DE1006166B - Verfahren zur Messung von Strecken mittels Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen und Vorrichtung zur Ausuebung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zur Messung von Strecken mittels Schallwellen insbesondere Ultraschallwellen und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens Zusatz zum Patent 952 943 Das Hauptpatent 952 943 bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Messung-von Strecken mittels stehender Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, und bezweckt, die Teilungsungenauigkeiten an Maßstäben zu vermeiden, was dadurch geschieht, daß die Schallwelle in einem Medium, dessen Länge ein Vielfaches von 2/2 ist, erzeugt wird und daß A/2 oder ein Vielfaches von 2/2 eine Teilungseinheit zwischen einer Anfangs- und einer Endmeßmarke darstellt, so daß je ein Maximum oder ein Minimum der stehenden Welle durch die Anfangs- und die Endmeßmarke hindurchgehen, und daß die Maxima oder Minima der stehenden Welle zur Herstellung von Teilungsintervallen einzeln oder zur Einstellung von aus Teilungsintervallen zusammengesetzten Meßstrecken summiert übertragen werden, Zur Messung des stehenden Schwingungszustandes wurde hierbei insbesondere vorgeschlagen, daß das Ultraschallfeld in einem Magnetstab oder -rohr erzeugt wird und daß die mechanischen Schwingungen der Elementarmagnete innerhalb der stehenden Schallwelle induktiv abgetastet werden.
• Eine andere Ausführungsform des Verfahrens nach dem Hauptpatent besteht darin, daß das Ultraschallfeld in einem optisch durchsichtigen Medium erzeugt wird, wobei die kleinste Meßstrecke der periodischen Wiederkehr einer Schallfeldgröße, beispielsweise Druck oder Schnelle oder Brechungsindex, entspricht, die aufgesucht oder sichtbar gemacht und übertragen wird.
• Die Erfindung ist eine weitere Ausbildung dieses Verfahrens und besteht darin, daß hierfür durchsichtige, elastische Doppelbrechung aufweisende Medien, beispielsweise Glas, benutzt werden, deren durch das Schallfeld erzeugte elastische Doppelbrechung mit Hilfe von polarisiertem Licht sichtbar und lichtelektrisch meßbar gemacht wird. Durchstrahlt man namlich ein im Ultraschallfeld schwingendes durchsichtiges Medium, beispielsweise einen schwingenden Glasstab senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der Ultraschallwellen mit polarisiertem Licht, so kann man unter Zwischenschaltung eines Analysators die Schwingungsmaxima und -minima im Medium direkt sichtbar und meßbar machen. Sie stellen sich beispielsweise als Folge von im Abstand von 2/2 nebeneinanderliegender leuchtender Meßelemente dar, deren Ausbildung bei subjektiver Beobachtung unter Zwischenschaltung geeigneter Strichplatten, wie dies auch bei sonstigen optischen Messungen üblich ist, zur Längenmessung herangezogen werden kann oder deren Helligkeitsanstieg und Abfall mit Hilfe eines lichtelektrischen Energievergleiches zur Längenmessung herangezogen werden kann. Dieses Verfahren hat neben seiner Einfachheit vor allem den Vorteil, daß man Störungen entweder infolge einer Änderung der vom Sendequarz abgestrahlten Frequenz oder infolge von ungenügender Ankoppelung des schwingenden Mediums an den Sendequarz sofort bemerken und lokalisieren kann, da bei diesem Verfahren das schwingende Medium direkt beobachtet wird und nicht nur, wie dies'bei anderen Verfahren, z. B. beim Verfahren der sekundären Interferenzen, der Fall ist, die durch das schwingende Medium an einer bestimmten, aber meist außerhalb des schwingenden Mediums liegenden Stelle des optischen Strahlenganges erzeugte Änderung der dort entstehenden Lichterscheinung.
• Die Erfindung, soweit sie sich auf die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens richtet, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein optisch durchsichtiger, elastische Doppelbrechung aufweisender Maßstab, vorzug weise aus Glas, an einem Ende den Schwingquarz trägt, der an einer Haltevorrichtung befestigt ist, und daß senkrecht zur Achse des Glasstabes ein optisches System angeordnet ist, das aus der Lichtquelle, dem Polarisator, dem Kondensator, dem Objektiv und dem Analysator besteht und den Glasstab mit parallelem Licht durchstrahlt, und daß in der Projektionsebene des Objektivs ein Spaltsystem mit mindestens zwei Spalten und hinter diesen zwei gleichwertige Fotozellen mit an einer Meßbrücke angeschlossenem Anzeigegerät angeordnet sind und daß das lichtelektrische System zum Glasstab oder umgekehrt der Glas stab zum Abtasten der im Glasstab erzeugten stehenden Welle gegeneinander verschiebbar sind.
• Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel schematisch stark vergrößert dargestellt. Hierin ist 1 ein exakt prismatischer Glasstab, dessen Länge gleich einem Vielfachen der halben Schallwellenlänge ist, der durch einen Schwingquarz 2 zum Schwingen angeregt wird.
• Die Frequenz des Schwingquarzes ist dabei so gewählt, daß im Glasstab stehende Schwingungen erzeugt werden, wie dies durch die Schraffur angedeutet ist. Die sich verengenden Linien deuten die Stellen der Druckmaxima an, zwischen denen die Druckminima liegen. Die Entfernung von einem Druckmaximum zum anderen beträgt ebenso wie von einem Druckminimum zum anderen eine halbe Wellenlänge, also i/2. Die Schwingungserscheinung ist in Wirklichkeit meist komplizierter, jedoch ändert dies an ihrem Prinzip nichts. Der Schwingquarz 2 ist an einer Haltevorrichtung 3 angekittet. Er weist außerdem einen leitenden Belag 4 auf. Die Haltevorrichtung 3 und der Belag 4 stehen über die Leitungen 5 und 6 mit dem Hochfrequenzgenerator 7 in Verbindung, so daß nach Einschaltung des Hochfrequenzgenerators 7 der Schwingquarz 2 zum Schwingen gebracht wird. Die Fortpflanzungsrichtung der Schallwellen im Glasstab erfolgt senkrecht nach oben, parallel zur Achse 25 des Glasstabes. Senkrecht zur Achse 25 des Glasstabes ist ein optisches System angeordnet, das aus der Lichtquelle 8, dem Polarisator 9, dem Kondensator 10, dem Objektiv 12 und dem Analysator 13 besteht. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß der Glasstab mit parallelem Licht durchstrahlt wird, wobei das Objektiv 12 den Glasstab in der Ebene des Blendsystems 15 abbildet. Der Polarisator 9 ist so gedreht, daß das aus ihm ausgetretene Licht in einer Ebene schwingt, die um 450 gegen die Achse 25 des Glasstabes geneigt ist, wie dies durch die Pfeilrichtung 11 angedeutet wurde. Der Analysator 13 befindet sich in gekreuzter 900-Stellung zum Polarisator 9 (Pfeilrichtung 14), so daß im Gesichtsfeld Dunkelheit vorhanden ist, wenn im Glasstab keine Doppelbrechung stattfindet, d. h. wenn der spannungsfreie Glasstab nicht schwingt. Nach Einschaltung des Ultraschallsenders mit genau abgestimmter Frequenz entsteht durch die stehenden Schallwellen im Glasstab elastische Doppelbrechung, die sich auf einer Projektionsebene am Orte des Spaltsystems 15 als eine Folge von hellen und dunklen Stellen im Abstand von einem Viertel Ultraschallwellenlänge im Glasstab 1 multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs 12 darstellt. Hierbei ist es nicht erforderlich, daß die Bildhelligkeit senkrecht zur Achse 25 gleichmäßig ist, sondern es können entsprechend dem Schwingungszustand des Glasstabes 1 auch in der Erstreckung 26 Schwingungsmaxima und -minima auftreten, so daß in der Erstreckung 26 mehrere Folgen leuchtender Scheibchen nebeneinanderliegen, die in Richtung der Achse 25 stets den Abstand einer halben Schallwellenlänge voneinander aufweisen.
• Macht man zur Erhöhung der Genauigkeit die Brennweite des Objektivs 12 kurz, so kann, wie dies in der Abb. 1 dargestellt ist, nur noch ein Teil der innerhalb einer halben Schallwellenlänge im Glasstab entstehenden Schwingungsfigur abgebildet werden, so daß man bei der zum Messen erforderlichen Verschiebung des gesamten optischen Sysfems 8, 9, 10, 12, 13, 15, 16 parallel zur Achse 25 des Glasmaßstabes in der Bildebene abwechselnd Helligkeitsanstieg und -abfall wahrnimmt.
