DE4002293A1

DE4002293A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von verformungen an proben oder pruefkoerpern in pruefmaschinen

Info

Publication number: DE4002293A1
Application number: DE19904002293
Authority: DE
Inventors: Andreas Ing Grad Pohl
Original assignee: Carl Schenck AG
Current assignee: Carl Schenck AG
Priority date: 1990-01-26
Filing date: 1990-01-26
Publication date: 1991-08-01
Anticipated expiration: 2010-01-27
Also published as: JPH03226614A; DE4002293C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüfkörpern in Prüfmaschinen, bei dem durch eine Relativbewegung zweier im Abstand an einer Probe bzw. dem Prüfkörper angebrachter Elemente einer Meßanordnung berührungslos ein Meßsignal hervorgeru fen wird.

Bei einem bekannten Verfahren zur Messung von Verformungen an Prüfkörpern (US 23 56 763) sind zwei Meßelemente im Abstand der Meßbasis am Prüfkörper befestigt. Der sich verändernde Abstand der Meßeemente zueinander wird elektromagnetisch erfaßt und ausgewertet. Da die Meßele mente eine relativ große Masse besitzen, ist diese Anordnung zur Messung von Verformungen an Prüfkörpern für hochdynamische Prüfungen, z. B. Schnellzerreißprüfungen, ungeeignet. Zusätzlich ist die Befestigung der Meßelemente an Prüfkörpern relativ schwierig.

Es sind weiterhin Dehnungsaufnehmer bekannt, die nach dem Biegebalken-Meßprinzip arbeiten. Der Querschenkel einer U-förmigen Meßfeder ist mit Dehnungsmeßstreifen appli ziert. Die Längsschenkel sind an der Probe fixiert und der Abstand der Längsschenkel stellt die Meßbasis dar. Bei Verkürzung oder Verlängerung des Abstandes der Längsschen kel zueinander entsteht im Querschenkel eine Biegeverfor mung, die eine proportionale Widerstandsänderung der DMS zur Folge hat. Jedoch auch dieser Dehnungsaufnehmer ist für hochdynamische Prüfungen, aufgrund der noch zu großen Masse nur beschränkt anwendbar und für Hochtemperaturver suche nicht geeignet. Die Meßbasis dieser Dehnungsaufneh mer kann nicht beliebig gewählt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verformungen an Proben oder Prüfkörpern, bei Sicherstellung einer vorgegebenen Meßgenauigkeit, einfach zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von den Elementen Lichtstrahlen abgegeben werden, die auf Positionsdetektoren auftreffen, und daß aus der Änderung des gegenseitigen Abstands der Auftreffpunkte die Verfor mungen ermittelt werden. Durch dieses Verfahren können Verformungen exakt ermittelt werden, da der Positionsde tektor in bekannter Weise als optisch-elektronischer Positionsdetektor ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die Lage eines Lichtpunktes, der auf den Positionsdetektor geworfen wird, in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Zur Lösung der Aufgabe ist eine Vorrichtung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Meßelemente als Lichtleiter ausgebildet sind, die mit einer Lichtquelle optisch verbunden sind. Durch die Verwendung von Lichtlei tern, die eine sehr kleine Masse besitzen, ist die Vorrichtung zur Messung von Verformungen an Prüfkörpern für hochdynamische Prüfungen, z. B. Schnellzerreißprüfun gen, geeignet.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Lichtleitern, der Lichtwellen leitet, als Meßelemente besteht darin, daß die Lichtleiter als handelsübliche Bauteile kostengünstig sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Verformungen ist es möglich, Dehnungen infolge von Zug- und Druckkräften oder Dehnungen infolge von Biegung oder Torsionsbelastungen zu ermitteln.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Erfin dungsgedankens ist vorgesehen, daß die Lichtleiter an Klemmbügeln befestigt sind, und daß die Klemmbügel an der Probe bzw. dem Prüfkörper anklemmbar sind. Durch diese Ausgestaltung ist eine einfach handhabbare und kostengün stige Vorrichtung zur Messung von Verformungen an Prüfkörpern möglich. Da die Lichtleiter an Klemmbügeln befestigt sind, ist sichergestellt, daß der Lichtstrahl stets einer gewählten Zentrierung folgt.

Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein, daß die von den Meßelementen abgegebenen Lichtstrahlen über eine Fokussierlinse auf die Positions detektoren geleitet werden. Eine bessere Strahlfokussie rung gewährleistet ein genaueres Meßegebnis.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Positionsdetektoren als zweiachsi ge Detektoren ausgebildet sind. Mit Positionsdetektoren, die als zweiachsige Detektoren ausgebildet sind, können überlagerte Dehnungen ermittelt werden, z. B. eine Überlagerung von Längsdehnung und Torisonsdehnung oder Längsdehnung und Querdehnung.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und in der Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Anordnungsschema einer erfindungsgemäßen Vorrich tung

Fig. 2 Flachprobe mit Klemmbügel und daran befestigten Lichtleitern im Querschnitt.

In Fig. 1 wird ein Lichtstrahl 1 einer punktförmigen Lichtquelle 2 vorzugsweise einer Laserlichtquelle auf einen Strahlteiler 3 gelenkt, von diesem gleichmäßig in zwei Teilstrahlen 1′, 1′′ aufgeteilt und in zwei flexible Lichtleiter 4, 4′ übertragen. Als Laserlichtquelle, Strahlteiler 3 und Lichtleiter 4, 4′ können handelsübliche Bauteile verwendet werden, es wird daher auf eine genaue Beschreibung der Bauteile verzichtet.

Die Lichtleiter 4, 4′ sind derart an einer Probe 5 angebracht, daß sie parallel zueinander und orthogonal zu der durch die Längsachse 11 der Probe 5 definierten Richtung verlaufen. Der Abstand der Lichtleiter 4, 4′ zueinander entspricht der Meßbasis eines herkömmlichen Dehnungsaufnehmers. Die Lichtleiter 4, 4′ sind entweder auf die Probe 5 aufgeklebt oder federnd mit je einem Klemmbügel 8 an der Probe 5 angeklemmt. Der Meßbasisab stand L_o kann daher der Probe 5 beliebig angepaßt werden.

Beim Anklemmen oder Ankleben der Lichtleiter 4, 4′ an die Probe 5 sollte gewährleistet sein, daß die Lichtleiter 4, 4′ parallel zueinander verlaufen und daß der jeweils austretende Lichtstrahl 1′, 1′′ orthogonal zu der durch die Längsachse 11 der Probe 5 definierten Richtung verläuft. Es besteht auch die Möglichkeit, die Lichtleiter 4, 4′ derart anzuordnen, daß sie nicht orthogonal zur Längsachse 11 der Probe 5 verlaufen. Die Lichtleiter, 4, 4, können beispielsweise parallel zueinander und in einem beliebigen Winkel zur Längsachse 11 angeordnet sein. Es besteht auch die Möglichkeit, die Lichtleiter 4, 4′ derart anzuordnen, daß sie einen beliebigen Winkel zueinander aufweisen. Bei allen möglichen Anordnungsbeispielen der Lichtleiter 4, 4′ muß lediglich gewährleistet sein, daß die Lichtleiter 4, 4′ an der Probe 5 fest angebracht sind, daß der Meßbasisabstand L_o bekannt ist und daß die Lichtleiter 4, 4′ so angeordnet sind, daß die aus den Lichtleitern 4, 4′ austretenden Lichtstrahlen 1′, 1′′ auf den bzw. auf die zugeordneten Positionsdetektoren 6, 6′ auftreffen. Das Meßergebnis ist unabhängig von den oben aufgezählten Anordnungsbeispielen für die Lichtleiter, bei gleichen Versuchsbedingungen, das gleiche. Die Lichtstrah len 1′,1′′ treten aus den Lichtleitern 4, 4′ aus und treffen jeweils auf Positionsdetektoren 6, 6′. Die Positionsdetektoren 6, 6′ sind in bekannter Weise als optisch elektronische Positionsdetektoren ausgebildet und ermöglichen es, die Lage eines Lichtpunktes, der auf den Detektor geworfen wird, in einer nachgeschalteten, nicht dargestellten Auswerteelektronik mit hoher Genauigkeit zu erfassen.

