DE3231383A1 - Optoelektronische kraftmesseinrichtung - Google Patents

Optoelektronische kraftmesseinrichtung

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Description

  • Optoelektronische Kraftmeßeinrichtung
  • Die Kraftmeßeinrichtung kann besonders zur Messung kleiner Kräfte und Wege eingesetzt werden, was die Anwendung als Strömungsmeßgerät, Mikrofon, Beschleunigungsaufnehmer, Waage und ähnlichem möglich macht.
  • Es ergeben sich verschiedene Vorteile durch niedrige Kosten, Einfachheit, Zuverlässigkeit, mögliche geringe Baugröße, Genauigkeit, Linearität, hohes Auflösungsvermögen und ein gutes dynamisches Verhalten bis zu relativ hohen Frequenzen. Bei entsprechender Ausführung besteht Eignung zur Messung kleinster Kräfte.
  • Einer der Hauptvorteile ist die Möglichkeit, ohne besonderen Aufwand Richtungs informationen zu bekommen, indem Komponenten der Kraft bzw. des Weges als elektrische Größen erhalten werden.
  • Das Grundprinzip beruht auf der elastischen Biegung einer einseitig fest eingespannten Lichtleitfaser durch Krafteinwirkung senkrecht zur Faser, oder durch entsprechende Wegaufprägung. Die Auslenkung des freien Faserendes durch die Biegung wird durch nach dort geleitetes und dort austretendes Licht vermessen. Der Lichtaustritt kann, bezogen auf die Richtung der Lichtleitung in der Faser, vorwärts, seitwärts oder rückwärts erfolgen. Lichtaustritt seitwärts oder rückwärts erfordert spezielle Gestaltung des freien Faserendes, z. B. durch eine schräge verspiegelte Endfläche.
  • Bei dem in dieser Anmeldung beschriebenen Projektionsprinzip ohne optische Hilfsmittel wie Linsen wird das aus dem freien Faserende austretende Licht auf einen Fotosensor oder auf eine Anordnung von Fotosensoren projiziert. Jeder Fotosensor empfängt eine von der Auslenkung abhängige Lichtstärke, die er in ein elektrisches Signal umwandeltX Mit nur einem Fotosensor kann nur der Betrag oder eine Komponente der Auslenkung gemessen werden. Mit mehreren, vorzugsweise mit vier Fotosensoren in Quadranten-Anordnung, kann der Betrag und auch die Richtung der Auslenkung erfaßt werden, indem aus den elektrischen Signalen der Fotosensoren Maße für die x - und die y - Komponente der Aus lenkung gebildet C gerechnet werden: Sind a, b, c, d die 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 projizierten Lichtflecks, daß a+d - (bei) ein Maß für x und daß a+b - (c+d) ein Maß für y ist.
  • Linearität ist bei rundem Lichtfleck aber nur näherungsweise für kleine Auslenkungen gegeben.
  • Verfälschungen durch Einflüsse wie Verschmutzung oder Alterung der Lichtquelle oder der Fotosensoren können kompensiert werden, indem man die Signale durch die Gesamtsignalstärke a+b+c+d dividiert oder indem man über die Lichtquelle a+b+c+d = konstant regelt.
  • Schutz vor störendem Fremdlicht kann erreicht werden z. B. durch Verwendung einer bestimmten Lichtfrequenz und eines entsprechenden Filters, oder durch eine der Lichtquelle aufmodulierte Frequenz und entsprechende Bandpaßfilter nach den Fotosensoren, oder durch zyklische Abschaltung der Lichtquelle zur Messung der Fremdlichtanteile, oder durch eine abschirmende Wandung im Bereich der Projektion vom freien Faserende zu den Fotosensoren. Maßnahmen dieser Art können kombiniert werden.
  • Jede Lichtart, z. B. Glühlampenlicht, Leuchtdiodenlicht oder Laserlicht, ist verwendbar. Als Sensoren sind Fotodioden besonders geeignet, es sind aber auch andere lichtempfindliche Elemente verwendbar.
  • Beider Messung von Strömungen hat man schon mit manueller Beobachtung (mit Mikroskop) von Fasern im Strömungsfeld gearbeitet. Die erprobte gute Eignung dünner Fasern zur Strömungsmessung, läßt für ein Gerät mit elektrischer Meßwandlung einen hohen Gebrauchswert erwarten. Die Strömungskraft wirkt als Streckenlast und zwar mit ihrer senkrecht zur Faser liegenden Komponente. Bei dünner Faser herrscht schleichende Strömung, was günstigerweise mit einem proportionalen Zusammenhang zwischen Anströmgeschwindigkeit und (Reibungs-) Kraft verbunden ist.
  • Die Anwendung als Mikrofon ist prinzipiell ein Sonderfall der Strömungsmessung. Der Schall tritt als schnell wechselhafte Strömung an der Faser in Erscheinung (Longitudinalwelle). Besonders für eine richtungserfassende Version sind viele Einsatzmöglichkeiten ("Stereo") denkbar. Störende Einflüsse durch Massenkräfte sind bei kleiner Faser nicht zu erwarten, diese sind dann vernachlässigbar. Für die Anwendung als Beschleunigungsaufnehmer sind aber Massenkräfte zu messen, weshalb die Faser dann, möglichst nahe dem freien Ende, 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.
  • Mehrere Kraftmeßeinrichtungen als Grundelemente können eine sinnvolle Einheit bilden. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn alle drei räumlichen Komponenten einer Meßgröße zu erfassen sind (z.B.Strömungsgeschwindigkeit oder Beschleunigung), Hierbei können drei senkrecht zueinander stehende Grundelemente eingesetzt werden, welche jeweils nur eine Komponente (oder einen Betrag) erfassen. Noch besser für den gleichen Zweck wäre eine Anordnung aus zwei zweiachsig messenden Grundelementen, wobei eine wichtige Komponente redundant von beiden gemessen werden könnte.
  • Figuren der Zeichnung : Fl mit nur einem Fotosensor, es wird ein Signal S für den Betrag der Auslenkung erhalten.
  • F2 mit Darstellung der Projektion eines runden Lichtflecks auf eine Quadranten-Anordnung von vier Fotosensoren.
  • F3 mit Lichtaustritt rückwärts durch Krümmung des freien Faserendes.
  • F4 mit seitlichem Lichtaustritt durch schräges verspiegeltes Faserende.
  • PUS mit Lichtaustritt rückwärts durch kegliges verspiegeltes Faserende.
  • 1 Lichtquelle , 2 einseitig eingespannte Lichtleitfaser 3 abschirmende Wandung , 4 Fotosensor(en)

