DE4426814C1 - Anordnung zur dynamischen Kraft-Weg-Messung - Google Patents

Description

Piezoelektrische und elektrostriktive Aktoren sind keramische Bauelemente, die mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden können und darauf mit einer definierten Längenausdeh­ nung reagieren. Derartige Aktoren werden als Mikrostellglie­ der verwendet oder können allgemein zur Durchführung von Translationen im Mikrometerbereich dienen.

Da die meisten Anwendungen eine hohe Genauigkeit bzw. eine genau definierte Längenänderung erfordern, müssen Aktoren nach der Fertigung bzw. vor der Anwendung genau charakteri­ siert werden. Dazu ist es erforderlich, die mechanische Aus­ lenkung (Längenänderung) mit einer Auflösung von kleiner gleich 0,05 µm zu erfassen. Zur weiteren Charakterisierung müssen die gleichzeitig dabei auftretenden statischen und dynamischen Druckkräfte, die bis zu einigen kN betragen kön­ nen, erfaßt werden. Da die Längenänderung außerdem schnell und innerhalb einiger Mikrosekunden erfolgt, sind schnell ansprechende und genaue Meßverfahren und -Anordnungen erfor­ derlich.

Ein weiteres Problem besteht darin, auch bei Anwesenheit hoher Druckkräfte eine genaue Messung der erfolgenden Längen­ änderung vorzunehmen. Hohe Druckkräfte, die während der Messung in der zur Halterung des Aktors dienenden Klemmhal­ terung auftreten, können auch bei Verwendung steifer Materia­ lien zum Verbiegen dieser Klemmhalterung führen. Der dadurch verursachte Fehler kann die Messung der Längenausdehnung um bis zu einige µm verfälschen.

Zur genauen Erfassung der Längenausdehnung sind eine Reihe von Meßgeräten bekannt, die auf optischen Prinzipien basieren und die gewünschten Anforderungen bezüglich Meßgenauigkeit, Abtastgeschwindigkeit und der Längenmeßbereiche erfüllen.

Meßaufbau und Meßprinzip von Lasermeßverfahren sind beispielsweise aus A. Donges und R. Noll, Lasermeßtechnik, Grundlagen und Anwendungen, Hüthig Buch Verlag, Heidelberg 1993, Seiten 238 bis 248 zu entnehmen.

Zur Reflexion des Meßstrahls werden dabei Spiegel an den Aktoren so angebracht, daß sie der Bewegung der Aktoren fol­ gen können. Nachteilig daran ist, daß der Spiegel eine nicht zu vernachlässigende Masse besitzt, die bei schneller Bewe­ gung des Aktors Trägheitskräfte erzeugt. Diese können den Aktor in der Bewegung (Längenausdehnung) behindern. Zusammen mit den bei der Bewegung des Aktors auftretenden Querkräften kann die Befestigung des Spiegels, beispielsweise eine Klebe­ stelle, verformt und damit die Messung verfälscht werden. Außerdem war es bislang nicht möglich, bei einem angebrachten Spiegel gleichzeitig eine Kraftmessung mit nahezu idealer Klemmung am Aktor durchzuführen.

In einer weiteren bekannten Meßanordnung, die auf einer In­ tensitätsmessung des reflektierten Lichts beruht, wird das zur Messung verwendete Licht in eine spezielle Glasfaser eingekoppelt, deren Ende sehr nahe (Abstand weniger als 1 mm) an die zu messende Probenoberfläche gebracht werden muß. Durch den geringen Abstand des Glasfaserendes von der Ober­ fläche des Aktors ist es nicht möglich, gleichzeitig eine genaue Kraftmessung durchzuführen. Wegen der material- und oberflächenspezifisch geringen Intensität des reflektierten Lichts ist außerdem eine besondere Oberflächenbehandlung des Aktors und eine genaue Kalibrierung des Meßverfahrens erfor­ derlich.

Zur Kraftmessung werden bislang Piezosensoren eingesetzt, die für schnelle und dynamische Kraftmessungen sehr gut geeignet sind. Nachteilig ist jedoch, daß damit keine statischen Kräfte gemessen werden können.