Bei Kraftbeaufschlagung der Probe 5 in Richtung des Pfeils 7, über nicht dargestellte Kraftübertragungeinheiten, stellt sich eine Längenänderung der Probe 5 ein. Da die an der Probe 5 befestigten Lichtleiter 4, 4′, entsprechend der Längenänderung, ihren Abstand zueinander ändern, wird die Längenänderung exakt auf den Positionsdetektoren 6, 6′ abgebildet und in einer nachgeschalteten Auswerteelek tronik wird dann die Dehnung ermittelt, die durch Probenbelastung und Längenänderung bestimmt ist.

In Fig. 2 ist die Befestigung der Lichtleiter 4, 4′ an der Probe 5 dargestellt. Damit die Meßbasis verändert werden kann, werden die Lichtleiter 4, 4′ jeweils an einen Klemmbügel 8 geklebt, die federnd an der Probe anliegen. Die Klemmbügel 8 sind derart geformt, daß die beiden Endbereiche der Klemmbügel 8 orthogonal zur Längsachse 11 der Probe, an der Probe anliegen. Die Lichtleiter 4, 4′ sind nun jeweils an einem Endbereich des Klemmbügels 8 in einer Öse 9 fixiert. Vor der Öse 9 kann zusätzlich eine Fokussierlinse 10 befestigt sein, so daß der Austritts strahl 1′, 1′′ bevor er auf den entsprechenden Positions detektor 6, 6′ trifft, fokussiert wird. Die Klemmbügel 8, 8′ können auch so ausgebildet sein, daß sie an eine andere Querschnittsform der Probe 5 anklemmbar sind.

Der Positinsdetektor 6, 6′ ist als einachsiger Detektor ausgebildet, wenn Dehnungen infolge von Zug- oder Druckkräften oder nur Dehnungen infolge von Biegung oder nur Dehnungen infolge von Torsion ermittelt werden sollen. Bei überlagerten Dehnungen, wie z. B. Dehnungen infolge von Zugkräften und Torison, oder wenn gleichzeitig Längs- und Querdehnungen gemessen werden sollen, dann werden zweiachsige Positionsdetektoren zur Ermittlung der Dehnungen angeordnet.

Claims

1. Verfahren zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüfkörpern in Prüfmaschinen, bei dem durch eine Relativbewegung zweier im Abstand an einer Probe bzw. dem Prüfkörper angebrachter Elemente einer Meßanord nung berührungslos ein Meßsignal hervorgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß von den Elementen (4, 4′) Lichtstrahlen (1′, 1′′) abgegeben werden, die auf Positionsdetektoren (6, 6′) auftreffen, und daß aus der Änderung des gegenseitigen Abstands der Auftreff punkte die Verformungen ermittelt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemen te als Lichtleiter (4, 4′) ausgebildet sind, die mit einer Lichtquelle (2) optisch verbunden sind.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtlei ter (4, 4′) an Klemmbügeln (8) befestigt sind, und daß die Klemmbügel (8) an der Probe (5) bzw. dem Prüfkör per anklemmbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß nur eine Lichtquelle (2) vorgesehen ist, mit der die Lichtleiter (4, 4′) über einen Strahltei ler (3) optisch verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Meßelementen (4, 4′) abgegebenen Lichtstrahlen (1′, 1′′) über eine Fokussierlinse (10) auf die Positions detektoren (6, 6′) geleitet werden.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Positionsdetektoren (6, 6′) Fotodioden vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Auftreffort ein Positionsdetektor (6, 6′) zugeordnet ist, und daß jeder Positionsdetektor (6, 6′) mit einer gemeinsamen Auswerteeinheit verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsdetektoren (6, 6′) als zweiachsige Detektoren ausgebildet sind.