DE3932056A1

DE3932056A1 - Optoelektronische oberflaechenschwingungs-messanordnung mit einer reflexionslichtschranke

Info

Publication number: DE3932056A1
Application number: DE19893932056
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr Rer Nat Preuss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-09-26
Filing date: 1989-09-26
Publication date: 1991-04-04

Description

Die Messung von Oberflächenschwingungen ist von Interesse bei Schall abstrahlenden Flächen. Die meisten bekannten Meßverfahren zum Nachweis der Schwingungen von Festkörperoberflächen setzen einen großen und kostspieligen apparativen Aufwand voraus, z. B. an Lasern und Elektronik. Speziell in bezug auf diese Erfindung ist bereits das Verfahren bekannt, mit Hilfe der Strom-Abstands-Charakteristik einer optoelektronischen Meßanordnung Oberflächenschwingungen nachzuweisen. Dies zeigt die Messung mit Lichtleitfaser-Abstandssensoren (a) (W. Jüptner et al., Laser 85 Optoelectronik, Springer (1986) 198), wo allerdings ein kleiner Abstand zwischen der schwingenden Oberfläche und de Lichtleitfaserende notwendig ist. Die GRIN-Stab Linsensystem-Meßanordnung (b) (S. D. Cusworth und J. M. Senior, J. Phys. E: Sci. Instrum. 20 (1987) 102) ermöglicht größere Abstände, dafür nimmt jedoch die Steilheit der Charakteristik ab.

Die vorliegende Erfindung stellt eine technische Verbesserung dar, insofern, als diese zeigt, daß man auch mit einer Zusammenstellung von einfacheren, handelsüblichen elektronischen Komponenten Oberflächenschwingung, die Schall abstrahlen, messen kann. Diese Meßanordnung enthält als wesentliches Teil eine Reflexionslichtschranke (RLS), die auch mit Taschenlampenbatterien betrieben werden kann. Reflexionslichtschranken werden als optoelektrische Abtast- und Schalt-Einrichtungen eingesetzt. Der Arbeitsabstand zwischen der RLS und der schwingenden Oberfläche ist relativ groß. Die Ausgangsströme bei Reflexionslichtschranken können relativ zu denjenigen in den Referenzen (a) und (b) groß sein, so daß meistens nur ein Vorverstärker notwendig ist, um das Meßsignal mit einem Oszilloskop aufzuzeichnen oder digital erfassen zu können.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar zur punktuellen Messung der Schwingungen von Festkörperoberflächen. Die zur Messung benötigte Fläche liegt im qmm-Bereich. Die Schwingungsamplituden erstrecken sich vom µm- bis in den mm-Bereich. Die Schwingungs-Frequenzen reichen von 0 Hz bis in den 10 kHz-Bereich und umfassen vorzugsweise den Tonfrequenzbereich von 20 Hz bis 20 kHz. Das Verfahren ist ein optisches und daher kontaktlos zwischen der Meßanordnung und der Oberfläche. Die Erfindung ermöglicht den Bau eines preisgünstigen Gerätes, mit dem vorzugsweise im technischen Bereich, so zum Beispiel unabhängig von der Form, der Größe, der Beschaffenheit und der Lage der Oberfläche, deren Schwingungen gemessen werden können. Dabei ist gedacht an Maschinen aller Art wie Autos und Fluggeräte, aber auch an Musikinstrumente und anderen Schallquellen bzw. schwingenden Gegenständen wie Brücken. Da aus den Schwingungseigenschaften eines Körpers auch die physikalischen Eigenschaften abgeleitet werden können, ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten allgemein im Materialprüfungs-Bereich.

Durch eine Verschiebung der RLS parallel zur Oberfläche oder durch Verschieben der schwingenden Oberfläche mittels einer geeigneten Vorrichtung können die Lagen der Schwingungsbäuche und der Schwingungsknoten ermittelt werden. Bei speziellen Geometrien der schwingenden Oberflächen und speziellen Anwendungsbereichen dieser Meßmethode zeigt der Stand der Technik, daß die Oberfläche des schwingenden Teiles abgerastet werden kann, wodurch man mit geeigneten Zusatzgeräten eine Aufzeichnung der Schwingungsbäuche und Schwingungsknoten erhält, was den Chladnischen Figuren entspricht (s. Ref. (a)).

