EP2394145A1 - Sensorbolzen zur krafterfassung sowie damit ausgestattetes flurförderzeug - Google Patents

Sensorbolzen zur krafterfassung sowie damit ausgestattetes flurförderzeug

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Publication number
EP2394145A1
EP2394145A1 EP10702061A EP10702061A EP2394145A1 EP 2394145 A1 EP2394145 A1 EP 2394145A1 EP 10702061 A EP10702061 A EP 10702061A EP 10702061 A EP10702061 A EP 10702061A EP 2394145 A1 EP2394145 A1 EP 2394145A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
light
sensor element
shell part
bolt according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10702061A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Philip Jackson
Matthias Appeldorn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STILL GmbH
Original Assignee
STILL GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STILL GmbH filed Critical STILL GmbH
Publication of EP2394145A1 publication Critical patent/EP2394145A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
    • G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
    • G01G3/125—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing wherein the weighing element is an optical member
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66F—HOISTING, LIFTING, HAULING OR PUSHING, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. DEVICES WHICH APPLY A LIFTING OR PUSHING FORCE DIRECTLY TO THE SURFACE OF A LOAD
    • B66F17/00—Safety devices, e.g. for limiting or indicating lifting force
    • B66F17/003—Safety devices, e.g. for limiting or indicating lifting force for fork-lift trucks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G19/00—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups
    • G01G19/08—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for incorporation in vehicles
    • G01G19/083—Weighing apparatus or methods adapted for special purposes not provided for in the preceding groups for incorporation in vehicles lift truck scale
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01G—WEIGHING
    • G01G21/00—Details of weighing apparatus
    • G01G21/28—Frames, Housings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0004—Force transducers adapted for mounting in a bore of the force receiving structure

Definitions

  • the invention relates to a sensor pin for force detection and a truck with a sensor pin.
  • Sensor pins Force sensing forceps are known in the English language as “load pin” and are sometimes referred to as “sensor pins” or “sensing pins.”
  • sensor pins Such sensor bolts are incorporated in various devices to measure or at least detect force effects on particular parts of the device usually with strain gauges, which record the shear forces transmitted to corresponding components of the sensor bolt Examples of sensor studs with strain gauges can be found on the following pages:
  • DE 38 02 332 A1 describes the use of a sensor pin with strain gauges in industrial trucks.
  • the sensor pin which is referred to in this document as a measuring pin, housed in a connecting part between the fork back and fork of a fork tine of a forklift truck.
  • the strain gauges in the measuring pin can be used to measure the weight of the loads picked up by the forks.
  • sensor studs working with strain gauges can not fall below a certain minimum size.
  • the smallest commercially available sensor stud with strain gages has a diameter of 9.4 mm.
  • sensor bolts are desirable, which are constructed particularly space-saving and, for example, have a diameter of at most 8 mm.
  • the present invention has for its object to provide an alternative to sensor studs with strain gauges available, which are executable in a space-saving design.
  • a sensor element is arranged from a material with variable depending on external force effects light transmission properties in a light beam path between a light source and a light receiver and the sensor element is in mechanical operative connection with a force receiving device.
  • the sensor bolt according to the invention thus does not work with strain gauges, but according to a completely different principle, namely according to a stress-optical method. It is based on the knowledge that certain materials change their light transmission depending on the mechanical stress at external forces. The altered light transmission can be detected and evaluated by means of a sensor. In this way, conclusions can be drawn about the magnitude of the forces acting on them.
  • An example of one for such a change in light transmission is the formation of an optical axis by the stress in the material as a function of the mechanical stress.
  • Such an optical axis is formed for each point of the material depending on the direction and magnitude of the mechanical stress.
  • Incident light is split into its polarization plane parallel to the optical axis, the extraordinary ray, and perpendicular to the optical axis, the extraordinary ray.
  • a relative phase shift occurs when passing through the material, so that elliptically polarized light with the extreme cases becomes circularly polarized light and linearly polarized light rotated in the polarization plane from linearly polarized incident light.
  • This principle is already used in industrial manufacturing processes to illustrate the distribution of forces within plastic models of particular components when loaded in a pictorial representation.
  • the invention is based on the finding that the stress-optical method is outstandingly suitable for replacing the method of detecting forces with strain gauges, which is common in sensor studs, by a much more advanced method which, due to its precision and simultaneous miniaturization perspective, opens up completely new application possibilities.
  • the sensor element in the sensor bolt.
  • the sensor element is formed from a polymer material.
  • the sensor element has an epoxy material with variable light transmission properties.
  • the sensor element is inserted according to an advantageous embodiment between a main shell part and a mold shell part, wherein the mold shell part forms the force receiving device.
  • the mold shell part may e.g. be secured in its outer areas by bearings.
  • the mold shell part is preferably at least partially positionally variable such that it can be pressed against the sensor element under load by an external force.
  • the force acting on the mold shell part external force is thus transmitted to the sensor element, which leads to stresses in the material of the sensor element and thus to a change in the light transmission of the material.
  • the light source and the light receiver are arranged in opposite end regions of a substantially cylindrical housing.
