DE3828943A1 - Kraftmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftmeßvorrichtung mit einem Verformungskörper und einem Interferometer, das eine ko­ härente Lichtquelle, einen Strahlteiler, einen Spiegel für jedes vom Strahlteiler kommende Strahlenbündel, ein optisches System zur Abbildung des Interferenzbildes und mindestens einen Detektor aufweist, dessen Signale einer elektrischen Auswerte- und Anzeigevorrichtung zugeführt werden.

Es ist eine Kraftmeßvorrichtung dieser Art bekannt (DE-PS 30 12 811), bei der der Verformungskörper als Schrauben­ feder ausgebildet ist, die einen feststehenden Grundkörper mit einem schwenkbaren Lastaufnahmeteil verbindet, dessen Auslenkung durch ein einarmiges Michelson-Interferometer gemessen und angezeigt wird. Das Interferometer besteht aus zum Teil verspiegelten und teildurchlässigen optischen Prismen und Platten, die ein kohärentes Strahlenbündel teilen und umlenken, wobei durch Überlagerung des abge­ teilten Strahles mit dem Referenzstrahl ein Interferenz­ bild von Detektoren erfaßt und unmittelbar ausgewertet wird. Mit diesem bekannten Meßwandler ist es zwar möglich, die Deformation des Verformungskörpers rasch zu messen und die Meßwerte unbeeinflußt durch elektromagnetische Felder zu übertragen und unmittelbar digital auszuwerten; der Verformungskörper hat jedoch eine verhältnismäßig große Auslenkung und im Inneren des Interferometers gibt es eine offene Luftstrecke für die Meß- und Referenz­ strahlen, die eine sorgfältige und schwierig herzustellen­ de Kapselung der Lastzelle erfordern. Dadurch, daß nur ein variabler Interferometerarm vorhanden ist, sind be­ sondere Einschränkungen in der Wahl des Federmaterials erforderlich, um die Temperaturabhängigkeit des Systems in Grenzen zu halten.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Lichtwellen­ leiter als faseroptische Sensoren zur Dehnungsmessung im µm-Bereich zu verwenden (Rainer Kist: Faseroptische Sen­ soren, FHG-Berichte 1-85, S. 25-31); die Anwendung dieses Vorschlages bei Kraftmeßvorrichtungen bereitet jedoch erhebliche Schwierigkeiten, da bei den gebräuchlichen Deformationskörpern für Wägezellen oder Kraftaufnehmer nur kleine Verformungen auftreten und die gewünschte hohe Meßgenauigkeit durch eine kleine Dehnung eines faser­ optischen Sensors nicht zu erreichen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu überwinden und eine Kraftmeßvorrichtung zu schaffen, die aus einfachen, ohne weiteres verfügbaren Teilen herge­ stellt werden kann, einen geringen Raumbedarf hat, explo­ sionssicher und unempfindlich gegen Umwelteinflüsse, z.B. elektromagnetische Störungen, ist und eine sehr rasche und genaue digitale Erfassung und Anzeige der zu messen­ den Lasten oder Kräfte ermöglicht. Insbesondere soll das sensorische Element selbst leicht bei Verformungskörpern angebracht werden können, die einen weiten Bereich von Nennlasten erfassen.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß der Spiegel am Ende eines Lichtwellenleiters (LWL) ange­ ordnet ist, der als Sensor auf der Meßfläche des rota­ tionssymmetrisch ausgebildeten Verformungskörpers spiral­ förmig aufgewickelt ist.

Durch diese Ausgestaltung gelingt es, einen Lichtwellen­ leiter von sehr großer Länge auf der Meßfläche eines ver­ hältnismäßig kleinen Verformungskörpers unterzubringen und schon bei verhältnismäßig kleinen Verformungen der Meßfläche große Dehnungen des LWL zu erreichen. Der in einer Spirale auf der Meßfläche angeordnete Lichtwellen­ leiter, der als variabler Arm eines Michelson-Interfero­ meters angesehen werden kann, erzeugt bei Dehnung oder Stauchung mit einem Referenzarm gleicher Ausgangslänge je nach Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes so viele Interferenzextrema, daß eine genügend feine Teilung erreicht wird, die für eine genaue Messung unerläßlich ist. Die Interferenzextrema können außerdem einfach ge­ zählt werden und liefern unmittelbar digitale Signale, die für die Anzeige verwendet werden können. Da der Sen­ sor ausschließlich mit Licht arbeitet, können sich elek­ tromagnetische Störfelder auf die Messungen nicht aus­ wirken und die Kraftmeßvorrichtung kann auch in explo­ sionsgefährdeten Räumen betrieben werden.

