestellte Ausführung der polarisationsoptischen Hauptkanäle 54,

2i) 55 ist die des Kanals 14 nach F i g. 8, die Ausführung der zusätzlichen polarisationsoptischen Kanäle 56,57 ist die des Kanals 15 nach Fig.8. Es sind aber auch andere Ausführungen der polarisationsoptischen Kanäle möglich:

1. Die Kanäle der Hauptgruppe sind ausgeführt genauso wie der Kanal 14 nach F i g. 1,
die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso wie der Kanal 15 nach F i g. 1;

in 2. die Kanäle der Hauptgruppe genauso wie der Kanal 14 nach 1 i g. 2,

die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genaus wie der Kanal 15 nach Fig. 2;

3. die Kanäle der Hauptgruppe genauso wie der ji Kanal 14 nach F i g. 3,

die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso wie der Kanal 15 nach F i g. 3;

4. die Kanäle der Hauptgruppe genauso wie der Kanal 14 nach F i g. 4,

j» die Kanäle der zusätzlichen Gruppe genauso wie der Kanal 15 nach F i g. 4.

Für die fälle, wo die Meßgröße kleine Werte annimmt, eignen sich gut Meßwandler mit einem

4·. elastischen Element in Gestalt eines aus piezooptischem Material hergestellten Balkens, der auf Biegung beansprucht wird. So ist beim Wandler, dessen Optik in Fig. 10 gezeigt ist. das elastische Element 78 als im Träger 79 einseitig befestigter Balken mit zwei

-,n durchsichtigen Parallelseitenflächen 80 und 81 ausgeführt. Die von der Meßgröße abhängige Kraft N greift am freien Balkenende an. Das von der Lichtquelle 82 durch den polarisationsoptischen Hauptkanal 83 geschickte Teilhchtbündel A durchläuft nacheinander den

-,-, Polarisator 84. das elastische Element 78, das Phasenplättchen 85. den Analysator 86 und gelangt am Photoempfänger 87 an. Das im zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 88 laufende Teillichtbündel B von der Lichtquelle 82 gehl durch die gleichen Bauelemente

en und trifft beim zusätzlichen Photeempfänger 89 ein. Die Achsen der Kanäle 8.3 und 88 stehen etwa senkrecht auf den Seitenflächen 80 und 81 und durchdringen das elastische Element 78 in einem Abstand h voneinander zu beiden Seiten der neutralen Faser 90 des elastischen

ei Elements 78. Besser durchdringen sie das elastische Element 78 in einem gleich großen Abstand vom Betrage A von der neutralen Faser 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 können jeweils als ein einziges Bauteil ausgeführt sein. ^ri

Bei dieser Art des Meßwandlers erscheint das elastische Element 78 selbst als Mittel zur Änderung der Lichtintensität im polarisationsoptischen zusätzlichen Kanal 88 im jener zur Lichtintensität im polarisationsoptischen Hauptkanal 83 entgegengesetzten Sinn. in

Die Photoempfänger 87 und 89 sind gegeneinander differenzgeschaltet Die Schaltung fällt unter die Beschreibung derjenigen für den Wandler nach Fig. 1, weil die beiden Schaltungen analog sind.

Der Wandler nach Fig. 11 ist ähnlich wie der nach π F i g. 10 ausgeführt Der Unterschied besteht darin, daß nach Fig. 11 in den beiden Kanälen 83 und 88 je eine Lichtquelle 91 bzw. 92 vorhanden ist, so daß die optischen Achsen der Kanäle 83 und 88 zueinander sowie zu den durchsichtigen Seitenflächen 80 und 81 des >n elastischen Elements 78 senkrecht stehen und auf einen größeren Abstand h voneinander versetzt sein können, weshalb die Empfindlichkeit des Wandlers verbessert wird.

Das elastische Element nach Fig. 10 und 11 kann i\ auch aus Metall gefertigt sein und nur in einem kleineren Bereich der durchstrahlten Zone ein eingeklebtes oder im Balken befestigtes Einsatzstück aus piezooptischem Material aufweisen.

Wie ersichtlich, dienen die Begriffe »polarisationsop- «1 tischer Hauptkanal« und »polarisationsoptischer zusätzlicher Kanal« für die einzelnen Kanäle nur einer bequemen Beschreibbarkeit; denn die Kanäle sind selbstverständlich gegeneinander austauschbar.

Die Polaristatoren des polarisationsoptischen Haupt- n und des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals des Wandlers können sowohl als Einzelteile als auch einstückig ausgeführt sein, sofern ihre Schwingungsebenen parallel sind

Die Analysatoren des polarisationsoptischen Haupl- und des zusätzlich °n polarisationsoptischen Kanals können sowohl als En·..- '' als auch einstückig ausgeführt sein, sofern ihre Sen λ i.i_ejngsebenen parallel sind.

Die Phasenplättchen des polarisationsoptischen 4·, Haupt- und des zusätzlichen polarisationsoptischen Kanals des Wandlers können sowohl als Einzelteile als auch einstückig ausgeführt sein, sofern die Achsen Fund S der größten und der kleinsten Geschwindigkeit des Phasenplättchens in dem einen polarisationsoptischen in Kanal zu den entsprechenden Achsen des Phasenplättchens in dem anderen polansationsoptischen Kanal parallel sind.

Bei dem Wandler, und zwar in der Ausführung, bei welcher die Polarisatoren und Analysatoren nicht die v> Funktion des Mittels zur Änderung der sich im zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal ausbreiten den Lichtintensität (entgegengesetzt zu jener im polarisationsoptischen Hauptkanal) übernehmen, können ihre Schwingungsrichtungen in den beiden polarisa mi lionsoptischen Kanälen entweder parallel oder eben falls in den beiden Kanälen senkrecht zueinander sein Beim Wandler, dessen Polarisatoren und Analysaloren die Funktion des Mittels zur Änderung der sich im zusätzlichen polarisalionsoplischeii Kanal ausbreiten- 6$ den Lichtintensität (entgegengesetzt zu jener im polarisationsoptischen Hauptkanal) übernehmen, sind deren Schwingungsrichlungen im polarisationsoptischen Hauptkanal zueinander senkrecht, dagegen im Zusatzkanal parallel oder umgekehrt

Diese Kombinationsmöglichkeiten gelten für alle in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Ausführungsvariationen des piezooptischen Wandlers.

Nun wird (Fig. 12) die prinzipielle elektrische Differenzschaltung der Photoempfänger 12 und 13 für den Wandler nach Fi g. 1 (die Differenzschaltungen der Photoempfänger für den Wandler in sonstigen Variationen bis auf die Wandlervariationen nach F i g. 5,7,9 und 11 werden, weil analog, weggelassen) erläutert

Die Lichtquelle 1 (Fig. 12) ist eine Galliumarsenid-Leuchtdiode. Zur Begrenzung des Stromes durch die Leuchtdiode ist in seinem Stromkreis ein Widerstand 93 eingeschaltet Die zwei differenzgeschalteten Photoempfänger 12, 13, die Silizium-Leuchtdi&den sind, werden auch als Dioden betrieben. An zwei Widerständen 94 und 95, die als Lastwiderstände für die Leuchtdioden auftreten, sind Transistoren 96 und 97 angeschlossen, mit welchen ein Differenzfolger für die Verringerung des Ausgangswiderstandes des Wandlers bestückt wird. An den Transistoren 96 und 97 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 Ausgangssignals des Wandlers bestimmt.

Die Differenzschaltung für die Photoempfänger 12, 13 des Wandlers nach Fig. 5, die Photoempfänger 40, 41 des Wandlers nach F i g. 7 und die Photoempfänger 87, 89 des Wandlers nach Fig. 11 sind in Fig. 13 gezeigt.

Die Differenzschaltung für die Photoempfänger 74, 75, 76, 77 des Wandlers nach Fig. 9 ist in Fig. 14 dargestellt. Die Schaltungen nach Fig. 13. 14 sind analog der Schaltung nach Fig. 12 und unterscheiden sich von dieser nur in der Anzahl der Lichtquellen und Photoempfänger.

Zur Stabilisierung der Empfindlichkeit ist der Wandler mit einer Stabilisierungsschaltung versehen.

Die Stabilisierungsschaltung kann auf eine beliebige vorstehend beschriebene Variation des piezooptischen Meßwandlei · angewandt werden, aber der Einfachheit der Darstellung halber wird hier nur die Schaltung für den Wandler nach Fig. 1 aufgeführt Die Schaltung umfaßt einen Summierer 103 (Fig. 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 Vergleiche« 104 angeschlossen ist sowie r-ine steuerbare Speisequelle 106, die eingangsseitig hinter den Vergl°icher 104 und ausgangsseitig vor die Lichtquelle 1 geschaltet ist.

Der Summierer 103 (Fig. 16) wird mil einem Regelwiderstand realisiert.

Der Vergleicher 104 ist aus zwei Transistoren 107, 108 zusammengeschaltet. deren Emitter über einen Widerstand 109 an die Plusklemme 101 der Speisequelle und deren Kollektoren an die Minusklcmme 101 der Speisequelle geführt sind, wobei der Transistor 107 über einen Widerstand 111 mit der Minusklemme 101 verbunden ist. Die Basis des Transistors 107 ist mit dem Abgriff des Widerstandes, der die Funktion des Summierers 103 erfOlll, Verbunden und über den Kondensator 110 an die Plusklemme 101 der Speisequelle geschaltet, während die Basis des Transistors 108 am Abgriff eines weiteren Regelwiderslandes 112, der

zur Bezugsspannungsquelle 105 gehört, angeschlossen ist.

Die Bezugsspannungsquelle 105 umfaßt den Regelwiderstand 112, einen weiteren Widerstand 113 und eine Zenerdiode 114. Der Wiederstand 113 und die Zenerdiode 114 Hegen in Reihe und sind an den Klemmen 101 der Speisequelle angeschlossen, und zwar der Widerstand 113 an 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 im Vergleicher 104 vorhandenen 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 Sipeisequelle und sein Emitter über einen Widerstand 117 an die Lichtquelle 1 gelegt.