  • the housing comprises the main shell part and the shell part.
  • the sensor element is also substantially cylindrical in shape and aligned in the longitudinal extension in the light beam path between the light source and the light receiver.
  • the sensor element is enclosed by the main shell part and the shell part.
  • the light source and the light receiver are arranged on the same side of the sensor element and the sensor element is provided on the opposite side with an optical path reversing element, in particular a mirror, two mutually arranged at 90 ° mirrors or totally reflecting surfaces.
  • this allows a structure in which, for example, only the sensor element, possibly in a housing, projects into a space in which e.g. a pressure is to be measured. It is possible to do without a special housing or this thin-walled as pure contact protection to perform the environment when a reversal of the optical path to a fixedly connected mirror or two integrally formed totally reflective or mirrored surfaces takes place at 45 ° to a longitudinal axis of the Sensor element and each other at an angle of 90 ° are arranged.
  • a polarizing filter Between the light source and the light receiver on the one hand and the sensor element on the other hand can advantageously be arranged a polarizing filter.
  • the reflective element is suitably designed in such a way that the change of the polarization direction occurs again when the sensor element is re-traversed, in particular by a phase jump, then a shorter sensor element can be used. Also, only one polarizing filter is required. It is also conceivable to allow only the sensor element of the sensor pin to protrude through a bore into a region in which the pressure is about to be measured. In this case, a further simplification can be achieved by the sensor element is inserted into a housing which is weakened in one side or two opposite sides in its wall thickness. This results in the case of external pressure a preferred deformation and force direction in a very simple manner. As variable light transmission properties, a reduction of the light transmission or an intensity attenuation of the light of the light source can advantageously be detected by the light receiver.
  • the light source and the light receiver are equipped with polarizing filters.
  • the polarization filters can be arranged on the light receiver or the light source.
  • an intensity attenuation or increase in intensity can be detected by the light receiver.
  • the polarization filter can be aligned with each other the same and can be detected as a variable light transmission property intensity attenuation of the light receiver.
  • mutually aligned at an angle of 90 ° polarizing filters takes place only when pressure is applied at all a light transmission, as in unloaded sensor element it comes to a total extinction.
  • the invention allows a particularly space-saving design of the sensor pin, in particular the embodiment with a diameter of less than 8mm.
  • the sensor element preferably has a diameter of less than 9 mm, in particular in the range of 2 to 5 mm.
  • the sensor bolt according to the invention can directly replace the conventional sensor bolts which work with strain gauges and can be used wherever the previous sensor bolts are used. However, it is significantly cheaper to produce than the previous sensor bolts. In addition, it is characterized by a particularly high measurement accuracy. He can also be used for the detection of hydraulic or pneumatic pressures. In addition, it can be built much more compact, so that it opens up additional applications. In particular, it is suitable for those applications in which sensor bolts with diameters of less than 8 mm are required.
  • the invention further relates to an industrial truck with a sensor bolt.
  • a sensor pin is used according to claim 1, which has a sensor element made of a material with variable depending on external forces light transmission properties, which is arranged in a light beam path between a light source and a light receiver, wherein the Sensor element is in mechanical operative connection with a force receiving device.
  • the senor pin is integrated in a hydraulic device of the truck.
  • hydraulic pressures can be detected and / or measured in lift devices of forklifts.
  • the sensor pin can also be integrated in a braking device of the truck.
  • a braking device of the truck e.g. Braking forces are detected in a brake hydraulic circuit.
  • the sensor pin is installed in a mechanical brake actuation device, in particular a brake lever, for example a handbrake lever, of the industrial truck in order to directly detect the forces occurring there.
  • a mechanical brake actuator which consists of an operator-operated brake lever, a brake cable and the braking device actuated brake lever actuation forces applied by the operator to the brake lever.
  • a mechanical brake actuator which consists of an operator-operated brake lever, a brake cable and the braking device actuated brake lever actuation forces applied by the operator to the brake lever.
  • Conventional sensor studs that use strain gauges are unsuitable for this because they require diameters of less than 8 mm.
  • the object can also be achieved by a method for measuring force with a sensor element made of a material with a function of external forces variable light transmission properties, in particular optical anisotropy upon application of force, the sensor element between two polarizing filters or between a polarizing filter and an optical path reversing element, in particular a mirror, two mutually arranged at 90 ° mirror, or totally reflecting surfaces, in a light beam path between a light source and a light receiver is arranged and the sensor element is in mechanical operative connection with a force receiving device.
  • a change in intensity of the light due to changes in the polarization is detected when passing through the sensor element.
  • the method for determining forces of devices of an industrial truck is used, in particular for the determination of hydraulic pressures.
  • Fig. 1 is an exploded view of the components of an inventive
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a sensor pin according to the invention.
  • the sensor pin 13 of FIG. 1 has a sensor element 1 designed as an epoxy core, which is inserted between a main shell part 5 and a shell part 6.
  • the cylindrical sensor element 1 is arranged coaxially in the light beam path which extends between the light source 15 and the light receiver 7.