Als Verformungskörper ist jeder im wesentlichen rotations­ symmetrische Körper geeignet, der eine oder mehrere Flä­ chen aufweist, die bei Belastung des Körpers durch eine äußere Kraft hauptsächlich in tangentialer Richtung gedehnt oder gestaucht werden. Besonders zweckmäßig und meßtechnisch günstig ist es, wenn der Verformungskörper die Gestalt eines Biegerings hat und axial einander gegenüberliegende Meßflächen aufweist, auf denen Licht­ wellenleiter angeordnet sind, die an den Strahlteiler angeschlossen sind und deren reflektierte Strahlenbündel miteinander zur Interferenz gebracht werden. Bei einer solchen Ausführungsform wird die Meßgenauigkeit verdoppelt und die Störunempfindlichkeit der Wägezelle bedeutend erhöht. Meßgröße ist bei dieser Ausführungsform die Diffe­ renz der Änderungen der optischen Weglängen zwischen den auf der oberen und unteren Meßfläche angeordneten Licht­ wellenleitern, von denen bei Aufbringen einer Last der Lichtwellenleiter auf der oberen Meßfläche gestaucht und der Lichtwellenleiter auf der unteren Meßfläche um das gleiche Maß gedehnt wird. Da äußere Störgrößen, z.B. Temperatureinflüsse, in gleicher Weise auf beide Sensoren einwirken, heben sie einander auf und gehen deshalb nicht in das Meßsignal ein.

Um die Kraftmeßvorrichtung explosionssicher betreiben zu können, ist es zweckmäßig, wenn die Lichtquelle und die fotoelektrischen Detektoren entfernt vom Verformungs­ körper in der Anzeige- und Auswertevorrichtung angeordnet sind. Alle elektrisch betriebenen Teile können dann außer­ halb eines explosionsgefährdeten Raumes untergebracht werden, in dem sich die Wägezelle befindet, die mit den elektrisch betriebenen Teilen der Kraftmeßvorrichtung nur durch Lichtwellenleiter verbunden ist.

Eine besonders einfache und sichere Konstruktion ergibt sich, wenn der Strahlteiler eine besondere Konstruktions­ einheit ist, die einerseits Kupplungselemente zum An­ schließen der sensorischen Lichtwellenleiter des Verfor­ mungskörpers bzw. eines Referenzlichtwellenleiters und andererseits Kupplungselemente zum Anschließen der von der Lichtquelle kommenden und zum optischen Abbildungs­ system führenden Übertragungslichtwellenleiter aufweist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung durch schematische Darstellungen an einem Beispiel näher erläutert ist. Es zeigt:

Fig. 1 eine Kraftmeßvorrichtung in Form einer Wägezelle nach der Erfindung in einem diametralen Querschnitt und

Fig. 2 die Anordnung der faseroptischen Sensoren und ihr Anschluß an den Strahlteiler, an die Lichtquelle und die Empfängereinheit in einer schematischen Darstellung.

In Fig. 1 ist die Ringlastzelle 10 einer nicht näher dar­ gestellten Waage im Querschnitt dargestellt, die ein zur Mittelachse 11 rotationssymmetrischer Körper ist und aus einem äußeren Tragring 12 und einer inneren Lastplatte 13 besteht. In dem Zwischenraum zwischen der Lastplatte 13 und dem äußeren Tragring 12 ist ein ringförmiger Verfor­ mungskörper angeordnet, der im Querschnitt rechteckig ist und mit der Lastplatte 13 einerseits und dem äußeren Tragring 12 andererseits durch je einen schmalen Steg 15 bzw. 16 verbunden ist. Wenn auf die Lastplatte 13 eine Last P einwirkt, wird sie über den Verformungskörper 14 auf den Tragring 12 übertragen, der sich auf einer Unter­ lage 17 vollflächig abstützt und dort die Reaktionskraft R erzeugt.