• Diesen Helligkeitsanstieg und -abfall kann man gemäß dem Gedanken der Erfindung zweckmäßig lichtelektrisch messen. Zu diesem Zweck ordnet man in der Bildebene, d. h. dicht hinter dem Spaltsystem 15 zwei lichtelektrische Zellen, oder, wie dargestellt, eine Sperrschichtzelle 16 mit einer spaltförmigen Unterbrechung der Sperrschicht an. Durch die beiden hierdurch voneinander getrennten Schichten 17 und 18 entstehen zwei getrennte Zellen, die entsprechend ihrer Belichtungen über die Leitungen 19a und 20 bzw. 19b und 20 verschieden hohe Spannungen in das elektrische Meßsystem senden. Dieses elektrische Meßsystem besteht aus der Meßbrücke 21 zweckmäßig mit elektrischer Verstärkung und dem Anzeigegerät 22, dessen Ausschlag dann die Größe des Belichtungsunterschiedes auf den lichtelektrischen Zellen 16-17 bzw. 16-18 angibt.
• Zur Verfeinerung der Messung ordnet man entsprechend dem Gedanken der Erfindung vor den beiden lichtelektrischen Zellen ein Spaltsystem 15 an, das aus den beiden Spalten 23 und 24 besteht. Wählt man den Abstand der beiden Spalte 23 und 24 gleich einem Viertel der Schallwellenlänge im Glasstab 1 multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektives 12, so erhält man auf einer der beiden Fotozellen größte Dunkelheit, wenn auf der anderen Fotozelle größte Helligkeit herrscht, so daß jede Extrem stellung, also der maximale Ausschlag des Zeigers des Meßinstrumentes 22 den Durchgang der Mittelstellung zwischen einem Schwingungsmaximum bzw.
• -minimum des Glasstabes 1 durch die Achse des optischen Systems angibt, wobei die Extremstellung des Zeigers nach ein und derselben Seite jeweils dann erreicht wird, wenn das optische System 8, 9, 10, 12, 13, 15, 16 eine Strecke gleich der halben Schallwellenlänge im Glasstab 1 parallel zur Achse 25 durchfahren hat.
• Man kann jedoch auch entsprechend dem Gedanken der Erfindung die beiden Spalte 23 und 24, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, in einem kleineren Abstand voneinander anordnen, wobei dann die Nulllage des Zeigers des Instrumentes 22 jeweils den Durchgang eines Schwingungsmaximums bzw. eines Schwingungsminimums des Glasstabes 1 durch die optische Achse des optischen Systems angibt, so daß bei Bewegung des optischen Systems parallel zur optischen Achse 25 um ein Viertel der Schallwellenlänge im Glasstab 1 gerade zwei Nullagen des Zeigers des Instrumentes 22 eintreten können. Besonders günstig wird gemäß dem Gedanken der Erfindung bei sinusförmigem Verlauf der Lichtenergie die Messung mit Hilfe der Nullage des Zeigerinstrumentes 22, wenn die beiden Spalte 23 und 24 wieder einen Abstand gleich der Schallwellenlänge im Glasstab 1 multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs 12 haben, da dann auf jede der beiden Fotozellen sowohl in der Einstellung auf das Schwingungsmaximum wie in der Einstellung auf das Schwingungsminimum gleich große Energien fallen, so daß die Messung des Schwingungsmaximums wie die Messung des Schwingungsminimums infolge der Gleichheit der auf die Fotozellen fallenden Energie bei gleicher optimaler elektrischer Genauigkeit erfolgt.
• Weiterhin trifft man auf diese Weise jeweils die Stellen des steilsten Anstieges oder Abfallens der Lichtenergie und arbeitet somit mit der größten Empfindlichkeit.
• Entsteht im Glasstab jedoch eine andere Schwingungsform als eine sinusförmige oder eine Potenz der sinusförmigen, sind beispielsweise die leuchtenden Flächen im Verhältnis groß zu den dunklen Flächen, so werden gemäß dem Gedanken der Erfindung die beiden Spalte23 und 24 in einem solchen Abstand angeordnet, daß jeweils bei der Einstellung entweder auf das Schwingungsmaximum oder auf das Schwing gungsminimum die Stellen steilsten Lichtanstieges oder -abfalles erfaßt werden, wobei dann zur Einstellung jeweils nur der der Spaltstellung zugeordnete Schwingungszustand, d. h. entweder das Schwingungsmaximum oder das Schwingungsminimum benutzt wird.
