DE2606434C2 - Vorrichtung zur Messung von Kräften durch optoelektronische Bestimmung der Verformung von Prüfkörpern - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von Kräften durch optoelektronische Bestimmung der Verformung von PrüfkörpernInfo
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Description
3. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzblende (7,8) aus zwei
Winkelstücken (7) und (8) gebildet wird, die aus einem Material mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten
als dem des Trägers (6) gefertigt sind, so daß bei Temperaturänderungen des Prüfkörpers (1) die
Größe der auf den Photodioden (13) und (14) des Photodetektors (5) bestrahlten Bereiche ebenso
stark zunimmt wie der Elastizitätsmodul des mit der Kraft beaufschlagten Prüfköipers (1) abnimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtsender (4) eine Lumineszenzdiode
oder eine Laserdiode und/oder als Photodetektor (5) eine Doppeldiode eingesetzt werden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Summe der Spannungen, die durch die vom Photodetektor (5) abgegebenen Ströme an
den Widerständen (15) und (16) abfallen, in einem Summierverstärker (18) gebildet und dadurch konstant
gehalten wird, daß sie mit einer von der Spannungsquelle (19) abgegebenen Eichspannung verglichen
wird, wobei die in einem Differenzverstärker
(20) gebildete Spannungsdifferenz einem Integrator
(21) zugeführt wird, dem ein Stromverstärker (22) nachgeschaltet ist, der den Strom für den Lichtsender
(4) liefert.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (15) und (16)
am Prüfkörper (1) angebracht werden, wobei die Temperaturdriften der Widerstände so gewählt werden,
daß die durch die Widerstandsänderungen hervorgerufenen unterschiedlichen Spannungsabfälle
eine durch die Temperatur bedingte Verschiebung der Schlitzblende (7, 8) und damit der Ströme des
Photodetektors (5) kompensieren.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Meßsystenie
an dem Prüfkörper (1) in vorzugsweise symmetrischer Anordnung angebracht und der Mittelwert
der von den einzelnen Meßsystemen abgegebenen Ausgangsspannungen gebildet wird.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranke (4,5,10) und
der Träger (6) an einer Membrane (24) bzw. an dem die Membrane haltenden Gehäuse (25) befestigt
sind, so daß die Verformung der Membrane (24) gegenüber dem Gehäuse (23) gemessen werden kann.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Kräften durch optoelektrische Bestimmung
der Verformung von Prüfkörpern nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Messung von Kräften, insbesondere wenn sie sehr groß sind, erfolgt überwiegend indirekt über die
Dehnungsmessung z. B. bei einer Feder oder bei einem
is zweckmäßig gestalteten Prüfkörper, die durch die einwirkende
Kraft verformt werden. Auch bei der Druckmessung in Gasen oder Flüssigkeiten wird häufig die
Verformung einer mit dem Druck beaufschlagten Membrane als Meßeffekt ausgenutzt Andererseits interessieren
vielfach bei komplizierten mechanischen Gebilden oder Konstruktionen die an verschiedenen Steilen
auftretenden Verformungen, wenn das System Kräften ausgesetzt wird. In allen Fällen ist eine Verformung zu
messen, wobei diese Längenänderung für eine gewählte Meßstrecke zu bestimmen ist
Da diese Längenänderungen meist relativ sehr klein sind, und insbesondere dann, wenn sie nicht zu bleibenden
Verformungen nach Beendigung der Krafteinwirkung führen sollen, die Größenordnung von 0,1% nicht
wesentlich überschreiten sollen, ist für die Messung der-, artiger Verformungen eine Methode erforderlich, die
Längenänderungen mit hoher Genauigkeit erfaßt.
