DE3145172A1

DE3145172A1 - Arrangement for measuring fast or high-frequency sequences of movements

Info

Publication number: DE3145172A1
Application number: DE19813145172
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Karl Dr.-Ing. 4300 Essen Arndt
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1981-11-13
Filing date: 1981-11-13
Publication date: 1983-05-19

Abstract

One or more strain gauges on a wire of at least 1 m in length and connected to it at a distance from 10 to 50 cm from the point of connection of the wire to the object to be measured are used as measurement value transducers for measuring and possibly recording fast or high-frequency sequences of movements of bodies. The wire has a length of at least 1 m and is friction-locked to the object to be measured.

Description

Anordnung zur Messung schneller oder hochfrequenterArrangement for measuring faster or more frequently

Bewegungsabläufe Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung und ggf. zur Registrierung schneller oder hochfrequenter Bewegungsabläufe von Körpern. Unter Bewegungsablauf ist im kinematischen Sinn die zeitliche Veränderung der Lage des Meßobjektes zu verstehen.Motion sequences The invention relates to an arrangement for measuring and, if necessary, for registering fast or high-frequency movement sequences of bodies. In the kinematic sense, the sequence of movements is the change in position over time to understand the measurement object.

Es sind bereits sogenannte Beschleunigungsgeber bekannt, die unmittelbar am Meßobjekt befestigt werden und welche die Beschleunigung über die auf einen darin befindlichen Massenkörper mittels der damit verbundenen Kraftwirkung in ein elektrisches Signal umwandeln, das ggf. in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung gemessen werden kann. So werden beispielsweise den piezo-elektrischen Effekt ausnutzende Beschleunigungsgeber angeboten, die jedoch den Nachteil besitzen, daß entweder die Geber vielfach den extremen Belastungen nicht gewachsen sind oder - insbesondere bei Dauerwechsellastbetrieb - die Verbindung zwischen dem Anschlußkabel an die Auswerteinheit und dem Geber unterbrochen wird.There are already so-called acceleration sensors known that directly be attached to the measurement object and which the acceleration over the on one in it located mass body by means of the associated force effect in an electrical Convert the signal that may be measured in a Wheatstone bridge circuit can. For example, acceleration sensors that use the piezo-electric effect are used offered, but have the disadvantage that either the donors often the are not able to cope with extreme loads or - especially with continuous alternating load operation - the connection between the connection cable to the evaluation unit and the encoder is interrupted.

Will man Rückstoßimpulse mit steilen Anstiegs flanken untersuchen, wie sie beispielsweise bei Druckluftwerkzeugen auftreten, so steigt die Ausfallquote der Geräte sogar noch weiter an.If one wants to investigate recoil impulses with steep rising edges, As occurs, for example, with compressed air tools, the failure rate increases of the devices even further.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Messung schneller Bewegungsabläufe von Körpern zu schaffen, die auch den oben geschilderten Belastungen standhält und dazu eine möglichst einfache Handhabung erlaubt.It is the object of the invention to provide an arrangement for measuring more quickly To create motion sequences of bodies that also meet the loads described above withstands and allows the easiest possible handling.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, bei der als Meßwertgeber ein oder mehrere Dehnungsmeßstreifen vorgesehen stand, die auf einem mindestens 1 m langen Draht befestigt sind, dessen Endc kraftschlüssig mit dem Meßobjekt verbunden ist. Dabei sollte der Abstand der Dehnungsmeßstreifen zwischen 10 und 50 cm, gemessen von der Anschlußstelle des Drahtes am Meßobjekt, liegen.The object is achieved by an arrangement in which as a transducer one or more strain gauges were provided that stood on at least one 1 m long wire are attached, the endc of which is positively connected to the test object is. The distance between the strain gauges should be between 10 and 50 cm from the connection point of the wire to the test object.