Die Blockschaltung des elektrischen Teils des Wandlers nach Fig. 1, die in Fig. 17 dargestellt ist, ist analog der Blcckschakung nach F i g. 15. Der Unterschied besteht darin, daß sie durch eine zusätzliche Ausgleichsschaltung für die Temperaturdrift des Wandlernullpunktes ergänzt wird. Dieser Schaltungsteil hat die Gestalt einer Ausgleichssignalquelle 118, die mit ihrem Eingang auf die steuerbare Speisequelle 106, ihrem einen Ausgang auf die Lichtquelle 1 und ihren zwei anderen Ausgängen auf die Klemmen 102 für das Ausgangssignal des Wandlers geschaltet ist

Diese Ausgleichssignalquelle 118 (Fig. 18) enthält Regelwiderstänc¹·- Ί19,120, deren Schieber miteinander verbunden sind, und zwei weitere widerstände 121,122. Der Regelwidersland 119 liegt zwischen dem Ausgang der steuerbaren Speisequelle i'Jfi uni dem Eingang der Lichtquelle 1. Der Regelwiderstand 120 liegt über Widerstände 121, 122 zwischen den Klemmen 102 zur Herausführung des Ausgangssignals des Wandlers. Die Ausgleichsschaltung für Temperaturdrift des Wandlernullpunktes kann bei jedem der piezooptischen Wandler nach F i g. 1 bis 11 Anwendung finden.

Auf der Basis jeder der vorstehend beschriebenen Anordnungen für die Wandler nach F i g. 1 bis 11 un^ entsprechender elektrischer Schaltungen kann man Einrichtungen zur Messung verschiedener mechanischer Größen, wie zum Beispiel der Beschleunigung, des Druckes, der Kraft und der Temperatur aufbauen.

F i g. 19 und 20 zeigen den Aufbau zur Messung einer Linearbeschleunigungskomponente, für den ein beliebiger von den Wandlern nach F i g. 1 bis 9 verwendet werden kann.

Für diese Konstruktion wird die Wandleranordnung nach F i g. 5 benutzt. Der elektronische Teil ist nach der Schaltung gemäß Fig. 13 ausgeführt.

Das elastische Element 26 (F i g. 19, 20) des Beschleunigungsmessers hat die Gestalt eines Parallelepipeds. Auf die Mitten dessen durchsichtiger Seitenflächen 27, 28, 29, 30 (Fig. 20) sind die Phasenplättchen 20, 21. Polarisatoren 22,23 und Analysatoren 24,25 (orientiert wie in Fig. 5) aufgeklebt. Mit der Grundfläche ist das elastische Element 2§ in eine Aussparung in der Unterlage 123 (Fig. 19) mit der Deckfläche in eine »oiche im Masseelemenf 124 eingeklebt Der Schwefpunkt des Masseelements 124 liegt auf der Symmetrieachse 125 des elastischen Elements 26, die parallel zu »einen Seitenflächen 27 bis 30 (Fig.20) verläuft. Mit dem Mässeelement 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 128 gibt es vier weitere paarweise koaxiale Bohrungen, deren

Hi Achsen 129, 130 (Fig.20) zu den entsprechenden

durchsichtigen Seitenflächen 27, 28 und 29 des elastischen Elements 26 senkrecht sind und sich in seiner Mitte schneiden. Die Achsen 129, 130 fallen mit den Richtungen der entsprechenden Lichtbündel A und Bin den polarisationsoptischen Kanälen 14 und 15 (Fig.5) zusammen.

In den Bohrungen des Gehäuses 128 (Fig.20) in der Achse 129 sind die Lichtquelle 31 und der Photoempfänger 12 befestigt In den Bohrungen in der Achse 130 sind >(> die Lichtquelle 32 und der Photoempfäüger 13 eingebaut. In Aussparungen des Gehäuses 128 sind die Transistoren 96, 97, daneben die Widerstände 94, 95 eingesetzt.

Die Schaltungselemente der Schaltung nach Fig. 13 is sind zwecks Erweiterung des Frequenzbereiches des Beschleunigungsmessers in dessen Gehäuse 128 untergebracht, da hierdurch die dämpfende Wirkung des Kabels 135 für die Speisung des Beschleunigungsmessers und Herausführung des Ausgangssignals beseitigt ίο wird. Ein Deckel 136 (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 138 >m Masseelement 124 des Beschleunigungsmessers wird ein is Teller (in der Zeichnung weggelassen) eingeschraubt, woran die Last bei der Eichung des Beschleunigungsmessers angreift.

Die Linearbeschleunigung wird in Richtung des Pfeils 139 gemessen. Ein Gewindeloch 140 dient zum 4i) Aufsetzen des Beschleunigungsmessers am Meßobjeki. 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 (F i g. 21, 22) des Beschleunigungsmessers 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 verklebt ist. Zwei Seitenflächen 80 und 81 des elastischen Elements 78 sind durchsichtig ausgeführt. Der Schwerpunkt des Masseelements 142 liegt auf dir Symmetrieachse 143 des elastischen Elements 78, die nr» dessen neutraler Schicht 90 (F i g. 22) zusammenfällt. In die Mitte der durchsichtigen Seitenflächen (K) (Fig. 21) ist der Polarisator 84. in die Mitte d>:r durchsichtigen Seitenfläche 81 das Phasenplättchen 515 und obenauf der Analysator 86 aufgeklebt. Die Schwingungsebenen von Polarisator 84. Analysator ί!6 und die Achse F der größten und die Achse 5 d :r kleinsten Geschwindigkeit des Phasenplättchens 85 sit d gegen die neutrale Faser 90 (Fig. 22) des elastischi η Elements 78 so, wie es F i g. 10 zeigt, orientiert Auf dt:r" Seite des Polarisators 84 (Fig.22) werden die Bauelemente 84,78,85,86 vom Lichtfluß durchsetzt, dar von der in einem Träger 144 befestigten Lichtquelle (12 ausgeht Am Analysator 86 ist obenauf ein Differenüphotoempfänger 145 geklebt, der zwei lichtempfindliche

Flächen 146, 147 aufweist. In Fig.22 bilden der Polarisator 84, ein Teil des elastischen Elements 78 in 4er Zeichnungsebene rechts von der neutralen Faser 90, das Phasenplättchen 85 und der Analysator 86 einen polarisationsoptischen Kanal 148, und zwar analog zum Kanal 83 nach Fig. 10. Durch den polarisationsoptischen Kanal 148 (Fig.22) gelangt das von der Lichtquelle 82 ausgestrahlte Lichtbündel A zu der lichtempfindlichen Fläche 146 des Differenzphotoempfängers 145. Der linke Teil des Polarisators 84, (in der Zeichnungsebene gesehen) des elastischen Elements 78 und Phasenplättchens 85 bilden einen zweiten polarisationsoptischen 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 Differenzempfängers i45zu.

In den Bohrungen de:, Auflagers 141 sind die Transistoren 96, 97 untergebracht, daneben befestigt man die Widerstände 34, 95 des nach Fig. 12 ausgeführten elektrischen Teils des Wandlers. Ein Deckel 150 (Fig.21) sichert den Beschleunigungsmesser gegen mechanische Beschädigungen und Wasser Im Auflager 141 ist ein Stutzen 151 zur Herausf'chrung des Kabels (in der Zeichnung weggelassen) vorgesehen. Die Richtung, in welcher die Beschleunigung gemessen wird, ist die des Pfeiles 152 (F i g. 22).

F i g. 23 zeigt den Aufbau eines Druckmessers, für den jeder piezooptische Wandler nach F i g. 1 bis 9 anwendbar ist.

Dieser Druckmesserkonstruktion (Fig. 23) liegt der Wandler 4 zugrunde, nur daß hier 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 im Druckmesser und mit der Deckfläche in den verstärkten Mittelteil einer Membran 154 eingeklebt ist In der Mitte einer durchsichtigen Seitenfläche 155 des elastischen Elements 4 sind ein Polarisator 156, in der Mitte der gegenüberli.genden durchsichtigen Seitenfläche 157 Phasenplättchen 20, 21 und obenauf ein Analysator 158 aufgeklebt. Die Schwingungsrichtungen von Polarisator 156, Analysator 158 und die Achsen Fund 5 für die größte und die kleinste Geschwindigkeit der Phasenplättchen 20, 21 sind gegen die Kraft N, in deren Richtung üer Pfeil 159 weist, genauso orientiert, wie es für die Polarisatoren 22, 23, Analysatoren 24, 25 und Phasenplättchen 20,21 in ihrer Stellung zu der Richtung der Kraft N F i g. 4 zeigt.

Die Bauelemente 4, 2u, 21, 156, 158, 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 Teillichtbündel nach Durchtritt durch den Polarisator 156, das elastische Element 4, das Phasenplättchen 20 und den Analysator 158 auf den Lichtempfänger 12 fällt. wie es mit dem den polarisationsoptischen Kanal 14 durchlaufenden Lichtbündel A nach Fig.4 geschieht. Während ein anderes Teillichlbündel 1 nach Durchgang durch den Polarisator 156, das elastische Element 4, das Phasenplättchen 21 und den Analysator 158 am Lichtempfänger 13 wirksam wird, genauso wie beim durch den polarisütionsoptischen Kanal 15 geschickten Lichtbündel nach F ί g. 4. Im Gehäuse 160 (F i g. 23) sind

noch die Transistoren 96,97 und Widerstände 94,95 der Wandlerelektrik nach Fig. 12 untergebracht. Der Deckel 161 mit Stutzen ist so auf das Gehäuse 160 geschraubt, daß jener über der Membran 154 zu liegen kommt und zur Zuführung des Meßdruckes auf Jie Membran 154 dienen kann. Ein Gehäuse 162 schützt den Druckmesser gegen mechanische Beschädigungen und Wasser. Ein Stutzen 163 am Gehäuse 162 führt das elektrische Kabel (in der Zeichnung weggelassen) hindurch.

In Fig.24, 25 ist eine Druckmesserkonstruktion darges::ellt, für die der piezooptische Wandler nach Fig. 10, 11 verwendet werden kann. Bei der vorliegenden Druckmesserkonstruktion benutzt man die Optik des piezooptischen Wandlers nach Fig. 10 und die Schaltung nach F i g. 12.

Das elastische Element 78 des Druckmessers nach Fig.24, 25 hat die Gestalt eines im Querschnitt rechtwinkligen Balkens, der mit der iinen Stirnfläche in einem Auflager 164 (Fig.24) eingeklebt ist An der anderen Stirnseite des elastischen Elements 78 ist ein Hebel 1:65 befestigt. Das Auflager lf*· trägt ein Gehäuse 166. Das freie Ende des Hebels 165 ist durch eine Zugstange 167 mit der Rundplatte 168 einer Membran

169 verbunden, die mit ihren Rändern an einer Scheibe

170 angelötet ist. Die Scheibe 170 samt einem Kopf 171 aus durchsichtigem Material ist mittels vier Schrauben 172 am Gehäuse 166 angeschraubt. Der Druck liegt an einer Kammer 173 des Kopfes 171 über die Stutzen 174, 175 an.

