DE2658629C2 - Kraftmeß- oder Wägevorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einem elastischen Meßglied, das einerseits an einem beweglichen Teil befestigt ist und andererseits gehäusefest abgestützt ist, wobei die Auslenkung des beweglichen Teils aus seiner Anfangsstellung ein Maß für die zu bestimmende Kraft bzw. Masse ist.

Derartige Vorrichtungen sind bekannt. Die Bestimmung der Auslenkung erfolgt auf verschiedene Arten: Durch optische Projektion einer Skala und visuelle Ablesung, kapazitive oder induktive Abtastung oder durch Dehnungsmeßstreifen. Der Nachteil dieser Vorrichtungen besteht darin, daß das Ausgangssignal analog ist. Für eine digitale Auswertung wäre also in aufwendiger Weise ein Analog/Digital-Wandler notwendig.

Eine Ausnahme bildet das System mit einer schwingenden Saite, das jedoch die Nachteile eines komplizierten mechanischen Aufbaus und eines beschränkten Meßbereichs hat. Außerdem hat dieses Verfahren eine nichtlineare Kennlinie, so daß eine j Linearisierung erforderlich ist.

Außerdem sind seit längerem Waagen mit elektromagnetischer Kraftkompensation und im Anschluß an den Kompensationskreis angeordnetem Analog/Digital-Wandler bekannt, die eine beachtliche Auflösung selbst bei den üblicherweise im Betrieb solcher Waagen auftretenden Temperaturschwankungen gewährleisten. Solche Waagen erfordern jedoch systembedingt einen erheblichen Aufwand.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und

I¹J wirksame Kraftmeß- oder Wägevorrichtung zu schaffen, welche ohne die Nachteile der bekannten Vorrichtungen auf einfachere Weise unter praktisch allen im Betrieb vorkommenden Temperaturbedingungen ein digitales Ausgangssignal mit hoher Auflösung

2(i ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der bewegliche Teil wenigstens zwei Spiegel trägt, von denen jeweils einer in einem Arm eines Interferometers derart angeordnet ist, daß bei Auslenkung des

2> beweglichen Teils die beiden Arme des Interferometers in entgegengesetzte Richtungen in ihrer Länge verändert werden. Üblicherweise werden die entstehenden Interferen/streifen durch eine Intensitätsmessung ausgewertet.

J» Es ist zwar beispielsweise das Michelson-Interferometer seit langem bekannt, jedoch führt die naheliegende Kombination zwischen dem vorbekannten Michelson-Interferometer und einer Waage, z. B. mit Parallelführung, nicht zur erfindungsgemäßen Lösung, sondern

i^r> zu einem Gegenstand, wie er in F i g. 1 dargestellt ist. Eine derart ausgebildete Waage stellt weder in ihrer Auflösung noch in ihrem Temperaturverhalten zufrieden, wenn man sie mit Waagen vergleicht, die nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kraftkompensation

4(i arbeiten und das Signal digital anzeigen. Denn bei den Temperaturschwankungen, denen solche Waagen in der Regel ausgesetzt sein können, ergeben sich nicht mehr vernachlässigbare Längendehnungen beider Interferometer-Arme, die die Auflösung einer solchen Waage

■>■"> erheblich einschränken, zumal zwischen den gehäusefesten Teilen einerseits und den beweglichen Teilen andererseits einer solchen Waage erhebliche, ständig wechselnde Temperaturunterschiede auftreten, die zwangsläufig zu einem nicht mehr vernachlässigbaren

^r>» Temperaturfehler führen.

Die erfindungsgemäße Lösung unterscheidet sich von dieser durch die einfache Kombination nahegelegten Lösung ganz wesentlich dadurch, daß beide, die Länge der Interferometer-Arme festlegende Endspiegel am beweglichen Teil angeordnet sind und zusätzlich beide Arme des Interferometers bei einer Auslenkung des beweglichen Teils in entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert werden. Hierdurch wird zunächst einmal ganz allgemein bereits erreicht, daß durch Temperaturänderungen herbeigeführte Änderungen in den Längen der Interferometer-Arme zum größten Teil durch eine Art Differenzbildung aus dem Meßergebnis selber herausgehalten werden. Darüber hinaus gibt es jedoch für den Durchschnittsfachmann noch Möglichkeiten einer Optimierung durch geeignete Abstimmung der Längenverhältnisse der Teile, deren Wärmedehnung andernfalls Einfluß auf das Meßergebnis nehmen könnte.

Das Interferometer ist zweckmäßigerweise vom Michelson-Typ. Die Endspiegel sind beide derart auf dem beweglichen Teil angebracht und der Strahlengang ist derart geführt, daß eine Auslenkung eine Verkürzung des einen Interterometerarms und gleichzeitig eine Verlängerung des anderen lnterferometerarms bewirkt. Dadurch erhält man bereits einen Streifendurchgang bei einer Verschiebung des beweglichen Teils um ein Viertel der verwendeten Lichtwellenlänge, statt wie bei Interferometern mit nur einem beweglichen Endsjriegel bei einer ^verschieb>ing um eine halbe Wellenlänge. Da ein Streifendurchgang als digitales Signal registriert werden kann, erhöht sich die digitale Auflösung.

