DE4316044A1 - Optoelektronisches Kraftmeßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Kraftmeß­ system, bestehend aus einem Verformungselement, in dem eine Sende- und eine Empfangseinheit, zum Zusammenwirken mittels eines divergierenden Lichtstrahlenbündels be­ stimmt, angeordnet sind.

Bekannt sind mehrdimensional messende Kraftsensoren, deren Wirkungsprinzipien zum einen auf der Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes von Quarzkristallen und zum anderen in der Auswertung der Widerstandsänderung von Dehnungsmeßstreifen durch mechanische Belastung beruhen.

Sensoren die den piezoelektrischen Effekt ausnutzen, können nur dynamische Kräfte erfassen.

Die bekannten konstruktiven Lösungen legen den Kraft­ angriffspunkt räumlich zum System, in jeweils einer gewählten Meßebene, in der Richtung fest. Eine wahlfreie Änderung der Kraftangriffsrichtung während des Meßvor­ ganges ist praktisch nicht realisierbar.

Ein Übersprechen der einzelnen Kanäle ist prinzipbedingt und führt zwangsläufig zu Meßfehlern.

Kraftmeßsensoren mit Dehnungsmeßstreifen sind vorrangig für die Erfassung statischer, weniger für die Erfassung dynamisch einwirkender Kräfte geeignet.

Konstruktive Ausführungen von Kraftmessern mit Dehnungs­ meßstreifen, die eine ständig wechselnde Krafteinprägung in der Meßebene gewährleisten, sind nicht bekannt.

Beide Meßprinzipien bedingen durch die Größe der erzeug­ baren Meßsignale einen sehr hohen Aufwand zur Signal­ aufbereitung, -verarbeitung und -auswertung.

Gleichzeitig ist die Kompensation einwirkender Störfak­ toren äußerst aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, ein Meßsystem zu entwickeln, das zweidimensional, in einer Meßebene von 0 bis 360 Grad, einwirkende statische und dynamische Kräfte in eine proportionale zweidimensiona­ le Verschiebung umwandelt und diese optoelektronisch erfaßt und auswertet. Der Kraftaufnehmer soll dabei hermetisch abgeschlossen und somit der Einsatz in Ex­ trembereichen gewährleistet sein. Die Anpassung an un­ terschiedlichste Meßbereiche soll auf einfache Weise realisierbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Verformungskörper als einseitig eingespanntes Biegerohr ausgebildet ist, in diesem eine optoelektronische Sende- und Empfangseinheit so angeordnet ist, daß die Sendeein­ heit zur Empfangseinheit in einer X-Y-Fläche frei zuein­ ander bewegbar sind, sich gegenüberliegend, die Licht­ austrittsfläche der Sendeeinheit zu dem Bündel der Lichteintrittsflächen der Empfangseinheit in einem defi­ nierten Abstand zueinander befinden und Sende- und Emp­ fangseinheit über ein Leitungssystem mit einer elektro­ nischen Auswerteeinheit verbunden sind.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Kraftmeßsystem hat den wesentlichen Vorteil, daß der nach dem Prinzip des einseitig eingespannten Biegebalkens arbeitende Verformungskörper als Biegerohr ausgebildet ist und somit zweidimensional einwirkende statische und dynami­ sche Kräfte radial, in einer X-Y-Fläche senkrecht zur Rohrachse, an dem Umfang des Biegerohres angreifen und in einem Meßbereich von 0 bis 360 Grad nach Größe und Richtung gemessen werden können.

Dies erfolgt durch Umwandlung der Kraftkomponenten in proportionale zweidimensionale Verschiebungen des freien Endes des Biegerohres.

Die Dimensionierung des Meßbereiches ist dabei in ein­ facher Weise zum einen durch die Gestaltung der Quer­ schnittsfläche des Biegerohres bestimmbar, zum anderen kann die zu messende Kraft auf der Mantelfläche des Biegerohres in einem frei wählbaren Abstand zur Ein­ spannstelle bzw. an exakt vorgegebenen Markierungen auf dem Biegerohr aufgeprägt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem, in X-Y-Richtung frei bewegbaren, Ende des Biegerohres vor­ zugsweise die Sendeeinheit angeordnet. Die Empfangseinheit ist der Einspannstelle zugeordnet.

Durch axiale Positionierung der Sendeeinheit im Biege­ rohr kann der definierte Abstand der Lichtaustrittsflä­ che zu dem Bündel der Lichteintrittsflächen in der Emp­ fangseinheit eingestellt werden.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Empfangsein­ heit besteht diese aus einem Grundkörper und einem Füh­ rungsrohr, welches bis zu dem definierten Abstand zur Sendeeinheit in das Biegerohr hineinragt.

