DE3309951A1 - Optoelektronisches dehnungsmessgeraet - Google Patents

Description

Patentbe schre ibung

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Dehnungsmeßgerät zur berührungslosen Messung von Dehnungen mittels optischer Abtastung eines oder mehrerer am Meßobjekt angebrachter Meßgitter.

Messungen von Dehnungen an Probekörpern, Bauteilen, Maschinen, Rohr leitungen oder Behältern sind oft unter erschwerenden Umgebungsbe- I dingungen durchzuführen. Extreme Temperaturen oder starke elektromagnetische Störfelder können die Meßgenauigkeit und die Funktion der Meßeinrichtung u. U. erheblich beeinträchtigen. Solche Störeinflüsse lassen sich bekanntlich mit Hilfe berührungsloser optischer Verfahren weitgehend vermeiden; dabei werden die Verschiebungen bestimmter Markierungen an der Oberfläche des.Meßobjekts, \ z. B. Schwarz-Weiß-Kanten, Punkte, Meßgitter oder vorhandene Un- ' regelmäßigkeiten, mittels optischer Abbildungssysteme und optoelektronischer Wandler in elektrische Signale umgesetzt.

Das Hauptproblem der optoelektronischen Dehnungsmessung besteht darin, daß Temperatur- und Laständerungen translatorische oder ro- " tatorische Bewegungen des Meßobjekts als Ganzes (rigid body motions] relativ zum Meßgerät verursachen; solche Verschiebungen können u. U. wesentlich größer sein als die durch Dehnung hervorgerufenen relativen Abstandsänderungen zweier eng benachbarter Punkte der Oberfläche, insbesondere dann, wenn das Meßgerät mit dem Meßobjekt nicht starr verbunden werden darf, z. B. aus Gründen der thermischen Isolierung, der Schwingungsisolierung, oder, weil Rückwirkungen auf das Meßobjekt vermieden werden sollen.

Im folgenden werden ausgehend vom Stand der Technik die Nachteile bekannter optoelektronischer Dehnungsmeßgeräte mit berührungslosem Prinzip erläutert. Der Stand der Technik ergibt sich aus folgenden Fundstellen:

N. N.: Ein neues Verfahren zur Messung der Dehnung von Proben ohne physische Berührung oder Beengung. Prospekt der Fa. J. J. Lloyd Instruments, England

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N. N.: Elektro Optisches Extensometer. Prospekt der Fa. Zimmer OHG, Rossdorf

ß$J Sharpe, W. N.: A Short-gage-length Optical Gage för Small Strain.
Experimental Mechanics, 1974, S. 373-377

£4] Sharpe, W. N.: Applications of the' interferometrie strain/ displacement gage. * · Optical Engineering, 21 (1982) H. 3, S. 483-488

L5j[ Yamaguchi, I.: A Laser-speckle strain gauge. . Sei. Instrum. 14 (^f81), S. 1270-1273

Yamaguchi, I.: Simplified laser-speckle strain gauge,-Optical Engineering, 21 (1982) H. 3,, S. 436-440

Dorenwendt, K. et al.: Dehnungsmessungen mit Lasern. Feinwerktechnik und Meßtechnik 88 (1980) H. 1, S. 31-32

Es gibt 2. Z. zwei handelsübliche optoelektronische Dehnungsmeßgeräte für den b. g. Anwendungsbereich:

Ein optisch-elektromechanisches Extensometer mit Servo-Nachführung zweier Infrarot-Detektoren (j3 , die der Bewegung zweier am Meßobjekt angebrachter Marken folgen, ist zwar aufgrund der großen Verfahrbereiche und der Parallelführung der beiden optischen Achsen relativ unempfindlich gegenüber Längs- und Querbewegungen des Meßobjekts; der Auflösung und der Signalbandbreite sind jedoch durch die Ungenauigkeit der Parallelführung bzw. durch die langsame Nachführung enge Grenzen gesetzt. Das Gerät wird deshalb vorzugsweise "für die Messung großer, langsam veränderlicher Dehnungen eingesetzt.

