DE3143475C2 - Photoelectric force measuring device (optoelectronic force measuring device) - Google Patents
Photoelectric force measuring device (optoelectronic force measuring device)Info
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Abstract
Die "Lichtelektrische Kraftmeßeinrichtung" (Optoelektronische Kraftmeßeinrichtung) leistet in der Hauptsache die elektrische Erfassung kleinster Kräfte durch Anströmung oder Beschleunigung. Dabei besteht die Möglichkeit, mehrere Komponenten der Meßgröße gleichzeitig zu erhalten, so daß Betrag und Richtung erfaßt werden. Das Grundprinzip beruht auf der elastischen Biegung einer Lichtleitfaser. Betrag oder Betrag und Richtung der Biegung können auf verschiedene Weise optisch-elektrisch in Signale umgewandelt werden. Glasfasern vereinigen in sich hierzu hervorragend zweckdienliche mechanische und optische Eigenschaften. Mögliche Meßgrößen sind Strömungsgeschwindigkeit, Schall, Be schleu nigung (Schwerkraft, Schwingungen), Gewicht und anders aufgeprägte Kräfte oder Wege. Es sind kleine und kostengünstige Ausführungen möglich, die den Meßgrößen exakt proportionale Signale liefern. Alterungs-, Temperatur- und andere Störeinflüsse können gut kompensiert werden. Eine besonders interessante Anwendung wäre der Einsatz zur Messung kleinster Luftgeschwindigkeiten, da thermische Anemometer hierbei prinzipbedingt versagen. Die Zeichnung zeigt ein Projektionsprinzip; das entsprechend gestaltete freie Faser ende strahlt Licht in eine speziell geformte Linse zurück und wird als quadratischer Lichtfleck auf einem Feld von vier Fotosensoren abgebildet.The "photoelectric force measuring device" (optoelectronic force measuring device) mainly performs the electrical detection of the smallest forces caused by flow or acceleration. There is the possibility of receiving several components of the measured variable at the same time, so that the amount and direction are recorded. The basic principle is based on the elastic bending of an optical fiber. The amount or amount and direction of the bend can be converted optically-electrically into signals in various ways. For this purpose, glass fibers combine excellent mechanical and optical properties. Possible measured variables are flow velocity, sound, acceleration (gravity, vibrations), weight and other forces or paths. Small and inexpensive designs are possible that deliver signals that are exactly proportional to the measured variables. Aging, temperature and other disturbances can be compensated for. A particularly interesting application would be to measure the smallest air velocities, since thermal anemometers fail due to their principle. The drawing shows a projection principle; the correspondingly designed free fiber end radiates light back into a specially shaped lens and is imaged as a square light spot on a field of four photo sensors.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektrische K.ra!trnebeinnchtung mit den im UDerDegrill des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Solche Einrichtungen können als Strömungsmeßgerät. Mikrofon. Beschleunigungsaufnehmer. Waage und ähnlichem benutzt werden.The invention relates to a photoelectric K.ra! Trnebeinnchtung with the in the UDerDegrill des Claim 1 specified features. Such devices can be used as a flow meter. Microphone. Accelerometer. Scales and the like can be used.
Bei der Messung von Strömungen hat man schon mit der Beobachtung von Fasern im Strömungsfeld gearbeitet, die Messung wurde aber anders vorgenommen. Aus der US-PS 36 02 037 ist eine derartige Einrichtung bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird die Intensität des am fest eingespannten Ende der Lichtleitfaser austretenden Lichtes durch die BiegungWhen measuring flows, you already have to observe fibers in the flow field worked, but the measurement was made differently. From US-PS 36 02 037 such is Establishment known. In this known device, the intensity of the firmly clamped end of the Optical fiber exiting light through the bend
der Faser verändertthe fiber changed
Prinzipiell ist es aus der US-PS 32 73 447 bekannt, das Ende einer Lichtleitfaser mittels einer Linse auf eine fotoelektrische Anordnung abzubilden; bei dieser bekannten Einrichtung wird jedoch das Faserende nicht mit einer Kraft beaufschlagt und nicht gegen die fotoelektrische Anordnung verschoben. Diese bekannte Einrichtung kann somit nicht als Kraftmeßeinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung benutz* werden.In principle, it is known from US-PS 32 73 447 that Imaging the end of an optical fiber onto a photoelectric arrangement by means of a lens; at this known device, however, the fiber end is not subjected to a force and not against the photoelectric arrangement shifted. This known device can therefore not be used as a force measuring device within the meaning of the present invention are used *.
ίο Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer empfindlichen, trägheitsarmen und richtungserfassenden Kraftmeßeinriclitung mit besonderer Eignung zur Strömungsmessung. Diese Aufgabe wird in Zusammenhang mit den irr> Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The object of the present invention is to create a sensitive, low-inertia and direction-sensing force measuring device with particular suitability for flow measurement. This task is carried out in connection with the irr> Features specified in the preamble of claim 1 are solved by the characterizing features of claim 1.
Niedrige Kosten, Einfachheit, Zuverlässigkeit, mögliche geringe Baugröße. Genauigkeit Linearität und ein hohes Auflösungsvermögen sind die Hauptvorteile der Erfindung. Darüber hinaus ist es möglich, ohne besonderen Aufwand Richtungsinformationen zu erhalten, indem Komponenten der Kraft bzw. des Weges direkt als elektrische Größen gemessen werden. Bei entsprechender Ausführung besteht Eignung zur Messung kleinster Kräfte.Low cost, simplicity, reliability, possible small size. Accuracy, linearity and high resolution are the main advantages of the Invention. In addition, it is possible to obtain directional information without any special effort. by measuring components of the force or the path directly as electrical quantities. at Appropriate design is suitable for measuring the smallest forces.
Das Prinzip dieser Kraftmessung beruht wie beim Stand der Technik gemäß US-PS 36 02 037 auf der Erfassung der Verbiesung eines elastischen Gliedes, das zugleich als Lichtwellenleiter eingesetzt ist (z. B.The principle of this force measurement is based on the prior art according to US Pat. No. 36 02 037 Detection of the splinting of an elastic member that is also used as a fiber optic cable (e.g.
Glasfaser). Jede Lichtart, z. B. Glühlampenlicht. Leuchtdiodenlicht oder Laserlicht, ist verwendbar. Die Verbiegung kann ein Maß der angreifenden zu messenden Kraft oder ein Maß der aufgeprägten zu niessenden Wegverschsebi'ng sein. Das aus der Faser austretende Licht wird vermessen. Beim Projektionsprinzip wird die Lage der Austrittsstelle optisch vermessen. Mit dem Projektionsprin/ip können eine oder zwei Komponenten der an der Faser angreifenden Kraft mit einer Meßeinrichtung gemessen werden. Als Sensoren sind Fotodioden besonders geeignet, es sind aber auch andere lichtempfindliche f-.iemente verwendbar. Für die Messung nur einer Komponente kann eine Differential-Anordnung(-Fotodiode),also zwei lichtempfindliche Flächen, für die Messung von zwei Komponenten kann eine Quadranten-Anordnung(-Fotodiode). also vier lichtempfindliche Flächen, eingesetzt werden. Einige der möglichen Betriebsarten sind: Vorwärtsstreuung. Sei'.enstreuung. Rückwärtsstreuung. Bei Vorwärtsund Rückwärtsstreuung tritt das Licht am freien Faserende aus. Vor- "ind Rückwärts bezieht sich auf die Lichtleitung in der Faser. Bei .Seitenstreuung wird zwischen den Faserenden Licht ausgeblendet. Der Lichtaustritt kann durch eine diffus streuende Aufrauhung herbeigeführt, oder verstärkt und vergleichmäßigt werden. Bei einer Meßeinrichtung mit Vorwärts- oder Rückwärtsstreuung und gewünschter Erfassung zweier Komponenten, kann die Quadranten-Anordnung von vier Finzelsensoren vorgesehen werden. Die Zeichnung zeigt die Rückwärtsstreuung bei Quadranten-Anordnung der Sensoren und bei linearer Projektion (quadniiischer Licht/leck). Es bedeuten: 1 Lichtquelle (Sender}, 2 einseitig eingespannte Lichtleitfaser, 3 (Doppel-)Linse, 4 Fotosensoranordnung (Empfänger). Sind a, b, c, dd'ic Signale aus den einzelnen Quadranten (linksdrehend, oben rechts beginnend) und sind sie ein Maß für das anteilig auf die jeweiligen Quadranten entfallende Licht, so gilt für gewisse begrenzte Verschiebungen x, y der Lage des Lichtflecks, daßGlass fiber). Any type of light, e.g. B. Incandescent light. Light emitting diode light or laser light can be used. The bending can be a measure of the applied force to be measured or a measure of the impressed displacement to be sneezed. The light emerging from the fiber is measured. With the projection principle, the position of the