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Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Querkontraktion einer länglichen
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Probe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Querkontraktion
einer länglichen Probe, wie einer Schulterprobe, wobei die Probe an ihren Enden
eingespannt und eine Spannung auf sie ausgeübt wird sowie eine Vorrichtung zur Messung
der Querkontraktion einer länglichen Probe mit einer Zugeinrichtung sowie einer
Einrichtung zur Messung der Breitenänderung der Probe.
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Zur Messung der Querkontraktion einer länglichen Probe, sei es eine
Schulterprobe oder einer Rohrprobe sind bisher mechanische Verfahren bekannt, die
mit Dehnungsmeßstreifen oder mit Wegaufnehmer arbeiten. Der Wegauf nehmer muß dabei
über ein Gestänge durch Ausgleichsmassen ähnlich dem Tonabnehmer eines Schallplattenspielers
genau austariert werden, so daß durch das Gewicht der Meßeinrichtung eine Rückwirkung
auf die Probe erfolgt. Es ist ein äußerst genaues Austarieren erforderlich; Erschütterungen
beim Messen müssen auf jeden Fall vermieden werden, da sonst das den Wegaufnehmer
tragende Gestänge in Bewegung kommt und damit die Messung ungenau wird. Der Wegaufnehmer
selbst, weist eine quer zur Probe freibewegliche Meßzunge mit einer Meßspitze auf,
die die Probe als Taster berührt. Über eine Justierschraube wird eine auch der Kalibrierung
zugrunde
liegende Vorspannung aufgebracht, die ausreichen muß, das
ausbalancierte System über die Meßspitze an der Probe zu fixieren. Abgesehen von
dem hohen Aufwand und der erforderlichen Genauigkeit, mit dem das System eingerichtet
werden muß, weist es weitere Nachteile auf. Zum einen bewegen sich bei der Ausübung
von Spannung der rauhe Rand der Probe über die Meßspitze hinweg, d.h. wenn die Meßspitze
im Ausgangszustand beispielsweise einen leichten, gegebenenfalls rur imum -Bereich
liegenden Höcker anlag, so kann dieser sich von der Meßspitze bei der Ausübung der
Zugspannung so fortbewegen, daß die Meßspitze in ein Tal am Probenrand zum Eingreifen
kommen. Hierdurch wird die gesamte Messung ungenau bzw. es ergeben sich erhebliche
Streuungen bei einer solchen Messung.
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Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Messung nur mit einer geringen
endlichen Geschwindigkeit durchgeführt werden kann, wobei bei bekannten Meßvorrichtungen
mit Dehnungsgeschwindigkeiten Yx mit bis zu 10 gearbeitet wurde (die Dehnung ist
die relative Längenänderung und damit dimensionslos). Da das Querkontraktionsverhalten
oder die Querkontraktion aber von der Dehngeschwindigkeit abhängt, weil bei langsam
erfolgenden Dehnungen insbesondere Kunststoffen plastisch ,nachkr i echen", kann
dann mit dieser Vorrichtung nicht das rein elastische Verhalten ermittelt werden;
auch können keine Schnellreißversuche durchgeführt werden.
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Zum vorstehend genannten Stand der Technik wird verwiesen auf Meßtechnische
Briefe 19 (1983, Heft 3, S.58ff).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahen und eine Vorrichtung
zum Messen der Querkontraktion zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeiden
und insbesondere weniger aufwendig und unempfindlicher gegen äußere Einflüsse sind
sowie Messungen mit höherer Dehnungsgeschwindigkeit erlauben.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Probe mit einem Lichtstrahl endiicher
Ausdehnung bestrahlt und der Lichtanteil hinter der Probe gemessen wird.
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Eine Vorrichtung zur Messung der Querkontraktion sieht vor, daß die
Einrichtung zur Messung der Breitenänderung der Probe eine vor der Probe angeordnete
Lichtquelle mit einer Abbildungsoptik und eine hinter der Probe auf einer durch
Lichtquelle, Abbildungsoptiken und Probe bestimmten optischen Achse angeordneten
Lichtempfänger aufweist.