Ein elektro-optisches Extensometer mit zwei feststehenden, parallel angeordneten Wegmeßgeräten £2] besitzt zwar eine für viele An-

Wendungsfälle ausreichende Auflösung und Bandbreite; die Linearitätsfehler der beiden Einzelsysteine und die relativ engen Aussteuergrenzen machen dieses Prinzip jedoch ungeeignet für solche Anwendungsfälle, bei denen die beiden Meßmarken große Gleichtaktbewegungen ausführen.

Beide o. g. Gerätesysteme sind wegen ihres hohen Aufwandes für mehrkanalige Messungen meist ungeeignet.

Bekannt sind ferner interferenzoptische Dehnungsmeßverfahren mit der Auswertung von Beugungsmustern, die bei der Reflexion von monochromatischem Licht an eng benachbarten Doppelstrichen [_3~} , an zwei punktförmigen Eindrücken £Q , an zufälligen Unregelmäßigkeiten (Speckle Interferometrie) £5, 6j oder an Strichgittern £7^ entstehen. Bei allen Verfahren dieser Art wirken sich Bewegungen des Meßobjekts in Richtung der Flächennormalen als sehr störend aus; tangentiale Verschiebungen sind - mit Ausnahme des Strichgitterverfahrens £"7^ - nur in begrenztem Umfang ohne Auswirkungen. Die Herstellung der Markierungen ist wegen der geringen Abstände aufwendig, insbesondere dann, wenn der Kontrast auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen ( z. B. hohe Temperaturen) erhalten bleiben soll. Für mehrkanalige Messungen unter Baustellenbedingungen sind interferenzoptische Dehnungsmeßverfahren wegen der aufwendigen und sperrigen Versuchsaufbauten bisher nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Dehnungen und Verschiebungen mittels optischer Abtastung berührungslos zu messen, wobei die Nachteile bekannter Verfahren, insbesondere die Empfindlichkeit gegenüber Abstandsänderungen, weitgehend vermieden werden sollen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe wird im folgenden anhand der Darstellungen in Fig. 1 bis Fig. 5 erläutert. Dargestellt wird in

Fig. 1 der prinzipielle Aufbau des optoelektronischen Dehnungsmeßgerätes,

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Fig. 2 die Anordnung der Lichtleitfasern in der Stirnfläche eines Lichtleitfaserbündels,

Fig. :3 die örtliche Verteilung der Beleuchtungsstärke auf der Stirnfläche eines Faserbündels,

Fig. 4 die Anordnung zweier Dehnungsmeßgeräte zur Vermeidung von Fehlern durch Abstandsänderungen,

Fig. 5 eine Meßgitter-Rosette für die .^zweiachsige Dehnungsmessung.

Entsprechend Fig. 1 werden zwei am Meßobjekt (1) angebrachte, beleuchtete Meßgitter (2) mit Hilfe eines optischen Abbildungssystems (3) auf die Stirnflächen (4) zweier Lichtleitfaserbündel (5) abgebildet. Jedes der beiden Lichtleitfaserbündel (5) besteht aus vier Teilbündeln (6). In der Stirnfläche (4) bilden die Fasern entsprechend Fig. 2 ein paralleles periodisches Streifenmuster, wobei die Fasern eines Streifens zusammen mit denen des viertnächsten Streifens, des achtnächsten Streifens usw. jeweils zu einem Teilbündel (6) gehören. Dieses System aus 4 ineinandergeschachtelten Gittern wird im folgenden als vierphasiges Referenzgitter bezeichnet.

