-
Optisch-photoelektronisches Verfahren zur Messung mechanischer Schwingungen
und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine zu dessen Durchführung dienende Vorrichtung zur Messung mechanischer Schwingungen,
welches sich auf die an sich bekannte Autokollimationsanordnung stützt.
-
Bekanntlich ist ein Kollimator ein optisches Gerät, welches eine
Meßmarke od. ä. mit Hilfe eines Objektivs im Unendlichen abbildet. Eine Autokollimationsanordnung
ist eine optische Anordnung, bei der das Licht auf einem Hin- und Rückweg den gleichen
Kollimator passiert. Derartige Anordnungen dienen zur Messung von Spiegelverdrehungen
um sehr kleine Winkel.
-
Das Autokollimationsverfahren in der bekannten Art ist in Abb. 1
dargestellt. Das Fernrohr F enthält eine ausstrahlende Lichtmarke B. