DE3309951C2

DE3309951C2 - Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät mit berührungsloser Abtastung eines oder mehrerer am Meßobjekt angebrachter Meßgitter

Info

Publication number: DE3309951C2
Application number: DE19833309951
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. 1000 Berlin Knapp
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 1983-03-19
Filing date: 1983-03-19
Publication date: 1986-01-23
Also published as: DE3309951A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Dehnungsmeßgerät zur berührungslosen Messung von Dehnungen mittels optischer Abtastung zweier am Meßobjekt angebrachter Meßgitter. Nach dem Hauptanspruch werden die Meßgitter auf die Enden von zwei Lichtleitfaserbündeln abgebildet. Die Fasern jedes Bündels bilden ein vierphasiges Referenzgitter gemäß Fig. 2 und sind dementsprechend am gegenüberliegenden Ende zu 4 Teilbündeln zusammengefaßt, an die je ein Fotoempfänger angeschlossen ist. Aus den Signalen der Fotoempfänger kann mittels einer Arcus-Tangens-Funktion die Verschiebung des Meßgitters berechnet werden. Die Dehnung läßt sich aus der Differenz der Verschiebungen zweier Gitter berechnen. Die Unteransprüche beziehen sich auf - eine Anordnung zweier Dehnungsmeßgeräte zur rechnerischen Kompensation von Abstandsänderungen, - die Ausstattung des Gerätes mit einem Zoom-Objektiv und einer Mattscheibe mit Strichgittern als Hilfsmittel zur Justage, - die Verwendung von "Rosetten"-Gittern zur mehrachsigen Dehnungsmessung. Vorteilhaft ist die hohe Auflösung trotz grober Meßgitter, was die Herstellung der Gitter und deren Verwendbarkeit für extreme Umgebungsbedingungen begünstigt.

Description

punktformigen Eindrücken (Sharpe, W. N.: Applications of the interferometrie strain/displacement gage. Optical Engineering, 21,1982, H. 3, S. 483-488), an zufälligen Unregelmäßigkeiten (Speckle Interferometrie) (Yamaguchi, I.: A Laser-speckle strain gauge. Sei. Instrum. 14,1981, S. 1270-1273, Yamaguchi, I.: Simplified laser-speckle strain gauge. Optical Engineering, 21, 1982, H. 3, S. 436-440) oder an Strichgittem (Dorenwendt, K. et al.: Dshnungsmessungen mit Lasern. Feinwerktechnik und Meßtechnik 88,1980, H. 1, S. 31-33) entstehen. Bei allen Verfahren dieser Art wirken sich Lageänderungen des Meßobjekts als sehr störend aus; tangential Verschiebungen sind - mit Ausnahme des Strichgitterverfahrens (Dorenwendt, K. et al.: Dehnungsmessungen mit Lasern. Feinwerktechnik und Meßtechnik 88,1980, H. 1, S. 31-33) - 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 sintf interferenzoptische Dehnungsmeßverfahren wegen der aufwendigen und sperrigen Versuchsaufbauten bisher nicht geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optoelektronisches Dehnungsmeßgerät mit berührungsloser Abtastung eines oder mehrerer am Meßobjekt angebrachter Meßgitter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welches mit geringem Aufwand die Verschiebungen an mindestens zwei Stellen des Meßobjekts zu messen gestattet und im Hinblick auf die daraus zu ermittelnden Dehnungen eine ausreichende Auflösung und Linearität besitzt, so daß Lageänderungen des Meßobjekts wenig Einfluß haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

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 Abbildung:optik wirken sich nicht als Linearitatsfehler aus, da die Lage der Meßpunkte in der Bildebene unveränderlich ist.

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

Das DchnungsmcBgcriii enthält keine mechanisch bewegten Teilt 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 Meßgiit;' auch gröbere Teilungen besitzen, wodurch deren Herstellung erleichtert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Darstellungen in F i g. 1 bis F i g. 4 erläutert. Dargestellt wird i η Fig. 1 der prinzipielle Aufbau des optoelektronischen Dehnungsmeßgerätes,

F i g. 2 die Anordnung der Lichtleitfasern in der Stirnfläche eines Lichtleitfaserbündels,

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

Fig. 4 eine Meßgitter-Rosette für die zweiachsige ίο Dehnungsmessung.

Entsprechend Fig. 1 werden zwei am Meßobjekt (1) angebrachte, beleuchtete Mcßgitler(2) mit Hiifo 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 Teilbüudel (6) gehören. Dieses System aus 4 ineinandergeschachtelten Gittern wird im folgendem als vierphasiges Refeünzgitter bezeichnet

An jedes Teilbündel (6) ist ein Fotoempfänger (7) angeschlossen. Je zwei Fotoempfänger (7) sind mit einem Differenzverstärker (8) verbunden; der Differenzverstärker bildet die Differenz der verstärkten Signale, die zu nicht benachbarten Streifen gehören. Demnach sind jedem Faserbündel (5) zwei Differenzverstärker (8) zugeordnet. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker werden über einen 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 Lichtleitfa serbündel 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 χ die ^verschiebung des Meßgitters (2) und x" die Ortskoordinate senkrecht zu den Linien des Meßgitter-Bildes, so läßt sich die Beleuchtungsstärke E als Funktion von χ und x¹ folgendermaßen beschreiben: 45

