DE3012811C2

DE3012811C2 - Meßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung

Info

Publication number: DE3012811C2
Application number: DE19803012811
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. DDR 6300 Ilmenau Grünwald; Detlef Dipl.-Ing. DDR 6000 Suhl Heydenbluth; Siegfried Dipl.-Ing. DDR 8020 Dresden Honecker; Gerd Dr.sc.techn. DDR 6300 Ilmenau Jäger; Hans-Joachim Dipl.-Ing. DDR 8122 Radebeul Wendt
Original assignee: VEB KOMBINAT NAGEMA DDR 8045 DRESDEN; Nagema VEB
Current assignee: Rapido Waagen- und Maschinenfabrik O-8122 Ra GmbH
Priority date: 1979-07-10
Filing date: 1980-04-02
Publication date: 1985-09-26
Also published as: DE3012811A1; HU189467B; DD143956A1; CH647070A5; SU1083080A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung, der aus einem Grundkörper und einem Verformungskörper besteht, die eine monochromatische Lichtquelle, eine Interferometereinrichtung, optische Systeme, fotoelektrische Empfänger, Impulsformerstufen und Vor-Rückwärts-Zähler enthalten.

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 Maß für die zu messende Kraft. Darunter gibt es auch Vorrichtungen, die die Deformation mittels eines interferentiellen Meßverfahrens erfassen. So ist eine Vorrichtung bekannt (DD-PS 94 905), wo der Verformungskörper gleichzeitig als Interferometer wirkt. In dieser Vorrichtung treten interferentielle Drehstreifen auf, deren Abstand in y-Richlung sich in Abhängigkeit vom Wert der Meßgröße ändert.

Nachteilig ist dabei, daß bei Unterschreitung eines Mindestwertes des Abstandes keine fotoelektrische Auswertung mehr erfolgen kann.

Ferner wurde eine Kraftmeßvorrichtung vorgeschlagen (DD-PS 137 619), bei der an einem gabelförmig gestalteten Verformungskörper ein kippinvariantes Interferometer angebracht ist Die zu tnesseiide 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, sowie von der zulässigen Biegespannung des Materials begrenzt Außerdem wurde ein fertigungstechnisch für ein Betriebsmeßgerät noch zu aufwendiges Interferometer verwendet Da Biegegelenk und Interferometer räumlich relativ weit voneinander angeordnet sind, muß im gesamten Verformungskörper für eine gleichmäßige Temperaturverteilung gesorgt werden.

Bekannt ist auch eine Kraftmeß- oder Wägevorrichtung (DE-AS 26 58 629), wo ein beweglicher Teil wenigstens zwei Spiegel trägt, von denen jeweils einer in einem Arm des Interferometers derart angeordnet ist daB 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung zu schaffen, der bei vorgegebenem Kraftmeßbereich ein hohes Auflösungsvermögen besitzt und in weiten Temperaturgrenzen funktionstüchtig ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Grundkörper des Meßwandlers, der in einem Gestell fest gehaltert ist an seiner unteren Seite mit einem Ende einer als Verformungskörper ausgebildeten zylinderförmigen Schraubenfeder verbunden ist die einen aus einer Teilergrundplatte und zwei Teilerplatten bestehenden optischen Teiler, der Teil der Interferometereinrichtung ist aufweist wobei die freien Oberflächen der Teilerplatten teilverspiegelt sind und die Normalen auf diesen Oberflächen einen kleinen Winkel oc miteinander einschließen, daß dem Grundkörper weiterhin ein drehbar gelagertes Teil mit einem Drehgelenk fest zugeordnet ist und daß am drehbar gelagerten Teil das andere Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder sowie ein Reflektorhalter, an dem ein kippinvarianter Reflektor fest angebracht ist befestigt sind und daß in x-Richtung der Abstand eines Lichtstrahles B. der

so in die Würfelecke des kippinvarianten Reflektors trifft vom Drehgelenk gleich dem Abstand der Symmetrieachse A der zylinderförmigen Schraubenfeder vom Drehgelenk ist
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Schraubenfeder aus einem Rohr, insbesondere aus kristallinem Quarz, mit schraubenförmig eingearbeiteter Nut besteht und daß der Grundkörper, das drehbar gelagerte Teil und der Reflektorhalter aus Kieselgut und der kippinvariante Reflektor sowie der optische Teiler aus optischem Quarz bestehen.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das Auflösungsvermögen des Meßwandlers bei vorgegebenen Kraftmeßbereich wesentlich erhöht werden kann, ohne daß die zulässige Spannung des Materials überschritten wird. Wesentliche Teile der dazugehörigen lnterferometereinrichtung, wie Teilergrundplatte und Teilerplatten weisen nur kleine Abmessungen auf und sind fertigungstechnisch ein-

Tach herstellbar. Da die Interferometereinrichtung dem Zentrum des Verformungskörpers zugeordnet ist, wird weiterhin eine hohe Temperaturabhängigkeit erreicht

Die Erfindung soll anhand eines Ausfuhr»mgsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt s

F i g. 1 Seitenansicht des Meßwandlers, F i g. 2 Zylinder!önmige Schraubenfeder.