In der Mitte der einen durchsichtigen Seitenfläche 80 (F i g. 25) des elastischen Elements 78 ist der Polarisator 84, in die Mitte der anderen durchsichtigen Seitenfläche 81 das Phasenplättchen 85 und über dieses der Analysator 86 geklebt. Die Schwingungsrichtungen von Polarisator 84, Analysator 86 und die Achsen Fund 5 der größten und der kleinsten Geschwindigkeit vom Phasenjplättchen 85 sind gegen die neutrale Faser 90 des elastischen Elements 78, wie in Fig. 10, orientiert. Vom Polarisator 84 (F i g. 25) her werden die Bauelemente 84, 78,85, 86 vom Licht der Lichtquelle 82 durchdrängt, die in einer Bohrung des Gebäudes 166 befestigt ist. Auf der Se.'.e des Analysators 86 sind im Gehäuse 166 die Photoempfänger 87,89 eingebaut.

Der Polarisator 84, ein Teil des elastischen Elementes 78 zu der einen Seite der neutralen Faser 90, das Phasenplättchen 85 und der Analysator 86 stellen einen polarisationsoptischen Kanal dar, der analog dem polarisationsoptischen Kanal 86 nach Fig. 10 ist. Der Polarisator 84 (F i g. 25), der Teil des elastischen Elements 78 auf der anderen Seite der neutralen Faser 90, das Phasenplättchen 85 und der Analysator 86 stellen einen polarisationsoptischen Kanal dar, der analog dem polarisationsoptischen Kanal 88 nach F i g. 10 ist.

Blird'iansche 176,177(Fi g. 24) und 178,179(F i g. 25) schließen Montageöffnungen im Gehäuse 166 ab. Ein Stutzen 180(F i g. "M) führt das elektrische Kabel (in der Zeichnung weggelassen) heraus.

F i g. 26, 27 zeigen den Aufbau eines Kraftmessers. Für den Kraftmesser eignet sich ein beliebiger von der-Wandlern nach F' g. 1 bis 9.

Bei der Kraftmesserkonstruktion nach Fig. 26, 27 ist die Anordnung des piezooptischen Wandlers nach F i g. 8 ungewandt. Der elektrische Teil .des Kraftmes* sers entspricht der Schältung nach F i g, 13.

Das elastische Element 26 (F i g. 26) des Kräftmessers hat die Gestalt eines i'ech Winkligen Parallelepipeds, auf dessen zwei durchsichtigen Seitenflächen 27, 29

(Fig. 27) die Polarisaloren 34, 35. auf dessen zwei anderen durchsichtigen Seitenflächen 28, 30 die Phasenplättchen entsprechend 36, 37 und obenauf Analysatoren entsprechend 38. 39 jeweils in der Mille aufgeklebt sind. Beim Kraftmesser nach F i g. 26,27 sind die Polarisatoren 34, 35. Analysaloren 38, 39 mit ihren Schwingungsrichtungen und die Phasenplältchen mit ihren Achsen Fund 5 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 Stützzapfen 182, angesetzt an einer Membran 183. befestigt, beispielsweise eingeklebt. Die Bauelemente 26.34,35,36, 37,38,39,181,182,183 bilden eine Baugruppe, die mit der Unterlage 181 und der Membran 183 am Gehäuse 184 befestigt wird. Die Membran 183 wird an das Gehäuse 184 durch einen Ring 185 und Schrauben 186 angepreßt. 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, 29, 30 (Fig. 27) parallel verläuft. Im Gehäuse 184 gibt es vier paarweise koaxiale Bohrungen, deren Achsen 188, 189 auf den entsprechenden durchsichtigen Seitenflächen 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 F i g. 8 zu^ainien.

In den Bohrungen des Gehäuses 184 (Fig. 27) in der Achse 188 sind Lichtquelle 42 und Photoempfänger 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 96,97 und mit ihnen zusammen die Widerstände 94,95 des elektrischen Teils des Wandlers nach Fig. 13 angeordnet. Ein Stutzen 190 dient als Herausführung für das elektrische Kabel (in der Zeichnung weggelassen). Die Gewindelöcher 191, 192 (F ι g. 26). die im Gehäuse 184 vorgesehen sind, sind für die Befestigung des Kraftmessers bestimmt.

In Fig. 28. 29 ist der Aufbau eines Kraftmessers dargestellt, 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 F i g. 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. Das Auflager 194 ist in dem Gehäuse 196 fest eingebaut. Am freien Ende des Hebels 195 greift die Meßkraft N an, deren Richtung durch den Pfeil 197 veranschaulicht ist Der Hohlraum des Gehäuses 196 ist von einem biegsamen Rohrelement 198 z. B. aus Gummi abgeschlossen.

In die Mitte der einen durchsichtigen Fläche 80 (F i g. 29) des elastischen Elements 193 ist der Polarisator 84, in die Mitte der anderen durchsichtigen Seitenfläche 81 das Phasenplättchen 85 und obenauf der Analysator 85 geklebt Die Schwingungsebenen vom Polarisator 84, Analysator 86 und die Achse F der größten sowie die Achse 5 der kleinsten Geschwindigkeit des Phasenplättchens 85 liegen zu der neutralen Faser SG des elastischen Elements 193 so, wie es in Fig. 10gezeigt ist

Vom Polarisator 84 (Fig.29) her werden die Bauelemente 84, 193, 85. 86 vom Lichlslfom der Lichtquelle 82 durchstrahlt, die in einer Bohrung des Gehäuses 196 sitzt. Auf der Seile des Analysalors 86

■■, sind im Gehäuse 196 die Pilotempfänger 87, 89 eingelassen.

Der Polarisator 84, ein Teil des elastischen Elements 193 zu der einen Seite seiner neutralen Faser 90, das Phasenplältchen 85 und der Analysator 86 bilden einen

in polarisationsoptischen Kanal, der analog dem polarisafionsoptischen Kanal 83 nach Fig. 10 ist. Der Polarisator 84 (Fig.29), der Teil des elastischen Elements 193 tu der anderen Seite seiner neutralen Faser 90, das Phasenplätlchen 85 und der Analysator 86 bilden einen polarisalionsoptischen Kanal, der mit dem polarisationsoptischcn Kanal 88 nach Fig. 10 identisch ist.

Die Blindflansche 199, 200 (F i g. 29) verschließen die Hohlräume im Gehäuse 196. Der Stutzen 201 (F i g. 28)

2i) ist die Durchführung für das elektrische Kabel (in dei Zeichnung weggelassen). Die die elektrische Schaltung nach Fig. 12 bestückenden Bauelemente, bis auf die Lichtquelle 82 und die Photoempfänger 87, 89, sind außerhalb des Kraftmessers montiert.

Fig.30 zeigt den Aufbau eines Temperatunnessers, dem ein jeder von den piezooptischen Wandlern nach F i g. 1 bis 9 zugrunde gelegt werden kann.

Für die gegebene Temperaturmesserkonstruktion ist die Optik des piezooplischen Wandlers nach Fig.4

ίο 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 Gestall 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 die 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 Differenzphotoempfänger 207 mit lichtempfindlichen Flächen 208,209.

Die Schwingungsebenen des Polarisators 204, Analysators 206, die Achsen F und S der größten und der kleinsten Geschwindigkeit der Phasenplättchen 20, 21 verlaufen gegen die Wärmeschrumpfungs(Wärmeausdehnungs-)kraft. in deren Richtung der Pfeil 210 zeigt, genauso, wie es für die entsprechenden Elemente und die Kraft A/in F i g. 4 dargestellt ist.

Ein Teillichtbündel erreicht nach Austritt aus der Lichtquelle 1 (F i g. 30) und Durchtritt durch Polarisator 204, elastischen Element 4, Phasenplättchen 20 und Analysator 206 die lichtempfindliche Fläche 208 des Photoempfängers 207, wie es beim auf den Photoempfänger 12 fallenden Lichtbündel A (Fig.4) im polarisationsoptischen Kanal 14 der Fall ist Ein anderes

μ von der Lichtquelle 1 (Fig.30) ausgehendes Teillichtbündel kommt über den Polarisator 204, elastisches Element 4, Phasenplättchen 21 und den Analysator 206 an der lichtempfindlichen Fläche 209 an, genauso wie das Lichtbündel B (F i g. 4), sich im polarisationsoptisehen Kanal 15 ausbreitend, am Photoempfänger 13 eintrifft

?Mra OfV? /17 i er ΊΓ\\ rAr*A οΐη_Α M..4 OIΊ finrl oin aua(. ^u^ ^i ι g. *m\*j αιιΐνι x*iiii< iiui a.» « uiivi win

Schlitz 212 eingearbeitet Ins Gewindeloch 213 des

Gehäuses 202 schraubt man eine Schraube 214 ein, zwischen deren Kopf und dem Gehäuse eine Feder 215, 216 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 ist in der Zeichnung nicht gezeigt

Die Wirkungsweise der piezooptischen Wandler beruht auf der Photoelastizität, die sich als Entstehen einer »^tischen Anisotropie in ursprünglich isotropen Medien bzw. als Veränderung der optischen Anisotropie in anisotropen Medien, beispielsweise Kristallen, unter Einwirkung mechanischer Spannungen, hervorgerufen im Medium z. B. infolge dessen Belastung durch äußere Kräfte, äußert. 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, ais Vorhandensein von zwei BrechungsincHzi?¹= n_x und n_y im Medium in zwei zueinander senkrechten Richtungen O_x und Oy, die als zwei optische Hauptachsen bezeichnet werden. Ein Lichtstrahl wird in solchen Medien bekanntlich in zwei Teilstrahlen, nämlich den »ordentlichen« und den »außerordentlichen« Strahl, aufgespalten.

Ein Änderung der optischen Anisotropie tritt als Änderung der Differenz der beiden Brechungsindizes n_x und ny, also als Änderung der Differenz, weiche die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellenfronten des »ordentlichen« und des »außerordentlichen« Strahls zeigeii, in Erscheinung, so daß sich auch eine Änderung der Phasendifferenz Δα der beiden Teilstrahlen einstellt, welche dann nach deren Austritt aus optisch anisotropem Medium nachweisbar ist [s. zum Beispiel: 1) »Physical Properties of Crystals, Their representation by tensors and matrices« by I. F. N y e, M. A, Ph. D. Oxford at the Clarendon Press 1957; 2) »Polarised Light. Production and use« William A. S h u r k 1 i f f. Harward University Press Cambridge Massachusetts].

Fails das unter Wirkung einer Außenkraft stehende Medium eine einachsige Stauchung (Dehnung) erfährt, weshalb in ihm eine homogene mechanische Spannung α erzeugt wird, werden die optischen Hauptachsen O_x, Oy der dabei entstehenden optischen Anisotropie so orientiert sein, daß deren eine mit der Richtung der mechanischen Spannung σ und somit mit der Richtung der diese Spannung verursachenden Kraft N zusammenfällt Für die Phasendifferenz Δα (Phasenverschiebung) zwischen der »ordentlichen« und der »außerordentlichen« Komponente eines sich zu den optischen Hauptachsen O_x und O_y senkrecht ausbreitenden Lichtstrahls gilt dann

daß sie grundsätzlich 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 piezooptischen Wandlers nach den Ausfuhrungsbeispielen betrachten.

Der Wandler nach F i g, 1 selbst und seine elektrische

ίο Schaltung nach F i g. 12 haben folgende Funktion.

Das von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte Lichtbündel A (F i g. 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 polarisierte Lichtkomponenten zerlegt, deren Schwingungsrichtungen senkrecht aufeinanderstehen, wobei die Schwingungsrichtung einer der Lichtkomponenten zu der Kraft /v parallel ist Nach Austritt aus dem elastischen Element 4 zeigen die linear polarisierten Teilwellen des Bündels A eine Phasendifferenz vom Betrage Δα, der sich nach Gleichung (1) berechnet

Weiterhin geht das Lichtbündel A durch das optisch anisotrope Phasenplättchen 8 hindurch. Die Dicke dass Phasenplättchens 8 ist so gewählt, daß den linear polarisierten Komponenten des Lichtbündels A zusätzlich eine sogenannte ursprüngliche Phasenverschiebung vom Betrage O₀ beigebracht wird. Somit ist der Gesamtbetrag der Phasenverschiebung, welche die linear polarisierten Komponenten des Lichtbündels A nach Austritt aus dem Phasenplättchen 8 gegeneinander zeigen, gleich Δα + fco-

Die Schwingungsrichtungen der linear polarisierten Komponenten des Lichtbündels A stehen senkrecht aufeinander, daher wird das Lichtbündel A bei der Interferenz seiner Komponenten hinter dem Phasenplättchen im allgemeinen zu elliptisch polarisiertem

Licht, und es resultiert 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 Schwingungsebene der durch den Analysator 10 hindurchgegangenen Komponenten des Lichtbündels A sind parallel, und die Interferenz dieser Komponenten wird von einer Änderung der Intensität des Lichtbündels A begleitet

deren Verlauf von der bekannten Gleichung beschrieben wird

U)

optische Weglänge für den Strahl im gegebenen Medium,

piezooptische 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 L₁= L_msin²

Lh = !-„,cos²

A λ +

+ L_n - + L_n

mit
Li, Lu

Intensität des Lichtbündels A(B)nach Austritt aus dem Analysator bei Polarisatoren in gekreuzter [Gleichung (2)] und paralleler

[Gleichung (3)] Stellung,
L_n = kleinste Intensität des Lichtbündels A (B)

nach Austritt aus dem Analysator,
L_n, = Intensität des Lichtbündels A vor Eintritt in den Polarisator minus L_n.

Das Vorhandensein von L_n wird durch die Unvollkommenheit der optischen Bauelemente bedingt

Es muß betont werden, daß eine Änderung der Intensität des Lichtbündels A bei der Interferenz seiner Komponenten jeweils gleichmäßig im ganzen Volumen des Bündels hinter dem Analysator 10 eintritt. Der Photoempfänger 12 kann daher in einem beliebigen Volumenbereich des Lichtbündels A hinter dem Analysator 10 angeordnet werden. Die lichtempfindliche Fläche des ^holoempfängers muß nicht unbedingt senkrecht auf dem Lichtbündel A stehen.

Mit Ansatz von Δα und oco entsprechender Vorzeichen erhält man aus Gleichung (2) und (3) die Änderung der Lichtintensität am Ausgang eines jeden polarisationsoptischen Kanals eines jeden piezooptischen Wandlers

Die Bauelemente 2,4,8,10 des Wandlers nach F i g. 1 bilden den polarisationsoptischen Kanal 14. Die im Phasenplättchen 8 entstehende ursprüngliche Phasenverschiebung kann gleich y π + tm mit η=0, 2, 4, 6...

sein. Dabei gehorcht die Veränderung der Intensität des Lichibündeis A hinter dem Analysator 10 in Funktion der Größe Δα nach Gleichung (2) einem Sinusgesetz, und die entsprechende den Änderungsverlauf darstellende Kurve ist die gezogene Sinuslinie Lm in Fig.31, wo die Lim-Werte über den /Ια-Werten aufgetragen sind. Die kleinsten Werte von Lim sind gleich L_n. Wenn N= 0, ist ebenfalls Δα gleich Null. Dann ist Lm gleich Lo und entspricht dem Punkt O auf der ^oc-Lin-Kurve, die im Bereich des Punktes O größte Steilheit und Linearität aufweist Der Punkt O ist daher der Arbeitspunkt des polarisationsoptischen Kanals 14.

Die Phasenverschiebung ist proportional der Größe der Kraft N, da Gleichung (1) sich in folgender Form schreiben läßt:

It = -V₁TjS- (4)

O n₀

b = Querschnitt des elastischen Elements 4 senkrecht zum Lichtbündel A.

Daher trägt man die Werte der Kraft N im entsprechenden Maßstab längs der x-Achse in Fig.31 ab.

Alles oben über die Funktionsweise des polarisationsoptischen Kanals 14 (F i g. 1) Gesagte gilt auch für jeden polarisationsoptischen Kanal der piezooptischen Wandler nach F i g. 1 bis 11. Der Unterschied all dieser Kanäle vom polarisationsoptischen Kanal 14 (Fig. 1) besteht jeweils in einer anderen Auswahl des Mittels zur Gewährleistung entgegengesetzter Änderungen für die Lichtintensitäten A und B an den Ausgängen der entsprechenden polarisationsoptischen Kanäle. Diese Mittel sind: Dicke der Phasenplättchen, ihre Orientierung, Orientierung der Polarisatoren und Analysatoren und schließlich das elastische Element Nur diese Unterschiede werden auch weiterhin jedesmal erwähnt bei der Beschreibung der Arbeitsweise der einzelnen polarisationsoptischen Kanäle der piezooptischen Wandler.

Der polarisationsoptische Kanal 15 (Fig. 1), der den Polarisator 3, elastisches Element 4, Phasenplättchen 9 und den Analysator 11 umfaßt unterscheidet sich vom polarisationsoptischen Kanal 14 nur durch die Dicke des Phasenplättchens 9, die so gewählt ist, daß

«ο γ +

polarisationsoptischen Kanal 15 ausbreitenden Lichtintensität B als Funktion von Δα hinter dem Analysator 11 nach Gleichung (2) die Gestalt einer Sinuskurve L 15, die in F i g. 31 gestrichelt eingezeichnet ist.
ϊ Die sinusförmigen Verläufe Lm und Ln5 der Änderung der Lichtintensitäten A und B in Abhängigkeit von Δα sind in Fig.31 um eine halbe Periode entlang der x-Achse gegeneinander verschoben, d. h, bei Belastung des elastischen Elements durch die Kraft N haben die Änderungen zliu, ΔΙ^μ der Lichtintensitäten A und B die gleiche Größe, doch entgegengesetzte Vorzeichen.

Das Mittel, welches die Änderung der Lichtintensität im zusätzlichen Kanal 14 im zur Lichtintensität im Hauptkanal 15 entgegengesetzten Sinne ermöglicht ist

hier die unterschiedliche Dicke der Phasenplättchen 8 und 9.

Bei /V=O ist Δα auch gleich Null, Lim und L115 sind dann gleich L₀ und entsprechen dem Arbeitspunkt O auf der /da-Lin- bzw. Lus-Kurve.

Durch die Kraft N am elastischen 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 Δα gegeneinander phasenverschoben. Die Lichtintensitäten A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle 14, 15 durchlaufen Änderungen ΔΙ^α und 4Ljjs und sind gleich Lq+zILim und Lo-BLj.15. Diese Werte entsprechen den Punkten a und b auf den betreffenden Kurven in F i g. 31.

jo Den Arbeitsbereich für die Größe Δα wählt man je nach der vorgegebenen zulässigen Abweichung von der Linearität der Beziehung Lim (Lus)- Beim Linearitätsfehler 1% beträgt die zulässige Größe von Δα infolge Δ N der Kraft N 20°. Dabei erreichen die Änderungen

der Lichtbündel A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle 14 und 15 ihre Maximalwerte

iL

= 0,35L₀ = 0,35

wobei die Differenz der Intensitäten der besagten Lichtbündel A und B

L₀ + I L_141710x — (L₀ — Λ L₁₅ _max)

= I L_Uma + . 1 L₁₅ _max = 20,35 L₀ = 0,35 L_1n (6)

ist Man setzt hier -—- =Lo an, wie es auch bei

Polarisator und Analysator hoher Qualität berechtigt ist da L_n->-0.

Der Faktor 0,35 bei der Meßgröße L_m wird hier als relativer Meßgrößen-Grenzänderungskoeffizient K/bezeichnet

Zum Vergleich sei darauf hingewiesen, daß dieser Koeffizient bei Dehnwiderstandswandlern mit Draht- oder Halbleiter-Dehnwiderständen ungefähr zwischen 0,001 und 0,02 liegt

Die elektrische Schaltung nach F i g. 12 des Wandlers nach F i g. 1 arbeitet wie folgt

Bei N=O, also bei Δα**0 fallen auf die Photoempfänger 12, 13 (Fig. 1), die hinter den Analysatoren 10, 11 angeordnet sind, die Lichtbündel A und B, jedes vom

g· %ί/. i-raiui toi

beträgt Hierbei hat der Änderungsverlauf der sich im Ih bzw. /15 der beiden Photoempfänger 12,13 gleich I₀,

üiid diese Strome erzeugen Spannungsabfälle Um. Uw, über die Widerstände 94, S5(F i g. 12), welche beide vom Betrag U_a sind. Die Spannungen an den beiden Widerstäi,den 98, 99, die an den Transistoren 96, 97 liegen, sind hierbei ebenfalls gleich groß, so daß das Ausgangssignai an den Klemmen 102 gleich Nu:l ist.

Es sei hier gleich bemerkt, daß bei der Schaltung nach Fig. 12 und auch bei allen sonst nachstehend zu beschreibenden elektrischen Schaltungen die Photoströme der Photoempfänger und damit die Spannungsabfälle an den Widerständen 94, 95 von der Größe Δα nach einem Sinusgesetz abhängen und mit den sinusförmigen Änderungen der Lichtintensitäten in den Lichtbündeln A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle in Phase sind. Daher sind die Werte dei Spannungsabfälle wie die der Photoströme in F i g. 31 auf der y-Achse aufgetragen, und zwar in einem Maßstab, bei dem sie mit der Größe Acc in gleicher Beziehung wie die entsprechenden Lichtströme stphpn lim die Verhältnisse in Fig It hpsspr überschauen zu können, hat man dort nur die Änderungsv .-Häufe der Spannungsabfälle Uxu und tAis über den Widerständen 94 und 95 in Abhängigkeit von Δ/χ nur für den Wandler nach F i g. 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 109. 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 (Fi g. 1) und den entsprechenden elektrischen Kreisen beim Ausfall der Kraft N nicht gleich auf Null steht

Nach erfolgter Belastung des elastischen Elements 4 mit der Kraft N, wodurch sich eine Phasenverschiebung einstellt, entsprechen die Intensitäten der Lichtbündel A und B, die nun gleich La+ALm bzw. La-ALus sind, den Punkten a und b (F i g. 31) der 4«-Funktionen Lim und Lu₅. Hierbei erfahren die Photoströme der Photoempfänger 12,13 (F i g. 12) die Änderungen/4L|4 und — AL\s und sind dann gleich /o+Alu und k—A As.