Zwischen dem Biegerohr und dem Führungsrohr ist dabei ein Freiraum vorgesehen, der in der X-Y-Fläche senkrecht zur Rohrachse einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

Das Widerstandsmoment des Führungsrohres ist gegenüber dem des Biegerohres durch entsprechende Festlegung der Rohrquerschnitte extrem groß gewählt, so daß der Frei­ raum die maximalen Grenzen der Verschiebungen des Biege­ rohres in der X-Y-Richtung festlegt und damit als Über­ lastsicherung des Meßsystems dient.

Das freie Ende des Biegerohres ist mit einer Verschluß­ kappe versehen, wodurch der dem Rohrinneren zugeordnete Teil des Meßsystems eine, gegen äußere Einflüsse herme­ tisch abgeschlossene, Einheit bildet.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Einspannstelle des Biegerohres in einem Gehäuse gestellfest angeordnet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gehäuses sieht vor, daß Gehäuseunterteil und Gehäuseoberteil winkelförmig ausgebildet sind und diagonal getrennte Seitenflächen aufweisen.

Damit ist die Empfangseinheit sowohl von oben als auch in axialer Richtung zugänglich und ihre einfache Montage bzw. Demontage gewährleistet.

Durch eine auf der Trennfläche eingefügte Dichtung und Herausführung des Leitungssystems durch eine Kabeldurch­ führung ist auch das Gehäuse gegen Umwelteinflüsse abge­ schirmt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ge­ häuses ist dieses als zylinderförmiger Hohlkörper ausge­ bildet und mit einem Deckel verschlossen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist in der Sendeeinheit eine lichterzeugende Sendediode angeordnet, an welche ein Lichtwellenleiter angekoppelt ist.

Von der Lichtaustrittsfläche dieses Lichtwellenleiters wird ein divergierendes Lichtstrahlenbündel ausgesandt, das eine Lichtfläche auf die am freien Ende des Füh­ rungsrohres der Empfangseinheit angeordneten Lichtein­ trittsflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter projiziert.

Diese Lichtwellenleiter sind zu Empfangsdioden bzw. auch einer oder mehreren Referenzdioden geführt, die die optischen in elektrische Signale umwandeln.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Empfangseinheit sind dabei die Lichteintrittsflächen auf dem kugelförmigen freien Ende des Führungsrohres angeordnet, dessen Radi­ usmittelpunkt in der Ebene der Einspannstelle des Biege­ rohres liegt. Durch diese geometrische Anordnung befin­ det sich die Fläche, auf welche das divergierende Licht­ strahlenbündel auftrifft, in stets gleichem Abstand zu der Lichtaustrittsfläche der Sendeeinheit, welche sich ebenfalls auf einer entsprechenden Kugelfläche bewegt. Deren Radiusmittelpunkt ist mit dem Radiusmittelpunkt des kugelförmigen Endes des Führungsrohres identisch. Seine Größe berücksichtigt jedoch den Abstand zwischen Lichtaustrittsfläche und Lichteintrittsflächen.

Für Meßanordnungen höchster Genauigkeit können damit Verkippungsfehler ausgeschaltet werden.

Ein weiterer wesentlicher positiver Effekt einer vor­ teilhaften Ausführungsform besteht darin, daß durch entsprechende Gestaltung des senderseitigen Lichtwellen­ leiters die Grenzflächen der projizierten Lichtfläche Geraden darstellen, die zu den X-Y-Achsen parallel ver­ laufen und zu den Lichteintrittsflächen der zu den Emp­ fangsdioden führenden Lichtwellenleitern mittig angeord­ net sind.

Die rechteckigen Lichteintrittsflächen sind in gleichem Abstand auf den Diagonalen eines Quadrates angeordnet, wobei diese zu der X- und Y-Achse parallel verlaufen und in der Nullpunktlage mit diesen deckungsgleich sind.

Die Grenzflächen der Lichteintrittsflächen weisen dabei einen gleichen und entsprechend ihrer Zuordnung zu der X- bzw. Y-Achse einen konstanten Abstand auf.

Diese geometrischen Verhältnisse bewirken, daß die durch die eingeprägte Kraft erzeugte Verschiebung der proji­ zierten Lichtfläche in X- und/oder Y-Richtung zu der Änderung der Lichtintensität auf den Empfangsdioden absolut linear ist.