  • the light source 15 is housed in an end cap 2, which terminates the sensor pin 13 on one side in the axial direction.
  • Two semicircular cups 3 and 4 on Both end portions of the mold shell part 6 hold the mold shell part 6 on the one hand in position and on the other hand allow the mold shell part 6 can be pressed onto the sensor element 1, when an external force F acts on the mold shell part 6.
  • the mold shell part 6, the main shell part 5 and the semicircular bearing shells 3 and 4 are held together by the end cap 2 which includes, for example, an LED light source 15 and a housing 8 disposed at the opposite end of the sensor bolt 1 and containing the light receiver 7.
  • This construction enables pressure generated by an external force F to be exerted on the sensor element 1 while the sensor element 1 is simultaneously shielded from ambient light and the light source 15 and light receiver 7 are held in the correct position with respect to the sensor element 1.
  • the sensor element is formed in the present embodiment of araldite epoxy resin and has a diameter of 3 mm.
  • polarizing filters 11 and 12 are attached. These may e.g. be glued to the end faces of the sensor element 1.
  • the housing 8 for the light receiver 7 and an associated mounting member 14 may be made of opaque plastic, while the remaining components of the sensor pin 13 may be made of steel.
  • the housing 8 is arranged in the assembled state of the sensor pin 13 in an end cap 9, on which a signal and / or power lines leading connector means can be arranged.
  • the operation of the sensor element 1 is as follows: Through the epoxy core of the sensor element 1, a light beam of the light source 15 (eg LED) arranged in the end cap 2 is transmitted and detected by the light receiver 7 arranged in the housing 8. When the mold shell part 6 is loaded by an external force F, pressure is applied to the epoxide core
  • Sensor element 1 is exerted, whereby the epoxy core of the sensor element 1 is deformed and the light transmission through the sensor element 1 is reduced.
  • the change of the light signal can be detected by the light receiver 7 and e.g. be evaluated by a downstream signal processing device.
  • the light from the light source 15 is polarized by the first polarization filter 11 and passes through the sensor element 1 as polarized light.
  • stresses arise in the sensor element 1, which are in relation to the magnitude of the force F. These stresses cause in the sensor element 1 location-dependent the formation of optical axes or major axes, and a change in the polarization of the transmitted light in ellipsoidally polarized light, the qualitative and quantitative extent of this change is dependent on the degree of stress in the sensor element 1.
  • Extreme cases can be circular polarization or polarization plane rotation.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a sensor pin according to the invention.
  • the components of Fig. 1 corresponding components are provided with the same reference numerals.
  • the sensor pin 13 has a sensor element 1 designed as an epoxy core, which is inserted between the main shell part 5 and the shell part 6.
  • the cylindrical sensor element 1 is arranged coaxially in the light beam path, which extends between a light source 15 and a light receiver 7 arranged in the same housing via an optical path reversing element 24, for example at the other end of the sensor element 1, reflecting the beam path reversing reflection surfaces 25.
  • the two semicircular bearing shells 3 and 4 at both end regions of the mold shell part 6 hold the mold shell part 6 on the one hand in position and on the other hand allow the mold shell part 6 to be pressed onto the sensor element 1 when an external force F acts on the mold shell part 6.
  • the polarizing filter 12 is attached at one end of the sensor element 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorbolzen 13 zur Krafterfassung sowie ein damit ausgestattetes Flurförderzeug. Der Sensorbolzen 13 weist ein Sensorelement 1 aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Kräfte in Wirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften auf, das in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger 7 angeordnet ist. Das Sensorelement 1 steht mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Sensorelement 1 zwischen einem Hauptschalenteil 5 und einem Formschalenteil 6 eingelegt, das durch Lagerschalen 3 und 4 gesichert ist. Durch das Sensorelement 1, das z.B. als Epoxidkern ausgebildet sein kann, wird ein Lichtstrahl einer in einer Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle (z.B. LED) gesendet und von einem in einem Gehäuse 8 angeordneten Lichtempfänger 7 erfasst. Bei einer Belastung des Formschalenteils 6 durch eine äußere Kraft F verformt sich der Epoxidkern des Sensorelements 1 und der Lichtdurchlass wird verringert. Die Veränderung des Lichtsignals kann durch den Lichtempfänger 7 erfasst und z.B. durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden.

Description

Beschreibung
Sensorbolzen zur Krafterfassunq sowie damit ausgestattetes Flurförderzeuq
Die Erfindung betrifft einen Sensorbolzen zur Krafterfassung sowie ein Flurförderzeug mit einem Sensorbolzen.