Die von den Photoströmen erzeugten Spannungsabfälle über den Widerständen 94,95 zeigen jeweils auch eine Änderung vom Betrage A Uu bzw. — AUauna sind dann gleich Uo+AUh bzw. Uo-AU^, so daß ihre Differenz

U₀ + W₁₄-(U₀- 1 U₁₅) = I LZ₁₄ + I LZ₁₅ (7)

ist Die Differenz der Spannungen an den Widerständen 98,99 und somit an den Klemmen 102 ist dabei gleich

mit .K= Übertragungsfaktor des Transistors 96 bzw. 97, der nahe bei Eins liegt

Diese Spannungsdifferenz an den Klemmen 102 ist proportional der Größe der Kraft N und ist somit Ausgangssignai des Wandlers.

Berücksichtigt man, daß die Änderungen AUu und AU_i5 der Spannungsabfälle über den Widerständen 94 und 95 proportional den Änderungen AIu und AI\s der entsprechenden Photoströme, also den Änderungen ALu und AL_i5 der Lichtintensitäten in den entsprechenden Lichtbündeln A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle 14 und 15 sind, so kann

man Gleichung (6) folgenderweise umschreiben:

„- I U_tSmax)

= I L/_M

U,

¹IS »um

= 2 ■ 0,35 LO = 0,35 LZ«, (8)

größtmögliche Differenz der Spannungsabfälle über den Widerständen 94 und 95 (Fig.2; s. auch F ig. 31).

Der Wert U_n, ist etwa gleich der Speisespannung U_p des Wandlers. Sind die Photoempfänger 12,13 (Fig. 1) mit Silizium-Leuchtdioden bestückt, kann U_m bzw. U_p beispielsweise 24 Volt betragen. Dann kann gemäß Gleichung (8) 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 ?ⁿ ϊολϊι noch n.ash solch sinetn für dsn Mcßwandler wichtigen Kennwert anstellen, wie die Dehnempfindlichkeitszahl einer ist, welche man für die Dehnwiderstände nach der bekannten Formel berechnet:

5=1

/1

η = 2^ahl der aktiven Brückenzweige,
^J0 Up = Speisespannung der Brücke,

ε = spezifische Formänderung des elastischen Elements mit aufgeklebtem Dehnwiderstand,

U = Änderung der Spannung am Dehnwiderstand bei dien Messungen.

Hier ist die Beziehung II—jj—analog der Beziehung

JU,

• für den piezooptischen Wandler, für den man

schreiben kann

S =

2U₀

(9)

Aus Gleichung (7) kann man den Grenzwert fiir dieses Verhältnis erhalten:

•'"u _ O₃₅

Die entsprechende spezifische Grenzformänderung ε ergibt sich aus der bekannten Gleichung

^f = E

mit E~ Elastizitätsmodul des elastischen Elements 4 (F i g. 1), der beispielsweise für Glas gleich

7· 10⁵

kg
cm²

Die Größe σ berechnet sich nach der Gleichung

360

. IjO

IT₀

(HO)

Unter Verwendung der von früher her bekannten Grenzwerte für Aoc und σο¹·⁰ : Ax=20° und σ_ο ^!·^ο=240 -Sj-(für G!as) ist dann: σ= 13 —K, ε=2 · 1O~⁵ und cm cm

5=35 · 10³ (bei/i=l in Gleichung 9).

Beim Einsatz von einigen Monokristallen als Material für das elastische Element kann man die Dehnempfindlichkeitszahl bis zu 2 · 10^ä steigern.

Die hohe Dehnempfindlichkeit der piezooptischen Wandler gestattet es, in diesen sehr steile 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 Folien als Pclarisatoren und Analysatoren besteht, stellt eine gedrungene und robuste Anordnung dar, die beständig gegen Erschütterungen und Stöße ist.

Der optische Teil des Wandlers ist ziemlich einfach herzustellen und erfordert keine Eichung, die normalerweise beirr. Zusammenbau von optischen Geräten unumgänglich ist Dies wird dadurch bedingt, daß die Zusammenwirkung des Lichtes mit den optischen Bauteilen im piezooptischen Wandler nach Gesetzen «er scgeriüriritef! ptiysinuiiscncri v^ptin gescuient μτ\\λ ^e; bestimmten Bedingungen, die im Wandler erfüllt werden, keine sorgfältige Einhaltung der geometrischen Kennwerte der Bauelemente: Regularität von deren Seitenflächen und Dicke. Genauigkeit der gegenseitigen Lage der Teile und Orientierung deren optischen Achsen voraussetzt.

L'nparallelität der Seitenflächen der optischen Bauelei.iente und Abweichung ihrer optischen Achsen von den vorgegebenen Richtungen in der Größenordnung von 2 bis 3 Grad üben praktisch keinen Einfluß auf Empfindlichkeit und Linearität des Wandlers aus.

Zur Unterdrückung der Dnft der Empfindlichkeitszahl des piezooptischen Wandlers nach F i g. 1 ist die Stabilisierungsschaltung für Empfindlichkeitszahl nach Fig. ' 5.16 vorgesehen.

Die Arbeitsweise der Stabilisierungsschaltung fur die Empfindlichkeitszahl beruht auf der Eigenschaft der Wandler mit differenzgeschalteten Umwandlungsele menten. die Summe aus Signalen in Differenzschal ■ tungs Bauelementen bei Änderung der Meßwirkung unverändert zu erhalten. Dies wird dadurch bedingt, daß Änderungen der Signale in Differenzelementen, insbe sondere im piezooptischen Meöwandler Änderungen der Lichtintensitäten 4 und H an den Fingan^c" der Photoempfänger 12, 13 (F ig ^!r>). soknc der Pho¹ >stro mc an den Ausgängen der Photoempfänger 12, 1 ] v,\* . einschließlich Änderungen der Spannungen an den Ä'iderständen 98, 99. jeweils vom absoluten Betrag her gleich groß sind, doch entgegengesetzte Vorzeichen haben

Infolgedessen bleiben die Spannungsabfälle über dem als Summierer wirkenden Widerstand 103 aus Aus gangsstromen der Transistoren 96.97 bei Änderung der am elastischen Rlement 4 angreifenden Kraft unverän dert

Ändert sich aber (beispielsweise verringert sich) aus irgendwelchem f inind die l.euchtstärke der lichtquelle 1 (i!e^r Halbleiter I euchtcjiode). so wird es einmal /ur Vcnii ndcr'ing de^r Fmpi'ndiichkeit de'· Wandlers, /um anderen zu einem kleineren Spannungsabfall über dem die Funktion eines Summierers Obernehmenden Widerstand 103 führen, da dann die Änderungen der Signale in sämtlichen Differenzelementen, insbesondere auch an den Widerständen ein und dasselbe Vorzeichen haben (die Signale werden kleiner).

Die Verringerung der Spannung am als Summierer geschalteten Widerstand 103 kaun durch eine Gegenkopplung wieder auf den Eingang der Lichtquelle gegeben werden, derart, daß ihre Leuchtstärke wieder zunimmt und der Spannungsabfall über dem genannten ι Widerstand sowie die Empfindlichkeit des Wandlers wieder auf ihr ursprüngliches Niveau gebracht werden.

Der Rückkopplungskreis hat seinen Anfang an der Basis des Transistors 107, der die am Schieber des Summiererwiderstandes 103 abgegriffene Spannung

ίο zugeleitet wird. Der Transistor 107 hat die Funktion eines Vergleichers (Vergleicher 104), auf dem das vom Summiererwiderstand 103 kommende Signal und das von der Zenerdiode 114 über den Transistor 108 als Emitterfolger am Emitter des Transistors 107 angelangi te Signal miteinander verglichen werden. Die Differenz dieser beiden Signale ist die Regelabweichung. Der Regelwiderstand 112 dient zur Einstellung des Bezugssignals. Der Widerstand 113 begrenzt den Strom durch die Zenerdiode 114, der zusammen mit dem Widerstand 112 die Bezugsspannungsquelle 105 bildet

Die dem Widerstand 111 entnommene Regelabwei-

»U..«n ...ä_~J ....Γ Α· η O.rir rint· TpAnriplni« IiC πο#τα!\βη \.tlUlt£ nilU OUl UIV. UQ3I3 U\. ^ 1IUMdUtIZlJ ««** g%.gt»kr%.ll, von dessen Emitter sie der Basis des Transistors 116 zugeführt wird, welcher mit seinem Emitter über den

;-■> Widerstand 117 an der Speisequelle 1 liegt

Die Transistoren 115, 116 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

in gegen Null strebt, verändert und somit die Leuchtstärke der Lichtquelle 1 sowie die Empfindlichkeit wie schon oben gesagt auf ihr Anfangsniveau zurückbringt

Zur Unterbindung der Temperaturdrift des Wandlernutlpunktes beim Wandler nach Fig. 1. die von der

i> Temperaturinkonstanz der optischen und elektrischen Bauelemente verursacht wird, dient die Ausgleichsschaltung für Temperaturdrift des Wandlernullpunktes, die in Fig. 17.18gezeigt ist

Die Ausgleichsschaltung fur Temperaturdrift des

j'i Wandlemullpunktc«. besteht aus dem Regelwiderstand 119. der in den Stromkreis /wischen Widerstand 117 und Lichtquelle I eing'-s» haltet ist Bei Änderung der Temperatur also ,!es Speisestromes der Lichtquelle 1 (Halbleiter'Leuchtdiode) ändert sich auch die Spannung

4. am Regelwiderstand 119 infoige der Funktion der Stabihsierungsschaltung fur F.mpfindlichkeitszahl. Die Änderung des 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 Regelwiderstand 120 und Widerstände 121, 122 zugeführt werden. Dabei stellt man den Schieber des Regelwiderstands 119 so, daß die Spannung /wischen Schieber und einer der

., Klemmen 102 gleich Null, wenn die Wandlencmperatur normal, die Kraft Λ* gleich Null und die Spannung zwischen den Klemmen 102 ebenfalls gleich Null ist. Den Sefveber des Widerstands 120, verbunden mit jenem des Widerstands 119. stellt man so. daß die sich

-n bei einer Änderung der Temperatur einstellende Änderung der Spannung am Widerstand 119. die von den Widerständen 120,121,122 unter die Klemmen 102 verteilt wird, die Temperaturdrift des Wandlernullpunktes ausgleichen kann.

h'> Die Stabilisierungsschaltung für Empfindlichkeilszahl (F i g. 15.16) und die Ausgleichsschaltung für Temperalurdnft des Wandlernullpunktes zeigen recht gute Wirkung und gestatten es, sowohl die Empfindlichkeits-

als auch die Nullpunktkonstanz des Wandlers um das 20fache zu verbessern.