Einfache piezoelektrische Meßaufnehmer und die dazugehörigen Meßverfahren sind beispielsweise bekannt aus R. K. Müller et al, Mechanische Größen elektrisch gemessen, expert verlag, Ehningen bei Böblingen 1990, Seiten 35 bis 107.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anord­ nung zur dynamischen Kraft-Weg-Messung bei einem Aktor anzu­ geben, mit der eine gleichzeitige und exakte Bestimmung so­ wohl der Längenausdehnung als auch der dabei entstehenden Kräfte möglich ist. Die Messung soll mit der Anordnung außer­ dem einfach und schnell durchzuführen sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur dynamischen Vermessung eines Aktors sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Anordnung nutzt eine Klemmhalterung zur Befestigung des Aktors. In dieser Klemmhalterung ist der Aktor zwischen einer ersten und einer zweiten Klemmplatte angeordnet und mittels einer gegen die erste Klemmplatte und die Klemmhalterung wirkenden Federung elastisch eingespannt. Dabei ist mindestens ein Kraftsensor zwischen Aktor und Klemmhalterung angeordnet.

Weiterhin umfaßt die Anordnung zwei optische Abstandssenso­ ren, deren Meßstrahlen auf bzw. gegen die beiden eingespann­ ten Enden des Aktors gerichtet sind. Um die Strahlengänge der beiden Abstandssensoren nicht zu behindern, sind zumindest in Klemmhalterung, Federung und dem zumindest einen Kraftsensor entsprechende Durchlässe vorgesehen. Die Anordnung umfaßt außerdem eine elektrische Ansteuerung für den Aktor und eine Auswerteeinheit zum Erfassen und Auswerten der von den Abstandssensoren und dem zumindest einen Kraftsensor gelieferten Meßwerte.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, sowohl die Längenausdehnung des Aktors mittels einer Zweipunktmes­ sung exakt und störungsfrei zu bestimmen, als auch gleichzei­ tig die dabei auftretenden Kräfte mit hoher Genauigkeit und störungsfrei zu erfassen. Da in Klemmhalterung, Federung und dem zumindest einen Kraftsensor Durchlässe für die Strahlen­ gänge der Abstandssensoren vorgesehen sind, beeinflussen sich Längen- und Kraftmessung gegenseitig nicht.

Zur Messung wird der Aktor einfach mittels der Federung zwi­ schen die Klemmplatten eingespannt. Eine darüber hinaus ge­ hende Befestigung, beispielsweise durch Kleben oder ein An­ bringen von Spiegeln für die Abstandssensoren ist nicht er­ forderlich.

Zur Messung der dynamischen Kraft ist ein Piezosensor vorge­ sehen, der innerhalb der Klemmhalterung irgendwo zwischen Aktor und Klemmhalterung angeordnet ist. Dieser erlaubt ein dynamisches Erfassen der entstehenden Kräfte mit einer Zeit­ auflösung im Sub-Millisekundenbereich. Da mit dem Piezosensor jedoch nur eine dynamische Kraftmessung, also eine Messung der auftretenden Kräfteänderung möglich ist, ist vorzugsweise in der Anordnung ein weiterer Kraftsensor zur Erfassung der statischen (absoluten) Kräfte vorgesehen. Vorzugsweise wird dafür ein Dehnungsmeßstreifensensor vorgesehen. Dieser weist einen verformbaren Bereich auf, dessen elektrischer Widerstand sich mit zunehmender Verformung ändert. Aufgrund eines definierten Anfangswiderstands ist mit dem Dehnungsmeßstrei­ fensensor eine absolute Bestimmung der auf ihn wirkenden (und vom Aktor erzeugten) Kräfte möglich.

Für die Abstandsmessung werden für sich bekannte optische Abstandssensoren verwendet. Vorteilhaft werden dafür Laser eingesetzt. Möglich ist es jedoch auch, andere, monochromati­ sche und kohärente Lichtquellen zu verwenden.

Ein geeignetes und vorzugsweise in der Erfindung verwendetes optisches Prinzip zur Abstandsmessung ist die interferometri­ sche Überlagerung des Meßstrahls mit dem vom Aktor oder von der Klemmplatte reflektierten Licht. Zur Abstandsbestimmung wird die Anzahl der Interferenzminima bestimmt und als dazu proportionales Analogsignal (Spannung) ausgegeben. Beim Ana­ logausgang besteht zwischen der Maximalauslenkung x_max, der Bitbreite b des A/D-Wandlers und dem durch die A/D-Wandlung entstehenden Fehler δx folgender Zusammenhang: δx = x_max/2^b. Unter der Voraussetzung einer Vollaussteuerung des A/D-Wand­ lers ergibt sich so für δx = 0,05 µm und b = 8 eine Maximal­ auslenkung x_max von 0,05 µm × 28 = 12,8 µm. Da in der Praxis aber auch deutlich höhere Auslenkungen entstehen, wird für das erfindungsgemäße Meßverfahren ein anderer Weg beschrit­ ten.