Für derartige Messungen werden heute überwiegend Dehnungsmeßstreifen eingesetzt, bei denen die infolge
Längenänderungen auftretenden Widerstandsänderungen von Drähten oder Folien ausgewertet werden
(Rohrbach, C: Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag, Düsseldorf). Die Änderung
des elektrischen Widerstands ist dabei ähnlich gering wie die Längenänderung. Der Nachweis dieser kleinen
Widerstandsänderungen erfolgt über Brückenschaltungen und aufwendige Meßverstärker, wobei Störeinflüsse
wie Temperaturschwankungen, Thermospannungen. Kriechen — resultierend aus dem Aufkleben der
Dehnungsmeßstreifen — sowie Schwankungen der Speisespannung klein gehalten werden müssen.
Halbleiterdehnungsmeßstreifen zeigen einen größeren Meßeffekt bezogen auf die relative Längenänderung,
doch ist hier die starke Temperaturabhängigkeit sehr störend.
Es ist ferner bekannt, die Dehnung eines Prüfkörpers auch auf optisch-elektrische Weise zu messen, indem
zwei optische Gitter, die mit zwei Meßpunkten auf dem Prüfkörper mechanisch über Träger verbunden sind, bei
Verformung des Prüfkörpers gegeneinander verschoben werden, wobei die von einer Lichtquelle durch die
Gitter hindurchgesandte Strahlung in ihrer Intensität verändert wird (DE-Z: Feingerätetechnik, Heft 9, Sept
1956, Seite 387-388).
Die Baugröße einer solchen Meßanordnung ist jedoch so groß, daß sie nur für die Messung an entsprechend
großen Teilen geeignet ist. Für den Einbau in kleine Kraftaufnehmer ist eine solche Anordnung nicht
brauchbar. Des weiteren ist das Meßergebnis abhängig von der Leistung der Lichtquelle, weshalb die Kalibrierung
an die jeweilige Leistung angepaßt werden muß.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfache optoelektronische Anordnung
zu finden, die gleichzeitig eine möglichst kleine Baugröße
aufweist und mit der Auflösungen bei der Verformungsmessung erreicht werden, die weit unter 1 um
liegen. Des weiterer sollte das Meßergebnis unabhängig sein von der momentanen Strahlungsleistung der
Lichtquelle. Im Vergleich mit den Dehnungsmeßstreifen sollte das Meßsignal bezogen auf die Längenänderung
wesentlich höher sein, und die temperaturbedingten Driften sollten möglichst klein sein.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung djirch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
t gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach einer Ausbildung der Erfindung kann durch Regelung der Leistung der Lichtquelle so, daß die Summe
der Ströme stets einen konstanten Wert hat, die Differenz der Ströme auch unmittelbar als Meßergebnis verwendet
werden.
Durch Bildung der Schlitzblende aus zwei Winkelstücken aus einem Material mit kleinerem Ausdehnungskoeffizienten
als der Prüfkörper kann die Drift des Elastizitätsmoduls bei der Kraftmessung kompensiert
werden. Wenn der Träger für die Schlitzblende aus gleichem Material gefertigt ist wie der Prüfkörper, so
ergibt sich eine geringe Drift bei Erwärmung des Systems. Eine eventuelle vorhandene Drift kann ggf. noch
durch temperaturabhängige Widerstände korrigiert werden. Als Lichtquellen werden Laserdioden oder leistungsstarke
Infrarotlumineszenzdioden eingesetzt. Durch Verwendung mehrerer derartiger Meßsys*eme
und Mittelung der Meßergebnisse kann auch bei schiefer Krafteinleitung noch ein korrektes Ergebnis erzielt
werden.
Die Erfindung liefert im Vergleich zu der bekannten opto-elektrischen Meßeinrichtung ein von der Lichtleistung
unabhängiges Ergebnis. Die eingesetzte Lichtschranke ergibt eine sehr viel höhere Auflösung und hat
eine kleine Baugröße.