Gleichzeitig kann der mechanisch begrenzte Meßbereich optimal ausgewertet werden.

Von der projizierten Lichtfläche, unabhängig von deren Verschiebung, ständig überdeckt, ist vorzugsweise die Lichteintrittsfläche eines oder mehrerer Lichtwellenlei­ ter, die zu einer oder mehreren Referenzdioden führen, angeordnet. Letztere gewährleisten die Kompensation von unerwünschten äußeren Einflüssen wie Temperaturänderun­ gen und Spannungsschwankungen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die elektronische Auswerteeinheit im her­ metisch geschlossenen Gehäuse integriert, wodurch eine kompakte Bauform realisiert ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in der elektronischen Auswerteeinheit Bauelemente zur Signal­ verarbeitung angeordnet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der elektronischen Auswerteeinheit gewährleistet die analoge Verarbeitung zweier Einzelsignale der Kanäle X und Y. Durch Impe­ danzwandler erfolgt die Anpassung der hochohmigen Emp­ fangsdioden an nachfolgende Verstärkerstufen. Nachgeord­ net erfolgt durch Differenzglieder die Differenzbildung der Eingangssignale, wodurch, den Kraftkomponenten X und Y proportionale, Analogsignale entstehen. In der Pegel­ anpassung werden diese Signale zu anwendergerechten Aus­ gangssignalen X, Y verstärkt. Die über Referenzdioden gewonnenen belastungsunabhängi­ gen Signale werden dem Sendediodentreiber und den Dif­ ferenzgliedern zugeführt und zur temperaturabhängigen Regelung der Verstärkung und des Sendestromes und zur Kompensation sonstiger äußerer Einflußfaktoren verwen­ det.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der elektroni­ schen Auswerteeinheit gewährleistet die analoge Verar­ beitung eines Differenzsignals der Kanäle X und Y durch entsprechend geschaltete Empfangsdioden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektroni­ schen Auswerteeinheit gewährleistet, daß aus den Einzel­ signalen der Empfangsdioden der Kanäle X und Y jeweils ein Differenz- und Summensignal gebildet wird und diese Quotientenblöcken aufgeschaltet werden, wobei durch mathematische Verknüpfung beider Signale eine Quotien­ tenbildung erfolgt. Störende Einflußfaktoren sind als konstante Größen sowohl im Differenz- als auch im Sum­ mensignal enthalten und heben sich somit nach der Quo­ tientenbildung auf. Die separate Bereitstellung und Verarbeitung eines Referenzsignals kann hierbei entfal­ len. Über Verstärkerstufen und Pegelanpassungen werden die anwenderspezifischen Ausgangssignale X, Y bereitge­ stellt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektroni­ schen Auswerteeinheit gewährleistet, daß die analogen Einzelsignale der Empfangsdioden in jeweils einer A-D- Wandlerstufe in zwei digitale Signale der Kanäle X und Y umgesetzt werden.

Diese belastungsabhängigen Signale werden in einem Mi­ krorechner weiterverarbeitet, wobei wahlweise eine Dif­ ferenzbildung oder eine Quotientenbildung erfolgen kann. Zur Kompensation belastungsunabhängiger äußerer Einflüsse ist ein Sensor zur Erfassung und Auswertung dieser Si­ gnale angeordnet, wobei dessen Ausgangssignal ebenfalls dem Mikrorechner zugeführt wird.

Durch mathematische oder logische Verknüpfung mit den belastungsabhängigen Signalen der Empfangsdioden werden, von äußeren unerwünschten Einflüssen freie, digitale Ausgangssignale X, Y bereitgestellt.

Durch eine nachgeschaltete D-A-Wandlerstufe ist es eben­ falls möglich, anwenderspezifische Analogsignale zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung gewährleistet die externe Anordnung der gesamten elektronischen Aus­ werteeinheit einschließlich der Sende- und Empfangsdio­ den, wobei der Sende- und Empfangseinheit spannungslos Lichtwellenleiter zugeführt sind.