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Durch das erfindungsgemäße optische Verfahren sowie die optische Vorrichtung
wird ein einfaches schnelles und genaues Messen der Querkontraktion möglich, das
gegen äußere Einflüsse , wie Erschütterungen nahezu unempfindlich ist. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren können Messungen mit höchster Genauigkeit und insbesondere
Auflösungen unter 1 um durchgeführt werden. Aufgrund der Einfachheit des Verfahrens
kann dieses auch in der industriellen Werkstoffprüfung eingesetzt werden, wo die
bisherigen aufwendigen mechanischen Verfahren nicht eingesetzt wurden, da sie aufgrund
ihres Aufwandes, der Erforderl ichkeit der Genauigkeit des Arbeitens sowie des Zeitaufwandes
nur in Wissenschaft und Forschung eingesetzt werden konnten, nicht aber zur regelmäßigen
Überwachung der Herstellung von Werkstoffen etc.. Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen
berührungslosen Verfahren keine nachteilige Rückwirkung der Meßanordnung auf die
Probe gegeben. Cas erfindungsgemäße Verfahren gestattet eine problemlose Meßwertverarbei
tung, mittels Operat i onsver -stärkern, da die Photoempfängeranordnung bereits
eine dem Meßwert proportionale Gleichspannung liefert. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße
Verfahren auch in einfacher Weise dazu eingesetzt werden5 die gemessene Querkontraktion
zum Steuern der Zugspannung in einem System, gegebenenfalls im Sinne eines Regelkreises
direkt einzusetzen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß Messungen mit
hohen Dehnungsgeschwindi gkeiten bis zu Schnell rei ßversuchen durchgeführt werden
können, womit das Kontraktionsverhalten von Werkstoffen im Bereich der Grenzbeanspruchungen
bei großen Z ugspannungsänderungen mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann. Darüberhinaus
kann durch das erfindungsgemäße
Verfahren das rein elastische Verhaiten,
d.h. die reine elastische Querkontraktion mit hoher Genauigkeit bestimmt werden,
ohne daß hierzu Extrapolationen der geschwind gkei tsabhäng i gen Querkontrakt i
onszah 1, die bei niedrigen Dehnungsgeschwindigkeiten neben dem Anteil I des elastischen
Verhaltens auch einen des plastischen Verhaltens enthält, notwendig sind.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen
vor, daß die Probe mit diffusen homogenen Licht bestrahlt wird und daß der auf die
Probe auftreffende Lichtstrahl aus einem breiteren Lichtstrahl ausgeblendet wird.
Die Breite des auftreffenden Lichtstrahls in Richtung der Erstreckung der Probe
wird dabei so gewählt, daß die Rauigkeiten im Randbereich der Probe ausgemittelt
werden. Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, daß die
Abbildungsoptik zumindestens einen den Lichtstrahl der Lichtquelle in einem Parallelstrahl
abbildende Linse aufweist. Die Ausblendung eines geeigneten schmalen Lichtstrahls
erfolgt dadurch, daß die Abbildungsoptik einen zwischen Probe und Lichtquelle angeordneten,
sich quer zur Längserstreckung der Probe erstreckenden Spalte aufweist. Zur Untersuchung
des Zugverhaltens, beispielsweise einer Rohrprobe o.dgl., können auch gleichzeitig
mehrere Messungen aus verschiedenen Richtungen durchgeführt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der eine Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen im einzelnen erläutert ist.
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Dabei zeigt: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figur 2 die perspektivische Darstellung einer
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwendenden Schulterprobe;
und
Figur 3 eine Ausschnittsdarstellung einer Sicht auf die Probe
(2) von der Lichtquelle (4) der Figur 1 her.
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Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Messender Querdehnung
einer Schulterprobe 2 im Zugversuch, weist Klemmeinrichtungen 3 zum Festklemmen
der Schulterprobe 2 auf. Die Klemmeinrichtungen 3 sind mit einer Zugeinrichtung
verbunden, über die sie mit wählbarer Geschwindigkeit voneinander fortbewegt werden
können. Auf einer Seite der Schulterprobe 2 ist ein Beleuchtungselement 4 , wie
beispielsweise eine herkömmliche Lampe angeordnet. Zwischen Schulterprobe 2 und
Lampe 4 ist eine Abbildungsanordnung 6 vorgesehen, die im einfachsten Falle aus
einer optischen Linse besteht, die den von der Beleuchtungseinrichtung 4 ausgesandten
Lichtstrahl in einen Paralieistrahl abbildet. Zwischen der Abbildung 6 und der Schulterprobe
2 ist dann weiterhin noch eine Ausblendeinrichtung 7 in Form eines Schlitzes vorgesehen,
die aus dem von der Abbildungsoptik 6 kommenden Parallel strahl einen schmalen Strahl
ausblendet, dessen Quererstreckung quer zur Ausrichtung der Schulterprobe verläuft.