Das Meßprinzip mittels auf, dem Draht befestigter Dehnungsmeßst - len beruht auf der Tatsache, daß sich schnelle oder hochfrequente Bewegungen des Meßobjekts bei ¢.urzzeitvorgängen über die kraftschlüssige VerbIndung auf dem Draht in Impulsform übertragen. Da die Dehnungsmeßstreifen an einem Drahtstück in der Nähe des Meßobjektes befestigt sind, kommen die den Draht durchlaufenden Impulse nach sehr kurzer Lauf zeit an der Befestigungsstelle der Dehnunqsmeßstreifen an und verursachen dort eine der Bewegung des Meßobjektes entsprechende meßbare Dehnung des Drahtes, die in bekannter Weise mit einer Brückenschaltung und einem nachgeschalteten Oszillographen oder einer entsprechenden Meßeinheit gemessen werden kann (Anspruch 6).The measuring principle using strain gauges attached to the wire len is based on the fact that the Object to be measured during short-term processes via the non-positive connection on the wire transmitted in pulse form. Since the strain gauges are attached to a piece of wire in the Are attached near the test object, the impulses passing through the wire come after a very short period of time at the attachment point of the strain gauges and cause there a measurable strain corresponding to the movement of the measurement object of the wire, in a known manner with a bridge circuit and a downstream Oscillograph or a corresponding measuring unit can be measured (claim 6).

Der besondere Vorteil der geschilderten Anordnung besteht inil)esondere darin, daß der eigentliche Meßwertgeber nicht unmittelbar den Bewegungen, bei Schlagwerkzeugen den Stößen, ausgesetzt ist. Im übrigen ist die etrfindungsgemäße Anordnung leicht zu handhaben,unci\ einfach aufgebaut.The particular advantage of the described arrangement consists in one) special in the fact that the actual transducer is not directly involved in the movements Striking tools the impact. Otherwise, the arrangement according to the invention is easy to handle, and simply set up.

Die Drahtlänge sollte im Hinblick auf von dem anderen Drahtende kommende, störende Reflexionen mindestens 1 m lang, im Idealfall unendlich lang sein. In der Praxis dürften sich Drahtlängen zwischen 2 und 10 m als zweckmäßig erweisen, wobei das Drahtstück jenseits der Befestigungsstelle für die Dehnungsmeßstreifen zu einer Spirale aufgewickelt werden kann, deren Durchmesser D größer als das 30-fache des Drahtdurchmessers d ist (Anspruch 3).The length of the wire should be taken from the other end of the wire, disturbing reflections at least 1 m long, ideally infinitely long. In the In practice, wire lengths between 2 and 10 m should prove to be appropriate, whereby the piece of wire beyond the attachment point for the strain gauges to one Spiral can be wound, the diameter of which D is greater than 30 times the Wire diameter d is (claim 3).

Eine Reduzierig der störenden Reflexionen ist auch dadurch erreisar, daß der Draht mit einem schwingungsdampfenden Material, wie z.B. Kunststoff, Lack oder ähnlichem, ummantelt wird (Ansprüche 4,5). In diesem Fall kann die erforderliche Drahtlänge entsprechend reduziert werden. Vorteilhafterweise wird der Draht so an dem Meßobjekt befestigt, daß die Drahtlängsachse zumindest vom Anschlußpunkt des Drahtes am Meßobjekt bis zur Befestigungsstelle der Dehnungsmeßstreifen parallel zur Bewegungsrichtung des Meßobjektes ausgerichtet ist, da dann eine optimale Übertragung der Bewegungen (Geschwindigkeit, Beschleunigung) des Meßkörpers gewährleistet ist.A reduction in the annoying reflections can also be achieved by that the wire is covered with a vibration dampening material such as plastic, paint or the like, is sheathed (claims 4,5). In this case, the required Wire length can be reduced accordingly. Advantageously, the wire is so on attached to the test object that the longitudinal axis of the wire at least from the connection point of the Wire on the measurement object parallel to the attachment point of the strain gauges is aligned to the direction of movement of the measurement object, since then an optimal transmission the movements (speed, acceleration) of the measuring body is guaranteed.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 die erfindungsgemässe Anordnung in skizzenhafter bzw. Blockschaltbild-Darstellung Fig. 1 a einen Querschnitt durch den zur erfindungsgemässen Anordnung gehörenden Draht mit vier Dehnungsmeßstreifen Fig. 1 b eine Brückenschaltung zur Messung der von den Dehnungsmeßstreifen abgegebenen Spannungssignale Fig. 2, 2 a eine Anordnung mit ummanteltem Draht im Längs- und Querschnitt und Fig. 3 eine Anordnung mit zu einer Spirale aufgewickeltem, ummanteltem Draht.An embodiment of the invention is shown in the drawings. 1 shows the arrangement according to the invention in a sketchy or block diagram representation Fig. 1 a shows a cross section through the wire belonging to the arrangement according to the invention with four strain gauges Fig. 1 b a bridge circuit for measuring the of the strain gauges emitted voltage signals Fig. 2, 2 a an arrangement with coated wire in longitudinal and cross-section and FIG. 3 shows an arrangement with too Coiled wire wound up in a spiral.

