DE3012811A1

DE3012811A1 - Messwandler, insbesondere zur digitalen kraftmessung

Info

Publication number: DE3012811A1
Application number: DE19803012811
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Gruenwald; Detlef Dipl Ing Heydenbluth; Siegfried Dipl Ing Honecker; Gerd Dr Sc Techn Jaeger; Hans-Joachim Dipl Ing Wendt
Original assignee: Nagema VEB
Current assignee: Rapido Waagen- und Maschinenfabrik O-8122 Ra GmbH
Priority date: 1979-07-10
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1981-01-29
Also published as: DE3012811C2; DD143956A1; SU1083080A1; HU189467B; CH647070A5

Description

Meßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung
Die Erfindung betrifft einen Meßwandler, der insbesondere für digitale Kraftmessungen eingesetzt werden kann.
Es sind Vorrichtungen zur Kraftmessung bekannt, bei denen die zu messende Kraft auf einen Verformungskörper wirkt. Die Deformation des Verformungskörpers, die nach verschiedenen Methoden gemessen werden kann, ist ein Xaß für die zu des sende Kraft. Darunter gibt es auch Vorrichtungen, die die Deformation mittels eines interferentiellen Meßverfahrens erfassen. Nach DD-PS 94 905 ist der Verformungskörper so ausgebildet, daß er gleichzeitig als Interferometer wirkt.
In dieser Vorrichtung treten interferentielle Drehstreifen auf, deren Abstand in y-Richtung sich in Abhängigkeit vom Wert der Meßgröße ändert.
Nachteilig ist dabei, daß bei Unterschreitung eines Mindestwertes des Abstandes keine fotoelektrische Auswertung mehr erfolgen kann.
Nach WP G Ol L/206 632 wurde eine Kraftmeßvorrichtung vorgeschlagen, bei der an einem gabelförmig gestalteten Verformungskörper ein kippinvariantes Interferometer angebracht ist. Die zu messende Kraft greift an einem Schenkel, der in Form einer Biegeplatte ausgebildet ist und an dem ein Tripelprisma befestigt ist, an. Die maximal mögliche Durchbiegung der Biegeplatte bestimmt das erreichbare Auflösungsvermögen.
Bei einer fest vorgegebenen Geometrie der Biegeplatte wird das Auflösungsvermögen somit von der zulässigen Biegespannung des Materials begrenzt. Außerdem wurde ein fertigungstechnisch für ein Betriebsmeßgeråt noch zu aufwendiges Interferometer verwendet. Da Biegegelenk und Interferometer räumlich relativ weit voneinander angeordnet sind, muß im gesamten Verformungskörper für eine gleichmäßige Temperaturverteilung gesorgt werden0 In DE-AS 26 58 629 ist eine Kraftmeß- oder Wägevorrichtung angegeben, bei der ein beweglicher Teil wenigstens zwei Spiegel trägt, von denen jeweils einer in einem Arm des Interferometere derart angeordnet ist, daß bei Auslenkung des beweglichen Teiles die beiden Arme des Interferometers in entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert werden.
Solche Vorrichtungen sind jedoch unter Betriebsbedingungen nur schwer einsetzbar, da sie stark temperaturabhängig und verlagerungsempfindlich sind.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann bei vorgegebenem Kraftmeßbereich das Auflösungsvermögen wesentlich erhöht werden, ohne daß die zulässige Spannung des 1terials überschritten wird. Durch ein fertigungstechnisch sehr einfach herstellbares Interferometer, das nur kleine geometrische Abmaße besitzt und das im Zentrum der sich deformierenden Teile des Verformungækörpers zugeordnet ist, wird eine hohe Temperaturunabhängigkeit erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung zu schaffen, der ein hohes Auflösungsvermögen besitzt und in weiten Temperaturgrenzen funktionstüchtig ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in folgender Weise gelöst: Ein Grundkörper ist gestellfest gehaltert. An diesem Grundkörper ist das eine Ende einer zylinderförmigen Schraubenfeder, die beispielsweise aus einem Rohr, insbesondere aus kristallinem Quarz mit schraubenförmig eingearbeiteter Nut besteht, befestigt. Das andere Ende der Feder ist mit einem drehbar im Grundkörper gelagerten Teil verbunden. Im Zentrum der zylinderförmigen Schraubenfeder erfolgt die Anordnung des Interferometers, wobei der optische Teiler mit dem Grundkörper und ein kippinvarianter Reflektor mittels eines Reflektorhalters fest mit dem drehbar gelagerten Teil verbunden sind, Der optische Teiler des Interferometers besteht aus einer transparenten Teilergrundplatte, an der zwei weitere transparente Teilerplatten, beispielsweise durch Ansprengen, fest angebracht sind. Die freien Oberflächen dieser Teilerplatten sind teilverspiegelt und die Normalen auf diesen Flächen schließen einen Winkel c miteinander ein, der den Abstand der Interferenzstreifen bestimmt. Desweiteren sind eine monochromatische Lichtquelle, ein Kondensor, ein Umlenkprisma, ein optisches Abbildungssystem sowie ein Halter für fotoelektrische Empfänger fest am Grundkörper angeordnet. Zur optimalen Temperaturkompensation und zum Erreichen einer relativ hohen Unempfindlichkeit gegenüber Verlagerungen, ist der Abstand des Lichtstrahles 3, der in die Würfelecke des kippinvarianten Reflektors trifft, vom Drehgelenk des drehbar gelagerten Teiles gleich dem Abstand der Symmetrieachse A der zylinderförmigen Schraubenfeder vom Drehgelenk des drehbar gelagerten Teiles und der Grundkörper, das drehbar gelagerte Teil, der Reflektorhalter, der kippinvariante Reflektor, der optische Teiler sowie die zylinderförmige Schraubenfeder bestehen aus Material mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten. Vorteilhafterweise werden der kippinvariante Reflektor und der optische Teiler aus optischem Quarz, jedoch der Grundkörper, das drehbar gelagerte Teil und der Reflektorhalter aus Kieselgut hergestellt.