Entsprechend Fig. 1 ist der Grundkörper 1 im Gestell 15 fest gehalten Mit dem Grundkörper 1 fest verbunden sind das eine Ende einer als Verforniungskörper ausgebildeten 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 zylin- derförmigen Schraubenfeder 3 ist fest am drehbar gelagerten Teil 2 angebracht Dieses Teil 2 ist mittels des Drehgelenks 16 drehbar im Grundkörper 1 gelagert Außerdem ist am Teil 2 der Reflektorhaltcr 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 Teilerpiatten 6b und 6c sind teilverspiegelt und die Normalen auf diesen Oberflächen schließen miteinander einen kleinen Winkel λ 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 Licht- Strahles 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 F i g. 2 besteht die zylinderförmige Schraubenfeder 3 aus einem Quarzrohr mit eingefräster Nut Das durch den Kondensator 8 parallel gerichtete monochromatische Licht wird am Umlenkprisma 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 6/> durchgelassen und ein Teilbündel wird reflektiert Das reflektierte Teilbündel durchläuft den kippinvarianten Reflektor 5, reflektiert an der Teilerplatte 6c, durch- läuft den kippinvarianten Reflektor 5 erneut und kommt mit dem durchgelassenen Teilbündel zur Interferenz. Die Interferenzstreifen werden durch das optische Abbildungssystem 10 auf die fotoelektrischen Empfänger 12 abgebildet. ss

Die zu messende Kraft F, die am drehbar gelagerten Teil 2 angreift bewirkt eine Deformation der zylinderförmigen Schraubenfeder 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 fotoelektrischer Empfänger 12, Impulsformerstufen 13 sowie eines Vor-Rückwärts-Zählers 14 erfaßt.

3	zylinderförmige Schraubenfeder	monochromatische Lichtquelle
4	Reflektorhalter	Kondensor
5	kippinvarianter Reflektor	Umlenkprisma
6a	Teilsrgnindplatte	optisches Abbildungssystem
66,6cTeilerplatten	Halter für fotoelektrische Empfänger
7	Fotoelektrische Empfänger
8	Winkel
9	Symmetrieachse der zylinderförmigen Schrauben feder
i0	ICUCl Lichtstrahl
11	Impulsformerstufen
12	Vor-Rückwärts-Zähler
OC	Gestell
A	Drehgelenk
B	Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
13
14
15
16

Verwendete Bezugszeichen

1 Grundkörper

2 drehbar gelagertes Teil

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Claims

Patentansprüche:

1. Meßwandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung, der aus einem Grundkörper und einem Verformungskörper besteht, die eine monochromatische lichtquelle, eine Interferometereinrichtung, optische Systeme, fotoelektrische Empfänger, Impulsformerstufen und Vor-Rückwärts-Zähler enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), der in einem Gestell (15) festgehalten ist, an seiner unteren Seite mit einem Ende einer als Verformungskörper ausgebildeten zylinderförmigen Schraubenfeder (3) verbunden ist, die einen aus einer Teilergrundplatte (6ajund zwei Teilerplatten {6b; 6c) bestehenden optischen Teiler, der Teil der Interferometereinrichtung ist, aufweist wobei die freien Oberflächen der Teilerplatten (6b; 6c) teilverspiegelt sind und die Normalen auf diesen Oberflächen einen kleinen Winkel χ miteinander einschließen, daß dem Grundkörper (1) weiterhin ein drehbar gelagertes Teil (2) mit einem Drehgelenk (16) fest zugeordnet ist und daß am drehbar gelagerten Teil (2) das andere Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder (3) sowie ein Reflektorhalter (4), an dem ein kippinvarianter Reflektor (S) fest angebracht ist, befestigt sind und daß in x-Richtung der Abstand eines Lichtstrahles (B), der in die WOrfelekke des kippinvarianten Reflektors (S) 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 die zylinderförmige Schraubenfeder (3) aus einem Rohr, insbesondere aus kristallinem Quarz, mit schraubenförmig eingearbeiteter Nut besteht

3. Meßwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), das drehbar gelagerte Teil (2) und der Reflektcrhalter (4) aus Kieselgut und der kippinvariante Reflektor (5) sowie der optische Teiler aus optischen Quarz bestehen.