exit point is measured optically. With the projection printer one or two components of the force acting on the fiber can be measured with a measuring device. Photodiodes are particularly suitable as sensors, but other light-sensitive elements can also be used. A differential arrangement (photodiode), i.e. two light-sensitive surfaces, can be used for measuring only one component, and a quadrant arrangement (photodiode) can be used for measuring two components. i.e. four light-sensitive surfaces can be used. Some of the possible modes of operation are: Forward scatter. Scattering. Backward scattering. With forward and backward scattering, the light emerges at the free fiber end. Forwards and backwards refers to the light conduction in the fiber. With side scattering, light is masked out between the fiber ends. The light exit can be brought about by a diffusely scattering roughening, or it can be amplified and evened out Detection of two components, the quadrant arrangement of four Finzel sensors can be provided. The drawing shows the backward scattering with quadrant arrangement of the sensors and with linear projection (quadric light / leak). It means : 1 light source (transmitter), 2 unilaterally clamped optical fibers , 3 (double) lens, 4 photosensor arrangement (receiver) Are a, b, c, dd'ic signals from the individual quadrants (counterclockwise, beginning at the top right) and are they a measure of the proportion of light allocated to the respective quadrants , then for certain limited displacements x, y of the position of the light spot, that
a+d—(b+c) ein Maß fur χ und daß a-i-b—(c+d) ein Maß für y ist. Aufgrund der Geometrie eines z. B. runden Lichtfleck^ ist aber noch keine Linearität gegeben. Letztere kann z. B. durch eine rechteckige oder quadratische Projektion erreicht werden. Eine hierfür geeignete (Doppel-)Linse projiziert eine punktförmige (kleine) Lichtquelle als rechteckig begrenzte Fläche. Der Effekt beruht darauf, daß jeder der beiden Linsenteile nur in einer Richtung fokussiert, also für sich einen Punkt aL Strecke scharf abbilden könnte. Die Fokussierungsrichtungen der beiden Linsenteile sind rechtwinklig zueinander und beide Linsenteile liegen im Strahlengang hintereinander, so daß auch die Stellen ihrer Scharfabbildung eines Punktes, bei Gleichheit der Linsenteüe. hintereinander liegen. Legt die a + d— (b + c) is a measure for χ and that aib— (c + d) is a measure for y . Due to the geometry of a z. B. round light spot ^ but there is still no linearity. The latter can e.g. B. can be achieved by a rectangular or square projection. A (double) lens suitable for this purpose projects a point-like (small) light source as a rectangular area. The effect is based on the fact that each of the two lens parts focuses only in one direction, that is to say that it could image a point as a line in focus. The focussing directions of the two lens parts are at right angles to one another and both lens parts lie one behind the other in the beam path, so that the points of their sharp image of a point, if the lens parts are identical. lying one behind the other. Put the
Projektionsebene nun zwischen die Scl.arfa^t idungsstellen der beiden Linsenteüe. so wird in jeder Fokussierungsrichtung unscharf abiieh ildet. wobei das Maß der Unscharfen die Seiteniän·*- .ι des rechteckigen Lichtflecks ausmachen. Verf?'v:hungen durch Einflüsse wie Verschmutzung, oder Alterur^ der Lichtquelle oder der Sensoren können kompensiert werden, indem man die Gesamtsignalstärke a+b-hc+d = konstant regelt (über Lichtquelle), oder ferner, indem man die Signale durch die Gesamtsignalstärke dividiert.Projection plane now between the Scl.arfa ^ t idungsstellen of the two Linsenteüe. so the image is out of focus in every direction of focus. where the degree of blurring makes up the Seiteniän · * - .ι of the rectangular light spot. Defects caused by influences such as pollution or alteration of the light source or the sensors can be compensated for by controlling the total signal strength a + b-hc + d = constant (via the light source), or by passing the signals through dividing the total signal strength.
