DE3734561A1

DE3734561A1 - Dehnungsmessverfahren

Info

Publication number: DE3734561A1
Application number: DE19873734561
Authority: DE
Inventors: Fu-Pen Prof Chiang
Original assignee: CHIANG FU PEN
Current assignee: CHIANG FU PEN
Priority date: 1986-10-14
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1988-04-21
Also published as: GB2197466B; GB8723975D0; US4722600A; GB2197466A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dehnungsmessung an Festkörpern (im folgenden auch Prüfkörper genannt).

Die Dehnungsmessung erfolgt heute zum überwiegenden Teil mit Hilfe von Dehnungsmeßstreifen nach dem Prinzip der elektrischen Widerstandsmessung. Wird der Dehnungsmeßstrei fen auf einen Prüfkörper aufgeklebt, so macht er die bei Belastung an der Meßstelle auftretenden Dehnungen oder Stauchungen mit, was zu einer elastischen Längung oder Kürzung des Widerstanddrahtes und als Folge davon zu einer Widerstandsänderung führt. Die Widerstandsänderung kann an einem Instrument, das eine Wheatstone-Brücke enthält, abgelesen und unmittelbar in eine Dehnung oder Spannung umgerechnet werden. Bei der Widerstands-Dehnungsmessung handelt es sich also um eine Kontaktmethode, bei der Wider standsdrähte unmittelbar auf dem Prüfkörper angebracht werden müssen.

Weiter ist es bekannt, Dehnungsmessungen mit Hilfe rein optischer Verfahren mit Hilfe von Moir´-Streifen durchzu führen. Bei dieser Moir´-Methode wird der Streifenabstand oder die Änderung der Streifenlage (Gradient) als Parameter zur Berechnung der Dehnung gemessen (vgl. Fu-Pen Chiang: "Moire Methods of Strain Analysis", Kapital 6 in Manual on Experimental Stress Analysis, März, 1978, herausgegeben von der Society of Experimental Mechanics, 3. Auflage). Bei der Ausmessung der geometrischen Streifenabstände und bei der Gradientenbestimmung von Streifenpositionen treten meßtechnische Probleme auf, die einer weiten Ver breitung der optischen Dehnungsmessung bisher entgegenstan den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Dehnungsmeßverfahren unter Verwendung von Moir´-Streifen zu entwickeln, das meßtechnisch einfach durchführbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Ansprüchen 1 und 6 angegebenen Verfahrensschritte vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprü chen.

Unter einem Gitter wird im folgenden ein geometrisches Muster von abwechselnd dunklen und hellen geraden Streifen mit konstanter Teilung verstanden, die beispielsweise auf einem Film- oder Glassubstrat aufgedruckt sein können. Werden zwei solcher Gitter mit leicht unterschiedlicher Teilung und/oder Ausrichtung optisch überlagert, entsteht ein Interferenzmuster, das sogenannte Moir´-Muster. Dieses Muster bildet eine räumliche Welle aus dunklen und hellen Streifen, deren Intensitätsprofil nahezu sinusförmig ist. Wenn nun eines der Gitter in einer senkrecht zu den Gitter linien verlaufenden Richtung bewegt wird, wandern auch die Moir´-Streifen, aber mit einer gegenüber der Bewegung erhöhten Geschwindigkeit. Wenn nun der kleine Unterschied in der Gitterteilung darauf zurückzuführen ist, daß eines der Gitter einer mechanischen Dehnung unterworfen wurde, kann die Dehnung gemäß der Erfindung durch Bestimmung der Phasendifferenz zwischen zwei Punkten der vorbeilaufen den Moir´-Streifen oder auch der Frequenz der vorbeilaufen den Moir´-Streifen an einem Punkt abgeleitet werden. Im konkreten Anwendungsfall wird eines der Gitter auf der Oberfläche des Prüfkörpers oder in dessen Inneren ange bracht, beispielsweise aufgeklebt oder eingraviert, und einer mechanischen Dehnung unterworfen. Weiter wird ein Referenzgitter dem Gitter des Prüfkörpers optisch überla gert, um die Moir´-Streifen zu bilden. Diese Überlagerung kann entweder durch unmittelbaren physischen Kontakt oder durch ein optisches Abbildungssystem erzeugt werden. In der sogenannten Phasenmethode werden zwei Fotoempfänger verwendet. Die bewegten Moir´-Streifen werden dadurch gebildet, daß das Referenzgitter entlang einer zu den Gitterstreifen senkrechten Richtung verschoben wird, wäh rend das Gitter auf dem Prüfkörper und die Empfänger räum lich festgehalten werden. Bei der Frequenzmethode wird nur ein Fotoempfänger verwendet. Die bewegten Moir´-Strei fen werden hier durch Verschiebung des Referenzgitters zusammen mit dem Fotoempfänger erzeugt. Die Phasen- bzw. Frequenz-Information der bewegten Moir´-Streifen kann entweder aus einer Darstellung dieser Signale auf einem Oszilloskop oder mit Hilfe eines elektronischen Phasen messers oder Frequenzzählers gemessen oder nach vorherge hender Digitalisierung der Signale in einem Computer bei spielsweise unter Anwendung einer Fourier-Transformation (FFT - fast Fourier transform) berechnet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in der Zeich nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1a eine Anordnung zur optischen Dehnungsmessung nach der Phasenmethode;