Es kann bei gleichzeitiger Benutzung von zwei Reflexionslichtschranken die Phasenverschiebung der Schwingungen an zwei verschiedenen Punkten festgestellt werden. Zwischen dem Wellenerreger und dem Meßpunkt der RLS an einem Wellenleiter kann entsprechend die Phasenverschiebung, das Amplitudenverhältnis oder bei Wellenimpulsen deren Laufzeit gemessen werden. Die Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von schematischen Zeichnungen erläutert, wobei ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung erkennen läßt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Zeichnung der RLS,

Fig. 2 die Strom-Abstands-Charakterisik und

Fig. 3 ein Schaltbeispiel.

Fig. 1 zeigt schematisch eine RLS 1 (Typ HOA 1404, Honeywell). Diese besteht aus einem GaAs infrarot Emitter E, einem Si npn Phototransistor T sowie aus zwei optischen Linsen L. Die Linse am Emitter E fokussiert das Licht R auf den Reflektor 2. Die andere Linse sammelt das reflektierte Licht und bestrahlt damit den Phototransistor T. Die Teile T, E und L sind integriert durch eine hermetische Versiegelung zusammengebaut. Es ist D der Abstand zwischen der RLS 1 und dem Reflektor 2. Der Reflektor ist entweder die schwingende Oberfläche selbst oder ein reflektierendes Plättchen, z. B. ein Metallspiegel, eine Aluminiumfolie oder eine reflektierende Beschichtung, die an der Oberfläche haften. I ist der Strom, der im Tran sistor beim Anlegen einer Spannung fließt. Eine geeignete Befestigung, die hier nicht gezeigt ist, sollte zum Justieren der RLS vorhanden sein. Diese Halterung muß schwingungsmäßig von der Oberfläche 2 entkoppelt sein. Wenn der schwingende Körper eine große Masse hat, ist es auch möglich, umgekehrt die RLS 1 auf diesen Körper zu befestigen und den Reflektor 2 diesem schwingungsfrei gegenüber zu stellen.

Fig. 2 zeigt eine typische Strom-Abstands-Charakteristik der RLS. Die Ströme I und die Abstände D sind vorzugsweise bei dieser RLS groß und liegen im speziellen Beispiel im mA- bzw. im mm-Bereich. Die Kurvenform und der Maximalwert von K hängen von den optischen Refelxionseigenschaften des Reflektors 2 ab. Das Reflektionsvermögen von 2 sollte an allen Meßpunkten gleich sein, damit unterschiedliche Reflexionseigenschaften die Schwingungsmessungen nicht stören. Das gleiche gilt für den mittleren Abstand D_O. Im allgemeinen ist D_O der Abstand ohne Schwingung. Dieser sollte an jedem Meßpunkt gleich sein, damit die Oberflächentopographie die Schwingungsmessungen nicht stört. Der Abstand D_O kann durch geeignete Hilfsmittel wie Distanzstücke eingestellt werden.