Die in Fig. 1 eargestellte Anordnung besteht im wesentlichen aus einz Draht 1, der mit dem Meßobjekt 2, im vorliegenden P-ll einem Drucklufthammer, an einer Anschlußstelle 3 kraftschlüssig verbunden ist. Die Verbindung kann Z,R. durch Löten, Schweißen, Kleben oder Schrauben in einem vorgefertigten Gewinde hergestellt werden. Der Draht 1 trägt in ca. 15 bis 20 cm Abstand von der Anschlußstelle 3 zwei in Reihe geschaltete Dehnungsmeßstreifen 4. Das Meßsignal wird über geeignete Zuleitungen über eine Brückenschaltung 5 oder ggf. einem Trägerfrequenzverstärker 6 einem Oszillographen 7 mit hoher Eing.lngsempfindlicllkeit sowie ggf. weiteren Auswert-und Registriereinheiten 8 zugeführt.The arrangement shown in Fig. 1 consists essentially of one Wire 1, which is connected to the test object 2, in the present P-II a pneumatic hammer a connection point 3 is positively connected. The connection can be Z, R. by Soldering, welding, gluing or screwing in a prefabricated thread will. The wire 1 carries two at a distance of about 15 to 20 cm from the connection point 3 strain gauges connected in series 4. The measuring signal is transmitted via suitable leads Via a bridge circuit 5 or possibly a carrier frequency amplifier 6 to an oscilloscope 7 with high input sensitivity and possibly further evaluation and registration units 8 supplied.

Mit der beschriebenen Anordnung können hochfrequente Bewegungsabläufe des Meßobjektes 2 erfaßt werden, insbesondere auch Schlageinwirkungen. Selbstverständlich ist eine Messung langsam ablaufender Vorgänge oder einer konstanten Geschwindigkeit über längere Zeit nicht möglich bzw. nur so lange möglich, wie die durchill=2l/c (1= Drahtlänge, c=Schallgeschwindigkeit) gegebene Ubergangszeit nicht überschritten wird.With the arrangement described, high-frequency motion sequences of the test object 2 are detected, in particular impact effects. Of course is a measurement of slow processes or a constant speed Not possible over a longer period of time or only possible as long as durchill = 2l / c (1 = wire length, c = speed of sound) given transition time is not exceeded.

Der oder die auf dem Umfang des.Drahtes 1 verteilt aufgebrachten Dehnungsmeßstreifen 4 in der Nähe der Anschlußstelle 3 dienen als Sensoren und wandeln in bekannter Weise die Dehnung $7 in dem Draht 1 in ein dieser proportionales elektrisches Meßsignal um. Wenn nun die in Richtung der Längsachse 10 des Drahtes 1 wirksame Komponente der Meßgrößen erfaßt werden soll, ist es zweckmäßig, entsprechend Fig. 1 a vier über dem Umfang des Drahtes gleichmäßig verteilte, in Reihe geschaltete Dehnungsmeßstreifen 4 anzubringen. Hierdurch wird bei der Messung die Wirkung der auf den Draht ausgeübten Querkräfte ausgeschaltet. Das Meßsignal der Dehnungsmeßstreifen 4 wird in einer Brückenschaltung gem. Fig. 1 b verarbeitet.The one or more strain gauges distributed over the circumference of the wire 1 4 near the junction 3 serve as sensors and convert into known ones Convert the strain $ 7 in wire 1 into an electrical measurement signal proportional to it around. If now the effective in the direction of the longitudinal axis 10 of the wire 1 component the measured variables are to be detected, it is expedient, according to FIG. 1 a four Strain gauges connected in series evenly distributed over the circumference of the wire 4 to be attached. This makes the effect of the exerted on the wire during the measurement Lateral forces switched off. The measurement signal of the strain gauges 4 is in a Bridge circuit according to Fig. 1b processed.