Gegenüber den Dehnungsmeßstreifen, bei denen die Widerstands- und Spannungsänderungen bei 0,1% liegen,
liefert die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung eine Spannungsänderung von etwa 25% bezogen
auf den vom Photodetektor abgegebenen Strom. Die Auswertung dieses wesentlich größeren Meßeffekts
erfordert nur eine sehr einfache Signalverarbeitung und benötigt z. B. keine Kompensation von Thermospannungen,
der Drift der Versorgungsspannungen und anderer Störgrößen. Zugleich erlaubt der große Meßeffekt
eine extreme Auflösung, so daß z. B. relative Verformungen von 10~8 bei einer Meßstrecke mit einer
Länge von 25 mm nachgewiesen werden können. Da auch die Temperatureinflüsse einfach zu kompensieren
sind, soweit sie überhaupt auftreten, und die erreichte Linearität auch den für Präzisionsmessungen aufgestellten
Ansprüchen genügt, ergibt sich mit der beschriebenen Vorrichtung ein vielseitig einsetzbares und einfach
herstellbares Meßsystem.
Anwendungsgebiete sind Kraft- und Gewichtsmessungen sowie die Dehnungsmessung an Maschinen und
Bauwerken.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 die Ausführung einer Meßvorrichtung,
Fig.2 ein Prinzipschaltbild der elektronischen Signalverarbeitung
und
Fig.3 eine weitere Ausführung einer Meßvorrichtung.
Die Ausführung einer solchen Meßvorrichtun;* soll
durch F i g. 1 erläutert werden. An einem Prüfkörper (1) soll die Längenänderung einer Meßstrecke (27), die von
Punkt (2) bis Punkt (3) reicht, erfaßt werden. Hierzu
wird die Halterung (10) für eine Lichtschranke, die aus
einem Lichtsensor (4), vorzugsweise eine Infrarotlumineszenzdiode oder eine Laserdiode, und einem Photodetektor
besteht an einem Ende der Meßstrecke befestigt und am anderen Ende der Träger (6) für eine
Schlitzblende, die vorzugsweise aus zwei Winkelstükken (7,8) gebildet wird. Die Schlitzblende wird dabei so
positioniert daß das Licht aus dem Lichtsender (4) auf den Photodetektor (5) fällt. Die örtliche Fixierung an
den Punkten (2) und (3) von Lichtschranke (4,5,10) und
Träger (6) erfolgt z.B. über Kerben (11, 12), um eine genau definierte Meßstrecke zu erhalten. Die von dem
Lichtsender (4) ausgesandte Strahlung fällt durch die Schlitzblende (7,8) auf den Photodetektor (5). Als Photodetektor
(5) können entweder ein einzelner positionsempfindlicher Detektor oder zwei nebeneinanderliegende
Photodioden — vorzugsweise eine Doppeldiode — eingesetzt werden.
F i g. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild der elektronischen Signalverarbeitung. Als Photodetektor (5) werden zwei
Photodioden (13) und (14) eingesetzt deren abgegebene Ströme in den nachgeschalteten Widerständen R, (15)
und /?2 (16) zu den Spannungen U\ und U2 führen, die
sich nach den Gleichungen
Ux -Rx
U2 = R2
G-E1
G-E2
berechnen. Diese Spannungen hängen von der eingestrahlten Intensität /, einem von der Anordnung abhängigen
Geometriefaktor G, den Empfindlichkeiten E\ und E2 der Photodioden (13) und (14) sowie — bei als
konstant angenommener Breite der lichtempfindlichen Flächen der Photodioden — von den von der Schlitzblende
(7, 8) freigegebenen Zonen mit den Ausdehnungen x\ und x2 ab.
Wird anstelle der zwei Photodioden (13) und (14) ein positionsempfindlicher Detektor eingesetzt, an dessen
Ausgängen von der Intensität und von der Position der auftreffenden Strahlung abhängige Ströme abgegriffen
werden können, so gelten dieselben Gleichungen wie für die zwei Photodioden. Es bedeuten in diesem Fall
lediglich die Größen x\ und x2 die jeweiligen Abstände
des Schwerpunktes der auftreffenden Strahlung bezüg-Hch des Schwerpunktes des flächenhaften Detektors.
Die weitere Signalverarbeitung ist identisch.