P₁ und P₂ sind geeignete Arbeitspunkte bei Abständen D_O von etwa 4 mm und 7 mm. In der Nähe dieser Punkte ist die Steilheit S der Kurve K besonders groß und der Kurvenverlauf linear. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Schwingungsnachweises gesteigert und die Schwingung verzerrungsfrei aufgenommen. Es ist S = |ΔI|/ΔD|, wobei ΔI die Stromänderung bei der Abstandsänderung ΔD ( = Schwingungsbreite) ist. Im speziellen Beispiel ist ΔI = 0,375 mA bei ΔD = 2,5 mm. Also ist S = 0,15 mA/mm. Bei einer Schwingungsamplitude von 0,5 µm, d. h. ΔD = 1 µm, ist die Stromschwankung ΔI = S*ΔD = 0,00015 mA.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbeispiel für die Messung der Schwingung einer Lautsprechermembran 13. Die von dem Oszillator G Teil 11 erzeugte Schwingung wird über einen Leistungsverstärker 10 dem Schwingungserreger 12 zugeführt. 9 ist ein Gleichspannungsnetzgerät zur Stromversorgung von 10. Der eigentliche Teil der als Patent beanspruchten Meßanordnung sind die Teile 1-8. Darin sind 6, 7 und 8 Gleichspannungsquellen, die z. B. Batterien oder Gleichspannungsnetzgeräte sein können. Eine Regelung der Gleichspannungsquellen 6, 7 und 8 ist für die Einstellung der Nachweisempfindlichkeit von Schwingungen nützlich. Teil 3 ist ein Vorschaltwiderstand für den Lichtemitter E in 1 und Teil 4 ist der Abgreifwiderstand für die Meßspannung im Stromkreis des Sensors T in 1. Teil 5 ist ein regelbarer Vorverstärker. Eine geeichte Einstellbarkeit bzw. Regelung der Teile 6, 7, 8 und 5 ist für quantitative Messungen notwendig. Der Stand der Technik läßt es erwarten, daß alle oder einige der Teile 1, 3, 4, 5, 6 und 7 so klein gestaltet werden können, daß diese in einem Sensorkopf zusammengefaßt werden können. Die RLS 1 in solch einem Sensorkopf kann z. B. bei Beschädigung leicht ausgewechselt werden.

Mit dem Zweistrahloszilloskop 14 können der Kurvenverlauf der erregenden Spannung von 12 und die verstärkte Spannung des Sensors T aufgezeichnet werden. Wenn eine der beiden Kurven den Triggerimpuls auslöst, kann die Phasendifferenz der Schwingungen bestimmt werden. Auf dem Oszilloskop können die Amplitude, die Form und die Frequenz der vom Sensor registrierten Schwingung meßbar dargestellt und mit dem Eingangssignal des Erregers verglichen werden. Damit ist das Amplitudenverhältnis, die Schwingungsform- und die Frequenz-Änderung feststellbar. Dies zu belegen, zeigt folgendes Rechenbeispiel: Bei einem Abgreifwiderstand 4 von 8000Ω und einer Schwingungsamplitude von 0,5 µm mit einer Stromschwankung von 0,00015 mA ist die abgegriffene Spannungsschwankung ΔU = 8000*0,00015 = 1,2 mV. Wenn der Vorverstärker einen Verstärkungsfaktor von 150 besitzt, dann ist die Eingangsspannungsschwankung am Oszilloskop 0,18 V. Es wird also eine gut meßbare sich periodisch verändernde Schwingungskurve erzeugt mit einer Amplitude von 0,09 V. Es ist nach dem heutigen Stand der Technik denkbar, daß z. B. zur Erfassung spezieller Meßdaten andere Geräte, z. B. Computer oder digitale Meßgeräte anstelle von 14 benutzt werden.

Eine andere Schaltung ergibt sich, wenn die Verbindung des Schwingungserregers 12 zum Oszilloskop 14 entfernt und ersetzt wird durch die Verbindung einer gleichen Meßanordnung wie die Teile 1 bis 8. Es können dann an zwei verschiedenen Punkten auf Teil 13 oder an zwei verschiedenen Oberflächen die Schwingungen gemessen und verglichen werden.

Claims

1. Meßanordnung mit einem Oszilloskop und/oder mit analogen bzw. digitalen Meßwert-Erfassungsgeräten zum Nachweis von Oberflächenschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Meßanordnung die RLS 1, die Widerstände 3 und 4, die Spannungsquellen 6, 7 und 8 sowie den Verstärker 5 und den Reflektor 2 enthält.

2. Meßanordnung zum Nachweis von periodischen Oberflächenschwingungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsquellen 6, 7 und 8 als auch der Verstärker 5 geeicht regelbar bzw. einstellbar sind.