Das mit Hilfe der monochromatischen Lichtquelle und des Kondensors erhaltene parallele Licht wird an einem Umlenkprisma umgelenkt und passiert eine Teilerplatte des optisohen Teilers. Das entsprechend dem Verspiegelungsgrad durchgelassene Bündel reflektiert am kippinvarianten Reflektor und durchtritt die andere Teilerplatte des optischen Teilers. Ein Teilbündel wird an dieser Teilerplatte durchgelassen und ein Teilbündel wird reflektiert. Das reflektierte Teilbündel durchläuft den kippinvarianten Reflektor, reflektiert an der ersten Teilerplatte, durchläuft den kippinvarianten Reflektor erneut und kommt mit dem durchgelassenen Teilbündel zur Interferenz. Die Interferenzstreifen werden durch ein optisches Abbildungssystem auf fotoelektrische Empfänger abgebildet.
Die zu messende Kraft, die an dem drehbar gelagerten Teil angreift, bewirkt eine Deformation der zylinderförmigen Schraubenz ender und eine entsprechende Verlagerung des kippinvarianten Reflektors. Die Anzahl der Interferenzstreifen, die ein direktes i5fiaß für die zu messende Kraft ist, wird mit Hilfe fotoelektrischer Empfänger, Impulsformerstufen sowie eines Vor-Rückwärts-Zählers in bekannter Weise erfaßt.
Die Erfindung soll anhand eines Äusführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt: Fig. 1: Seitenansicht des ießwandlers Fig. 2: Zylinderförmige Schraubenfeder Entsprechend Fig. 1 ist der Grundkörper 1 im Gestell 15 fest gehaltert. Rlit dem Grundkörper 1 fest verbunden sind das eine Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder 3, die Teilergrundplatte 6a, die monochromatische Lichtquelle 7, der Kondensor 8, das Umlenkprisma 9, das optische Abbildungssystem 10 sowie der Halter 11 für die fotoelektrischen Empfänger 12. Das andere Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 ist fest am drehbar gelagerten Teil 2 angebracht. Dieses Teil 2 ist mittels des Drehgelenkes 16 drehbar im Grundkörper 1 gelagert.
Außerdem ist am Teil 2 der Reflektorhalter 4, der der Halterung des kippinvarianten Reflektors 5 dient, befestigt.
Der optische Teiler besteht aus der Teilergrundplatte 6a und zwei an dieser Teilergrundplatte 6a angesprengten Teilerplatten 6b und 6c. Die freien Oberflächen der Teilerplatten 6b und 6c sind teilverspiegelt und die Normalen auf diesen Oberflächen sohließem miteinander einen kleinen Winkel 6i ein. Das Interferometer, bestehend aus dem optischen Teiler und dem kippinvarianten Reflektor 5, ist innerhalb der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 so angeordnet, daß der Abstand des Lichtstrahles B, der in die Würfelecke des kippinvarianten Reflektors 5 trifft, vom Drehgelenk 16 gleich dem Abstand der Symmetrieachse A der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 vom Drehgelenk 16 ist. Grundkörper 1, drehbar gelagertes Teil 2 und Reflektorhalter 4 sind aus Kieselgut hergestellt. Der kippinvariante Reflektor 5 und der optische Teiler bestehen aus optischen Quarz. Die zylinderförmige Schraubenfeder 3 besteht aus kristallinem Quarz.
Nach Fig. 2 besteht die zylinderförmige Schraubenfeder 3 aus einem Quarzrohr mit eingefräster Nut. Das dadurch den Kondensor 8 parallel gerichtete monochromatische Licht wird am Umlenk-0 prisma 9 um 90 umgelenkt und passiert die Teilerplatte 6c.
Das entsprechend dem Verspiegelungsgrad durchgelassene Bündel reflektiert am kippinvarianten Reflektor 5 und durchtritt die Teilerplatte 6b. Ein Teilbündel wird an der Teilerplatte 6b durchgelassen und ein Teilbündel wird reflektiert. Das reflektierte Teilbündel durchläuft den kippinvarianten Reflektor 5, reflektiert an der Teilerplatte 6c, flurohläuft den kippinvarianten Reflektor 5 erneut und kommt init dem durohgelassenen Teilbündel zur Interferenz. Die Interferenzstreifen werden durch das optische Abbildungssystem 10 auf die fotoelektrischen Empfänger 12 abgebildet.
Die zu messende Kraft F, die am drehbar gelagerten Teil 2 angreift, bewirkt eine Deformation der zylinderförmigen Sohraubenfeder 3 und eine entsprechende Verlagerung des kippinvarianten Reflektors 5. Die Anzahl der Interferenzstreifen, die ein direktes Maß für die zu messende Kraft ist, wird mit Hilfe fotoelektrisoher Empfänger 12, Impuleformerstufen 13 sowie eines Vor-Rückwärts-Zählers 14 erfaßte Verwendete Bezugszeichen 1 Grundkörper 2 drehbar gelagertes Teil 3 zylinderförmige Schraubenfeder 4 Reflektorhalter 5 kippinvarianter Reflektor 6a Teilergrundplatte 6b, 6c Teilerplatten 7 monochromatische Lichtquelle 8 Kondensor 9 Umlenkprisma 10 optisches Abbildungssystem 11 Halter für fotoelektrische Empfänger 12 Fotoelektrische Empfänger Winkel A Symmetrieachse der zylinderförmigen Schraubenfeder B Lichtstrahl 13 Impulsformerstufen 14 Vor-Rückwärts-Zähler 15 Gestell 16 Drehgelenk