Es wird ein Analogausgang verwendet, der in einem vorgegebe­ nen Längenänderungsintervall von beispielsweise λ/2 (λ = Laserwellenlänge des optischen Abstandssensors) eine der Längenänderung proportionale Spannung ausgibt, die beispiels­ weise in einem Spannungsintervall zwischen 0 und 5 Volt liegt. Beim Über- oder Unterschreiten der Spannungsintervall­ grenzen springt das Analogsignal auf den Ausgangswert von 0 bzw. 5 Volt zurück.

In der Auswerteeinheit werden die Signale eingelesen, die Anzahl der Über- und Unterschreitungen der Spannungsinter­ vallgrenzen ermittelt und anschließend die Daten wieder so rekonstruiert, daß sie die erfolgte Längenänderung wider­ spiegeln. Damit ist der absolute Meßfehler unabhängig von der auftretenden maximalen Längenausdehnung. Als weiterer Vorteil ist sowohl für kleine aus auch für große Längenausdehnungen keine Meßbereichsumschaltung am A/D-Wandler nötig. Dies ist besonders nützlich, wenn die zu erwartende Längenänderung nicht bekannt ist. Die für die Rekonstruktion des ursprüngli­ chen Signals notwendigen Verfahren können in einem Software- Programm in der Auswerteeinheit realisiert werden.

Vorzugsweise sind die beiden Abstandssensoren gegeneinander fixiert, beispielsweise durch Montage auf einer gemeinsamen Grundplatte. Die Klemmhalterung ist vorzugsweise ein separa­ tes Teil, welches sich aus der Anordnung herausnehmen läßt. So ist es möglich, durch das Vorsehen mehrerer Klemmhalterun­ gen in einfacher Weise eine Versuchsreihe mit mehreren Akto­ ren in der gleichen Anordnung durchzuführen, ohne daß dies zwischendurch einen allzu großen Justieraufwand erfordert. Die Justierung selbst erfolgt durch je eine Konvexlinse, die in den Strahlengang des Abstandssensors eingebracht wird und den Laserstrahl auf die Klemmplatte oder die Stirnfläche des Aktors fokussiert. Die Konvexlinsen sind außerdem lateral beweglich, um möglicherweise auftretende herstellungsbedingte Kippwinkel zwischen den Stirnflächen der Aktoren zu kompen­ sieren. Außerdem kann dadurch die Größe des auf dem Aktor bzw. der Klemmplatte erzeugten Meßflecks erheblich reduziert werden. Damit wird eine lichtsammelnde Wirkung erzielt, mit der die Intensität des reflektierten Strahls gesteigert wer­ den kann.

Vorzugsweise wird für den Abstandssensor das Licht eines Helium-Neon-Lasers verwendet. Dieses ist besonders dazu ge­ eignet, direkt von der Oberfläche des Aktors reflektiert zu werden, ohne diese vorher optisch polieren zu müssen. Eine einfache Polierung genügt, um für die Abstandsmessung ausrei­ chend Licht zu reflektieren. Für diese besonders genaue Mes­ sung direkt an der Aktoroberfläche muß auch in den Klemm­ platten je ein entsprechender Durchlaß für den Meßstrahl bzw. das reflektierte Licht vorgesehen sein.

Die Klemmhalterung ist vorzugsweise als geschlossener Hohlzy­ linder ausgebildet, der durch eine Verschraubung zu öffnen bzw. zu schließen ist. Die Verschraubung bzw. das dafür vor­ gesehene Gewinde ist dabei so ausgelegt., daß der Innenraum des Hohlzylinders durch unterschiedlich "tiefes" Einschrauben in der Länge verstellbar ist. Dies ermöglicht es, unter­ schiedlich große Aktoren in der Klemmhalterung einzuspannen und zu vermessen. In vorteilhafter Weise ist es dabei mög­ lich, durch tieferes Einschrauben, also durch Verkürzen der Länge des Innenraums die Federung, beispielsweise eine Spi­ ral- oder Tellerfeder auf eine gewünschte statische Vorlast vorzuspannen. Da die auf eine Feder ausgeübte Kraft in genau definierter Abhängigkeit zur Auslenkung bzw. Kompression der Feder steht, lassen sich so in einfacher Weise genau defi­ nierte Vorlasten einstellen. Dies ermöglicht die vollständige Charakterisierung von Aktoren unter unterschiedlichsten Bedingungen.