Der Vorteil dieser rein optischen, von elektrischen Signalen freien Anordnung besteht insbesondere in einem problemlosen Einsatz des erfindungsgemäßen optoelektro­ nischen Kraftmeßsystems in explosionsgefährdeten Berei­ chen sowie in Bereichen mit starken elektrischen, magne­ tischen und elektromagnetischen Feldern. Darüber hinaus ist der Einsatz unter extremen Temperaturbedingungen gegeben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, Ausführungsbei­ spiele näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vergrößerte Prinzipdarstellung eines Aus­ führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Kraftmeßsystems im Schnitt;

Fig. 2 einen Längsschnitt eines Gehäuses mit Ein­ spannnstelle des optoelektronischen Kraftmeß­ systems;

Fig. 3 eine Ansicht der Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter mit proji­ zierter Lichtfläche der Sendeeinheit in der X- Y-Fläche gemäß Position I-I in Fig. 1;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur analogen Verarbeitung zweier Einzelsignale pro Kanal;

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur analogen Verarbeitung eines Differenzsignals pro Kanal;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Quotientenbildung bei der Signalverarbeitung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur digitalen Signalaufbe­ reitung;

Die Fig. 1 zeigt eine vergrößerte Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen opto­ elektronischen Kraftmeßsystems im Schnitt.

Der für die Realisierung der Erfindung wesentliche Ver­ formungskörper wirkt als einseitig eingespannter Biege­ balken und ist vorteilhaft als Biegerohr 1 ausgeführt. Die Einspannstelle des Biegerohres 1 ist gemäß Fig. 2 in dem Gehäuseunterteil 17 vorgesehen, in welchem das Bie­ gerohr 1 in einer Bohrung fest eingefügt ist.

In dem frei bewegbaren Ende des Biegerohres 1 ist die Sendeeinheit 2 angeordnet. Durch axiale Positionierung während der Montage kann der definierte Abstand 7 der senderseitigen Lichtaustrittsfläche 8 zu dem Bündel der empfängerseitigen Lichteintrittsflächen 9 eingestellt und danach die Sendeeinheit 2 festgelegt werden.

Die Empfangseinheit, insgesamt mit 3 bezeichnet, besteht aus dem Grundkörper 4 der mit einem zylinderförmigen Ansatz das Biegerohr 1 aufnimmt, dieses jedoch nicht über die Einspannstelle hinaus fixiert.

Durch entsprechende Ausnehmungen erfolgt die Durchfüh­ rung der elektrischen Zuleitungen zu der Sendeeinheit 2. Der zylinderförmige Ansatz des Grundkörpers 4 dient gleichzeitig zur Aufnahme des Führungsrohres 5, das bis zu dem definierten Abstand 7 zur Sendeeinheit 2 in das Biegerohr 1 hineinragt.

Zwischen dem Führungsrohr 5 und dem Biegerohr 1 ist ein Freiraum vorgesehen, der senkrecht zur Rohrachse einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

Das Widerstandsmoment des Führungsrohres 5 ist gegenüber dem des Biegerohres 1 durch Wahl der Rohrquerschnitte extrem groß gewählt. Durch die Durchmesserdifferenzen zwischen Innendurchmesser des Biegerohres 1 und dem Au­ ßendurchmesser des Führungsrohres 5 werden durch den Freiraum die maximalen Grenzen der Verschiebung des freien Endes des Biegerohres 1 in der X-Y-Fläche festge­ legt und somit die Überlastsicherung des Meßsystems ge­ währleistet.

Das freie Ende des Biegerohres 1 ist mit der Ver­ schlußkappe 6 versehen.

Der damit allseitig geschlossene, fertigungstechnisch auf einfachste Weise herstellbare rohrförmige Verfor­ mungskörper bildet somit eine gegen äußere Einflüsse hermetisch abgeschlossene Einheit und schützt gleich­ zeitig das im Rohrinneren angeordnete empfindliche opto­ elektronische Sende- und Empfangssystem.

Damit ist die Voraussetzung gegeben, daß das kraftauf­ nehmende Biegerohr 1 auch in Bereichen eingesetzt werden kann, in denen die Kraftmessung, beeinträchtigt durch Umwelteinflüsse wie Staub, Flüssigkeiten, Explosions­ gefahr usw., sonst problematisch wäre.

Gleichzeitig ermöglicht diese konstruktive Gestaltung, die Einprägung der zu messende Kraft in größerem wahl­ freien Abstand von dem Meßsystem vorzunehmen.

Das Gehäuseunterteil 17, in dem die Empfangseinheit 3 gestellfest, durch eine angeformte Fläche radial fi­ xiert, angeordnet ist, wird durch das Gehäuseoberteil 18, mit auf den Trennflächen angeordneter Dichtung 19, ebenfalls gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt. Das Lei­ tungssystem wird über eine Kabeldurchführung in das Gehäuse 16 geführt.

Die winkelförmige konstruktive Gestaltung des Gehäuseun­ terteils 17 und Gehäuseoberteils 18 mit diagonal ge­ trennten Seitenflächen gewährleistet, daß die komplette Empfangseinheit 3 zur Montage bzw. zu Servicezwecken in axialer Richtung herausgenommen werden kann und gleich­ zeitig auch von oben zugänglich ist.