Sensorbolzen zur Krafterfassung sind insbesondere im englischen Sprachgebrauch unter dem Begriff „load pin" bekannt und werden gelegentlich auch als Sensorstifte oder Messbolzen bezeichnet. Solche Sensorbolzen werden in verschiedenen Vorrichtungen eingebaut, um Krafteinwirkungen auf bestimmte Vorrichtungsteile messen oder zumindest feststellen zu können. Dabei arbeiten die Sensorbolzen in der Regel mit Dehnungsmessstreifen, die auf entsprechende Bauteile des Sensorbolzens übertragene Scherkräfte erfassen. Beispiele für Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen finden sich auf folgenden Intemetseiten:
http://www.strainsert.com/images/page8drawtable.jpg http://www.strainsert.com/pages/load-pins-overview.php http://www.lcmsystems.com/load_pin_application_note.html http://www.sentranllc.com/load_pin.htm
In der DE 38 02 332 A1 ist der Einsatz eines Sensorbolzens mit Dehnungsmessstreifen in Flurförderzeugen beschrieben. Dabei ist der Sensorbolzen, der in dieser Druckschrift als Messbolzen bezeichnet wird, in einem Verbindungsteil zwischen Gabelrücken und Gabelzunge eines Gabelzinkens eines Hubgabelstaplers untergebracht. Über die Dehnungsmessstreifen im Messbolzen kann das Gewicht der von den Gabelzinken aufgenommenen Lasten gemessen werden.
Mit Dehnungsmessstreifen arbeitende Sensorbolzen können bauartbedingt eine bestimmte Mindestgröße nicht unterschreiten. Der kleinste kommerziell erhältliche Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen weist einen Durchmesser von 9,4 mm auf. Für spezielle Anwendungsfälle sind jedoch Sensorbolzen wünschenswert, die besonders platzsparend aufgebaut sind und z.B. einen Durchmesser von höchstens 8 mm aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu Sensorbolzen mit Dehnungsmessstreifen zur Verfügung zu stellen, die auch in platzsparender Bauart ausführbar sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist und das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht.
Im Gegensatz zu den üblichen Sensorbolzen arbeitet der erfindungsgemäße Sensorbolzen also nicht mit Dehnungsmessstreifen, sondern nach einem völlig anderen Prinzip, nämlich nach einer spannungsoptischen Methode. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass bestimmte Materialien ihre Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung bei äußeren Kräften ändern. Die veränderte Lichtdurchlässigkeit kann mittels eines Sensors erfasst und ausgewertet werden. Auf diese Weise lässt sich auf die Größe der einwirkenden Kräfte rückschließen.
Ein Beispiel für eine für eine solche Änderung der Lichtdurchlässigkeit ist die Ausbildung einer optischen Achse durch die mechanische Spannung in dem Material abhängig von der mechanischen Beanspruchung. Eine solche optische Achse bildet sich für jeden Punkt des Materials abhängig von Richtung und Größe der mechanischen Spannung aus. Einfallendes Licht wird in seine Polarisationsebene parallel zur optischen Achse, den außerordentlichen Strahl, und senkrecht zur optischen Achse, den außerordentlichen Strahl zerlegt. Für beide Teilstrahlen der Zerlegung kommt es beim Durchlaufen des Materials zu einer relativen Phasenverschiebung zueinander, so dass aus linear polarisiertem einfallendem Licht elliptisch polarisiertes Licht mit den Extremfällen zirkulär polarisiertes Licht und in der Polarisationsebene gedrehtes linear polarisiertes Licht wird. Dieses Prinzip wird bei industriellen Herstellungsprozessen bereits benutzt, um die Kräfteverteilung innerhalb von Plastikmodellen von bestimmten Bauteilen bei Belastung in bildlicher Darstellung zu veranschaulichen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die spannungsoptische Methode hervorragend eignet, um die bei Sensorbolzen übliche Methode der Erfassung von Kräften mit Dehnungsmessstreifen durch eine weitaus fortschrittlichere Methode zu ersetzen, die wegen ihrer Präzision bei gleichzeitiger Perspektive zur Miniaturisierung völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.
Dabei wird für das Sensorelement im Sensorbolzen ein Material mit veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften verwendet. Zweckmäßigerweise wird das Sensorelement aus einem Polymermaterial gebildet. Besonders bevorzugt weist das Sensorelement ein Epoxidmaterial mit veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften auf.
Das Sensorelement ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zwischen einem Hauptschalenteil und einem Formschalenteil eingelegt, wobei das Formschalenteil die Kraftaufnahmeeinrichtung bildet. Das Formschalenteil kann z.B. in seinen Außenbereichen durch Lagerschalen gesichert sein.
Dabei ist das Formschalenteil vorzugsweise zumindest teilweise derart positionsveränderlich, dass es bei Belastung durch eine äußere Kraft verform ungswirkend auf das Sensorelement pressbar ist. Die auf das Formschalenteil wirkende äußere Kraft wird also auf das Sensorelement übertragen, was zu Spannungen im Material des Sensorelements und somit zu einer Veränderung der Lichtdurchlässigkeit des Materials führt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger in gegenüberliegenden Endbereichen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses angeordnet. In seinem Mittelbereich umfasst das Gehäuse das Hauptschalenteil und das Formschalenteil. Das Sensorelement ist ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und in Längserstreckung im Lichtstrahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger ausgerichtet. Dabei ist das Sensorelement vom Hauptschalenteil und Formschalenteil eingeschlossen. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass einerseits die Einwirkung von äußeren Kräften auf das Sensorelement ermöglicht wird und andererseits das Sensorelement von Umgebungslicht abgeschirmt wird, während gleichzeitig die Lichtquelle und der Lichtempfänger in korrekter Position bezüglich des Sensorelements gehalten werden.