Der Verformungskörper 14 hat eine obere Meßfläche 18 und eine untere Meßfläche 19. Auf der oberen Meßfläche 18 ist ein Lichtwellenleiter 20 und auf der unteren Meßfläche 19 ist ein Lichtwellenleiter 21 spiralförmig aufgewickelt, wie dies in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Das innere Ende 20 a bzw. 21 a eines jeden Lichtwellenleiters 20 bzw. 21 ist Plangeschliffen und verspiegelt, so daß am Ende 20 a bzw. 21 a des Lichtwellenleiters 20 bzw. 21 ankommende Lichtstrahlen an diesem Spiegel 22 bzw. 23 reflektiert werden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß in den schematischen Dar­ stellungen nur jeweils fünf Windungen eines jeden Licht­ wellenleiters dargestellt sind, daß aber in Wirklichkeit sehr viel mehr Windungen auf die obere und untere Meß­ fläche des Verformungskörpers aufgebracht werden können. Die Gesamtlänge eines jeden Lichtwellenleiters kann dabei mehrere Meter betragen. Handelsübliche Monomode-Licht­ wellenleiter, die einen Kerndurchmesser von 2-10 µ und einen Mantelaußendurchmesser von etwa 125 µ haben, werden mit ihren Windungen dicht an dicht liegend auf die Meß­ flächen 18 und 19 zweckmäßig aufgeklebt. Ihre äußeren Enden 20 b bzw. 21 b werden mit handelsüblichen Kupplungen 24 an hierzu passende Kupplungselemente 25 einer Konstruk­ tionseinheit 26 angeschlossen, die einen optischen Strahl­ teiler 27 enthält und auf der gegenüberliegenden Seite Kupplungselemente 28 zum Anschließen an Übertragungs- Lichtwellenleiter 29 aufweist, von denen der eine von einer Lichtquelle 30 kommt und von denen der andere zu einem optischen Abbildungssystem 31 b führt.

Lichtsender und -empfänger befinden sich gemeinsam in einer elektrischen Auswerte- und Anzeigevorrichtung 32, die entfernt von der eigentlichen Wägezelle 10 unterge­ bracht werden kann. Der Sender besteht aus einer kohären­ ten Lichtquelle 30 und einer nachfolgenden Optik 31 a zur Einkopplung des Lichts in den Übertragungs-Lichtwellen­ leiter 29 a. Der Empfänger enthält eine Auskoppeloptik 31 b zum Auskoppeln des Lichtes aus dem Übertragungs-Licht­ wellenleiter 29 b und Detektoren 33, die als Fotodioden ausgebildet sein können. In den Detektoren 33 wird das auftreffende Licht in seiner Intensität proportionale elektrische Signale umgewandelt, die von der Schaltung 35 ausgewertet und als digitale Signale der Anzeigeein­ richtung 34 zugeführt werden.

Das von der Lichtquelle 30 ausgesandte Strahlenbündel von kohärentem Licht wird in dem Strahlteiler 27 in zwei Strahlenbündel aufgeteilt, von denen das eine in den Lichtwellenleiter 20 und von denen das andere in den Lichtwellenleiter 12 eingekoppelt wird. Beide Strahlen­ bündel werden an den verspiegelten Faserenden 22 bzw. 23 reflektiert und laufen durch die Lichtwellenleiter 20 und 21 und den Strahlteiler 27 zurück, wo sie vereinigt werden.