Fig. 1b ein gegenüber Fig. 1a abgewandeltes Ausführungs beispiel;

Fig. 2 ein Diagramm der Ausgangssignale der Fotoempfän ger nach Fig. 1a bzw. 1b;

Fig. 3 eine Anordnung zur optischen Dehnungsmessung nach der Frequenzmethode;

Fig. 4 ein Diagramm des Ausgangssignals des Fotoempfän gers nach Fig. 3;

Fig. 5 ein gegenüber Fig. 1a und 1b abgewandeltes Aus führungsbeispiel eines Dehnungsmessers in perspek tivischer Darstellung mit zugehörigem Diagramm der Ausgangssignale der beiden Fotoempfänger;

Fig. 6 ein gegenüber Fig. 3 abgewandeltes Ausführungs beispiel eines Dehnungsmessers in perspektivi scher Darstellung mit Diagramm des Ausgangssig nals des zugehörigen Fotoempfängers.

Die in den Fig. 1a und 1b schematisch dargestellten Anord nungen zur optischen Dehnungsmessung arbeiten nach der sogenannten Phasenmethode. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1a ist das Gitter GR 1 auf die Oberfläche des Prüfkörpers S aufgeklebt, aufzementiert oder eingraviert. Der Prüfkörper S wird in Richtung der beiden Pfeile einer mechanischen Belastung unterworfen. Das in seiner Struktur im wesentlichen dem körperfesten Gitter GR 1 entsprechende Referenzgitter GR 2 befindet sich auf einer mechanischen Vorrichtung, beispielsweise einem Objektträger, der paral lel in Kontakt oder in unmittelbarer Nähe zu dem Gitter GR 1 beispielsweise mit Hilfe eines Schrittmotors verschiebbar angeordnet ist. Die Beleuchtung der Gitter erfolgt mit einer nicht dargestellten Gleichstrom-Lichtquelle, die auf jeder Seite der betreffenden Gitter angeordnet sein kann. Die sich ergebenden Moir´-Streifen werden über eine Linse L auf eine Mattscheibe GG abgebildet. Hinter der Mattscheibe sind zwei Fotoempfänger D 1 und D 2 im Abstand d voneinander angeordnet. Wenn nun das Referenzgitter GR 2 in seiner Ebene mit konstanter Geschwindigkeit v senk recht zur Ausrichtung der Gitterlinien verschoben wird, laufen auf der Mattscheibe vor den beiden Empfängern D 1 und D 2 Moir´-Streifen vorbei, deren Ausgangssignale (Inten sität über Zeit) einen sinusförmigen Verlauf aufweisen, wie in dem Diagramm nach Fig. 2 dargestellt ist. Zwischen den beiden Wellen ergibt sich eine Phasendifferenz Φ.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1b ist die optische Anordnung dahingehend geändert, daß die beiden Gitter GR 1 und GR 2 in großem Abstand voneinander angeordnet sind. Das auf dem Prüfkörper befindliche Gitter GR 1 befindet sich in der Objektebene und das Referenzgitter GR 2 in der Bildebene der fotografischen Linse L. Das Referenzgit ter GR 2 befindet sich dabei in unmittelbarem Kontakt mit der Mattscheibe GG. Die beiden im Abstand d voneinander angeordneten Fotoempfänger D 1 und D 2 sind wiederum hinter der Mattscheibe angeordnet. Das Referenzgitter GR 2 wird entweder separat oder zusammen mit der Mattscheibe bei festgehaltenen Fotoempfängern D 1 und D 2 mit der Geschwin digkeit v verschoben.