An jedes Teilbündel (6) ist ein Fotoempfänger (7) angeschlossen. Je zwei Fotoempfänger (7) sind mit einer Verstärkerschaltung (8) verbunden; die Verstärkerschaltung bildet die Differenz der verstärkten Signale, die zu nicht benachbarten Streifen gehören. Demnach sind jedem Faserbündel (5) zwei'Verstärkerschaltungen (8) zugeordnet. Die Ausgangssignale der Verstärkerschaltungen werden über einem Multiplexer (9) und einen Analog-Digital-Umsetzer (10) in eine Rechenanordnung (11) eingegeben.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise und der Signalverarbeitung sei zunächst nur ein einziges Lichtleitfaserbündel in Betracht gezogen. Durch die Abbildung des Meßgitters auf die Stirnfläche (4) entsteht dort eine periodisch-ortsabhängige Verteilung der Beleuchtungsstärke. Entsprechend Fig. 3 wird diese Verteilung der Einfachheit halber-als sinusförmig angenommen. Ist x. die Ver-

Schiebung des Meßgitters (2) und χ¹ die Ortskoordinate senkrecht zu den Linien des Meßgitter-Bildes, so läßt sich die Beleuchtungsstärke E als Funktion von χ und x¹ folgendermaßen beschreiben

E(x, x¹) = E_ + E . sin (m . χ + x¹) (1)

Dabei ist E_ der Gleichanteil und E die Amplitude des Wechselanteils, m ist.der Maßstabsfaktor der optischen Abbildung. Es sei vorausgesetzt, daß das Meßgitter (2) auf die Stirnfläche (4) so abgebildet ist, daß das Bild des Meßgitters einerseits und das
Referenzgitter andererseits zueinander parallel sind und die
gleiche Gitterkonstante besitzen. Ferner soll vereinfachend angenommen werden, daß die Streifen (a, b, c und d) des Referenzgitters unendlich schmal sind; dann können entsprechend Fig. 3 die Stellen, an denen die Streifen (a bis d) wirksam sind, durch
Punkte auf der χ'-Achse dargestellt werden. Außerdem sei angenommen, daß die 4 Teilbündel (a bis d) gleiches Übertragungsverhalten und die 4 Fotoempfänger gleiche Empfindlichkeiten besitzen. Unter diesem Voraussetzungen sind die vier Ausgangssignale der Fotoempfänger:

i = i_ + i . sin (m . x)

i, = i_ + i . sin (m . χ + ττ/2)

i = i_ + i . "sin (m . χ + π)

■* 3

i, = i_ + i . sin (m . χ + -jir) ,

Die Differenz der beiden zu nicht benachbarten Streifen gehörenden Signale ergibt

i - i_ = 2 . i . sin (m . x)
a ν—

i, - i, = 2 . i . cos (m . x)

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Aus dem Gleichungssystem (3) erhält man die Verschiebung des Meßgitters

x=l .arctan ( ) (4)

Die Berechnung der Arcus-Tangens-Funktion Gl. (4) wird mit Hilfe des Mikrocomputers (11) durchgeführt.

Mit dem zweiten Lichtleiterbündel (5)»wird - auf die gleiche Art wie vorstehend beschrieben - die Verschiebung des zweiten Meßgitters (2) bestimmt. Der Mikrocomputer berechnet aus beiden Verschiebungen unter Berücksichtigung des Abstandes der beiden Meßstellen die Dehnung des Meßobjekts.

In Fig. 4 ist ein Meßaufbau mit' zwei gleichartigen optoelektronischen Dehnungsmeßgeräten (A und B), die auf zwei gemeinsame Meßgitter (2) ausgerichtet sind, dargestellt. Wie mit Hilfe-dieser Anordnung die Einflüsse von Relativbewegungen zwischen Meßobjekt und den Dehnungsmeßgeräten unterdrückt werden können, soll im folgenden dargelegt werden. Es sei dabei vorausgesetzt, daß die Verschiebungen der Meßgitter, X₁, x₂, y₁ und y₂ klein sind im Vergleich zum Meßabstand d. Die 4 in Fig. 4 eingezeichneten Verbindungslinien zwischen den Meßgittern einerseits und den Dehnungsmeßgeräten andererseits seien gedachte Linien, die den Bewegungen der Meßgitter folgen. Es ergeben sich dann unter Berücksichtigung der in Fig. 4 eingezeichneten Winkel und Strecken die folgenden Winkeländerungen

O₁ = ^- . I X₁ . cos (γ - δ) - Y₁ . sin (γ -

^α2 ⁼ d * ^X2 * ^ß1 ⁼ d * L^X1 '

* ^Sin

^{Cos (γ + (S) + y}1 ' ^Sin

1 Γ =
R₂ ⁼ d * |^X2 * ^cos (Ύ - δ) + y₂ . sin (γ -

Die Winkeländerungen α-, α-, β- und β- verursachen Verschiebungen der Bilder der Meßgitter und lassen sich jeweils entsprechend Gl. (4) mittels einer Arcus-Tangens-Funktion aus dem Verhältnis zweier Differenzen der Fotoempfänger-Ausgangssignale bestimmen. Durch Umformung des Gleichungssystems (5) erhält man die Verschiebungen

ν = Λ ■ sin (Y - 6) sin (γ + δ) 1 * ctg (γ - 6) + ctg (γ + δ)·

^α2 .+ ^ß2

= A sin (γ + δ) sin (γ - δ) 2 " ctg (γ - δ) + ctg (γ + δ)

«1 . ^r

v = r) cos (γ + δ) cos (γ - 6) ^y1 ^α ' tg (γ - δ) + tg (γ + δ)

o₂

, cos (γ - δ) cos (γ + δ) ^Υ2 ^α ' tg (γ - δ) + tg (γ + δ)

Die mittlere Dehnung des Meßobjekts zwischen den beiden Meßgittern ist

^X2 ~ ^X1

Dabei ist die wirksame Meßlänge L eine Funktion des Meßabstandes d, des Beobachtungswinkels γ und des öffnungswinkels δ:

L = d. [tan (γ + δ) - tan (γ - δ)] (8!

Als optische Abbildungssysteme (3) eignen sich vorzugsweise Objektive mit variabler Brennweite, die durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes eine bequeme Angleichung der Gitterkonstanten des Meßgitter-Bildes und des Referenzgitters gestatten ohne dabei den Meßabstand verändern zu müssen. Um die korrekte Ausrichtung der Optik und die Einstellung des Maßstabes durch Ausnutzen des

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-TO-

Moire-Effekts kontrollieren zu können, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung als Träger für die Lichtleiter-Enden eine Mattscheibe mit Strichgittern in der Umgebung der Lichtleiter-Enden verwendet. Diese Strichgitter haben die gleiche Gitterkonstante und die gleiche Orientierung wie die Referenzgitter.

Für mehrachsige Dehnungsmessungen kann das Gerät nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit mehr als zwei Referenzgittern (4)·, Lichtleitfaserbündeln (5) und entsprechend vielen Teilbündeln (6), Fotoempfängern (8) und Multiplexer-Eingängen (9) ausgerüstet werden. In Fig. 5 ist als Beispiel ein aus 4 Teilgittern bestehendes Meßgitter dargestellt. Damit können - wie bei einer 90"-Dehnungsmeßstreifen-Rosette - die Dehnungen in zwei zueinander senkrechten Richtungen gemessen werden.

Mit der Erfindung lassen sich folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik erzielen:

- Die Einflüsse von Relativbewegungen zwischen dem Meßobjekt und dem Dehnungsmeßgerät lassen sich weitgehend unterdrücken.

- Bildverzerrungen.der Abbildungsoptik wirken sich nicht als Line-• aritätsfehler aus, da die Lage der Meßpunkte in der Bildebene

unveränderlich ist. ·

- Änderungen der Beleuchtungsstärke und des Kontrastes am Meßgitter sind praktisch ohne Einfluß, da bei der Rechenoperation entsprechend Gl.. (4) die Amplitude des Wechselanteils und der Gleichanteil (i_) keine Rolle spielen.