Die den Photodioden (13, 14) nachgeschalteten Widerstände (15, 16) werden zweckmäßigerweise so groß
gewählt, daß die Beziehung
R1E1 = R2E2 = RE
erfüllt ist, wobei bei gleichmäßiger Empfindlichkeit auch die Widerstände gleich groß zu wählen sind.
Die Differenz der Spannungen
Die Differenz der Spannungen
Ux-U2
- X2) = Pxd
die in einem Differenzverstärker (17) gebildet wird, hängt somit außer von einem Proportionalitätsfaktor P
nur noch von der Position der Schlitzblende (7, 8) bezüglich der Lichtschranke (10) ab. Wird diese Position so
eingestellt, daß bei unbelastetem Prüfkörper (1) die
Schlitzblende (7, 8) symmetrisch zu den Photodioden (13, 14) liegt und somit X\ =x2 und Xd=Q ist, so ist dann
die Differenzspannung Ux-U2=O. Wird der Prüfkörper
(1) einer Belastung ausgesetzt, so verschiebt sich die Position der Schlitzblende (7, 8), und es wird
χ\—Χϊ=χαΦθ. Die sich nun ergebende Differenzspannung
ist, solange der Faktor P als konstant angesehen werden kann — proportional der Verschiebung xj der
Schlitzblende (7, 8) und damit proportinal der einwirkenden Kraft, insofern die Abhängigkeit der Verformung
von der Kraft linear ist
Die Empfindlichkeit £ und die abgestrahlte Intensität
/ sind bei Halbleiterelementen stark von der Temperatur abhängig. Die sich bei Krafteinwirkung auf den Prüfkörper
(1) einstellende Differenzspannung wäre somit entsprechend temperaturabhängig. Es wird deshalb
nicht die Differenzspannung, sondern das Verhältnis der Differenz der Spannungen U\ — t/j zur Summe U\ + U2
als Meßgröße ausgewertet. Es gilt:
U1
-U7 _
+U2
+U2
REIG xd
REIG (χι+X2) χι
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35
40
Dieses Verhältnis ist somit nur noch abhängig von der Verschiebung x</und der Summe der bestrahlten Breiten
Xi und X2. Bei Verwendung einer Schlitzblende konstanter
Breite ist die Summe x\ +x2 auch gleichbleibend, so
daß das Verhältnis der Differenz zur Summe der Spannungen U\ und U2 nur noch von der zu messenden
Verschiebung abhängig ist.
Das Verhältnis (U\ - U2)Z(Ut + U2) kann elektronisch
mittels Dividierer gebildet werden. Da eine hohe Genauigkeit hiermit nur bei erheblichem Aufwand erreichbar
ist, wird der Strom für den Lichtsender (4) am einfachsten so geregelt, daß die Summe der Spannungen
U\ + U2 konstant bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß,
wie F i g. 2 zeigt, die Summe der Spannungen Ui + U2 in
einem Summierverstärker gebildet und mit der von der Spannungsquelle (19) abgegebenen Spannung t/3, über
deren Größe die gewünschte Eichung, d. h. das Verhältnis der vom Differenzverstärker (17) gebildeten Spannungsdifferenz
Ux — U2 zur einwirkenden Kraft, eingestellt
werden kann, in einem Differenzverstärker (20) verglichen und die resultierende Spannungsdifferenz
Uz — (Ux + U2) einem Integrator (21) zugeführt wird, der
über einen Stromverstärker (22) den Lichtsender (4) speist Nimmt z. B. die Summenspannung Ux + U2 infolge
einer Temperaturerhöhung und der sich damit ändernden Eigenschaften der Halbleiterelemente der
Lichtschranke (4,5,10) ab, so führt die Spannungsdifferenz
t/3 - (Ux + Ui) zu einer Vergrößerung der Integratorspannung
und damit zu einer Erhöhung des Stroms für den Lichtsender (4), bis wieder Uz=Ux + U2 erfüllt
ist Durch diese einfache Regelung wird erreicht daß sich zeitlich und mit der Temperatur ändernde Eigenschaften
von Lichtsender (4) und Photodetektor (5) nicht störend auswirken können. Für die Kraft- bzw.