Im folgenden wird zur Vereinfachung der Beschreibung die Vergrößerung des optischen Abbildungssystems mit eins angenommen (für andere Vergrößerungen muß noch ein Korrek turfaktor hinzugefügt werden). Aus der Phasendifferenz Φ der beiden Ausgangssignale der Fotoempfänger kann der Dehnungswert e gemittelt über den Abstand der beiden Em pfänger an den zugehörigen Stellen der Prüfkörperoberfläche wie folgt berechnet werden:

e = p Φ/360d

wobei p die Teilung des Referenzgitters (und des Gitters auf dem Prüfkörper ohne Dehnung) und d der Abstand zwi schen den Empfängern D 1 und D 2 bedeuten.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Dehnungsmessung nach der Frequenzmethode dargestellt. Die optische Anordnung ist ähnlich wie die in Fig. 1b mit folgender Ausnahme: Anstelle der beiden Fotoempfänger wird nur ein Fotoem pfänger D verwendet. Weiter sind das Referenzgitter GR 2, die Mattscheibe GG und der Fotoempfänger D starr mit einander verbunden, so daß sie nur als Einheit verschoben werden können. Wenn nun diese Einheit mit einer konstan ten Geschwindigkeit v senkrecht zu den Gitterstreifen verschoben wird, bewegen sich wiederum Moir´-Streifen an dem Fotoempfänger D vorbei. Das sinusförmige Ausgangs signal (Intensität über Zeit) ist in Fig. 4 dargestellt. Es hat eine charakteristische Frequenz f. Die Dehnung e an dem der Empfängerposition entsprechenden Punkt des Prüfkörpers ergibt sich aus folgender Beziehung:

e = 1 - fp/v = 1 - f/f _o = 1 - T _o/T

wobei p die Teilung des Referenzgitters (und des Gitters auf dem ungedehnten Prüfkörper), v die Vorschubgeschwin digkeit der Gitter-Mattscheibe-Empfänger-Einheit, f _o die Frequenz des Moir´-Signals bei unbelastetem oder mit einer Ausgangsbelastung beaufschlagtem Prüfkörper, und f die Frequenz des Moir´-Signals bei gedehntem Prüfkörper auf grund einer aufgewandten Belastung. T _o und T sind die Perioden des Signals, die den Frequenzen f _o und f ent sprechen.

Die in den Fig. 5 und 6 gezeigten Meßanordnungen ent sprechen denen der Fig. 1 und 2. Es wurde lediglich das optische Abbildungssystem weggelassen. Die Empfänger sind daher in unmittelbarer Nachbarschaft der Gitter angeord net. Im Falle der Anordnung nach Fig. 5 (Phasenmethode) wird das Referenzgitter relativ zum Prüfkörper und zu den Empfängern mit konstanter Geschwindigkeit v bewegt, während im Falle der Fig. 6 (Frequenzmethode) der Fotoem pfänger und das Referenzgitter gemeinsam mit der Geschwin digkeit v gegenüber dem Prüfkörper bewegt werden.

Die Phasendifferenz Φ oder der Frequenzwert f (und f _o) können auf verschiedene Weise bestimmt werden. Am ein fachsten lassen sich diese Parameter aus dem Oszilloskop bild der Signale ausmessen. Weiter können sie an einem Phasenmesser oder einem Frequenzzähler abgelesen werden. Bei höheren Genauigkeitsanforderungen werden die Ausgangs signale der Fotoempfänger mit Hilfe eines Analog-Digital wandlers digitalisiert und in einen Computer eingegeben. Unter Verwendung numerischer Filtermethoden kann hierbei das Signal/Rauschverhältnis verbessert werden. Durch An wendung einer Fourier-Transformation (FFT - fast Fourier transform) erhält man das Frequenzspektrum der Signale. Bei der Phasenmethode werden sowohl die Amplituden-Fre quenzverteilung als auch die Phasen-Frequenzverteilung für die beiden Signale erzeugt. Die Maximalwerte der Ampli tuden-Frequenzverteilung werden hierbei zur Lokalisierung der zugehörigen Phasensignale verwendet, deren Differenz dann zur Berechnung der Dehnungswerte herangezogen wird. Bei der Frequenzmethode wird dagegen der Maximalwert der Amplituden-Frequenzverteilung unmittelbar zur Berechnung der Dehnung herangezogen.