In einer günstigen Ausführungsform sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger an derselben Seite des Sensorelements angeordnet und ist das Sensorelement an der gegenüberliegenden Seite mit einem den optischen Weg umkehrenden Element, insbesondere einem Spiegel, zwei zueinander unter 90° angeordneten Spiegeln oder totalreflektierenden Flächen versehen.
Dadurch ist es möglich, einen besonders kompakten Sensorbolzen herzustellen. Insbesondere ermöglicht dies einen Aufbau, bei dem beispielsweise nur das Sensorelement, gegebenenfalls in einem Gehäuse, in einen Raum ragt, in dem z.B. ein Druck gemessen werden soll. Dabei ist es möglich, ohne ein spezielles Gehäuse auszukommen oder dieses dünnwandig als reinen Kontaktschutz zu der Umgebung auszuführen, wenn eine Umkehr des optischen Weges an einem fest verbundenen Spiegel oder zwei angeformten totalreflektierenden oder auch verspiegelten Flächen erfolgt, die unter 45 ° zu einer Längsachse des Sensorelements und untereinander unter einem Winkel von 90° angeordnet sind.
Zwischen der Lichtquelle und dem Lichtempfänger einerseits sowie dem Sensorelement andererseits kann vorteilhaft ein Polarisationsfilter angeordnet sein.
Wenn das reflektierende Element geeignet so gestaltet wird, dass insbesondere durch einen Phasensprung die Änderung der Polarisationsrichtung beim erneuten Durchlaufen des Sensorelements nochmalig erfolgt, so kann ein kürzeres Sensorelement verwendet werden. Auch ist nur ein Polarisationsfilter erforderlich. Es ist auch denkbar, lediglich das Sensorelement des Sensorbolzens durch eine Bohrung in einen Bereich ragen zu lassen, in dem etwa der Druck gemessen werden soll. Dabei kann eine noch weitere Vereinfachung erreicht werden, indem das Sensorelement in ein Gehäuse eingesetzt ist, das an einer Seite oder zwei gegenüberliegenden Seiten in seiner Wandstärke geschwächt ist. Dadurch ergibt sich bei äußerem Druck eine bevorzugte Verformungs- und Krafteinwirkungsrichtung auf sehr einfache Weise. Als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaften kann vorteilhaft eine Verringerung des Lichtdurchlasses bzw. eine Intensitätsabschwächung des Lichts der Lichtquelle von dem Lichtempfänger erfasst werden.
Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger mit Polarisationsfiltern ausgestattet. Die Polarisationsfilter können an dem Lichtempfänger bzw. der Lichtquelle angeordnet sein. Es ist jedoch ebenfalls möglich, an den gegenüberliegenden Stirnseiten des Sensorelements jeweils einen Polarisationsfilter anzuordnen, beispielsweise aufzukleben. Dadurch wird ermöglicht, dass auch Verwindungskräfte erfasst werden können.
Vorteilhaft kann durch die relative Orientierung der Polarisationsfilter zueinander als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätsabschwächung oder Intensitätserhöhung von dem Lichtempfänger erfasst werden. Dabei können die Polarisationsfilter zueinander gleich ausgerichtet sein und kann als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätsabschwächung von dem Lichtempfänger erfasst werden. Im Fall von zueinander im Winkel von 90° ausgerichteten Polarisationsfiltern erfolgt erst bei Druckausübung überhaupt ein Lichtdurchlass, da bei unbelastetem Sensorelement es zu einer Totalauslöschung kommt.
Die Erfindung erlaubt eine besonders platzsparende Ausgestaltung des Sensorbolzens, insbesondere die Ausgestaltung mit einem Durchmesser von weniger als 8mm. Bevorzugt weist dabei das Sensorelement einen Durchmesser von weniger als 9 mm, insbesondere im Bereich von 2 bis 5 mm, auf.
Der erfindungsgemäße Sensorbolzen kann die herkömmlichen Sensorbolzen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, unmittelbar ersetzen und kann überall dort eingesetzt werden, wo auch die bisherigen Sensorbolzen zur Anwendung kommen. Er ist allerdings deutlich preisgünstiger herzustellen als die bisherigen Sensorbolzen. Außerdem zeichnet er sich durch eine besonders hohe Messgenauigkeit aus. Dabei kann er auch für die Erfassung hydraulischer oder pneumatischer Drücke verwendet werden. Darüber hinaus kann er wesentlich kompakter gebaut werden, so dass er zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. Insbesondere eignet er sich für solche Anwendungsfälle, bei denen Sensorbolzen mit Durchmessern von weniger als 8 mm gefordert sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Flurförderzeug mit einem Sensorbolzen.
Bezüglich des Flurförderzeugs wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Sensorbolzen gemäß Anspruch 1 verwendet wird, der ein Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften aufweist, welches in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist, wobei das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Flurförderzeugs sehen vor, dass ein Sensorbolzen mit den in einem der Ansprüche 2 bis 9 aufgeführten Merkmalen verwendet wird.
