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Patentbeschreibung: Beschleunigungs - und Kraftmeßgerät
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Die Erfindung betrifft einen neuen 'yp unter den Beschleunigungs-und
Kraftmeßgeräten, der auf Grundlage der Newtonschen Belfegungsaxiome und unter Ausnutzung
des Laserprinzips arbeitet.
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Das Gerät kann in seinen verschiedenen usfiihrungsfor-nen sowohl in
der allgemeinen Meßtechnik als auch speziell zur bordseitigen Messung von Fahrzeugbeschleunigungen
eingesetzt werden.
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Die genaue Messung von Beschleunigungen und Krräften ist eine häufig
gestellte Aufgabe in der Meßtechnik, z. B. bei gravimetrisch - seismischen Messungen,
bei der Ermittlung von Gebude-und Maschinellsclu,ingungen oder in der Wägetechnik.
Für die Messung der Beschleunigung werden dabei oft Meßgeräte benutzt, die auf Grundlage
der Newtonschen Bewegungsaxiome arbeiten, d. h.
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die Eeschleunigungsmessung wird im Prinzip auf eine Kraftmessung zurückgeführt.
So werden bei der Lenkung von Fahrzeugen, speziell bei der Trägheitsnavigation von
Luft - und Raumfahrzeugen, bordseitig hochempfindliche Beschleunigungsmeßgeräte
eingesetzt, damit z. B. die Fahrzeugposition und -geschwindigkeit aus laufenden
Beschleunigungsmessungen möglichst fehlerfrei ermittelt werden können. Neben einer
großen Meßgenauigkeit und Auflösung ist bei diesen Meßgeräten häufig auch eine digital
auswertbare Form des Ausgangssignals für eine unmittelbare recilnerische bei terverarbeitung
der anfallenden Meßdaten z, B. durch den Lenkrechner des Fahrzeuges erwünscht.
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Es sind bereits verschiedene Typen von FSraft - und Beschleunigungsmeßgeräten
bekannt, die auf der Grundlage der Newtonschen Bewegungsaxiome arbeiten (vergl.
z. B. Oh. Rohrbach, "Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen", VDI
Verlag Düsseldorf, und E. Rößger, II. Zehle, "Grundlagen der Raumfahrzeugfüh
rund",
Forschungsbericht Nr. 1258 des Landes Nordrhein-Westfalen, Westdeutscher Verlag,
Köln und Opladen 1963). Es sind ferner Vorschläge zur Nutzung der Lasertechnik für
Beschleunigungsmessungen bekannt (Patentschrift 1523214, Patentschrift 1673413).
Bei diesen Verfahren wird die Frequenzve-stimmung eines Meßoszillators gegenüber
einem Referenzoszillator gemessen, die durch eine beschleunigungsinduzierte Änderung
der optischen Länge des Meßresonators - hervorgerufen durch mechanische oder nichtmechanische
Effekte - bewirkt wird.
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Von Nachteil bei den bislang vorgeschlagenen Laser - Beschleunigungsmessern
ist, daß durch verschiedene - in der meßtechnischen Praxis immer vorhandene physikalische
Störeffekte - die Meßgenauigkeit und Funktionsfähigkeit der Geräte stark beeinträchtigt
werden, so daß in den meisten Fällen die praktische Verwendbarkeit eingeschränkt
ist, und die potentiellen Vorteile der Laserverfahren nicht genutzt werden können.
So bewirken z. B.
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bei allen in den Patentschriften Nr. 1523214 und Nr. 1673413 angegebenen
Lösungen bereits sehr kleine relative Temperaturabweichungen in den Lasersystemen,
daß eine starke Drift der Signalfrequenzen auftritt. Dieser Thermometer effekt des
Meßsystems überlagert sich unerkannt den eigentlichen beschleunigungsinduzierten
Frequenzverstimmungen und verfälscht bei den bislang vorgeschlagenen Ausführungsformen
die Beschleunigungsinformation.
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Temperaturänderungen in der Größenordnung von 1o C können bei diesen
Systemen Beschleunigungen vortäuschen, die der oberen Meßgrenze entsprechen.
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Die temperaturbedingte Drift der Laserfrequenz ist besonders störend
bei der Registrierung von Beschleunigungen über relativ lange Zeitdauern (z. B.
Meßzeiten länger als 1 sec), oder aber, wenn durch eine zeitliche Integration des
Beschleunigungssignals Geschwindigkeits - und Weginformationen erhalten werden sollen
(Inertialnavigation). Jede noch so kleine temperaturbedingte Frequenzverstimmung
kann hier einen zeitlich monoton anwachsenden Meßfehler verursachen.
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Desgleichen führen unvermeidbar akustisch oder seismisch bedingte
Erschütterungen der Laser bei den bislang vorgeschlagenen Beschleunigungsmeßgeräten
zu
einer Bandbreitenvergrößerung des Meßsignals und setzen somit die Beschleunigungsauflösung
herab.
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Durch diese Vibrationsempfindlichkeit der Lasersysteme ist nicht nur
die Messung statischer Beschleunigungen beeinträchtigt, sondern es werden auch zu
erfassende oszillierende Beschleunigungen verfälscht.
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Weiterhin.kann die Beschleunigungsmessung mit den bislang vorgeschlagenen
Lasermeßgeräten fehlerhaft sein, wenn durch Änderungen des Luftdruckes, der Lufttemperatur
bzw. der Luftfeuchte oder durch den Einfluß von elektrischen bzw. magnetischen Störfeldern
auf das Gerät die Laserfrequenz verstimmt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Einfluß aller genannten
Störgrößen bei der Beschleunigungsmessung auszuschalten und eine hohe Meßgenauigkeit
und Auflösung sowie einen großen Meßbereich der Laser - Beschleunigungsmeßgeräte
zu erreichen.
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Desweiteren besteht die Aufgabe, die Vorzüge des Lasermeßverfahrens
auch unmittelbar für Iiraftmessungen zu nutzen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch eine Meßanordnung gelöst,
die es ermöglicht, daß.das zur Beschleunigungs - oder Kraftmessung eingesetzte Lasersystem
nicht nur das Meßsignal, sondern auch ein Signal zur Stabilisierung der Laserfrequenz
gegenüber Störeinflüssen liefert. Dieses Signal dient mittels einer speziellen Anordnung-aus-
optisch - elektrischen Elementen zur Kompensation der auf das Laser - Beschleunigungs
- bzw Eraftmeßgerät einwirkenden Störungen.
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Entsprechend der weiteren Ausgestaltung erlaubt es die Meßvorrichtung,
daß sowohl das Meß - als auch das Stabilisierungssignal direkt vom Meßoszillator
geliefert werden. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, alle Störungen, die auf
den Meßoszillator einwirken, direkt und vollständig zu kompensieren. Damit werden
die Nachteile einer indirekten und fehlerbehafteten Kompensation der Störeinflüsse
beim Meßoszillator mittels eines zusätzlichen räumlich benachbarten Referenzlasers
vermieden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß gegenüber den bislang vorgeschlagenen Laser - Beschleunigungsmeßgeräten thermische,
seismische, akustische und sonstige Störeinflüsse, die während der Messung auf das
Lasersystem werden, aus dem Ausgangssignal des Beschleunigungsmeßge rätes hochgradig
eliminiert sind. Hierdurch gelingt es, die hohe potentielle Frequenzstabilität des
Laseroszillators voll auszunutzen und bei Verwendung geeigneter Aufnehmer BesonleunigllnOsmessungen
mit großer Genauigkeit und Auflösung über einen breiten Meßbereich durchzuführen.
Die Vorzüge dieses Lasermeßverfahrens können ferner beim Einsatz modifizierter Aufnehmer
auch unmittelbar für Kraftmessungen genutzt werden. In allen Fällen ist die Meßinformation
als Signalfrequenz in direkt digital auswertbarer Form verfügbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieb cii.
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Es zeigen: Fig.- 1 den Aufbau eines einachsigen Laser - Beschleunigungsmeßgerätes
mit photo elastischem Beschleunigunosau£nehmer und zwei direkt signalstabilisierten
Meßoszillatoren in Gegentaktanordnung.