Die Funktion des piezooptischen Meßwandlers nach Fig.2 unterscheidet sich von der des piezooptischen Wandlers nach F i g. 1 nur dadurch, daß bei jenem infolge Parallelität der Schwingungsrichtungen von Polarisatoren 16, 17 und Analysatoren 18, 19 für die 4a-Funktionen LrK und L^* {F i g. 3t) der Lichtintensitäten in den Lichtbürideln A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle 14, 15 (Fig.2) Gleichung (3) gilt In F i g. 31 fallen die Funktionen L$u und !(us mit den Funktionen ijjs und in+ entsprechend zusammen.

Für den Wandler nach Fig.2 wählt man die Schaltung nach F i g. 12.

Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig.3 unterscheidet sich von der des piezooptischen Wandlers nach F i g. 1 nur dadurch, daß die im Phasenplättchen 20 entstehende ursprüngliche Phasenverschiebung Oo zwischen den beiden Komponenten des Lichtbündels A und die ursprüngliche Phasenverschiebung zwischen den entsprechenden Komponenten des Lichtbündels B infolge gleicher Dicke der Phasenplättchen 20, 21 (Fig.3) und Senkrechtstehen der Achse F der größten und der Achse 5 der kleinsten Geschwindigkeit des Phasenplättchens 20 auf den entsprechenden Achsen des Phasenplättchens 21 enigegengesetzte Vorzeichen haben. Die zla-Funktion der Lichtintensitäten in den Lichtbündeln A und B an den Ausgängen der polarisationsoptischen Kanäle 14, 15. für die hier so Gleichung (2) gilt, fallen in Fig. 31 mit den von den Kurven Lu₁, Lw, dargestellten zusammen. Als Mittel zur Änderung der Lichiflußintensität im zusätzlichen Kanal 15 entgegengesetzt jener der Lichtflußintensität im Ha>i|>tv.ana! tritt hier die gegenseitige Orientierung der « Achsen F und S der größten bzw. der kleinsten Geschwindigkeit der Phasenplättchen 20, 21 auf. Dies hat zur Folge, daß die ursprünglichen Phasenverschiebungen O₀ in den Kanälen 14, 15 der Größe nach einander gleich, jedoch entgegengesetzten Vorzeichens ίο sind.

Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach F ι g. 4 unterscheidet sich von der des piezooptischen Wandlers nach F ι g. 3 nur dadurch, daß die Δα-Funktionen der Intensitäten der Lichtbündel A und B. für die 4-, hier Gleichung (2) gilt, infolge Parallelität der Schwingungsebenen von Polarisatoren 22, 23 (Fig.4) und Analysatoren 24,25 in F ι g. 31 von den Kurven U,\t und /<|ι?dargestellt werden.

Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach >n Fig. 5 ist mit der des piezooptischen Wandlers nach Fig. 1 identisch, weil das Vorhandensein von zwei Lichtquellen 31, 32 (Fig. 5). die die Lichtbündel entsprechend A und B erzeugen, auf die Arbeitsweise der polamationsoptischen Kanäle 14, 15 ohne hinfluß ϊΐ bleibt.

Für den piezooptischen Wandler nach l· ig "> wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. I 3. die sich von der elektrischen Schaltung nach Fig. 12 nur durch Vorhandensein von zwei in Reihe geschalteten I ichi eo quellen 31, 32 unterscheidet.

Die Funktion des piexooptischen Wandlers nach Fi g, 6 ist folgende. Der polar isaliorisöplische Kanal 14 (Fig.6) arbeitet analog dem polarisationsoptischen Kanal 14 (F i g. 4), der polarisaliorisoptische Kanal 15 (F¹Ig₁O) analog dem polarisationsoptischen Kanal 14 (F ig. 3).

Das Mittel zur Änderung der Lichtflußintensität im zusätzlichen polarisationsoptischen Kanal 15 entgegengesetzt jener der Lichtflußintensität im polarisationsoptischen Hauptkanal 14 ist hier die Auswahl der Orientierungsweise, bei der die Schwingungsebenen von Polarisator 34 und Analysator 38 parallel zu einander verlaufen, die von Polarisator 35 und Analysator 39 senkrecht aufeinander stehen.

Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig.7 ist folgende. Der polarisationsoptische Kanal 14 (F i g. 7) ist seiner Funktion nach dem polarisationsoptischen Kanal 14 (F i g. 3), der polarisationsoptische Kanal 15 (Fig.7) dem polarisationsoptischen Kanal 14 (Fig.4) gleichzusetzen. Das Vorhandensein der Lichtquelle 42 und 43 (F i g. 7) in den polarisationsoptischen Kanälen 14 und 15 ändert gegenüber den entsprechenden polarisationsoptischen Kanälen 14 (F:g.3) und 14 (F i g. 4) an der Physik jener Kanäle nichts.

Der piezooptische Kanal nach F i g. 8 hat die gleiche Funktion wie der piezooptische Kanal nach F i g /.

Der piezooptische Kanal nach F i g. 9 hat folgende Funktion. Die polarisationsoptischen Kanäle 54, 55 (F i g. 9) sind in ihrer Funktion analog dem polarisationsoptischen Kanal 14 des piezooptischen Wandlers nach F i g. 4. Die Funktion der polarisationsoptischen Kanäle 56, 57 (F i g. 9) deckt sich mit der des polarisationsoptischen Kanals 14 des Wandlers nach F i g. 3. In dieser Beziehung ist die Funktion des Wandlers nach F i g. 9 der des Wandlers nach F i g. 6 gleichzusetzen. Beim Wandler nach F i g. 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 F i g. 6.

Für den piezooptischen Wandler nach F i g. 9 wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. 14, bei der sämtliche Lichtquellen 58, 59, 60, 62 miteinander in Reihe, Photoempfänger 74 zu dem Photoempfänger 75 parallel, Photoempfänger 76 zu dem Photoempfänger 77 parallel geschaltet sind.

Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach Fig. IO unterscheidet sich von der aller vorstehend behandelten piezooptischen Wandler nach F ι g. I ... 9 dadurch, daß sein elastisches Element 78 (F ig 10). ausgeführt als mit dem einen Ende befestigter Balken, eine Biegeformänderung erfährt Die mechanische Spannung im elastischen Element 78 hat zu den verschiedenen Seiten der neutralen Faser 90 verschiedene Vorzeichen, dabei haben auch die Phasenverschiebungen Δ<% zwischen der »ordentlichen« und der »außerordentlichen« Lichtl-omponente des Lichtbündels A und die zwischen den entsprechenuen Lichtkomponenten des Lichtbündels S entgegengesetzte Vorzeichen, 'i'ür die da-Funktionen L&. und /^g (Fig. 31) der Intensitäten der Licntbündel A und San den Ausgängen der Polarisationsoptischen Kanäle 83, 88 (F ig 10) gilt hier Gleichung (2) nach F.insatz von Δ/χ mit entsprechen dem Vorzeichen. Da die to für die beiden polarisationsoptischen Kanäle S3, 88 (Fig 10). die ja ein einziges, gemeinsames Phasenplättchen 85 haben, nach Betrag und Vorzeichen eine und dieselbe ist. fallen die Beziehungen Ιφ,und /^,(Fig 31)zusammen

Außerdem andern sich die Größen L& und L& naeh dem gleichen Gesetz (Gleichung (3)), wie die Größe L^ für die Intensität des Lichtbündels A beim Wandler nach F i g. 3, daher decken sich die Kurven Laj, Lm und Lm in F ig. 31.

Greift am elastischen Element 78 (Fig. 10) die Kraft Nan, so entsieht in seinem einen Teil zu der einen Seite

der neutralen Faser 90 eine mechanische Zugspannung, in seinen» anderen Teil zu der anderen Seite der neutralen Faser 90 eine Druckspannung. Dies ist es auch, weshalb die Phasenverschiebung Au. zwischen den linear polarisierten Lichtkomponenten der beiden Lichtbündel A und S entgegengesetzte Vorzeichen haben. Ebendeshalb zeigen die Änderungen AL& und Δ Lsi (F i g. 31) der Intensitäten La und Les für die beiden Lichtbündel A und B gleichfalls entgegengesetzte Vorzeichen.

Die Intensität L$s nimmt nach der Änderung um ALes den Wert an, der dem Punkt a auf der Kurve Z₁₈₈ (oder auch auf der Kurve L^, da die Kurven L$a und L&3 deckungsgleich sind) entspricht, die Intensität Lge nimmt nach der Änderung um Δ Lsi den Wert an, der dem Punkt c auf der Kurve Lg3 (Z₁Sa) entspricht Die Funktion des Mittels zur Änderung der Lichtflußintensität im polarisationsoptischen Kanal 88 entgegengesetzt jener der Lichtflußintensität im polarisationsoptischen Kanal 83 übernimmt beim Wandler nach F i g. 10 das elastische Element 78 seibst, in dem mechanische Spannungen unterschiedlicher Vorzeichen entstehen.

Für den piezooptischen Wandler nach Fi g. 10 wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. 12, deren Funktion weiter oben beschrieben wurde.

Der piezooptische Wandler nach F i g. 11 hat die gleiche Funktion, wie der Wandler nach F i g. 10, da das Vorhandensein eigener Lichtquellen in den einzelnen polarisatiansoptischen Kanälen 83, 88 (Fig. 11) die physikalischen Grundlagen der Kanalfunktion unberührt Läßt

Für den piezocptischen Wandler nach Fig. 11 wählt man die elektrische Schaltung nach Fig. 13, die ebenfalls vorstehend beschrieben wurde.

In F i g. 19, 20 ist der Aufbau eine Beschleunigungs- j5 messeis gezeigt, für den man den piezooptischen Wandler nach F i g. 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 Stabilisierungsschaltung für die Empfindlichkeitszahl nach Fig. 15, 16 sowie von der Ausgleichsschaltung für Temperaturdrift des Wandlernullpunkte:; nach Fig. 17, 18 Gebrauch gemacht werden. Die Funktion des piezooptischen Wandlers nach F i g. 5 und der elektrischen Schaltungen nach Fig. 13 und 15 ... 18 wurde schon oben betrachtet.