Eine Meßeinrichtung kann eine oder zwei Komponenten der angreifenden Kraft getrennt erfassen. Durch den Einsatz von zwei Meßeinrichtungen (quer zueinander) kann in den Fällen der Anwendung als Strömungsmeßgerät. Mikrofon oder Beschleunigungsaufnehmer, voll räumlich in drei Komponenten erfaßt werden, wie Bc- 'si und Richtung der Vektoren von Strömungsgeschv iigkeit. Schall oder Beschleunigung sind. Einodfi .-.eiachsige Messungen (x oder \. y) von kleinen Wegen sind mil einer solchen Meßeinrichtung ebenfalls möglich, da die Kraftmessung auch nur auf der Erfassung ihrer Wegwirkung beruht. Mehrere Meßeinrichtungen können eine Einheit bilden, z. B. dann, wenn räumliche Komponenten einer Meßgröße zu erfassen sind (z. B. Stromungsgeschwindigkeit). Hierbei können drei, am besten senkrecht zueinander stehende. Meßeinrichtungen eingesetzt werden, welche für sich nur jeweils eine Komponente erfassen, oder welche nur jeweils einen Betrag erfassen. Möglich ist auch eine Anordnung aus zwei zweiachsig messenden Meßeinrichtungen, wobei eine wichtige Komponente (z. B. Hauptströmungsrichtung) redundant gemessen werden könnte.A measuring device can detect one or two components of the applied force separately. By using two measuring devices (transversely to one another), it can be used as a flow measuring device. Microphone or accelerometer, can be fully recorded spatially in three components, such as Bc- 'si and direction of the vectors of flow velocity. Are sound or acceleration. Single-axis measurements (x or \. Y) of small paths are also possible with such a measuring device, since the force measurement is based only on the detection of their path effect. Several measuring devices can form a unit, e.g. B. when spatial components of a measured variable are to be recorded (z. B. flow velocity). Here, three, preferably perpendicular to each other, can be used. Measuring devices are used which only detect one component in each case, or which only detect an amount in each case. An arrangement of two measuring devices measuring biaxially is also possible, with an important component (e.g. main flow direction) being able to be measured redundantly.
Bei Anwendung als Strömungsmeßgeräl für freie Strömungen, ist die Betriebsart Rückwärtsstrejung (entgegen der Lichtleitrichtung in der Faser) günstig, da hierbei nur die Faser, frei und ohne Bügel und Stützen, vom Fühlerkopf absteht und die Strömung so am wenigsten gestört wird. Die Strömungskraft wirkt als Streckenlast und zwar mit ihrer senkrecht zur Faser stehenden Komponente.When used as a flow measuring device for free flows, the operating mode is backward scattering (contrary to the direction of light transmission in the fiber) favorable, since only the fiber, free and without brackets and supports, protrudes from the sensor head so that the flow is least disturbed. The flow force acts as Line load with its component perpendicular to the fiber.
Die Anwendung als Mikrofon Ist prinzipiell ein Sonderfall der Strömungsmessung. Do*· Schall tritt als schnell wechselhafte Strömung an der Faser in Erscheinung (Longitudinalwelle). Besonders für eine richtungserfassende Version sind viele Einsatzmöglichkeiten (»Stereo«) denkbar.The application as a microphone is principally a Special case of flow measurement. Do * · Sound occurs as Rapidly changing flow at the fiber in appearance (longitudinal wave). Especially for one Direction-sensing version are many possible uses (»Stereo«) is conceivable.
Störende Massenkräfte sind bei kleiner Faser nicht zu erwarten, diese sind dann vernachlässigbar.Disturbing inertia forces are not to be expected with small fibers, they are then negligible.
Für die Anwendung als Beschleunigungsaufnehmer sind aber Massenkräfte zu messen, weshalb die Faser dann, möglichst nahe dem freien Eridf*. beschwert werden sollte. In diesem Falle ist gegen störende Anströmung abzuschirmen, am besten durch Einkapseln in einer dichten Zelle, die ein dämpfendes Fluid enthalten kann.For use as an accelerometer, however, inertial forces have to be measured, which is why the fiber then, as close as possible to the free Eridf *. complained should be. In this case it is necessary to shield against disturbing flow, ideally by encapsulating in a tight cell that can contain a dampening fluid.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (6)
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