• Darüber hinaus kann es meßtechnisch günstig sein, über mehrere Schwingungsmaxima oder Schwingungsminima hinweg zu messen, d. h. bei beispielsweise sinusförmigem Verlauf der Schwingung im Glasstab den Abstand der beiden Spalte 23 und 24 gleich drei Viertel, fünf Viertel, sieben Viertel usw. der Schallwellenlänge im Glasstab 1 multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs 12 zu machen.
• Auch kann man vor jeder der beiden Fotozellen ein System von mehreren Spalten anbringen, die je um die Hälfte der Schallwellenlänge im Glasstab 1 multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs 12 voneinander entfernt sind, so daß beide Spaltsysteme bei sinusförmigem Verlauf der Schwingung um ein Viertel, drei Viertel, fünf Viertel usw. der Schallwellenlänge im Glasstab 1 multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs 12 gegeneinander versetzt sind. Bei nicht sinusförmigem Verlauf der Schwingung müssen die beiden Spaltsysteme entsprechend so gegeneinander versetzt sein, daß die Stellen steilsten Lichtabfalles und -anstieges erfaßt werden. Auf diese Weise lassen sich mehrere beleuchtete Flächen an den Fotozellen addieren, um einen größeren Lichtstrom zu erhalten, der von der beleuchteten Fläche abhängig ist. Die Wellenlänge im Glasstab kann beispielsweise 1 mm betragen, wenn es sich darum handelt, metrische Teilungen zu übertragen.

Claims (20)

1. PATENTANSPRUCHE 1. Verfahren zur Messung von Strecken mittels stehender Schallwellen, insbesondere Ultraschallwellen, der Wellenlänge A, bei welchem die Schallwelle in einem optisch durchsichtigen Medium, dessen Länge ein Vielfaches von A/2 ist, erzeugt wird und Å/2 oder ein Vielfaches von A/2 eine Teilungseinheit zwischen einer Anfangs- und einer Endmeßmarke darstellt, so daß je ein Maximum oder ein Minimum der stehenden Welle durch die Anfangs- und die Endmeßmarke hindurchgehen, und die Maxima oder Minima der stehenden Welle zur Herstellung von Teilungsintervallen einzeln oder zur Einstellung von aus Teilungsintervallen zusammengesetzten Meßstrecken summiert übertragen werden, nach Patent 952 943, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisch durchsichtiges elastische Doppelbrechung aufweisendes Medium, beispielsweise Glas, benutzt wird, dessen durch das Schallfeld erzeugte elastische Doppelbrechung mit Hilfe von polarisiertem Licht sichtbar und lichtelektrisch meßbar gemacht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium ein prismatischer, zylindrischer oder rohrförmiger Körper mit bevorzugter Längserstreckung verwendet wird, dessen eine achsensenkrechte Begrenzungsfläche die Eintrittsfläche der parallel zur Achse des Körpers sich fortbewegenden Schallwellen darstellt und dessen andere achsensenkrechte Begrenzungsfläche den Reflektor der Schallwellen zur Erzeugung der stehenden Schwingung darstellt.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium ein prismatischer Stab aus spannungsfreiem Glas verwendet wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Polarisator der optischen Anordnung austretenden Lichtstrahlen unter einem Winkel von 450 gegen die Achse des Mediums schwingen und daß der Analysator in gekreuzter Stellung zum Polarisator steht.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Beobachtungs- und Meßsystem zur Messung parallel zur Achse des Körpers bei feststehendem Körper verfahren wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zur Messung parallel zu seiner Achse bei feststehendem optischem Beobachtungs- und Meßsystem verfahren wird.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der infolge der durch die stehende Schwingung bedingten elastischen Doppelbrechung entstehende Helligkeitsanstieg und -abfall lichtelektrisch gemessen wird.
8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrische Messung mit Hilfe von zwei Fotozellen in Brückenschaltung durchgeführt wird.
9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fotozelle ein Lichtbegrenzungsspalt zugeordnet ist.