Natürlich weist der Hohlzylinder noch Öffnungen auf, um die elektrischen Leitungen zur Ansteuerung des Aktors und zum Auslesen des oder der Kraftsensoren durchzuführen. In Boden und Deckel des die Klemmhalterung darstellenden Hohlzylinders sind außerdem die Öffnungen für den Strahlengang der Ab­ standssensoren vorgesehen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt in schematischer Darstellung einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Meßanordnung.

Figur: Zentrales Element der Meßanordnung ist die Klemmhalte­ rung, die als verschraubbarer Hohlzylinder HZ ausgebildet ist. Hier weist er ein Innengewinde IG auf, in das der Zylin­ derdeckel ZD einschraubbar ist. Im Hohlzylinder HZ selbst wird nun der Aktor A, beispielsweise ein piezoelektrischer Aktor in Multilayerbauweise zwischen zwei Klemmplatten KP mit einer als Federung dienenden Spiral- oder Tellerfeder F ein­ gespannt. In der Figur ist zwischen Zylinderdeckel ZD und erster Klemmplatte KP1 zumindest ein Kraftsensor KS angeord­ net, der mit in die Klemmhalterung eingespannt ist. Prinzi­ piell ist es auch möglich, den Kraftsensor zwischen Federung F und der zweiten Klemmplatte KP2 oder zwischen Federung F und dem Boden des Hohlzylinders HZ anzuordnen. Auch ist es möglich, die Feder F zwischen Zylinderdeckel ZD und erster Klemmplatte KP1 sowie zumindest einen Kraftsensor zwischen zweiter Klemmplatte KP2 und dem Zylinderboden anzuordnen. Im Ausführungsbeispiel besteht der zumindest eine Kraftsensor KS aus einem Piezosensor zur Messung der dynamischen Kräfte und einem direkt dahinter angeordneten Dehnungsmeßstreifensensor zur Erfassung der statischen Kräfte. Möglich ist es jedoch auch, die beiden Kraftsensoren KS räumlich voneinander zu trennen und beispielsweise zu beiden Seiten des Aktors A in der Klemmhalterung anzuordnen. Möglich ist es auch, den etwas größeren Dehnungsmeßstreifensensor außerhalb der Klemm­ halterung so anzuordnen, daß er fest mit dem Boden des Hohlzylinders verbunden ist und damit selbst den Boden der Klemmhalterung bildet. Für die Strahlengänge der Abstandssen­ soren AS ist in Zylinderdeckel ZD, Kraftsensor KS, in beiden Klemmplatten KP und im Boden des Hohlzylinders HZ je ein Durchlaß DL vorgesehen, beispielsweise in Form einer kleinen Bohrung. Da die Fläche der Bohrung in der Klemmplatte KP klein ist gegen die Auflagefläche der Klemmplatte KP auf dem Aktor A, kommt dies einer idealen (ganzflächigen) Klemmung gleich.

Die Klemmhalterung HZ mit dem eingespannten Aktor A ist für sich handhabbar und wird zur Durchführung der Messung in die Meßanordnung eingebracht. Diese besteht außerdem aus zwei Abstandssensoren AS, die gegeneinander fixiert und zum Bei­ spiel auf einer gemeinsamen Grundplatte verschraubt sind. Die Abstandssensoren bestehen aus einem Helium-Neon-Laser und bestimmen die interferometrische Überlagerung des Meßstrahls mit dem reflektierten Strahl. Zwischen der Klemmhalterung HZ und den beiden Abstandssensoren AS ist jeweils eine Optik O angeordnet, mit deren Hilfe die Meßstrahlen auf die Aktorend­ flächen fokussiert werden können. Die Klemmhalterung wird dabei so in die Anordnung eingepaßt, daß die beiden Durch­ lässe DL in Boden und Deckel des Hohlzylinders HZ genau auf den bzw. auf die Strahlengänge zentriert sind. Kleine Abwei­ chungen können mit Hilfe der Optik O nachreguliert werden.

Die Ansteuerung des Aktors A erfolgt über eine Auswerteein­ heit AE, beispielsweise mittels eines PC. Dieser steuert einen Funktionsgenerator FG zur Generierung der den Aktor ansteuernden elektrischen Signale. Der Funktionsgenerator ist über einen Leistungsverstärker V mit den beiden Elektroden des Aktors A verbunden. In eine Zuleitung ist ein Strom­ meßgerät I geschaltet und zwischen beiden Zuleitungen ein Spannungsmeßgerät U.

Die von den Abstandssensoren AS1 und AS2, von dem oder den Kraftsensoren KS, vom Strommeßgerät I und vom Spannungsmeßge­ rät U gelieferten Daten und Meßwerte können von einer Daten­ einheit DE gesammelt werden, die mit der Auswerteeinheit verbunden ist.