Gemäß einer insbesondere konstruktiv vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der bewegliche Teil, der einen parallelgeführten Träger umfaßt, von dem ein Längssteg in Richtung der zu bestimmenden Kraft verläuft und der rechtwinklig zum Längssteg angeordnete Querstege aufweist, und daß an den Innenseiten der Querstege je ein Endspiegel der beiden interferometerarme parallel zu den Querstegen angebracht ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Umlenkspiegel zum mehrfachen Reflektieren der Strahlen in den Interferometerarmen zwischen gehäusefestem und beweglichem Teil. Bei dieser Ausführungsform erhält man eine weitere Erhöhung der digitalen Auflösung der zu messenden Auslenkung durch mehrere Reflexionen der Meßstrahlen. Die Anzahl der Streifendurchgänge π ist proportional zur Auslenkung /und zur Anzahl rder Reflexionen zwischen gehäusefestem und beweglichem Teil der Vorrichtung und umgekehrt proportional zur Wellenlänge λ gemäß folgender Beziehung:

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das Interferometer eine Anordnung auf, mittels welcher die Nulldurchgänge der Intensität am Ausgang des Interferometers in Nulldurchgänge einer Phasenbeziehung umgewandelt werden. Bei dieser Ausführungsform können insbesondere durch Verwendung eines stabilisierten Zwei-Moden-Lasers als Lichtquelle und durch geeignete Einfügung von Polarisatoren, eines zweiten Strahlteilers und eines Referenzempfängers die Nulldurchgänge der Intensität in Nulldurchgänge einer Phasenbeziehung umgewandelt und gezählt werden.

Mit Vorteil kann eine höhere Auflösung in dieser Ausführungsform durch eine Anordnung zur Bestimmung des Anfangs- und Endphasenwinkels erreicht werden.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Erfindungsmerkmal ist eine Anordnung zur Frequenzregelung der Interferomeier-Lichtquelle vorgesehen, wobei die Signale zur Frequenzregelung aus Reflexen von im Interferometer angeordneten Polarisatoren abgeleitet werden. Dadurch ist auf einfache Weise eine Frequenzstabilisierung des Lasers möglich, wobei die verwendeten Polarisatoren unter Brewsterwinkeln angeordnet sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 2 im Seitenriß eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federwaage mil Parallelführung und einem Interferometer mit zwei beweglichen Endspiegeln,

Fig. 3 im teilweisen Seitenriß eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federwaage mit Parallelführung und einem abgewandelten Interferometer erhöhter digitaler Auflösung durch Mehrfachreflexionen zwischen gehäusefestem und beweglichem Teil und

Fig.4 im teilweisen Seitenriß eine nochmals weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Federwaage mit Parallelführung und einem wiederum abgewandelten Interferometer, bei dem die Messung durch Phasenvergleich erfolgt und bei dem Signale zur Frequenzregelung des Lasers erzeugt werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 trifft ein Lichtstrahl aus einer kohärenten Lichtquelle 1, vorzugs-

r> weise einem Laser, auf einen Strahlteiler 2 auf. Ein Teilstrahl wird an einem Endspiegel 4 reflektiert, der andere nach Umlenkung durch einen Spiegel 3 an einem Endspiegel 5. Auf einem Empfänger 6 kommen beide Teilstrahlen zur Interferenz. Bei Belastung der Waagschale 8 erfolgt eine Auslenkung der Meßfeder 9. Durch eine Parallelführung 10 wird der C-förmige Träger 7 so geführt, daß die Endspiegel immer senkrecht zu den auf sie treffenden Teilstrahlen bleiben. Wenn der Federweg ein Viertel der verwendeten Lichtwellenlänge beträgt, hat der Empfänger 6 einen Interferenz-Streifendurchgang registriert. Durch Zählen dieser Streifendurchgänge erhält man einen dem Federweg und damit bei Gültigkeit des Hookeschen Gesetzes dem zu messenden Gewicht proportionalen digitalen Wert.

jo F i g. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit höherer Auflösung durch Mehrfachreflexionen. Entsprechende Teile wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die beiden Teilstrahlen werden durch Hinzufügung von

F) gehäusefesten Umlenkspiegeln 13, 14, 15 und 16 und beweglichen Umlenkspiegeln 11, 12, 17 und 18 insgesamt sechsmal reflektiert. Dabei können je 2 Spiegel (z.B. 11 und 12) durch einen Prismen- oder Tripelspiegel ersetzt werden. Es ergibt sich ein Streifendurchgang bei Bewegung um ein Zwölftel der Lichtwellenlänge.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß F i g. 3 ist mit 1 ein Laser mit zwei senkrecht zueinander polarisierten Moden der Frequenzen f] und f₂ bezeich-

•n net. Ein Teil der Intensität wird mit Hilfe eines Strahlteilers 19 durch einen Mischpolarisator 20, der unter 45° zur Schwingungsebene der beiden Moden steht, auf einen Empfänger 21 gegeben, wo eine Wechselspannung mit der Frequenz | f\ — h\ entsteht.