Die statische oder dynamische Kraft F kann zweidimensio­ nal radial, in einer X-Y-Fläche senkrecht zur Achse des Biegerohres 1, an dessen Umfang und somit in einer Meß­ ebene von 0 bis 360 Grad angreifen.

Die Erfassung von Größe und Richtung der aufgeprägten Kraft erfolgt durch Umwandlung der Kraftkomponenten in proportionale zweidimensionale Verschiebungen des freien Endes des Biegerohres 1 und damit der Sendeeinheit 2.

Der Meßbereich des Systems wird zum einen auf einfache Weise dimensioniert durch die Festlegung der Quer­ schnittsfläche des Biegerohres 1. Eine weitere Möglich­ keit den Meßbereich zu dimensionieren besteht darin, die Krafteinprägung auf die Mantelfläche des Biegerohres 1 in frei wählbarem Abstand zur Einspannstelle bzw. an hierzu vorgesehenen Markierungen vorzunehmen.

Mit zunehmendem Abstand der Krafteinprägung zur Ein­ spannstelle nimmt zwangsläufig die Empfindlichkeit des Systems, bei abnehmendem Meßbereich, zu.

In der Sendeeinheit 2 ist in der Aufnahme 10 die licht­ erzeugende Sendediode 32 angeordnet. Mittels des ange­ koppelten Lichtwellenleiters 11 wird ein divergierendes Lichtstrahlenbündel ausgesandt.

Die Lichtaustrittsfläche 8 ist dabei so gewählt, daß die Begrenzungslinien, der auf das Bündel der Lichtein­ trittsflächen 9 projizierten Lichtfläche 20, Geraden eines Quadrates darstellen.

In dem Führungsrohr 5 und der trichterförmigen Aufwei­ tung des Grundkörpers 4 der Empfangseinheit 3 sind die Lichtwellenleiter 12 von den Lichteintrittsflächen 21 bis 24 zu den Empfangsdioden 33 bis 36, welche in den Aufnahmen 40 gehalten sind, geführt. In gleicher Weise geführt ist der Lichtwellenleiter 13 zu der in der Auf­ nahme 15 gehaltenen Referenzdiode 37.

Das freie Ende des Führungsrohres 5, an welchem die Lichteintrittsflächen angeordnet sind, ist als Kugel­ oberfläche ausgeführt, deren Radiusmittelpunkt sich in der Ebene befindet, die die Einspannstelle des Biegeroh­ res 1 kennzeichnet.

Da die Verschiebung der senderseitigen Lichtaustritts­ fläche 8 ebenfalls auf einer Kugeloberfläche erfolgt, deren Radius, mit identischem Mittelpunkt, um den Ab­ stand 7 größer ist, wird die projizierte Lichtfläche 20 der Sendeeinheit 2 in einem stets konstanten Abstand er­ zeugt.

Für ausgewählte Meßanordnungen höchster Genauigkeit werden damit Verkippungsfehler weitgehend ausgeschaltet.

Die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht­ wellenleiter sind rechteckig ausgeführt und auf den Diagonalen eines Quadrates in gleichem Abstand zuein­ ander angeordnet.

Die Lichteintrittsflächen 21, 22 befinden sich dabei auf der zur X-Achse parallelen, die Lichteintrittsflächen 23, 24 auf der zur Y-Achse parallelen Diagonale, wobei im Ruhezustand des Meßsystems die Diagonalen und die X- bzw. Y-Achse deckungsgleich sind.

Die Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen 21, 22 weisen dabei einen gleichen und zur X-Achse konstanten Abstand auf.

Die Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen 23, 24 sind zur Y-Achse entsprechend ausgeführt.

Diese geometrischen Verhältnisse bewirken, daß der durch eine einwirkende Kraft erzeugten Verschiebung der Sende­ einheit in X- und/oder Y-Richtung stets absolut identi­ sche Flächenanteile der kommunizierenden Lichteintritts­ flächen 21, 22 bzw. 23, 24 der projizierten Lichtflä­ chenänderung zugeordnet sind.

Die meßbare Änderung der Lichtintensität ist damit zu der Verschiebung absolut linear.

Die Anordnung der Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche 20, gemäß Fig. 3 mittig zu den Lichtein­ trittsflächen 21, 22, 23, 24 dient einer optimalen Aus­ wertung des mechanisch begrenzten Meßbereiches, ist für die Meßgenauigkeit des Systems dabei jedoch nicht rele­ vant.