Über die Auswerteeinheit AE wird nun ein vollständiges Test­ programm für den Aktor gesteuert, wobei der Aktor mit unter­ schiedlichen Steuerspannungen oder mit unterschiedlichen Spannungsverläufen beaufschlagt wird. Die Charakterisierung erfolgt dann durch die schnelle zeitaufgelöste Erfassung der Längenausdehnung des Aktors A und der Kräfte, die der Aktor infolge der Beaufschlagung mit der Prüfspannung erzeugt.

Claims (11)

1. Anordnung zur dynamischen Kraft-Weg-Messung bei einem Aktor (A) mit

• - einer Klemmhalterung (HZ) zum elastischen Einspannen des Aktors (A) zwischen einer ersten und einer zweiten Klemm­ platte (KP1, KP2),
• - mindestens einem, zwischen Aktor und Klemmhalterung ange­ ordneten Kraftsensor (KS),
• - einer gegen Klemmhalterung und die erste Klemmplatte wirkenden Federung (F),
• - zwei optischen Abstandssensoren (AS1, AS2), die gegen die beiden eingespannten Enden des Aktors gerichtet sind, wo­ bei für die Strahlengänge der beiden Abstandssensoren zu­ mindest in Klemmhalterung, Federung und dem zumindest ei­ nen Kraftsensor je ein entsprechender Durchlaß (DL) vorgesehen sind,
• - einer elektrischen Ansteuerung (AE, FG, V) des Aktors und
• - einer Auswerteeinheit (AE) zum Erfassen und Auswerten der von den Abstandssensoren und dem zumindest einen Kraft­ sensor gelieferten Meßwerte.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der zur Erfassung der statischen Kraft ein Dehnungsmeß­ streifensensor und zur Erfassung der dynamischen Kraft ein Piezosensor als Kraftsensoren (KS) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Abstandssensoren (AS) vorgesehen sind, die die inter­ ferometrische Überlagerung eines Lasermeßstrahls mit dem reflektierten Strahl zur Abstandsmessung benutzen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem als Klemmhalterung ein geschlossener verschraubbarer Hohlzylinder (HZ) vorgesehen ist, welcher in Boden und Deckel (ZD) je einen Durchlaß (DL) für den Strahlengang eines Ab­ standssensors (AS) aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei der der Hohlzylinder (HZ) so ausgebildet ist, daß sein Innenraum durch Verschrauben in der Länge verstellbar ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die beiden Abstandssensoren (AS) gegeneinander fi­ xiert sind, bei dem die Klemmhalterung (HZ) austauschbar ist und bei dem eine justierbare Optik (O) zur Fokussierung und Ausrichtung der Strahlengänge der Abstandssensoren (AS) vor­ gesehen ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Abstandssensoren (AS) Helium-Neon-Laser umfassen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zur Federung und zur Aufbringung einer veränderbaren statischen Vorlast eine verstellbare Feder (F) vorgesehen ist.

9. Verfahren zur dynamischen Vermessung eines Aktors (A),

• - bei dem der Aktor mittels einer verstellbaren Feder (F) so in eine Klemmhalterung (HZ) eingespannt wird, daß er gegen einen dynamischen Kraftsensor (KS) wirken kann,
• - bei dem mittels zweier Laser Meßstrahlen über eine ju­ stierbare Optik (O) gegen die beiden eingespannten Enden des Aktors (A) gerichtet werden,
• - bei dem die Interferenzen der Meßstrahlen mit den reflek­ tierten Strahlen bestimmt werden,
• - bei dem der Aktor elektrisch angesteuert (FG, V) wird und
• - bei dem gleichzeitig Längenausdehnung und dynamische Kraftentfaltung des Aktors (A) bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9,

• - bei dem die Interferenzminima zwischen Meßstrahl und reflektiertem Strahl abgezählt und auf einem Analogaus­ gang als zur Längenänderung innerhalb eines Längenände­ rungsintervalls proportionale Spannung ausgegeben werden,
• - bei dem die Spannung bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungsintervalls wieder auf den Anfangswert bezie­ hungsweise auf Null zurückspringt und bei dem die Anzahl der Überschreitungen des Spannungsintervalls bestimmt und so die absolute Längenänderung des Aktors (A) rekonstru­ iert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Aktor (A) zusätzlich gegen einen statischen Kraftsensor (KS) wirkt und bei dem gleichzeitig Längenaus­ dehnung, dynamische und statische Kraftentfaltung des Aktors bestimmt werden.