Zweckmäßigerweise ist der Sensorbolzen in eine Hydraulikeinrichtung des Flurförderzeugs integriert. Beispielsweise können auf diese Weise Hydraulikdrücke in Hubeinrichtungen von Gabelstaplern erfasst und/oder gemessen werden.
Mit Vorteil kann der Sensorbolzen auch in eine Bremseinrichtung des Flurförderzeugs integriert sein. Dadurch können z.B. Bremskräfte in einem Bremshydraulikkreislauf erfasst werden.
Besonders bevorzugt ist der Sensorbolzen in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremshebel, beispielsweise einem Handbremshebel, des Flurförderzeugs eingebaut, um die dort auftretenden Kräfte direkt zu erfassen. Mit dem erfindungsgemäßen Sensorbolzen wird ermöglicht, in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, die von einem von der Bedienperson betätigten Bremshebel, einem Bremsseil und einem die Bremseinrichtung betätigenden Bremsbetätigungshebel besteht, die von der Bedienperson an dem Bremshebel aufgebrachten Betätigungskräfte zu erfassen. Eine solche Anwendung wird erst aufgrund der platzsparenden Bauweise des erfindungsgemäßen Sensorbolzens ermöglicht. Herkömmliche Sensorbolzen, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, sind hierfür ungeeignet, weil hier Durchmesser von weniger als 8 mm gefordert sind.
Die Aufgabe kann auch durch ein Verfahren zur Kraftmessung mit einem Sensorelement aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften, insbesondere optischer Anisotropie bei Krafteinwirkung, gelöst werden, wobei das Sensorelement zwischen zwei Polarisationsfiltern oder zwischen einem Polarisationsfilter und einem den optischen Weg umkehrenden Element, insbesondere einem Spiegel, zwei zueinander unter 90° angeordneten Spiegel, oder totalreflektierenden Flächen, in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger angeordnet ist und das Sensorelement mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht. Zur Bestimmung der Größe der Krafteinwirkung wird eine Intensitätsänderung des Lichtes aufgrund von Änderungen der Polarisation beim Durchlaufen des Sensorelements erfasst.
Bei zueinander parallel ausgerichteten Polarisationsfiltern kann zur Bestimmung der Größe der Krafteinwirkung eine Intensitätsverminderung des Lichtes beim Durchlaufen des Sensorelements erfasst werden.
Vorteilhaft kommt das Verfahren zur Bestimmung von Kräften von Vorrichtungen eines Flurförderzeugs zum Einsatz, insbesondere zur Bestimmung von hydraulischen Drücken.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in der schematischen Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Hierbei zeigt die
Fig. 1 eine Explosionszeichnung der Bauteile eines erfindungsgemäßen
Sensorbolzens und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorbolzens.
Der Sensorbolzen 13 der Fig. 1 weist ein als Epoxidkem ausgebildetes Sensorelement 1 auf, der zwischen einem Hauptschalenteil 5 und einem Formschalenteil 6 eingelegt ist. Das zylinderförmige Sensorelement 1 ist koaxial im Lichtstrahlengang angeordnet, der sich zwischen der Lichtquelle 15 und dem Lichtempfänger 7 erstreckt. Die Lichtquelle 15 ist in einer Endkappe 2 untergebracht, die den Sensorbolzen 13 an einer Seite in axialer Richtung abschließt. Zwei halbkreisförmige Lagerschalen 3 und 4 an beiden Endbereichen des Formschalenteils 6 halten das Formschalenteil 6 einerseits in Position und erlauben andererseits, dass das Formschalenteil 6 auf das Sensorelement 1 gepresst werden kann, wenn eine äußere Kraft F auf das Formschalenteil 6 einwirkt. Das Formschalenteil 6, das Hauptschalenteil 5 und die halbkreisförmigen Lagerschalen 3 und 4 werden durch die Endkappe 2, die z.B. eine LED- Lichtquelle 15 beinhaltet, sowie einem am gegenüberliegenden Ende des Sensorbolzens 1 angeordneten Gehäuse 8, welches den Lichtempfänger 7 enthält, zusammengehalten.
Durch diese Konstruktion wird ermöglicht, dass durch eine äußere Kraft F erzeugter Druck auf das Sensorelement 1 ausgeübt werden kann, während das Sensorelement 1 gleichzeitig von Umgebungslicht abgeschirmt wird sowie Lichtquelle 15 und Lichtempfänger 7 in korrekter Position bezüglich des Sensorelements 1 gehalten werden.
Das Sensorelement ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Araldit-Epoxid-Harz geformt und weist einen Durchmesser von 3 mm auf.
An beiden Enden des Sensorelements 1 sind Polarisationsfiltern 11 und 12 angebracht. Diese können z.B. auf die Stirnseiten des Sensorelements 1 aufgeklebt sein.