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Fig. 2 den Aufbau eines dreiachsigen Vektor - Beschleunigungsmeßgerät
es mit gemeinsamer Prüfmasse und Anordnung von drei Paar direkt signalstabilisierten
Neßoszillatoren in Gegentaktanordnung Fig. 3 den Aufbau eines einachsigen Kraftmeßgerätes
mit photoelastischem Kraft aufnehmersystem und GegentaLtanordnung von zwei direkt
stabilisierten Meßoszillatoren Gemäß Fig. 1 wird der Meßwertgeber 10 des störungskompensierten
Beschleunigungsmessers aus den parallel angeordneten optischen eßoszillatoren li
und 12 und dem photoelastischen Beschleunigungsaufnehmer, bestehend aus den photoelastischen
Materialblöcken 13 und 14 und der Prüfmasse 15, gebildet. Zum Meßoszillator 11 gehören
die Resonatorspiegel 11 a und 11 c sowie die verstärkende Gasentladungsstrecke 11
b, zum Mcßoszillator 12
die Resonatorspiegel 12 a und 12 c sowie
die verstärkende Gasentladungsstrecke 12 b. Der Resonatorspiegel 11 c bzw 12 c kann
mittels des elektrisch - mechanischen Wandlers 11 d bzw 12 d in seinem Abstand zum
Resonatorspiegel 11 a bzw 12 a eingestellt werden. Der photo elastische Materialblock
13 befindet sich im Innern des Meßoszillators 11, der Materialblock 14 im Innern
des Meßoszillators 12. Die Prüfmasse 15 ist zwischen den Materialbiöcken 13 und
14 eingespannt. Die Meßachsenrichtung des Neßwertgebers 10 ist senkrecht zu den
Achsen der Meßoszillatoren 11 und 12 und liegt in Fig. 1 in der Ebene (Zeichenebene),
die durch die parallelen Oszillatorachsen definiert ist Beide Meßoszillatoren 11
und 12 werden in je zwei benachbarten longitudinalen Wellenformen angeregt, deren
Polarisationsrichtungen infolge der doppelbrechenden Eigenschaft der photoelastischen
Materialblöcke 13 bzw 14 jeweils senkrecht zueinanderstehen (vergl. z. B. Doyle,
M; .E.hiteZ M.B. Appl. Phys.
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Lett. 5, 10, 193). Der Neßoszillator 11 emittiert daher die zueinander
orthogonal polarisierten Strahlungsfrequenzen v 1i der der MeBoszillator 12 die
zueinander orthogonal polarisierten Strahlungsfrequenzen 91 und 92 jeweils annähernd
symmetrisch zur Mittenfrequenz des atomaren Laserüberganges. Für die Darstellung
in Fig. 1 wurden die Polarisationsrichtungen der Strahlungsfrequenzen es 92 und
E) 92 in der Zeichenebene, die Polarisationsrichtungen der Strahlungsfrequenzen
1 und senkrecht dazu, gewählt. Beliebig andere Polarisationsorientierungen sind
jedoch möglich.
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Gemäß Fig. 1 dient die Signalfrequenz I 2 (bzw 92) zur Stabilisierung
des Meßoszillators 11 (bzw 12) gegenüber Störeinwirkungen. Hierfür wird aus der
Strahlung des Oszillators die Wellenform mit der Signalfrequenz V2 (bzw 92) ) mittels
eines Strahlteilers 16 (bzw 17) und eines Polarisationsfilters 18 (bzw 19) abgespalten.
Jede der Laserfrequenzen 9 2 bzw wird mit der Referenz eines optischen Diskriminators
20 bzw 21 verglichen und aus der Abweichung wird mittels der Regelelek tronik 22
bzw 23 ein Regelsignal U bzw U abgeleitet. Dieses Regelsignal U bzw U steuert die
optische Länge des Meßoszillators 11 bzw 12 mittels des elektrisch - mechanischen
Wandlers 11 d bzw 12 d, der auf den Resonatorspiegel 11 c bzw 12 c wirkt,
und
stabilisiert damit das Lasersignal. Da die Signalfrequen zen 9 1' 2 (bzw #'1, 2)
zu benachbarten longitudinalen Wellenformen des gleichen Meßoszillatorsgehören,
werden derart alle mechanischen1 akustischen, thermischen und sonstigen Störeinfüsse
nicht nur von der direkt stabilisierten Signalfrequenz 2 (bzw 92) sondern auch von
der benachbarten Signalfrequenz # 1 (bzw # 1)eliminiert.
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Beim Auftreten von Beschleunigungskräften in Richtung der Meßachse
des Meßwertgebers wird gemäß Fig 1 der Andruck der Prüfmasse 15 bei einem der photoelastischen
Materialblöcke (z. B.
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14) vergrößert, beim anderen (13) jedoch dementsprechend reduziert.