E(x, X)=E. + E-sinimx + x^). (1)

Dabei ist E. der Gleichanteil und E die Amplitude des Wechselanteils, m ist der Maßstabsfaktor der opti sehen Abbildung. Es sei vorausgesetzt, daß das Meßgit ter (2) auf die Stirnfläche (4) so abgebildet ist, daß das Bild des Meßgitters einerseits und das Referenzgitter andererseits zueinander parallel sind und die gleiche GLterkonstante besitzen. Ferner soll vereinfachend angenommen werden, daß die Streifen (a, h, c und d) des Referenzgitters unendlich schmal sind; dann können entsprechend Fig. 3 die Stellen, an denen die Streifen (β bis d) wirksam sind, durch Punkte auf der V-Achse dargestellt wurden. Außerdem sei angenommen,

daß die 4 Teilbündel (α bis d) gleiches Übertragungsverhalten und die 4 Fotoempfänger gleiche Empfindlichkeiten besitzen. Unter diesen Voraussetzungen sind die vier Ausgangssignale der Fotoempfänger:

/„ = /. + ΐ■ sin (m -χ),

it, = /, + / · sin (ffj · A^- + /τ/2),

/rf = /_-+/· sin im ■ χ + — π J .

Die Differenz der beiden zu nicht benachbarten Streifen gehörenden Signale ergibt

,

;„-/', = 2 ■ / · sin (m ■ x)A .,,

i_h-i,i = 2 · / · cos (m ■ x).\

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

χ = — · arctan (^^). (4)

m \h - /rf/

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

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

Als optische Abbildungssysteme (3) eignen sich vorzugsweise Objektive mit variabler Brennweite, die durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes eine bequeme Angleichung der Gitterkonstanten des Meßgitter-Biides 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 Moire-Effekts kontrollieren zu können, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung a!s Träger für die Lichtleiter-Enden eins Mattscheibe mit Strichgittern in der Umgebung der Lichtleiter-Enden verwendet. Diese Strichgitter haben die gleiche Gitterkonstante und die gleiche Orientierung wie die Referenzgitter innerhalb der Stirnflächen (4).

Für mehrachsige Dehnungsmessungen kann das Gerät nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mit mehr als zwei Lichtleiterfaserbündeln (5) und entsprechend vielen Teilbündeln (6), Fotoempfängern (7) und Mitteln zur Eingabe (9 und 10) ausgerüstet werden. In Fig. 4 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

60

Claims

1 2 Das Hauptproblem der optoelektronischen Deh- Patentansprüche: nungsmessung besteht darin, daß Temperatur- und Laständerungen translatorische oder rotatorische

1. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät mit Bewegungen des Meßobjekts als Ganzes relativ zum berührungsloser Abtastung eines oder mehrerer am 5 Meßgerät verursachen; solche Verschiebungen können Meßobjekt (1) angebrachter Meßgitter (2) mit min- u. U. wesentlich größer sein als dia durch Dehnung herdestens einem optischen Abbildungssystem(3), einem vorgerufenen relativen Abstandsänderungen zweier Fotoempfänger (7) zur Umwandlung des Licht- eng benachbarter Punkte der Oberfläche» insbesondere Stroms in ein analoges elektrisches Signal, einem dann, wenn das Meßgerät mit dem Meßol jekt nicht Verstärker und einer Auswerteeinheit, dadurch io starrverbundenwerdendarf.z.B.ausGründendertherge kennzeich η et, daß das optische Abbildungs- mischen Isolierung, der Schwingungsisolierung oder system (3) zur Abbildung der Meßgitter (2) auf die weil Rückwirkungen auf das Meßobjekt vermieden wer-Stimflächen (4) von Lichtleitfaserbündeln (5) aus- den sollen.

gebildet ist, daß innerhalb der Stirnflächen (4) die Im folgenden werden ausgehend vom Stand der Tech-Enden der einzelnen Lichtleitfasern ein Referenz- ?5 nik die Nachteile bekannter optoelektronischer Dehgitter bilden, derart, daß die Stirnflächen in gleich mingsmeßgeräte mit berührungslosem Prinzip erläubreite, zueinander parallele Streifen aufgeteilt sind tert.