Zentral zu den Lichteintrittsflächen 21 bis 24 und somit von der projizierten Lichtfläche 20, unabhängig von deren Verschiebung, ständig überdeckt, ist die Lichtein­ trittsfläche 25 des zu der Referenzdiode 37 führenden Lichtwellenleiters 13 angeordnet. Die Erfassung und Kompensation unerwünschter äußerer Einflüsse, wie Tempe­ raturänderungen oder Spannungsschwankungen, ist somit belastungsunabhängig.

Die elektronische Auswerteeinheit 30 ist sinnvoll in dem geschlossenen Gehäuse vorgesehen. In Verbindung mit der Sendeeinheit 2 und Empfangseinheit 3 hat diese die Auf­ gabe, die optischen Signaländerungen, welche die zu messende Kraft durch mechanische Verschiebung des Biege­ rohres 1 hervorruft, zu erzeugen, zu erfassen und auszu­ werten.

Je nach Art der Aufbereitung der belastungsabhängigen optischen Signale, kann unterschieden werden in eine analoge Verarbeitung zweier Einzelsignale je Kanal X, Y gemäß Fig. 4; in eine analoge Verarbeitung eines Diffe­ renzsignals je Kanal X, Y gemäß Fig. 5; in eine Quotien­ tenbildung je Kanal X, Y gemäß Fig. 6 und in eine digi­ tale Signalaufbereitung unter Einsatz eines Mikrorech­ ners gemäß Fig. 7.

Als Ausführungsbeispiel soll die in Fig. 5 dargestellte analoge Verarbeitung je eines Differenzsignales der Kanäle X und Y näher beschrieben werden.

Der Sendediodentreiber 31 betreibt die lichtemittierende Sendediode 32, die Licht einer bestimmten Wellenlänge, Leuchtdichte und Leuchtdichteverteilung erzeugt, welches als divergierendes Lichtstrahlenbündel die Lichtfläche 20 projiziert.

Die durch Verschiebung der projizierten Lichtfläche 20 erzeugte Änderung der Lichtintensität auf den Empfangs­ dioden 33 bis 36 wird durch Zusammenschalten der Emp­ fangsdioden 33 und 34 sowie 35 und 36 je Kanal X bzw. Y ein Differenzsignal gewonnen, welches der zu messenden Kraftkomponente proportional ist.

Den Empfangsdioden nachgeschaltete Impedanzwandler 40 passen die elektrischen Kennwerte der Empfangsdioden an die Bedingungen einer weiteren analogen Signalverarbei­ tung an, so daß die erzeugten Differenzsignale durch analoge elektronische Bausteine problemlos weiterver­ arbeitet werden können.

Die so aufbereiteten Differenzsignale der Kanäle X, Y werden in den nachgeordneten Pegelanpassungen 42 zu anwendergerechten optionalen Ausgangssignalen X, Y, 52, 53 verstärkt.

Das belastungsunabhängige optische Signal wird über die Lichteintrittsfläche 25 des Lichtwellenleiters 13 erfaßt und der Referenzdiode 37 bereitgestellt. In einer nach­ geordneten Pegelanpassung 43 wird ein nutzbares Refe­ renzsignal aufbereitet, welches sowohl den Pegelanpas­ sungen 42 als auch dem Sendediodentreiber 31 zugeleitet wird.

In Abhängigkeit von äußeren Einflußfaktoren werden Wel­ lenlänge, Leuchtdichte und Leuchtdichteverteilung der Sendediode 32 und die Art der Differenzbildung beein­ flußt.

Die dargestellten und beschriebenen Ausführungen sind nur einige Beispiele zur Verwirklichung der Erfindung.