Bedingt durch die Druck - und Spannungsabhängigkeit des Brechungsindex der photo
elastischen Materialblöcke ändert sich somit die optische Weglänge in beiden Oszillatoren
entgegengesetzt. Hieraus resultiert eine Abweichung der Signalfrequenz 1 des Meßoszillators
11 von ihrem Wert im beschleuniguncsfreien Zustand; infolge der Gegentaktanordnung
der Meßoszillatoren tritt eine entgegengesetzte Abweichung der Signalfrequenz im
im Meßoszillator 12 auf. Die Signalfrequenz 2 bzw bleibt dagegen infolge der Wirkung
des Stabilisierungssystems - gebildet von den Komponenten 16, 18, 20, 22 bzw 17,
19, 21, 23 - trotz der beschleunigungsinduzierten Verstimmung der optischen Länge
des jeweiligen Meßoszillators konstant. Daher ermöglicht das hier-beschriebene Beschleunigungsmeßgerät
wegen der direkten Signalstabilisierung des Meßoszillators die weit gehend störungsfreie
Messung der Beschleunigung, wenn zumindest eine primäre Differenzfrequenz f = 92
- 91l bzw f' = 1V2 - v 1I der Lasersignale-ermittelt wird.
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Gemäß Fig. 1 wird hierzu die Strahlung des Meßoszillators 11 nach
Durchsetzen des Strahlteilers 16 und des Polarisationsfilters 24 mittels des Photodetektors
26 photo optisch gemischt und die primäre Differenzfrequenz f der Strahlkomponenten
V2 1 als elektrisches Signal durch einen Zähler 28 bestimmt. Die abweichung der
primären Differenzfrequenz f von ihrem Wert im beschleunigungsfreien Zustand ist
dann der Beschleunigung proportional und kann als-Meßinformation genutzt werden.
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Unter Ausnutzung der Gegentaktanordnung der Meßoszillatoren gemäß
Fig. 1 wird zusätzlich eine hochgradige Störungs - und Fehlerkompensation des Meßgerätes
erreicht, wenn gleichzeitig die Differenzfrequenz f' der Strahlungsfrequenzen #'2
'1 des Meßoszillators 12 bestimmt wird. Hierzu dient das Polarisationsfilter 25,
der Photodetektor 27 und der Frequenzzähler 29. Durch den Subtrahierer 30 wird dann
die sekundäre Differenzfrequenz Af = f - f' ermittelt, die als besonders einfach
auswertbare Meßinformation des Beschleunigungsmcßgerätes dient.
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Sind die Meßoszillatoren 11 und 12 nämlich im beschleunigungsfreien
Zustand auf gleiche primäre Differenzfrequenz (f = f') abgestimmt - was z. B. durch
entsprechende elektrische Eingangssignale auf die elektrisch - mechanischen Wandler
bewirkt werden kann - so ist die sekundäre Differenzfrequenz Af nach Vorzeichen
und Betrag der auf den Meßwertgeber 10 einwirkenden Beschleunigung direkt proportional
und verschwindet bei fehlender Beschleunigung < Af = O). Alle Störeinflüsse,
die während der Messung auftreten, sind infolge der direkten Stabilisierung und
der Gegentaktanordnung der Meßoszillatoren eliminiert, gleichzeitig hat sich die
Empfindlichkeit des Meßgerät es verdoppelt, Das Meßgerät liefert vorteilhaft ein
kontrollsignal für die einwandfreie Funktion der Meßoszillatoren 11 und 12 bzw für
deren Stabilisierungskreise. Hierzu wird nach Fig. 1 durch den Addierer 31 die Summe
f + fl der primären Differenzfrequenzen gebildet. Diese Summe ist völlig unabhängig
von der Beschleunigung und bleibt während der Messung konstant, wenn das System
eimrandfrei arbeitet.
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Die Fig. 2 beschreibt die Ausführung eines Meßwertgebers für ein Vektor
- Beschleunigungsmeßgerät mit drei orthogonalen Meßachsen, Im Gehäuse block 32 wird
die gemeinsame Prüfmasse 33 durch insgesamt zwölf photoeastische Materialblöcke
gehaltert.
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+) Vergl. hierzu Holzapfel, w.. Verfallren und Systeme zur laseroptischen
Messung von Beschlenigungen nach dem Krftprinzip", Forschungsbericht W 75-30 des
Bundesministeriums für For.schung und Technologie.
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Infolge der Schnittdarstellung sind in Fig 2 nur die photoelastischen
tíaterialblöcke 34, 35, 36 und 37 sichtbar; die Lage weiterer Materialblöcke ist
(gestrichelt) angedeutet.
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Die Messung der Beschleunigung erfolgt in jeder Gießachsenrichtung
- wie in Fig. 1 - durch 1 Paar direkt signalstcZilisierter Meßoszillatoren, die
nach dem Gegentaktprinzip jeweils parallel beidseitig der Prüfmasse 33 angeordnet
sind.