Das Gehäuse 8 für den Lichtempfänger 7 sowie ein zugeordnetes Befestigungsteil 14 können aus lichtundurchlässigem Kunststoff bestehen, während die übrigen Bauteile des Sensorbolzens 13 aus Stahl gefertigt sein können.
Das Gehäuse 8 ist im zusammengebauten Zustand des Sensorbolzens 13 in einer Endkappe 9 angeordnet, an der eine nicht mehr dargestellte Signal- und/oder Stromleitungen führende Steckereinrichtung angeordnet werden kann.
Mittels Durchgangsbohrungen 10, die das Hauptschalenteil 5 in Längsrichtung durchdringen, können auf einfache Weise Stromleitungen zu einer in der Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle zu deren elektrischen Versorgung geführt werden.
Die Funktionsweise des Sensorelements 1 ist folgendermaßen: Durch den Epoxidkern des Sensorelements 1 wird ein Lichtstrahl der in der Endkappe 2 angeordneten Lichtquelle 15 (z.B. LED) gesendet und von dem im Gehäuse 8 angeordneten Lichtempfänger 7 erfasst. Bei einer Belastung des Formschalenteils 6 durch eine äußere Kraft F wird Druck auf das als Epoxidkern ausgebildete
Sensorelement 1 ausgeübt, wodurch sich der Epoxidkern des Sensorelements 1 verformt und der Lichtdurchlass durch das Sensorelement 1 verringert wird. Die Veränderung des Lichtsignals kann durch den Lichtempfänger 7 erfasst und z.B. durch eine nachgeschaltete Signalverarbeitungseinrichtung ausgewertet werden.
Dabei wird durch den ersten Polarisationsfilter 11 das Licht aus der Lichtquelle 15 polarisiert und durchläuft das Sensorelement 1 als polarisiertes Licht. Durch die äußere Kraft F entstehen Spannungen in dem Sensorelement 1 , die in einem Verhältnis zur Größe der Kraft F stehen. Diese Spannungen bewirken in dem Sensorelement 1 ortsabhängig die Ausbildung von optischen Achsen oder Hauptachsen, und eine Änderung der Polarisation des durchlaufenden Lichts in ellipsoid polarisiertes Licht, wobei der qualitative und quantitative Umfang dieser Änderung abhängig von dem Maß der Spannungen in dem Sensorelement 1 ist. Als extreme Fälle kann es zu einer Zirkularen Polarisierung oder einer Drehung der Polarisationsebene kommen. Durch den zweiten, in dem gleichen Winkel ausgerichteten, Polarisationsfilter 12 als Analysator führt dies dazu, dass die nunmehr nicht mehr mit dem zweiten Polarisationsfilter ausgerichteten Anteile des ellipsoid polarisierten Lichtes herausgefiltert werden und die erfasste Intensität des Lichtes in dem Lichtempfänger 7 gegenüber dem unbelasteten Sensorelement 1 abnimmt. Somit wird die Lichtdurchlässigkeit durch das Sensorelement 1 veringert, wodurch eine Erfassung von auf das Sensorelement 1 ausgeübten Kräften möglich wird.
Alternativ ist auch denkbar, die Polarisationsfilter 11 , 12 zueinander unter einem Winkel vom 90° bzw. diese senkrecht zueinander auszurichten, so dass bei unbelastetem Sensorelement 1 es zu einer maximalen Auslöschung der Intensität kommt und erst, wenn durch Spannungen in dem Sensorelement 1 eine Änderung der Polarisation des durchlaufenden Lichtes erfolgt, bei zunehmender Kraft F es zu einer Erhöhung der erfassten Lichtintensität kommt. Dies ermöglicht eine besonders empfindliche und genaue Erfassung der wirkenden Kraft. Die Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorbolzens. Den Bauteilen der Fig. 1 entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Sensorbolzen 13 weist ein als Epoxidkern ausgebildetes Sensorelement 1 auf, der zwischen dem Hauptschalenteil 5 und dem Formschalenteil 6 eingelegt ist. Das zylinderförmige Sensorelement 1 ist koaxial im Lichtstrahlengang angeordnet, der sich zwischen einer Lichtquelle 15 und einem in demselben Gehäuse angeordneten Lichtempfänger 7 über ein den optischen Weg umkehrendes Element 24, beispielsweise an dem anderen Ende des Sensorelements 1 angeformte, den Strahlengang umkehrenden Reflexionsflächen 25 erstreckt. Die zwei halbkreisförmigen Lagerschalen 3 und 4 an beiden Endbereichen des Formschalenteils 6 halten das Formschalenteil 6 einerseits in Position und erlauben andererseits, dass das Formschalenteil 6 auf das Sensorelement 1 gepresst werden kann, wenn eine äußere Kraft F auf das Formschalenteil 6 einwirkt. An dem einen Ende des Sensorelements 1 ist der Polarisationsfilter 12 angebracht.
Durch die Reflexionsflächen 25, die nach dem Prinzip der Totalreflexion wirken, jedoch auch verspiegelt sein können, wird das von der Lichtquelle 15 ausgesandte Licht reflektiert und gelangt zurück zu dem Lichtempfänger 7.