- Das Dehnungsmeßgerät enthält keine mechanisch bewegten Teile und arbeitet daher verschleißfrei und schnell.

- Der geringe Platzbedarf der Lichtleiterbündel ermöglicht die Realisierung mehrkanaliger Geräte.

- Der optische Teil des Gerätes einschließlich der Lichtleitfaserbündel ist unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Störbeeinflussung. · ^_

Im Gegensatz zu den interferenzoptischen Verfahren, bei denen mit Rücksicht auf den Beugungseffekt die Abstände zwischen Gitterlinien bzw. Strich- oder Punktmarkierungen genügend eng sein müssen, können bei der erfindungsgemäßen Lösung die Meßgitter auch gröbere Teilungen besitzen, wodurch deren Herstellung erleichtert wird.

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Claims (4)

1. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät

   Patentansprüche

   .) Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät mit berührungsloser Abtastung eines oder mehrerer am Meßobjekt (1) angebrachter Meßgitter (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgitter (2) mit Hilfe eines optischen Abbildungssystems (3) auf die Stirnflächen (4) von Lichtleitfaserbündeln (5) abgebildet werden, daß innerhalb der Stirnflächen (4j die Enden der einzelnen Lichtleitfasern ein Referenzgitter bilden, derart, daß die Stirnflächen in gleich breite, zueinander parallele Streifen aufgeteilt sind und alle Fasern eines Streifens mit denen des viertnächsten Streifens, des achtnächsten Streifens usw. am entgegengesetzten Ende des Lichtleitfaserbündels jeweils zu einem Teilbündel (6) zusammengefaßt sind, daß die 4 Teilbündel (6) jedes Lichtleitfaserbündels (5) an je einen Fotoempfänger (7) angeschlossen sind, daß je zwei Fotoempfänger (7), die zu nicht benachbarten Streifen gehören, an eine gemeinsame Verstärkerschaltung (8) angeschlossen sind, daß die Verstärkerschaltung (8) die Differenz der beiden Eingangssignale verstärkt, ferner gekennzeichnet durch Mittel (9, 10) zur Eingabe der verstärkten Differenzsignale in eine Rechenanordnung (11), die aus dem Verhältnis zweier Differenzsignale mittels einer Arcus-Tangens-Funktion die absoluten Verschiebungen der Meßgitter bzw. verschiedener Stellen eines Meßgitters und daraus die Dehnung des Meßobjekts berechnet.
2. 2. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Dehnungsmeßgeräte (3, 4, 5) der in Anspruch 1 beschriebenen Art auf dasselbe oder dieselben Meßgitter (2) ausgerichtet sind, daß die optischen Achsen (12) der beiden Dehnungsmeßgeräte zueinander nicht parallel sind, ■ ferner gekennzeichnet durch eine beiden Dehnungsmeßgeräten ge- : meinsame Rechenanordnung (11), deren zusätzliche Aufgabe darin besteht, Verschiebungen des Meßobjekts in Richtung der Flächennormalen unter Berücksichtigung bekannter trigonometrischer

   COPY

   Zusammenhänge zu berechnen und den Einfluß solcher Verschiebungen auf das Ergebnis der Dehnungsmessung zu korrigieren.
3. 3. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch.ein Objektiv (3) mit variabler Brennweite, in dessen Bildebene sich eine Mattscheibe befindet, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mattscheibe als Träger zur Befestigung der Lichtleitfaserbündel (5) dient und mit Markierungen und/oder Strichgittern versehen ist.
4. 4. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät nach Anspruch 1, jedoch im Gegensatz zu Anspruch 1 gekennzeichnet durch mehrere Meßgitter (2) mit unterschiedlicher Orientierung sowie entsprechender Anordnung mehrerer Lichtleitfaserbündel (5), durch eine entsprechende Zahl von Fotoempfängern (7), Verstärkerschaltungen (8) und Mitteln (9) zur Eingabe in die Rechenanordnung (11).