Das Meßsignal liegt als zeitabhängiges Signal U(t) entsprechend der im Draht hervorgerufenen Dehnung C (t) vor, wobei die Geschwindigkeit v(t) des Meßobjektes und das Signal U(t) direkt proportional sind. Die Beschleunigung ergibt sich hieraus durch Differentiation der Geschwindigkeit nach der Zeit, in der Praxis beispielsweise mittels Signalverarbeitung in einem Differenzierglied. Entsprechend kann durch Integration der Weg des Meßobjektes 2, in der Praxis mittels eines Integrierglieds, ermittelt werden.The measurement signal is a time-dependent signal U (t) corresponding to in the wire caused strain C (t), where the speed v (t) of the measuring object and the signal U (t) are directly proportional. The acceleration results from this by differentiating the speed with respect to time, in practice for example by means of signal processing in a differentiator. Correspondingly, through integration the path of the measured object 2, in practice by means of an integrating element, is determined will.

Die beschriebene Anordnung dient zur Erfassung und Messung von Bewegungsabläufen, insbesondere solchen wie sie an der Oberfläche stark vibrierender Maschinen und Werkzeuge auftreten. Wird z.B. das Meßobjekt 2 durch einen Schlag beschleunigt, so wird in dem kraftschlüssig verbundenen Drahtlkin Impuls ausgelöst, der über die Dehnungsmeßstreifen 4 erfaßt wird; ändert sich' die Gesc:hwindiglccit des Meß- objektes 2 im weiteren Zeitverlauf, so ändert sich auch die Geschwindigkeitseinspeisungin den Draht, und damit schließlich die sich entsprechend dem fortpflanzenden Impuls ändernde Dehnung des Drahtes.The arrangement described is used to record and measure motion sequences, especially those like those on the surface of strongly vibrating machines and Tools occur. For example, if the measured object 2 is accelerated by an impact, this triggers an impulse in the force-fit connected wire, which is transmitted via the Strain gauge 4 is detected; changes the history of the measuring object 2 in the further course of time, the speed feedin also changes the wire, and with it, finally, the process corresponding to the propagating impulse changing elongation of the wire.

Die Anzeige bleibt so lange eindeutig, bis die Front des ersten Impulses, der vom Ende des Drahtes her reflektiert wird, in entgegengesetzter Richtung wieder an die Befestigungsstelle der Dehnungsmeßstreifen 4 kommt. Da primäre und reflektierte Impulse nicht unterschiedon werden j sondern durch die Dehnungsmeßstreifen 4 nur die Summe beider erfaßt wird, kann die Anzeige mehrdeutig und damit wertlos werden. Die Zeitdauer, bis der Refleximpuls wieder an der Befestigungsstelle der Dehnunngsmeßstreifen 4 eingetroffen ist, beträgt r=21/c. 3ei einem 5 m langen Stahldraht beträgt diese Zeit alsc 2ms. Für die Messung einmaliger Impulse mit einer 2eitd--uer t wäre die Meßeinrichtung also geeignet.The display remains clear until the front of the first impulse, which is reflected from the end of the wire, in the opposite direction again comes to the attachment point of the strain gauges 4. Because primary and reflected Pulses are not distinguished by the strain gauges 4 only If the sum of both is recorded, the display can become ambiguous and thus worthless. The time until the reflex pulse returns to the attachment point of the strain gauges 4 has arrived, r = 21 / c. 3 for a 5 m long steel wire this is Time alsc 2ms. For the measurement of one-off impulses with a double duration t, this would be Measuring device therefore suitable.

Sollen über längere Zeiträum Bewegungsabläufe, z.B.Should movement sequences, e.g.