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Für ein Oszillatorpaar sind die Achsen 1 - 1 und 1' - 1' eingezeichnet;
gemäß Fig. 2 befinden sich immer zwei photoelastische Materialblöcke in jedem Oszillator.
Die Lage weiterer Oszillatorachsen (2, 2' und 3) ist angedeutet. Die Anregung, Stabilisierung
und Signalauswertung der Meßoszillatoren des Vektor - Beschleunigungsmeßgerates
entspricht für jede Meßachse dem unter Fig. 1 beschriebenen System und ist in Fig.
2 weggelassen.
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Die Fig. 3 zeigt den Aufbau eines einachsigen Eraftmeßgerätess das
gleichfalls mit einem Paar- direkt signal stabilisierte Meßoszillatoren in Gegentaktanordnung
arbeitet. Jeder Meßoszillator wird durch zwei Resonatorspiegel 41, 42 (bzw 43, 44)
und durch die Gasentladungsstrecke 45 (bzw 46) gebildet und enthält zwei photoelastische
Aufnehmerblöcke 47, 48 (bzw 49, 5C), die von der Laserstrahlung durchsetzt werden.
Zwischen den photoelastischen Aufnehmerblöcken ist die innere Kraftverteilungsplatte
51 eingespannt. Die Kraft selbst greift an der äußeren Kraftverteilungsplatte 52
an und wird durch Kraft ein leitungselemente (53, 54, 55) auf die innere Platte
5i und damit auf die photoelastischen Aufnehmerblöcke 47,48,49,50 ubertragen. Der
photoelastische Kraftaufnehmer des Meßgerät es besteht somit aus den Bauteilen 47
bis 55. Der Gehäuseblock 56 des Meßgerätes befindet sich auf einer festen Unterlage
57.
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Mittels der elektrisch - mechanischen Wandler 58 bzw 59 können die
optischen Längen der Laseroszillatoren geregelt werden. Die Funktion des Kraftmeßgerätes
entspricht desweiteren dem in Fig. 1 beschriebenem System. Das Meßgerät kann nach
entsprechender Eichung auch als Waage oder Druckmeßgerät arbeiten.
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Die Erfindung ist nicht an die beschriebenen Ausführungsbei spiele
gebunden. So können anstelle einzelner Teile und Systeme in der Funktion äquivalente
Teile und Systeme treten, z. B, können die Strahlteiler 16 und 17 wegfallen, wenn
die Laser strahlung zur Stabilisierung der Meßoszillatoren 11 und 12 nicht aus den
Oszillatorspiegeln 11 c, 12 c , sondern aus den Oszillatorspiegeln 11 a, 12 a ausgekoppelt
wird. Anstelle der Frequenzzähler 28, 29 können Spektrumanalysatoren oder andere
Frequenzmesser verwendet werden. Es können ein oder mehrere photoelastische Materialblöcke
im einzelnen Meßoszillator enthalten seine um die Prüfmasse bzw die innere Kraftverteilungsplatte
einzuspannen. Anstelle.des des Prismenquerschnittes der photoelastischen Blöcke
und des Quaders der Prüfmasse bzw des Gehäuseblockes sind andere geometrische Lösungen
möglich; desgleichen können die Werkstoffmaterialien entsprechend dem erforderlichen
Meßverhalten gewahlt werden. Auch können bei entsprechender Änd'erung der optischen
Strahlführung die beiden getrennt arbeitenden Diskriminatoren 20, 21 der Stabilisierungssysteme
der Meßoszillatoren 11, 12 sich im Innern der Meßoszillatoren befinden bzw durch
einen geeigneten, gemeinsamen Diskriminator ersetzt werden.
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Desweiteren ist auch die Anregung der Meßoszillatoren in mehr als
zwei unterschiedlich polarisierten Wellenformen möglich, wobei He - Ne Gasentladungen
oder andere geeignete optische Verstärker benutzt werden können.
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Anstelle einer äußeren (52)und einer inneren Kraftverteilungsplatte
(51) mit entsprechenden Krafteinleitungselementen (53r 54, 55) kann eine einzige
Kraftverteilungsplatte treten, die zwischen den photoelastischen Blöcken angespannt
ist, wenn infolge der k¢nstruktiven Gestaltung des Gerätegehäuses 56 hier die äußere
Kraft direkt angreifen kann. Prüfmasse und Kraftverteilungsplatte des,Gerätes werden
in diesem Fall zu konstruktiv identischen Bauelementen.