Bezugszeichenliste

1 Biegerohr
2 Sendeeinheit
3 Empfangseinheit
4 Grundkörper
5 Führungsrohr
6 Verschlußkappe
7 Abstand
8 Lichtaustrittsfläche
9 Bündel der Lichteintrittsflächen
10 Aufnahme für Sendediode
11 Lichtwellenleiter der Sendediode
12 Lichtwellenleiter der Empfangsdiode
13 Lichtwellenleiter der Referenzdiode
14 Aufnahme der Empfangsdioden
15 Aufnahme der Referenzdiode
16 Gehäuse
17 Gehäuseunterteil
18 Gehäuseoberteil
19 Dichtung
20 Projizierte Lichtfläche der Sendeeinheit
21 Lichteintrittsfläche eines empfängerseitigen Licht­ wellenleiters X-Richtung
22 Lichteintrittsfläche eines empfängerseitigen Licht­ wellenleiters X-Richtung
23 Lichteintrittsfläche eines empfängerseitigen Licht­ wellenleiters Y-Richtung
24 Lichteintrittsfläche eines empfängerseitigen Licht­ wellenleiters Y-Richtung
25 Lichteintrittsfläche des Lichtwellenleiters einer Referenzdiode
30 Elektronische Auswerteeinheit
31 Sendediodentreiber
32 Sendediode
33 Empfangsdiode
34 Empfangsdiode
35 Empfangsdiode
36 Empfangsdiode
37 Referenzdiode
38 Kanal X
39 Kanal Y
40 Impedanzwandler
41 Differenzglied
42 Pegelanpassung
43 Pegelanpassung
44 Differenzblock
45 Summenblock
46 Quotientenblock
47 Verstärkerblock
48 A-D-Wandlerstufe
49 Temperatursensor
50 Mikrorechner
51 Speicher
52 D-A-Wandlerstufe
53 Ausgangssignal X
54 Ausgangssignal Y
55 Digitales Ausgangssignal X
56 Digitales Ausgangssignal Y
57 Analoges Ausgangssignal X
58 Analoges Ausgangssignal Y

Claims (21)

1. Optoelektronisches Kraftmeßsystem bestehend aus einem Verformungselement in dem eine Sende- und eine Empfangseinheit, zum Zusammenwirken mittels eines divergierenden Lichtstrahlenbündels bestimmt, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verformungskörper als einseitig eingespanntes Bie­ gerohr (1) ausgebildet ist, in diesem eine opto­ elektronische Sende- bzw. Empfangseinheit (2, 3) so angeordnet ist, daß die Sendeeinheit (2) zur Emp­ fangseinheit (3) in einer X-Y-Fläche frei zueinan­ der bewegbar sind, sich gegenüberliegend, die Lichtaustrittsfläche (8) der Sendeeinheit (2) zu dem Bündel der Lichteintrittsflächen (9) der Emp­ fangseinheit (3) sich in einem definierten Abstand (7) zueinander befinden und Sende- und Empfangsein­ heit (2, 3) über ein Leitungssystem mit einer elek­ tronischen Auswerteeinheit (30) verbunden sind.

2. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (2) vorzugsweise dem freien Ende und die Empfangsein­ heit (3) vorzugsweise der Einspannstelle des Biege­ rohres (1) zugeordnet sind, wobei der definierte Abstand (7) zwischen der Lichtaustrittsfläche (8) und dem Bündel der Lichteintrittsflächen (9) durch axiale Positionierung der Sendeeinheit (2) im Bie­ gerohr (1) einstellbar ist.

3. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsein­ heit (3) vorzugsweise aus einem Grundkörper (4) und einem Führungsrohr (5) besteht, wobei dieses in das Biegerohr (1) bis zu dem Abstand (7) hineinragt.

4. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstelle des Biegerohres (1) in einem Gehäuse (16) angeordnet ist, wobei dieses vorzugsweise aus einem Gehäuseunterteil (17) und ein Gehäuseoberteil (18) besteht, welche winkelförmig ausgebildet sind und diagonal getrennte Seitenflächen aufweisen.

5. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) vor­ zugsweise aus einem zylinderförmigen Hohlkörper und einem Deckel besteht.

6. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen Biegerohr (1) und Führungsrohr (5) ein Frei­ raum vorgesehen ist, der in der X-Y-Fläche einen ringförmigen Querschnitt aufweist.

7. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem freien Ende des Biegerohres (1) eine Verschluß­ kappe (6) angeordnet ist.

8. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (3) zum Gehäuse (16) vorzugsweise durch eine angeformte Fläche radial fixierbar ist.

9. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendeeinheit (2) vorzugsweise ein Lichtwellen­ leiter (11) von der in einer Aufnahme (10) gehalte­ nen Sendediode (32) zu der zentriert angeordneten Lichtaustrittsfläche (8) geführt ist.

10. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinheit (3), im Inneren des Führungs­ rohres (5) und einer trichterförmigen Aufweitung des Grundkörpers (4) durch eine Vergußmasse fi­ xiert, vorzugsweise Lichtwellenleiter (12) von den Lichteintrittsflächen (21, 22, 23, 24) zu den in Aufnahmen (14) gehaltenen Empfangsdioden (33, 34, 35, 36) geführt sind.

11. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Führungsrohres (5) vorzugsweise so gestaltet ist, daß die Lichteintrittsflächen (21, 22, 23, 24) sich auf einer Kugeloberfläche befin­ den, deren Radiusmittelpunkt in der Ebene der Ein­ spannstelle des Biegerohres (1) angeordnet ist.

12. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht­ wellenleiter in X-Richtung (21, 22) und die Licht­ eintrittsflächen der empfängerseitigen Lichtwellen­ leiter in Y-Richtung (23, 24) vorzugsweise in glei­ chem Abstand zum Schnittpunkt der X-Y-Achsen ange­ ordnet sind.

13. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht­ wellenleiter (21, 22, 23, 24) vorzugsweise recht­ eckig ausgeführt sind, die zur X-Achse parallelen Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen (21, 22) einen in Y-Richtung und die zur Y-Achse paral­ lelen Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen (23, 24) einen in X-Richtung gleichen und konstan­ ten Abstand aufweisen.

14. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche (20) der Sendeeinheit (2) vorzugsweise zu der X- und Y- Achse parallel verlaufen und dabei zu den Lichtein­ trittsflächen (21, 22, 23, 24) mittig angeordnet sind.

15. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß von der projizierten Lichtfläche (20) überdeckt, vor­ zugsweise eine Lichteintrittsfläche eines empfän­ gerseitigen Lichtwellenleiters (25) einer Referenz­ diode (37) angeordnet ist, deren Lichtwellenleiter (13) innerhalb des Führungsrohres (5) und der trichterförmigen Ausformung des Grundkörpers (4) der Empfangseinheit (3) mittels Vergußmasse fixiert zur Aufnahme der Referenzdiode (15) geführt ist.

16. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit (30) vorzugsweise in dem mit einer Kabelverschraubung versehenen Gehäu­ seunterteil (17) angeordnet ist und dieses durch den Gehäusedeckel (18) mit zwischenliegender Dich­ tung (19) durch Befestigungselemente verschließbar ist.

17. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektronischen Auswerteeinheit (30) ein Sende­ diodentreiber (31) vorgesehen ist, einem Kanal X (38) vorzugsweise analoge Einzelsignale der Emp­ fangsdioden (33, 34) und einem Kanal Y (39) vor­ zugsweise analoge Einzelsignale der Empfangsdioden (35, 36) zugeführt werden, den Empfangsdioden (33, 34, 35, 36) jeweils Impedanzwandler (40) nachge­ schaltet sind, ein Signal der Referenzdiode (37) über eine Pegelanpassung (43) den Differenzgliedern (41) und dem Sendediodentreiber (31) zugeführt wird, wobei dem Kanal X (38) und dem Kanal Y (39) über die Differenzglieder (41) und Pegelanpassung (42) die Ausgangssignale X, Y (53, 54) abgenommen werden.

18. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kanal X (38) von den Empfangsdioden (33, 34) und dem Kanal Y (39) von den Empfangsdioden (35, 36) vorzugsweise ein Differenzsignal zugeführt wird.

19. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kanal X (38) zugeordneten analogen Einzelsignale der Empfangs­ dioden (33, 34) und die dem Kanal Y (39) zugeord­ neten analogen Einzelsignale der Empfangsdioden (35, 36) vorzugsweise jeweils einem Differenzblock (44) und einem Summenblock (45) zugeführt, die ge­ bildeten Differenz- und Summensignale nachgeordne­ ten Quotientenblöcken (46) aufgeschaltet werden und über Verstärkerblöcke (47) und Pegelanpassungen (42) die Ausgangssignale X und Y (53, 54) abgenom­ men werden.

20. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Einzelsig­ nale der Empfangsdioden (33, 34, 35, 36) vorzugs­ weise in jeweils einer A-D-Wandlerstufe (48) in je zwei digitale Signale der Kanäle X (38) und Y (39) umgesetzt, diese dem Mikrorechner (50) mit zugeord­ netem Speicher (51) zugeführt werden, dem Mikro­ rechner (50) ein Signal des Temperatursensors (49) zugeführt wird und dem Mikrorechner (50) digitale Ausgangssignale X, Y (55, 56), oder einer zwischen­ geschalteten D-A-Wandlerstufe (52) analoge Aus­ gangssignale X, Y (57, 58) abgenommen werden.

21. Optoelektronisches Kraftmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit (30), die Sendediode (32), die Empfangsdioden (33, 34, 35, 36) und die Referenzdiode (37) extern zum Gehäuse (16) angeord­ net sind und die Verbindung der Sendeeinheit (2) und der Empfangseinheit (3) über ein Leitungssystem aus Lichtwellenleitern erfolgt.