Bei einer Auswertung der Meßwerte nach der FFT-Methode (fast Fourier transform) können Dehnungswerte bis zu 1 Mi krodehnung gemessen werden.

Claims

1. Verfahren zur Dehnungsmessung an Prüfkörpern mit Hilfe eines auf die Oberfläche des Prüfkörpers aufgebrachten, aus einer Anzahl zueinander paralleler dunkler und heller Streifen mit im wesentlichen konstanter Teilung bestehenden ersten Gitters, eines im wesentlichen die gleiche Struktur wie das erste Gitter aufweisenden zweiten Gitters, einer die beiden Gitter beleuchtenden Lichtquelle und eines in der Nähe des zweiten Gitters angeordneten Fotoempfängers, bei welchem

- das von den beiden Gittern bei zueinander paralleler Ausrichtung ihrer Streifen abgegebene Licht überlagert und dem Fotoempfänger zugeleitet wird,
- das zweite Gitter zusammen mit dem Fotoempfänger im wesentlichen parallel zum ersten Gitter und im wesentlichen senkrecht zur Streifenrichtung bewegt wird, wodurch am Ausgang des Fotoempfängers ein oszil lierendes Intensitätssignal erhalten wird,
- und bei welchem die mittlere Frequenz des oszillie renden Intensitätssignals als Maß für die Dehnung des Prüfkörpers gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das oszillierende Intensitätssignal digitalisiert und einer Fourier-Transformation unterzogen wird, und
daß die mittlere Frequenz aus dem Amplitudenmaximum der hierdurch erhaltenen Amplituden-Frequenzverteilung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise auf einem Träger befindliche erste Gitter mit der Oberfläche des Prüfkörpers verbun den, vorzugsweise auf diese aufgeklebt oder aufzemen tiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß das Gitter in die Oberfläche des Prüfkörpers unmittelbar eingebraucht, vorzugsweise eingeritzt oder eingeätzt wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein opti sches Abbildungssystem, in dessen Objektebene das erste Gitter und in dessen Bildebene das zweite Gitter mit dem Fotoempfänger angeordnet sind.

6. Verfahren zur Dehnungsmessung an Prüfkörpern mit Hilfe eines auf die Oberfläche des Prüfkörpers aufgebrachten, aus einer Anzahl zueinander paralleler dunkler und heller Streifen mit im wesentlichen konstanter Teilung bestehenden ersten Gitters, eines im wesentlichen die gleiche Struktur wie das erste Gitter aufweisenden zweiten Gitters, einer die beiden Gitter beleuchtenden Lichtquelle und zweier in der Nähe des zweiten Gitters angeordneter Fotoempfänger, bei welchem

- das von den beiden Gittern bei zueinander paralleler Ausrichtung ihrer Streifen abgegebene Licht überlagert und dem Fotoempfänger zugeleitet wird,
- das zweite Gitter im wesentlichen parallel zum ersten Gitter und im wesentlichen senkrecht zur Strei fenrichtung bewegt wird, wodurch am Ausgang der einen vorgegebenen Abstand voneinander aufweisenden Foto empfänger oszillierende Intensitätssignale mit im wesentlichen gleicher Frequenz aber unterschiedlicher Phase erhalten werden,
- und bei welchem die mittlere Phasendifferenz zwischen den beiden oszillierenden Intensitätssignalen als Maß für die Dehnung des Prüfkörpers gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden oszillierenden Intensitätssignale digi talisiert und einer Fourier-Transformation (fast Fourier transform) unterzogen werden, und daß die mittlere Phasendifferenz aus dem dem Amplitudenmaximum entsprechenden Phasenwert der hierdurch erhaltenen Amplituden-Frequenz- sowie Phasen-Frequenzverteilungen ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Gitter unmittelbar nebeneinander angeordnet werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise auf einem Träger befindliche erste Gitter mit der Oberfläche des Prüf körpers verbunden, vorzugsweise auf diese aufgeklebt oder aufzementiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gitter in die Oberfläche des Prüfkörpers unmittelbar eingebracht, vorzugsweise eingeritzt oder eingeätzt wird.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch ein opti sches Abbildungssystem, in dessen Objektebene das erste Gitter und in dessen Bildebene das zweite Gitter und die Fotoempfänger angeordnet sind.

12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch ein opti sches Abbildungssystem, in dessen Objektebene das erste und zweite Gitter und in dessen Bildebene die Fotoempfänger angeordnet sind.