3d Die durch den halbdurchlässigen Spiegel 19 hindurchgehende Hauptintensität wird durch den eigentlichen Interferometerstrahlteiler 2 auf die beiden lnterferometerarme verteilt. Zwei Polarisatoren 22 und 25 absorbieren jeweils eine der zwei senkrecht zueinander

Vt polarisierten Moden. Nach Reflexionen an den Spiegeln 4, 3, 5 und 2 entsteht wieder auf dem Empfänger 6 mit Hilfe eines Mischpolarisators 24 eine Wechselspannung der Frequenz | f\ — h \ · Die Phasenbeziehung zwischen den beiden Spannungen ist abhängig von der Lage des

bo C-förmigen Teils 7, und zwar zeigt ein nachgeschaltetes Vektorvoltmeter, welches die Phasenlage am Empfänger 6 im Vergleich zur Phasenlage am Empfänger 21 mißt, eine Änderung des Phasenwinkels von 360°, wenn der bewegliche Teil 7 um eine Strecke von λ/4 bewegt

t>3 wird. Ein voller Streifendurchgang bein !;ucr!erometer gemäß F i g. 1 ist hier also in eine Änderung des Phasenwinkels von 360' umgeformt. Diese vollen Winkel können leicht gezählt werden, auch ist eine

Erhöhung der Auflösung entsprechend F i g. 2 durch Mehrfachre^fk'\ionen bei dieser Ausfühi ungsform möglich.

Die Polarisatoren 22 und 25 sind unter dem Brewsterwinkei aufgestellt, und zwar so, daß nur die Mode reflektiert wirti, die nach Durchgang durch den Polarisator ausgelöscht ist. Die Intensitätci der Reflexe ν erden von den Emptängern 23 und 26 registriert. Die Differenz der Modenintensitäten, die je nach Lage in der Dopplerkurve unterschiedlich sind, steuert die Leistungszufuhr des Lasers und damit die Laserrohrteinperatur, hält damit die Länge des Laserrohrcs und sch'iipRliep also die Modenfrequenz konstant. Oifs Verfahl en ist bekannt und <n-, einzelnen in Appi. Op;., Bd. 11 (1972), Nr. 4. S. 742-744, beschrieben. Dadurch, daß die Reflexe von den Polarisatoren ausgenutzt werden, werden vorteilhafterweise separate Brcwsterfenstcr eingespart, deren Verwendung eine Intensitätsschwächung der Meßstrahlen zur Folge hätte.

Hierzu 3 Blatt Zc

icli nunivii

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Kraftmeß- oder Wägevorrichtung mit einem elastischen Meßglied, das einerseits an einem beweglichen Teil befestigt ist und andererseits gehäusefest abgestützt ist, wobei die Auslenkung des beweglichen Teils aus seiner Anfangsstellung ein Maß für die zu bestimmende Kraft bzw. Masse ist, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil (7) weni₆stens zwei Spiegel (4,5) trägt, von denen jeweils einer in einem Arm eines Interferometers derart angeordnet ist, daß bei Auslenkung des beweglichen Teils (7) die beiden Arme des Interferometers in entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Teil (7) einen parallelgeführten Träger (10) umfaßt, von dem ein Längssteg in Richtung der zu bestimmenden Kraft verläuft und der rechtwinklig zum Längssteg angeordnete Querstege aufweist, und daß an den Innenseiten der Querstege je ein Endspiegel (4, 5) der beiden Interferometerarme parallel zu den Querstegen angebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Umlenkspiegel (z. B. 11,12,13,14,15, 16, 17, 18) zum mehrfachen Reflektieren der Strahlen in den Interferometerarmen zwischen gehäusefestem und beweglichem Teil (7).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer eine Anordnung aufweist, mittels welcher die Nulldurchgänge der Intensität am Ausgang des Interferometers in Nulldurchgänge einer Phasenbeziehung umgewandelt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Bestimmung des Anfangs- und Endphasenwinkels.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung zur Frequenzregelung der Interferometer-Lichtquelle (1) vorgesehen ist, wobei die Signale zur Frequenzregelung aus Reflexen von im Interferometer angeordneten Polarisatoren (22,25) abgeleitet werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Endspiegel (4,5) als Prismen- oder Tripelspiegel ausgebildet sind.