Claims (5)

  1. Arnprüche Optoelektronische Kraftmeßeinrichtung, bestehend aus einer elastischen Lichtleitfaser, welche einseitig eingespannt ist und deren freies Ende infolge Krafteinwirkung oder Wegaufprägung ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Betrag oder Betrag und Richtung der Auslenkung erfaßt werden, indem von einer Lichtquelle zum freien Faserende geleitetes Licht dort vorwärts, seitwärts oder rückwärts (z.B. durch schräge verspiegelte Endfläche) austritt und auf einen Fotosensor oder eine Fotosensor-Anordnung projiziert wird, wobei jeder Fotosensor eine auslenkungsabhängige Lichtstärke empfängt und in ein entsprechendes elektrisches Signal umwandelt.
  2. 2. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 (oder 1 und 4, oder 1, 4 und 5), dadurch gekennzeichnet, daß das nutzsignalerzeugende Licht aus der Lichtleitfaser von störendem Fremdlicht unterscheidbar gemacht und empfangsseitig selektiv erfaßt wird.
  3. 3. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Erfassung des Lichts aus der Lichtleitfaser erreicht wird, entweder durch Verwendung einer bestimmten Lichtfrequenz und eines entsprechenden Filters, oder durch eine der Lichtquelle aufmodulierte Frequenz und entsprechende Bandpaßfilter nach den Fotosensoren, oder durch zyklische Abschaltung der Lichtquelle zur Messung der Fremdlichtanteile, oder durch eine das Fremdlicht abschirmende Wandung, oder auch durch eine Kombination einzelner dieser Möglichkeiten.
  4. 4. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1 (oder 1 und 2, oder 1, 2 und 3), dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Quadranten-Anordnung von vier Fotosensoren projiziert wird und deren Signale für das einfallende Licht a, b, c, d (z.B.linksdrehend von oben rechts) prinzipiell so verarbeitet werden1 daß a+d - (b+c) als Maß für die eine (links nach rechts, x) und a+b - (c+d) als Maß für die andere (unten nach oben, y) Richtung der Auslenkung herangezogen wird.
  5. 5. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Maße der Richtungen durch die Gesamtsignalstärke a+b+c+d dividiert werden oder daß über die Lichtquelle amb+c+d = konstant geregelt wird, damit Störeinflüsse kompensiert sind.
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