Bei Bewegung des Beschleunigungsmessers unter dem Einfluß einer Beschleunigung ist sein elastisches Element 26 (Fig. 19) von dem Masseelement 124 her der Wirkung, der Projektion der Kraft auf die Symmetrieachse 125. ausgesetzt.

Die Membranen 126, 127 vermindern die Zahl der Freiheitsgrade des Masseelements 124 bis auf einen (in Richtung der Symmetrieachse 125). d. h„ es wird die « MögliiMe'it von Formänderungen des elastischen Elemeits 26 durch vom Masseelement her wirkende Biegekraft völlig vermieden. Hierdurch wird der Beschleunigungsmesser gegen auf der Symmetrieachse 125 senkrecht stehende Beschleunigungskomponenten weniger empfindlich. Es sei hier gleich betont* daß die piezödptiiichen Wandler nach Fig. 1 *.,8 gegen Biege formäliderungen grundsätzlich Unempfindlich sind, da das Integral über die Spannungslinie längs des Lichtbündels A oder Bbei eitler Biegekraft die in einer senkrecht auf der Meßkraft N (MeBflchtüng) stehenden Ebene liegt, Null ist,

Die Steifheit der Membranen 126, 127 (Fig. 19) in Richtung der Kraft N ist gegenüber jener des elastischen Elements 26 in der gleichen Richtung vernachlässigbar klein, deshalb beeinträchtigen die Membranen die Empfindlichkeit des Beschleunigungsmessers nicht

Beim piezooptischen Beschleunigungsmesser nach Fig.21. 22 erduldet das biegsame Element 78 Biegetormänderungen, daher ist hier der piezooptische Wandler nach Fig. 10 zusammen mit der elektrischen Schaltung nach F i g. 12 verwendet

Der Beschleunigungsmesser nach F i g. 21,22 mißt die Projektion des Linearbeschleunigungsvektors auf die Richtung des Pfeils 152, d. h. auf die Richtung senkrecht zur neutralen Faser 90 des elastischen Elements 78. Der Wandler nach Fig. 10 und die elektrische Schaltung nach F i g. 12 formen die Massenkraft N, die in Richtung parallel zum Pfeil 152 wirkt, in elektrische Signale 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 Lichtbündeln A und B senkrecht sind, unempfindlich, da beim piezooptischen Wandler nach F i g. 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 Δα. zwischen der »ordentlichen« und der »außerordentlichen« Lichtkomponente in den beiden Lichtbündeln herbeiführen wurden. Dies geschieht darum, wei! das Integral über die Spannungslinie der von den besagten Kräften und Momenten herrührenden Spannungen im elastischen Element 78 (Fig. 10) längs der Richtung der Lichtbündel A und B nahe bei Null liegt

F i g. 23 zeigt den Aufbau eines Druckmessers mit auf Druck bzw. Zug beanspruchtem elastischem Element Bei diesem Druckmesser sind die piezooptischen Wandler nach F i g. 4 und die elektrische Schaltung nach Fig. 12 verwendet, deren Funktion rben beschrieben wurde.

Bei Zuführung von Druck P in den Raum zwischen Membran 154(F i g. 23) und Deckel 161 ist das elastische Element 4 der Wirkung einer Kraft N= P ■ 5(Mit Sals wirksame Fläche der Membran) ausgesetzt

Derjenige Teil der Druckmessermembran 154, der sich zwischen deren verdicktem Mittelteil und dem Gehäuse 160 mit darin festgespannten Randteilen der Membran befindet, hat die Gestalt einer teilweisen Torusfläche (weist eine ringförmige Rille zwischen verstärktem Mittelteil und Gehäuse 160 auf). Die Auswahl der Membranform gestattet es, den sogenannte.: volumetrischen Verdrängungsfaktor K_n der als Verhältnis von Volumenänderung des Raums zwischen Deckel 161 und Membran 154 zu Druckänderung definiert wird, auf ein Minimum zu reduzieren.

Durch entsprechende Dimensionierung der Membran 154 und des elastischen Elements 4 erhält man einen Druckmesser mit sehr kleinem volumetrischem Ver drängungsfaktor K. und hoher Eigenfrequenz des mechanischen Systems= Membranelaslisches Element (bis einigen zehn Kiloherz). Die untere Frequenzgrenze des piezooplischen Wändlers liegt praktisch bei Null, Wegen der aufgeführten Eigenschaften des Druckmessers ist dieser besonders unter komplizierten Meßbedingungen verwendbar, zum Beispiel bei dynamischen Messungen, wenn die auf der Membran bezogene Masse einer Flüssigkeit groß ist Dies liegt vor, wenn der

Druckmesser mit dem Druckobjekt durch ein steifes und dünnes Rohr (Katheter) verbunden ist. Solche Bedingungen sind öfters in der Technik, aber auch in der Medizin anzutreffen.

Beim Druckmesser nach F i g. 24,25, bei welchem das elastische Element 78 Biegeformänderungen erfährt, werden der piezooptische Wandler nach Fig. 10 und die elektrische Schaitung nach F i g. 12 verwendet.

Nach Beaufschlagung der Druckmesserkammer 173 mit Druck P, der dieser durch einen der Stutzen 174,175 zugeführt wird, entsteht eine Kraft N, die sich vom starren Mittelteil der Scheibe 168 der Membran 169 über die Zugstange 167 auf den Hebel 165, und zwar senkrecht zur neutralen Faser 90 des elastischen Elements 78 überträgt

Bei dieser Konstruktion erreicht man durch die Verminderung der Steifheit des elastischen Elements in Richtung der Kraft A/eine erhebliche Verbesserung der Druckmesserempfindlichkeit gegenüber den Konstruktionen, bei weichen das elastische Element auf Druck bzw. Zug beansprucht ist

F i g. 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 N in F i g. 26 fällt mit der der Kraft Λ/in F i g. 8 zusammen.

Der piezooptische Wandler und die elektrische Schaltung des Kraftmessers formen den Betrag der Kraft N in ein elektrisches Signal um.

Der Vorteil des aufgeführten Kraftmessers ist die geringe Verlagerung des Kraftangriffspunktes bei großem Ausgangssignal. Dies wird durch die sehr hohe Dehnempfindlichkeitszahl des piezooptischen Wandlers bedingt worüber schon die Rede war.

Beim Kraftmesser nach Fig. 28, 29 erduldet das elastische Element Biegeformänderungen. Bei diesem Kraftmesser sind der piezooptische Wandler nach Fig. 10 und die elekrische Schaltung nach Fig. 12 verwendet

Die Orientierung der Kraft N in F i g. 28 gegen die Achsen und Richtungen in den Kraftmesse^-elementen stimmt mit derjenigen der Kraft N in Fig. 10 gegen Achsen und Richtungen in den Bauelementen des dort dargestellten Wandlers überein.

Der Wandler unü die elektrische Schaltung, die beim Kraftmesser nach F i g. 28.29 verwendet werden, sind in den Figuren 6 und 12 dargestellt

Wegen der Nutzung von Biegeverformung und der Verwendung vom Hebe« 195 erreicht man bei der vorliegenden Kraftmesserkonstruktion große EmpfindlichkeitswLfte.

F i g. 30 zeigt den Aufbau eines piezooptischen Temperaturmessers, bei dem der piezooptische Wandler nach Fig. 4 und die elektrische Schaltung nach Fig 12 verwendet sind

Die Arbeitsweise ties Temperaturmessers beruht auf Benutzung einer das elastische Flement 4 (Fig. 30) belastenden Kraft /V. die aus einer Differenz der linearen Wärmeausdehnungszahlen der Materialien des elastischen Elements und des Gehäuses 202 resultiert. Die Richtung der am elastischen Element angreifenden Kraft 1st durch den Pfeil 210 angegeben. Der Wandler und die elektrische Schaltung, die beim Temperaturmesser verwendet sind, formen die Kraft N in elektrische Signale um.

Zur Nulipunkteinstelling des Temperaturmessers dient eine Schraube 214. Tellerfedern 215, 216 dienen zur Einstellung auf den erforderlichen Empfindlichkeitswert Indem man steifere bzw. weichere Tellerfeder einsetzt, erhält man höhere bzw. niedrigere Empfindlichkeit Im Grenzfall können die Tellerfedern 215, 216 überhaupt entfernt werden, dann wird die Empfindlichkeit maximal und kann Werte in der Größenordnung von einigen Millivolten pro 0,001 Celciusgrad erreichen. Temperaturmesser verschiedener Empfindlichkeiten

ίο können auch durch Auswahl der Materialien für das biegsame Element und das Gehäuse erhalten werden.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen piezooptischen Meßwandlers besteht in seiner sehi hohen Dehnempfindlichkeit, d.h. in seinem sehr guten

Ii Verhältnis von relativer Änderung der vfeßgröße zu relativer Formänderung des elastischen Elements.

Es kann gezeigt werden, daß die dem Meßbereich des Wandlers entsprechende mechanische Spannung in einem elastischen Element mit den Maßen

jo 10 χ 10 χ 10 mm. für das als Material Silikatgias gewählt wird, 12 ... 14 kg/cm² nicht i^il-jrschreitet

Die Änderung der Spannung am Widerstand des Photempfängers eines der polarisationsoptischen Kanäle, die als Ausgangssignal dienen kann, würde dabei den

>s Wert 4,5 V erreichen, während das Ausgangssigi;al der Photoernpfänger zweier differenzgeschalteter polarisationsoptischer Kanäle 9 Volt betragen würde. Die Längenänderung des elastischen Elements, die der genannten Änderung des Ausgangssignals entspricht ist

in dann gleich 0,2 Miktron, während das Verhältnis Ausgangssignal zu Ausdehnung des elastistschen Elements etwa 1 Volt/0,025 Mikron beträgt

Falls einige Monokristalle als Material für das elastische Element verwendet werden, würde das

J^ri Verhältnis der Signaländerung zur Ausdehung des elastischen Elements für gleiche Bedingungen 1 Volt/ 0.0025 Mikron betragen. Nimmt man für den Geräuschpegel des Wandlers und seiner elektrischen Schaltung an, daß jener in einem Frequenzbereich gleich 1 -nV ist, so beträgt dann die diesem Schwellensignal entsprechende Ausdehnung des elastischen Elements 2,5 · 10"⁶ Mi^-.ronoder0,25 · 10-⁹Cm.

Es muß betont werden, daß diese Werte keine Grenzwerte sind, da sie noch erhöht werden können,

4-> indem man besondere Konstruktionen von elastischen Elementen anwendet.

Die Eigenschaft des piezooptischen Meßwandlers, nämlich seine hohe Empfindlichkeit in Kombination mit seiner großen Steifheit mach*, seinen Einsatz bei

ίο mehreren technisch problematischen Messungen aussichtsreich.