Wenn auf die Lastplatte 13 eine Last einwirkt, wird der Verformungskörper 14 in die in Fig. 1 in unterbrochenen Linien dargestellte Lage verformt, in der sich seine obere Meßfläche 18 nach innen und seine untere Meßfläche 19 nach außen bewegt. Die auf der oberen Meßfläche 18 festgeklebten Lichtwellenleiter 20 werden hierdurch ge­ staucht, während die auf der unteren Meßfläche 19 spiral­ förmig aufgeklebten Lichtwellenleiter gedehnt werden. Das in den oberen Lichtwellenleiter 20 eingekoppelte Strahlenbündel legt deshalb einen kürzeren Weg zurück als das in den unteren Lichtwellenleiter 21 eingekoppelte Strahlenbündel, welches einen entsprechend längeren Weg zurücklegt. Bei der Vereinigung der beiden reflektier­ ten Strahlenbündel aus den Lichtwellenleitern 20 und 21 im Stahlteiler 27 kommt es zur Interferenz der beiden Teilstrahlungsbündel und entsprechend der Differenz der optischen Länge beider Wege zu einer Verstärkung der Lichtintensität oder zur Auslöschung des Lichtes, was dann über das optische Abbildungssystem 31 von den Detek­ toren 33 registriert und an die Anzeigevorrichtung weitergeleitet wird.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung als Interferometer mit zwei variablen Armen arbeitet und die Meßgröße die Differenz der Änderungen der optischen Weglängen in beiden Lichtwellenleitern ist, erhält man das doppelte Nutzsignal einer einarmigen Ausbildung, die natürlich auch möglich ist. Bei einer einarmigen Ausführung wäre nur auf einer der beiden Meßflächen ein spiralförmig angeordneter Lichtwellenleiter vorzusehen, der einer Deh­ nung oder Stauchung unterworfen wird. Der zweite Arm des Interferometers würde dann durch einen Referenz-Licht­ wellenleiter fester, vorzugsweise gleicher Länge wie der variable Arm gebildet.

Man erkennt, daß die Anzahl der Teilungswerte von der Länge der Lichtleiterstrecke auf dem Verformungskörper abhängig ist und daß die erreichbare Auflösung durch die Größe der Meßfläche, insbesondere von deren Durchmesser und ihrer radialen Breite und vom Durchmesser der Licht­ wellenleiter begrenzt ist.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschrie­ bene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind Änderungen und Ergänzungen möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können auch andere Empfängerelemente als Fotodioden verwendet werden und es ist möglich, für die Lichtwellenleiter anstelle von Steckverbindungen Spleißverbindungen vorzusehen und für die Übertragungs-Lichtwellenleiter sowohl Multimode- als auch Monomode-Lichtwellenleiter zu verwenden.

Claims (4)

1. Kraftmeßvorrichtung mit einem Verformungskörper und einem Interferometer, das eine kohärente Lichtquelle, einen Strahlteiler, einen Spiegel für jedes vom Strahlteiler kommende Strahlenbündel, ein optisches System zur Abbil­ dung des Interferenzbildes und mindestens einen Detektor aufweist, dessen Signale einer elektrischen Auswerte- und Anzeigevorrichtung zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (22 bzw. 23) am Ende (20 a bzw. 21 a) eines Lichtwellenleiters (20 bzw. 21) angeordnet ist, der als Sensor auf der Meßfläche (18 bzw. 19) des im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Verformungskörpers (14) spiralförmig aufge­ bracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verformungskörper (14) die Ge­ stalt eines Biegerings hat und axial einander gegenüber­ liegende Meßflächen (18 bzw. 19) aufweist, auf denen Licht­ wellenleiter (20 bzw. 21) angeordnet sind, die an den Strahlteiler (27) angeschlossen sind und deren reflektierte Strahlenbündel miteinander zur Interferenz gebracht werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquelle (30) und die fotoelektrischen Detektoren (33) entfernt vom Verfor­ mungskörper (14) in der Anzeige- und Auswertevorrichtung (32) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (27) eine besondere Konstruktionseinheit ist, die einerseits Kupplungselemente (25) zum Anschlie­ ßen der sensorischen Lichtwellenleiter (20, 21) des Ver­ formungskörpers (14) bzw. eines Referenz-Lichtwellen­ leiters und andererseits Kupplungselemente (28) zum An­ schließen der von der Lichtquelle (30) kommenden und zum optischen Abbildungssystem (31) führenden Übertragungs- Lichtwellenleiter (29) aufweist.