Verformungsmessung muß nur noch die Spannungsdifferenz Ux — U2 gemessen werden, die in dem Differenzverstärker
(17) gebildet und in der Anzeige (23) dargestellt wird.
Die hier beschriebene analoge Signalverarbeitung kann nach einer analqg-digitalen Signalwandlung auch
digital erfolgen, wobei jedoch auch hier das Prinzip der Verhältnisbildung vorteilhaft einzusetzen ist
In der beschriebenen elektronischen Signalverarbeitung wurde mit einer Gleichstromerregung des Lichtsenders
(4) gearbeitet Sollte dies in einem Industrieeinsatz wegen auftretender Störspannungen nicht möglich
sein, so können der Lichtsender (4) mit einem Wechselstrom definierter Frequenz angesteuert und eine entsprechend
frequenzmäßig selektive Signalverarbeitung vorgesehen werden, um eine gute Störspannungsunterdrückung
zu erzielen, wie das bei anderen Messungen, z. B. auch bei Dehnungsmeßstreifen, häufig durchgeführt
wird.
Bei allen Kraftmessungen, die auf Verformungsmessungen zurückgeführt werden, besteht die große
Schwierigkeit, daß Temperaturänderungen des Prüfkörpers (1) gleichfalls zu Verformungen führen, die von
den aus der Krafteinwirkung resultierenden Verformungen unterschieden werden müssen, wenn keine
Fehlmessung auftreten soll. Der Einfluß der Temperaturänderungen auf das beschriebene Meßsystem wird
dadurch vermieden, daß die Mechanik der Lichtschranke (10) und der Träger (6) für die Schlitzblende (7,8) aus
demselben Material gefertigt werden wie der Prüfkörper (1). Der Prüfkörper (1) und das Meßsystem erfahren
somit bei Temperaturänderungen dieselbe Verformung, so daß die Lage der Schlitzblende (7,8) erhalten bleibt.
Kriecherscheinungen und Hysterese treten bei der beschriebenen Vorrichtung nur in geringem Maße auf,
wenn die Lichtschranke (4,5,10) und der Träger (6) über
die Kerben (11,12) sehr stabil fixiert werden.
Sollte das Meßsystem trotz der beschriebenen Ausführung noch eine unzulässige Spannungsdrift am Ausgang
des Differenzverstärkers (17) bei Temperaturänderungen zeigen — bei eichfähigen Kraftaufnehmern
werden relative Spannungsschwankungen von nur 10~5/°C bezogen auf die bei maximaler Kraft auftretende
Ausgangsspannung angestrebt —, so kann diese Drift über die Widerstände (15, 16) ausgeglichen werden.
Diese werden in das Kraftmeßsystem einbezogen und somit derselben Temperatur ausgesetzt wie der
Prüfkörper (1). Die Widerstände (15,16) werden so ausgewählt daß sich ihre Widerstandswerte unterschiedlich
mit der Temperatur ändern, so daß sich bei gleichem Photostrom der Photodioden (13, 14) unterschiedliche
Spannungsabfälle an den Widerständen ergeben, die im Differenzverstärker (17) zu einer Differenzspannung
führen, mit der die durch die Temperaturänderung hervorgerufene Spannungsdrift kompensiert wird, so daß
sich ohne Krafteinwirkung auf den Prüfkörper (1) stets die Ausgangsspannung auf den Wert 0 einstellt unabhängig
von der Temperatur.
Bei Präzisionskraftmessungen muß ferner berücksichtigt werden, daß sich der Elastizitätsmodul mit der
Temperatur ändert Entsprechend steigt die Verformung bei gleicher Krafteinwirkung um etwa 0,03 ...
0,05%/° C je nach Stahlqualität an und führt bei großen Temperaturschwankungen zu unzulässigen Meßfehlern.