Ein Kraftmesser auf Basis dieses Wandlers wird mit Erfog eingesetzt bei Messungen kleinerer Kräfte in einerr breiten Frequenzbereich, große Werte der auf

Yi das elastische Element bezogenen Masse vorausgesetzt. Ein Komplex von solchen die Messung erschwerenden Bedingungen kann beispeilsweise bei Messungen kleiner Rückstoflkräfte und -momente in der Größenordnung von ein'gen Gramm und Gramm-Zentimetern

M> vorkommen, die innerhalb massiver, von einigen zehn bis einigen hundert Kilogramm schwerer, starrer Blöcke beim Arbeiten von Mikromotoren und sonstigen Einrichtungen darin entstehen.

Die hohe mechanische Steifheit des vorgeschlagenen piezooptischen Wandlers ermöglicht die Entwicklung eines Beschleunigungsmessers, der der oberen Mcßfrequenzgrenze nach — 10... 15 kHz — dem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser nahekommt, doch zum

Unterschied von diesem noch die Eigenschaft der piezooptischen Beschleunigungsmesser hat, daß sein Niederfrequenz-Durchlaßband bei Null Hertz beginnt. Dies erweitert ihre Möglichkeit 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 für solche Fälle gut geeignet zu sein, in denen der Druckmesser durch ein mit Flüssigkeit gefülltes langes steifes Rohr an das Meßobjekt gekoppelt ist. Dabei gilt für die auf das elastische Element bezogene Masse /ri bekanntlich die Formel

•»it rohren mit 1 m Länge und 1 mm² Querschnitt vor. Die hohe Steifheit des erfindungsgemäßen piezooplischen Wandlers ermöglicht es, auf dessen Grundlage einen piezooptischen Druckmesser zu entwickeln, der für die angegebenen Bedingungen über ein Arbeitsfrequenzband von 0...100Hz und mehr verfügt, was den Forderungen der medizinischen Forschung und Praxis vollkommen genügt.
Wo aber die auf das elastische Element des

ίο Druckmessers bezogene Masse keine großen Werte hat. wie es zum Beispiel bei Messungen von Drücken unmittelbar in Flüssigkeiten oder Gasen der Fall ist, kann der Ärbeitsfrequenzbereich des piezooptischen Druckmessers von Null bis zu 10...2OkHz erweitert werden.

Oben war schon die Rede darüber, daß die dem Meßbereich des piezooptischen Wändlers entsprechenden mechanischen Spannungen im elastischen Element dem Betrag nach 12... 14 kg/cm² nicht überschreiten

mil fm DZW. ri=LTU(;Kme5sermemDrariiiai:ne uzw. freier Rohrquerschnitt, m*= Masse der Flüssigkeit im Rohr,

Mit Vergrößerung des Verhältnisses -^- Und Verlängerung des Rohrs kann die Masse große Werte erreichen, was eine sprunghafte Erniedrigung der Eigenfrequenz, also eine Einengung des Arbeitsfrequenzbereichs des Druckmesser-Rohr-Systems nach sich zieht. Solche Verhältnisse liegen zum Beispiel bei der Messung des Arterienblutdrucks oder des Blutdrucks im Herzinnern mit Verwendung von Katheter-

ÄJ özw. öei VcrwcxiuUiig cifiigcr ινιάίβΓΐαιίΰΠ ^ιτιΟΠΟηΓϊο*«,*

le) auf 2 ... 3 kg/cm² absinken. Dieses Spannungsniveau liegt im Durchschnitt mit zwei Zehnerpotenzen unter der Bruchfestigkeit des Materials für das elastische Element, daher sind die piezooptischen Meßgeräte sehr

gegen Überbelastungen beständig, die somit den Meßbereich des Geräts ebenfalls mit zwei Zehnerpotenzen überhöhen dürfen.

Die hohe Empfindlichkeit des piezooptischen Wandlers erlaLfet den Einsatz von einfachen Verstärkergerä-

JO ten. Vielfach kann die Verstärkung überhaupt entfallen oder nur noch eine Stromverstärkung erforderlich sein.

Hierzu 15 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezooptischer Meßwandler, insbesondere zur Beschleunigungs-, Kraft-, Druck- oder Temperatur- ϊ messung, mit mindestens einer von der Meßgröße unabhängigen Lichtquelle, von deren Licht ein erstes Teillichtbündel in einem ersten polarisationsoptischen Kanal nacheinander einen Polarisator, ein von einer der Meßgröße entsprechenden Kraft beauf- in schlagtes und deren Änderungen in mechanische Spannungsänderungen umsetzendes photoelastisches Element und einen Analysator durchstrahlt und zu einem ersten Photoempfänger gelangt, während ein zweites Teillichtbündel zu einem π zweiten Photoempfänger gelenkt ist, der mit dem ersten Photoempfänger in Differenzschaltung zusammengeschaltet ist und ebenso wie dieser das einfallende Licht in elektrische Signale umwandelt ■nd bei dem die aus diesen Photoempfängersignaien >o gebildete Ditierenz ein Maß für die Meßgröße darstellt, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg des zweiten Teillichtbündels (B) zum !weiten Photoempfänger (13; 41; 76, 77; 89; 147; 209) durch einen das photoelastische Element (4; 26; '5 44; 78; 193) durchdringendeil zweiten polarisations- ©ptischen Kanal (15; 56; 57;88; ί49) gebildet ist und daß das diesen zweiten Kanal (15; 56; 57; 88; 149) charakterisierende Lichtbündel (B) eine optische Einrichtung (8, 9; 20, 21; 36, 37; 66, 67, 68, 69; 85) m ium Verändern der Intensität des auf den zweiten Photoempfän^i (13; 41; 76; 77; 89; 209) auftreffenden Lichts derart durchläuft, daß sich die vom ersten ■nd zweiten Photoempfänger erfaßten Lichtintensitätsänderungen in Gegenphase befinden. η

2. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zum Verändern der Intensität des auf den !weiten Photoempfänger (13) auftreffenden Lichts Im ersten bzw. im zweiten polarisationsoptischen -in Kanal (14 bzw. 15) zwischen Polarisator (2,16 bzw. 3, 17) und Analysator (iO, 18 bzw. 11, 19) eingefügte Phasenplättchen (8, 9; 20, 21) mit um rm im Bogenmaß verschiedenen Phasenverschiebungen aufweist. r.

3. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplättchen JB, 9) sich in ihrer Dicke voneinander unterscheiden.

4. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenplättchen >n C20, 21) so gestellt sind, daß die Achse ^maximaler Lichtgeschwindigkeit im Phasenplättchen (20) im •rsten polarisationsoptischen Kanal (14) unter einem Winkel von +45° zur Durchlaßrichtung des ersten Polarisator (2) in diesem Kanal und die Achse (F) v, maximaler Geschwindigkeit im Phasenplättchen (21) im /weiten polarisationsoptischen Kanal (15) unter einem Winkel von -45° zur Durchlaßrichtung des !weiten Polarisators (3) in diesem Kanal verläuft.

5 Pie/ooptischer Meßwandler nach Anspruch I. w 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 ürid gleicher Phasenverschiebung enthalten. h>

6. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung zum Verändern der Intensität des auf den zweiten Photoempfänger (41) auftreffenden Lichts die Polarisatoren (34 bzw. 35) und die Analysatoren (38 bzw. 39) im ersten und im zweiten polarisationsoptischen Kanal (14 bzw. 15) so gestellt aufweist, daß ihre Durchlaßrichtungen im einen Kanal senkrecht und im anderen Kanal parallel zueinander verlaufen.

7. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelastische 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 polarisationsoptischen Kanäle (54 bis 57) Ln zwei Gruppen unterteilt sind, wobei die Photoempfänger (74, 75) der einen Gruppe von Kanälen mit den Phatoempfängem (76, 77) der anderen Gruppe von Kanälen in Differenzschaltung zusammengeschaltet sind

9. Piezooptischer Meßwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelastische Element (78) die Form eines Balkens mit zwei zueinander paralkien durchsichtigen Seitenflächen (80 und 81) aufweist, daß die optischen Achsen der beiden polarisationsoptischen Kanäle (83 und 88) angenähert senkrecht zu diesen durchsichtigen Seitenflächen und in etwa gleichem Abstand zu beiden Seilen der neutralen Faser (90) des Balkens verlaufen und daß dieser Balken selbst als die optische Einrichtung zum Verändern der Intensität des auf den zweiten Photoempfänger (89) fallenden Lichts dient.

10. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoren (84) für beide pa'"<risationsoptische Kanäle (83 und 88) zu einer einstückigen 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 einstückigen 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 einstückigen Baueinheit zusammengefaßt sind.

II. Piezooptischer Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ausgänge der Photoempfänger (12, Π) der beiden polarisationsoptischen Kanäle (14 bzw. 15) jeweils einer der beiden Eingänge eines Summierers (103) angeschlossen ist, dessen Ausgang wiederum mit einem Eingang eines Vergleichen (104) verbun den ist. der mit seinem zweiten Eingang 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 t3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der steuerbaren Speisequelle (106) der Eingang einer Ausgleichssignalquelle (118) angeschlossen ist, die

wiederum an einem Ausgang mit der Lichtquelle (1)

und an zwei weiteren Ausgängen mit den beiden

Eingängen des Summierers (103) verbunden ist.

15. Piezooptischer Meßwandler zur Beschleunigungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, , dadurch gekennzeichnet, daß das photoelastische 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 photoelastischen Element äußern.

IG. Piezooptischer Meßwandler zur Druckmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelastische Element (4; π 26; 44; 78; 193) des Meßwandlers mit einer einem zu messenden Druck ausgesetzteil Membran (154; 169; 183) in der Weise verbunden ist, daß sich Änderungen dieses Druckes in Änderungen der Spannung im photoelastischen Element äußern. _ί>

17. Piezooptischer Meßwandler zur Kraftmessung nach einem der Ansprüche 1 bis !4, dadurch gekennzeichnet, daß das photoelastische ELment (4; 26; 44; 78; 193) des Meßwandlers mit einem mit einer zu messenden Kraft beaufschlagten Stützzap- r. fen (182) in der Weise gekoppelt ist, daß sich Änderungen dieser Kraft in Änderungen der Spannung im photoelastischen Element äußern.

18. Piezooptischer Meßwandler zur Temperaturmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch jo gekennzeichnet, daß das photoelastische Element (4; 26; 44; 78; 193) des Meßwandlers mit einem Gehäuse aus einem Material mit einer anderen linearen Wärmeausdehnungszahl verbunden ist, das einer zu messenden Temperatur ausgesetzt ist und r> deren Änderungen zu Änderungen der Spannung im photoelastischen Element umset/t.