10. 10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beobachtung der Nullstellung des elektrischen Anzeigegerätes der Abstand der beiden Spalte so gewählt wird, daß auf dem einen die Stelle steilsten Lichtanstieges und auf dem anderen die Stelle steilsten Lichtabfalles der durch den schwingenden Glasstab erzeugten Lichterscheinung abgebildet wird, wobei sich die Messung über eine oder mehrere der stehenden Schwingungen im Glasstab erstrecken kann.
11. 11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fotozelle ein Spaltsystem zugeordnet ist, dessen einzelne Spalte einen Abstand von einer halben Schallwellenlänge im Körper multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab der Zwischenabbildung voneinander haben.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beobachtung der Nullstellung des elektrischen Anzeigegerätes die beiden Spaltsysteme so gegeneinander versetzt sind, daß mit dem einen die Stellen steilsten Lichtanstieges und mit dem anderen die Stellen steilsten Lichtabfalles der durch den schwingenden Glasstab erzeugten Lichterscheinung erfaßt werden.
13. 13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spalte oder die beiden Spaltsysteme eine Versetzung von einem Viertel, drei Vierteln, fünf Vierteln usw. der Schallwellenlänge im Körper multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab der Zwischenabbildung voneinander aufweisen, wobei die Messung durch die Beobachtung der Extremstellung des elektrischen Anzeigegerätes durchgeführt wird.
14. 14. Vorrichtung zur Herstellung von Teilungen mit genauen Intervallen zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisch durchsichtiger und elastische Doppelbrechung aufweisender Maßstab, vorzugsweise aus Glas (1), an einem Ende den Schwingquarz (2) trägt, der an einer Haltevorrichtung (3) befestigt ist, und daß senkrecht zur Achse (25) des Glasstabes ein optisches System angeordnet ist, das aus der Lichtquelle (8), dem Polarisator (9), dem Kondensor (10), dem Objektiv (12) und dem Analysator (13) besteht und den Glas stab mit parallelem Licht durchstrahlt, und daß in der Projektionsebene des Objektivs (12) ein Spaltsystem (15) mit mindestens zwei Spalte (23, 24) und hinter diesen zwei gleichwertige Fotozellen mit an einer Meßbrücke (21) angeschlossenem Anzeigegerät (22) angeordnet sind, und daß das optische lichtelektrische System zum Glasstab oder umgekehrt der Glasstab zum Abtasten der im Glas stab erzeugten stehenden Welle gegeneinander verschiebbar sind.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (23, 24) des Spaltsystems (15) einen Abstand gleich einem Viertel Cler Schallwellenlänge im Glasstab (1) multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs (12) aufweisen.
16. 16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (23, 24) des Spaltsystems (15) einen Abstand, der kleiner ist als ein Viertel der Schallwellenlänge im Glas stab (1) multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs (12) aufweisen.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (23, 24) in einem solchen Abstand angeordnet sind, daß jeweils bei der Einstellung entweder auf das Schwingungsmaximum oder auf das Schwingungsminimum die Stellen steilsten Lichtanstieges oder -abfalles erfaßt werden, wobei dann zur Einstellung jeweils nur der der Spaltstellung zugeordnete Schwingungszustand, d. h. entweder das Schwingungsmaximum oder das Schwingungsminimum benutzt wird.
18. 18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (23,24) so angeordnet sind, daß die Messung über mehrere Schwingungsmaxima oder Schwingungsminima hinweg erfolgt, so daß bei sinusförmigem Verlauf der Schwingung im Glasstab der Abstand der bei den Spalte (23, 24) gleich drei Viertel, fünf Viertel, sieben Viertel der Schallwellenlänge im Glasstab (1) multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs (12) beträgt.
19. 19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß vor jeder der beiden Fotozellen (17, 18) ein System von mehreren Spalte ten angeordnet ist, die je um die Hälfte der Schallwellenlänge im Glasstab (1) multipliziert mit dem Abbildungsmaßstab des Objektivs (12) voneinander entfernt sind.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch durchsichtige, elastische Doppelbrechung aufweisende Stab einerseits und das optische lichtelektrische System andererseits an gegeneinander verschieblichen Maschinenteilen, beispielsweise einem Führungsbett und dem auf diesem vefschieblichen Verstellschlitten, vorzugsweise einer Werkzeugmaschine, angeordnet sind.