Claims

Patentansprüche 'I) DBeßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung, bestehend aus Verformungskörper, Interferometer, monochromatischer Lichtquelle, optischen Systemen, fotoelektrischen Empfängern, Impuisformerstufen und Vor-Rückwärts-Zähler, dadurch gekennzeichnet, daß an einem in einem Gestell (15) gehalterten Grundkörper (1) daß eine Ende einer zylinderförz.igen Schraubenfeder (3), die beispielsweise aus einem Rohr, insbesondere aus kristallinem Quarz, mit schraubenförmig eingearbeiteter Nut besteht, ein optischer Teiler, der aus einer Teilergrundplatte (6a), mit der zwei Teilerplatten (6b, 6c) verbunden sind, besteht, wobei die freien Oberflächen der Teilerplatten (6b, 6c) teilverspiegelt sind und die Normalen auf diesen Oberflächen einen kleinen Winkel d miteinander einschließen, ein Drehgelenk (16) für ein drehbar gelagertes Teil (2), eine monochromatische Lichtquelle (7), ein Kondensor (8), ein Umlenkprisma (9), ein optisches Abbildungssystem (10) sowie ein Halter (11) für fotoelektrische Empfänger (12) fest angeordnet sind, daß am drehbar gelagerten Teil (2) das andere Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder (3) sowie ein Reflektorhalter (4), an dem ein kippinvarianter Reflektor (5) fest angebracht ist, befestigt sind, daß in x-Richtung der Abstand eines Lichtstrahles (B), der in die würfelecke des kippinvarianten Reflektors (5) trifft, vom Drehgelenk (16) gleich dem Abstand der Symmetrieachse (A) der zylinderförmigen Schraubenfeder (3) vom Drehgelenk (16) ist.
2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), das drehbar gelagerte Teil (2) und der Reflektorhalter (4) aus Kieselgut und der kippinvariante Reflektor (5) sowie der optische Teiler aus optischem Quarz bestehen.