Dieser Einfluß wird bei dem vorgeschlagenen System dadurch kompensiert daß die Schlitzblende aus zwei
Winkelstücken (7,8) gebildet wird, die aus einem Material
mit einem kleineren Ausdehnungskoeffizienten als der Träger (6) gefertigt werden, da dann bei Temperaturerhöhung
die Blendenöffnung und damit der auf den Photodioden angestrahlte Bereich χχ+χ2 größer-werden.
Da die Summe der Spannungen U\ + U2 konstant gehalten wird, nimmt der Proportionalitätsfaktor P und
damit auch die als Meßsignal dienende Differenzspannung ab. Die Dimensionierung der Winkelstücke (7, 8)
erfolgt dabei so, daß die bei der Erwärmung des Prüfkörpers (1) und des Meßsystems auftretende Vergrößerung
des angestrahlten Bereichs x\ +X2 relativ genauso
stark zunimmt wie der Elastizitätsmodul abnimmt so
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daß das Verhältnis von Kraft zu angezeigter Differenzspannung konstant bleibt.
Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung ist bei der Vermessung der Verformung von stab- oder rohrförmigen
Prüfkörpern (1) zweckmäßig. Zum Ausgleich einer nicht in Längsrichtung gleichmäßigen Verformung, z. B. bei
schräger Krafteinleitung, ist es erforderlich, zwei Meßsysteme mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung auf
zwei gegenüberliegenden Seiten des Stabes bzw. Rohres anzubringen und eine Mittelwertbildung durchzuführen,
um eine korrekte Messung sicherzustellen. Ebenso wird vorgeschlagen, bei großflächigen Prüfkörpern,
wie sie zur Messung großer Kräfte notwendig sind, mehrere Meßsysteme, z. B. in Bohrungen, anzubringen
und über alle Meßwerte zu mitteln. Auf diese Weise wird der Störeinfluß von ungleichmäßigen Krafteinleitungen
verringert, und die Kraftmeßeinrichtung kann auch nach Ausfall einzelner Meßsysteme noch für
eine Messung eingesetzt werden.
Auch für Druckmessungen ist das beschriebene Meßsystem geeignet, wobei hier der Blendenträger (6) oder
die Lichtschranke (4,5,10) an der üblicherweise eingesetzten
und sich unter Druckeinwirkung verformenden Membrane und das andere Teil am stabilen die Membrane
haltenden Gehäuse befestigt werden, so daß Auslenkungen der Membrane erfaßt werden können. F i g. 3
zeigt eine mögliche Ausführungsform einer solchen Druck-(Kraft-)meßeinrichtung. Die Membrane (24)
wird in dem Gehäuse (25) gehalten. Die Lichtschranke (10) erfaßt die-Position der von den Winkelstücken (7,8)
gebildeten Schlitzblende, die von dem Träger (6) gehalten wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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40
45
50
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Messung von Kräften durch optoelektronische Bestimmung der Verformung eines
Prüfkörpers (1), wobei die aus einer Krafteinwirkung resultierende Längenänderung einer Meßstrecke
(27) auf dem Prüfkörper (1) zwischen den Punkten (2) und (3) erfaßt wird, indem an einem
Ende der Meßstrecke (27) eine Lichtschranke (4, 5, 10) mit einem Lichtsender (4) und einem Photodetektor
(5) und am anderen Ende ein Träger (6) für eine Schlitzblende (J, 8) angeordnet sind, dadurch
gekennzeichnet, daß als Photodetektor (5) ein positionsempfindlicher Detektor oder ein aus zwei
Photodioden zusammengesetzter Detektor verwendet wird, wobei die Verformung aus dpm Verhältnis
der Differenz der von dem Detektor abgegebenen Ströme zu deren Summe bestimmt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (6) für die Schlitzbiende (7,
8) und die Mechanik für die Lichtschranke (10) aus gleichem Material gefertigt sind wie der Prüfkörper
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