Vibrationen, des Meßobjektes gemessen werden, empfiehlt es sich, die in Fig. 2 und Fig. 2 a dargestellte Anordnung zu verwenden. Der Draht 1 ist, von der Anschlußstelle 3 aus betrachtet, jenseits der Dehnungsmeßstreifen mit einem schwingungsdämpfenden Überzug 9 ummantelt. Der Überzug kann im einfachsten Falle beispielsweise aus enganliegenden Kunststoffbändern oder anderen weichelastischen Stoffen bestehen, mit denen er umwickelt ist; der Draht kann auch an seinem freiliegenden Ende in Lacke getaucht werden oder auf andere Weise einen Überzug erhalten. Die Zusammensetzung des Materials, die Schichtdicke des auf den Draht 1 gebrachten schwingungsdämpfenden Überzugs 9 und die Verbindung mit der Drahtoberfläche bestimmen den Dämpfungsgrad im Draht. Versuche mit einem 5 m langen Draht haben gezeigt, daß schon bei Umr wicklung mit Kunststoffbändern ohne besondere weiteren Aufwendungen der reflektierte Impuls auf 1 % seiner ursprünglichen Amplitude gedämpft wird.Vibrations of the measurement object are measured, it is recommended that the to use the arrangement shown in Fig. 2 and Fig. 2a. The wire 1 is, from the connection point 3 viewed from beyond the strain gauges with a Vibration-damping coating 9 encased. The coating can in the simplest case for example, made of tight-fitting plastic straps or other flexible ones Consist of fabrics with which it is wrapped; the wire can also be exposed at its exposed The end can be dipped in lacquer or coated in some other way. the Composition of the material, the layer thickness of the vibration-damping applied to the wire 1 Coating 9 and the connection with the wire surface determine the degree of damping in the wire. try with a 5 m long wire have shown that even when wrapping with plastic straps without any special additional expenditure the reflected pulse is attenuated to 1% of its original amplitude.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit, den Raumbedarf der geschilderten Anordnung zu begrenzen. Der mit einem schwingungsdämpfenden Überzug 9 ummantelte Draht ist an seinem freien Ende zu einer Spirale aufgewickelt, wobei der Spiralendurchmesser D 830 d ist. Es hat sich herausgestellt, daß der Meßdrallt in Bezug auf das Meßobjekt in seiner räumlichen Anordnung nicht besonders fixiert werden muß. Es empfiehlt sich jedoch, das Drahtstück von der Anschlußstelle 3 bis zum Befestigungspunkt der Dehnungsmeßstreifen 4 so aus zu richten, daß dessen Längsachse 10 zumindest annähernd mit der Richtung der zu messenden Bewegung des Meßobjektes zusammenfällt.Fig. 3 shows one possibility of the space requirement of the described arrangement to limit. The wire sheathed with a vibration-damping coating 9 is wound into a spiral at its free end, the spiral diameter D 830 d is. It has been found that the measuring twist in relation to the measurement object does not have to be particularly fixed in its spatial arrangement. It recommends However, the piece of wire from the connection point 3 to the attachment point of To align strain gauges 4 so that its longitudinal axis 10 is at least approximately coincides with the direction of the measured object movement.

Claims

Claims)) Arrangement for measurement and possibly for registration faster or high-frequency sequences of movements of bodies, which are not possible i c h -n e t that one or more transducers on a length of at least 1 m Wire (1), the end of which is positively connected to the test object, in one Distance of 10 to 50 cm from the connection point (3) of the wire (1) on the object to be measured (2) remotely attached strain gauges (4) are provided.

2) Arrangement according to claim 1, characterized in that the wire longitudinal axis (Where) at least from the connection point (3) of the wire (1) on the test object (2) to to the confirmation point of the strain gauge (4) parallel to the direction of movement of the measured object is aligned.

3) Arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the piece of wire beyond the point of attachment of the strain gauges (4) to one Spiral is wound, the diameter (D) of which is greater than 30 times the wire diameter (d) is.

4) Arrangement according to claim 1, characterized in that the wire (1) is coated with a vibration-damping material.

5) Arrangement according to claim 4, characterized by vibration damping Material made of plastic.

6) Arrangement according to claim 1, characterized in that the strain gauge (4) in a known manner with a bridge circuit and a downstream oscilloscope (7) is connected.

7) Arrangement according to claim 1, characterized in that the strain gauges (4) can be connected in series.