und alle Fasern eines Streifens mit denen des viert- Ein optisch-elektromechanisches Extensometer mit nächsten Streifens, des achtnächsten Streifens usw. Servo-Nachführung zweier Infrarot-Detektoren (Proam entgegengesetzten Ende des Lichtleitfaserbün- 20 spekt der Fa. J. J. Lloyd Instruments, England), die der dels jewcHs zu einem Teilbündel (6) zusammenge- Bewegung zweier am Meßobjekt angebrachter Marken faßt sind, daß an den Enden dieser so entstehenden folgen, ist zwar aufgrund der großen Verfahrbereiche 4 Teilbündel jeweils ein Fotoempfänger (7) angeord- und der Parallelführung der beiden optischen Achsen net ist, daß die Verstärker als Differenzverstärker (8) relativ unempfindlich gegenüber Längs- und Querbeausgebildet sind, die derart geschaltet sind, daß 25 wegungen des Meßobjekts; der Auflösung und der jeweils die Differenzen der beiden zu nicht benach- Signalbandbreite sind jedoch durch die Ungenauigkeit harten Streifen gehörenden elektrischen Signale der Parallelfuhrurg bzw. durch die langsame Nachfühverstärkbar sind und daß Mittel (9,10) zur Eingabe rung enge Grenzen gesetzt. Das Gerät wird deshalb vorder Verstärkerausgangssignale in eine als Rechen- zugsweise für die Messung großer, langsam verändert ianordnung (11) ausgebildete Auswerteeinheit vor- 30 eher Dehnungen eingesetzt,
gesehen find. Ein elektro-optisches Extensometer mit zwei festste-

2. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät nach henden, parallel angeordneten Wegmeßgeräten (Pro-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spekt der Fa. Zimmer OHG, Rossdorf) besitzt zwar eine optische Abbildungssystem (3) eine variable Brenn- für viele Anwendungsfälle ausreichende Auflösung und weite besitzt und daß in dest α Bildebene sich eine 35 Bandbreite; die Linearitätsfehler der beiden Einzelsy-Mattscheibe befindet, die als Träger zur Befestigung sterne und die relativ engen Aussteuergrenzen machen der Lichtleitfaserbündel (5) dient und mit Markie- dieses Prinzip jedoch ungeeignet für solche Anwenrungen und/oder Strichgittern versehen ist. dungsfälle, bei denen die beiden Meßmarken große

3. Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät nach Gleichtaktbewegungen ausführen.

einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn- 40 Beide o.g. Gerätesysteme sind wegen ihres hohen

zeichnet, daß zur Abtastung mehrerer Meßgitter (2) Aufwandes für mehrkanalige Messungen meist unge-

mit unterschiedlicher Orientierung eine entspre- eignet

chende Anordnung mehrerer Lichtleitfaserbündel Ferner ist ein Verfahren zur Sichtbarmachung elasti-

(5), eine entsprechende Zahl von Fotoempfängern scher Verformungen an unregelmäßig bewegten Objek-

(7), Differenzverstärkern (8) und Mitteln (9) zur Ein- 45 ten (DE-OS 22 34 213) bekannt, bei dem es sich im Prin-

gabe in die Rechenanordnung (U) vorgesehen sind. zip um ein mit der Bewegung des Objekts synchronisiertes Stroboskop handelt. Ein am Objekt angebrachtes

Strich- oder Punktraster wird dabei sowohl zur Sichtbarmachung der VeiFormungen als auch in Verbindung mit

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Deh- 50 zwei binären optischen Sensoren und einer Verknüpnungsmeßgerät mit berührungsloser Abtastung eines fungslogik zur Synchronisierung der Beleuchtung oder mehrerer am Meßobjekt angebrachter Meßgitter benutzt. Die zur Sichtbarmachung des verformten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Rasters vorgeschlagenen Bildaufnahmegeräte, insbe-Messungen von Dehnungen an Probekörpern, Bau- sondere eine Filmkamera mit Monitor, besitzen jedoch teilen, Maschinen, Rohrleitungen oder Behältern sind 55 für die genaue Ermittlung kleiner Dehnungen eine oft unter erschwerenden Umgebungsbedingungen nicht ausreichende Auflösung. Eine zusätzliche durchzuführen. Extreme Temperaturen oder starke Meßeinrichtung (DE-OS 22 34 213, Anspruch 4, elektromagnetische Störfelder können die Meßgenauig- Fig. 4), bei der das Meßobjekt in einen getriggerten keit und die Funktion der Meßeinrichtung u. U. erheb- Lichtstrahl rechteckförmigen Querschnitts teilweise lieh beeinträchtigen. Solche Störeinflüsse lassen sich 60 hineinragt, ermöglicht zwar die Messung von Dickenänbekanntlich mit Hilfe berührungsloser optischer Ver- derungen und Ausbeulungen, nicht aber die Messung fahren weitgehend vermeiden; dabei werden die Ver- von zur Oberfläche tangentialen Dehnungen.
Schiebungen bestimmter Markierungen an der Ober- Bekannt sind ferner interferenzoptische Dehnungsfläche des Meßobjekts, z. B. Schwarz-Weiß-Kanten, meßverfahren mit der Auswertung von Beugungsmu-Punkte, Meßgitter oder vorhandene Unregelmäßigkei- 65 stern, die bei der Reflexion von monochromatischem ten, mittels optischer Abbildungssysteme und opto- Licht an eng benachbarten Doppelstrichen (Sharpe, W. elektronischer Wandler in elektrische Signale umge- N.: A Short-gage-length Optical Gage for Small Strain, setzt. Experimental Mechanics, 1974, S. 373-377), an zwei