Auf der der Beleuchtungseinrichtung 4 abgewandten Seite der Schulterprobe ist im
durch Beleuchtungseinrichtung 4, Abbildungsanordnung 6, Spalt 7 und Schulterprobe
2 bestimmten optischen Achse ein Photodetektor 8 angeordnet.
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Wird nun die Schulterprobe 2 von der Beleuchtungseinrichtung über
die Abbildungsanordnung 6 und den Schlitz 7 beleuchtet, so kann gegebenenfalls die
Länge des Schlitzes 7 derart eingestellt werden, daß 1 solange keinerlei Spannung
auf die Schulterprobe 2 ausgeübt wird, diese gerade den Schlitz 7 vollständig abdeckt,
so daß kein Licht auf den Lichtempfänger 8 fällt.Es kann auch ein elektronischer
Nullabgleich der Photospannung bei nicht ausgeübter Zugspannung erfolgen. Wird nun
eine Zugspannung auf die Schulterprobe 2 ausgeübt, so zieht sie sich aufgrund der
Querkontraktion hin zur Zugrichtung senkrechten Richtung zusammen, vermindert also
ihre Breite beispielsweise von b über b' nach b ", wodurch jeweils immer mehr Licht
über die
Bereiche F1 bei Breite b' und zusätzlich F2 bei Breite
b" auf den Lichtempfänger 8 fällt. Die zusätzlich auf den Lichtempfänger fallende
Lichtlänge ist dabei der Breitenänderung proportional aufgrund des auf die Probe
auffallen< Strahls mit dem Querschnitt eines gestreckten Rechtecks. Ist die Breitenänderung
von b nach b', also b - b' gleich der von b' nach b", also b' - b", so sind die
Flächenbereiche F1 und F2 ebenballs gleich, wobei diese Flächenbereiche die jeweils
durch die Querkontraktion bei der jeweiligen Breitenänderung von der Schulterprobe
weiter freigegebene Querschnittsfläche des Lichtstrahls angeben. Aus diesem Grunde
ist es auch nicht notwendig, die Länge des Spalts 7 so einzustellen, daß bei Ausübung
keiner Spannung kein Licht auf den Empfänger 8 fällt. Der Empfänger 8 und die das
von ihm empfangene Lichtsignal verarbeitende Elektronik kann vielmehr so geeicht
werden, daß auch bei auffal!endem Anfangslicht die Querkontraktion in Abhängigkeit
von Oer auffallenden Lichtmenge jeweils genau in Abhängigkeit von der ausgeübten
Zugspannung bestimmt werden kann.
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Wird vorstehend von Licht gesprochen, so kann es sich hierbei um sichtbares,
aber auch um nicht sichtbares, wie Infrarotlicht handeln.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
wird eine einfache und bequeme Möglichkeit geschaffen, die Querkontraktion einer
Probe zu bestimmen, insbesondere bei Schnellreißversuchen, bei denen die herkömmlichen
mechanischen Abtaster zu träge sind. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren
und die Vorrichtung mit Vorteil auf in der regelmäßigen Werkstoffprüfung in Industrielabors
eingesetzt werden, bei denen weder die Zeit besteht noch mit der Fräzision gearbeitet
werden kann, wie dies in Wissenschaft und Forschung möglich ist. Darüberhinaus gibt
die erfindungsgemäße Vorrichtung die Möglichkeit, bei dem Einsatz entsprechender
Werkstoffe in industriellen Verfahren, Betriebsabläufen etc. dazu zu nutzen, die
ausgeübte Zugspannung beispielsweise in einem Regelkreis zu steuern.
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In der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen
offenbarten Merkmal der Erfindung können sowohl einzeln als auch in geeigneter Kombinationen
für die Verwirkl;chung der Erfindung in ihren verschiederien Ausführungsformen wesentlich
sein.
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