Claims

Patentansprüche
1. Sensorbolzen zur Krafterfassung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (1 ) aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle (15) und einem Lichtempfänger (7) angeordnet ist und das Sensorelement (1 ) mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht.
2. Sensorbolzen nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1 ) aus einem Polymermaterial gebildet ist.
3. Sensorbolzen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1 ) zwischen einem Hauptschalenteil (5) und einem Formschalenteil (6) eingelegt ist, wobei das Formschalenteil (6) die Kraftaufnahmeeinrichtung bildet.
4. Sensorbolzen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formschalenteil (6) zumindest teilweise derart positionsveränderlich ist, dass es bei Belastung durch eine äußere Kraft verformungswirkend auf das
Sensorelement (1 ) pressbar ist.
5. Sensorbolzen nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Formschalenteil (6) durch Lagerschalen (3,4) gesichert ist.
6. Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (15) und der Lichtempfänger (7) in gegenüberliegenden Endbereichen eines im Wesentlichen zylinderförmigen Gehäuses angeordnet sind, welches in seinem Mittelbereich das Hauptschalenteil (5) und das Formschalenteil (6) umfasst, und dass das Sensorelement (1) ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist und in Längserstreckung im Lichtstrahlengang zwischen der Lichtquelle (15) und dem Lichtempfänger (7) ausgerichtet ist und vom Hauptschalenteil (5) und Formschalenteil (6) eingeschlossen ist.
7. Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (15) und der Lichtempfänger (7) an derselben Seite des Sensorelements (1 ) angeordnet sind und das Sensorelement (1 ) an der gegenüberliegenden Seite mit einem den optischen Weg umkehrenden Element (24), insbesondere einem Spiegel, zwei zueinander unter 90° angeordneten Spiegel, oder totalreflektierenden Flächen (25) versehen ist.
8. Sensorbolzen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (15) und dem Lichtempfänger (7) einerseits sowie dem Sensorelement andererseits ein Polarisationsfilter (12) angeordnet ist.
9. Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften eine Verringerung des
Lichtdurchlasses bzw. eine Intensitätsabschwächung des Lichts der Lichtquelle
(15) von dem Lichtempfänger (7) erfasst werden kann.
10. Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle und der Lichtempfänger (7) mit Polarisationsfiltern (11 ,12) ausgestattet sind.
11. Sensorbolzen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die relative Orientierung der Polarisationsfilter (11, 12) zueinander als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätsabschwächung oder Intensitätserhöhung von dem Lichtempfänger (7) erfasst werden kann.
12. Sensorbolzen nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsfilter (11 ,12) zueinander gleich ausgerichtet sind und als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätsabschwächung von dem Lichtempfänger (7) erfasst werden kann.
13. Sensorbolzen nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsfilter zueinander um 90° verdreht ausgerichtet sind und als veränderliche Lichtdurchlasseigenschaft eine Intensitätserhöhung von dem Lichtempfänger erfasst werden kann.
14. Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1 ) ein Epoxidmaterial aufweist.
15. Sensorbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1 ) einen Durchmesser von weniger als 9 mm, insbesondere im Bereich von 2-5 mm, aufweist.
16. Flurförderzeug mit einem Sensorbolzen (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
17. Flurförderzeug nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbolzen (13) in eine Hydraulikeinrichtung des Flurförderzeugs integriert ist.
18. Flurförderzeug nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbolzen (13) in eine Bremseinrichtung des Flurförderzeugs integriert ist.
19. Flurförderzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorbolzen (13) in einer mechanischen Bremsbetätigungseinrichtung, insbesondere einem Bremshebel des Flurförderzeugs eingebaut ist.
20. Verfahren zur Kraftmessung mit einem Sensorelement (1 ) aus einem Material mit in Abhängigkeit von äußeren Krafteinwirkungen veränderlichen Lichtdurchlasseigenschaften, insbesondere optischer Anisotropie bei Krafteinwirkung, wobei das Sensorelement zwischen zwei Polarisationsfiltern (11 , 12) oder zwischen einem Polarisationsfilter (12) und einem den optischen Weg umkehrenden Element (24), insbesondere einem Spiegel, zwei zueinander unter 90° angeordneten Spiegel, oder totalreflektierenden Flächen (25), in einem Lichtstrahlengang zwischen einer Lichtquelle (15) und einem Lichtempfänger (7) angeordnet ist und das Sensorelement (1) mit einer Kraftaufnahmeeinrichtung in mechanischer Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Größe der Krafteinwirkung eine Intensitätsänderung des Lichtes aufgrund von Änderungen der Polarisation beim Durchlaufen des Sensorelements (1 ) erfasst wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei zueinander parallel ausgerichteten Polarisationsfiltern (11 , 12) zur Bestimmung der Größe der Krafteinwirkung eine Intensitätsverminderung des Lichtes beim Durchlaufen des Sensorelements (1) erfasst wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Bestimmung von Kräften von Vorrichtungen eines Flurförderzeugs eingesetzt wird, insbesondere zur Bestimmung von hydraulischen
Drücken oder mechanischen Kräften.
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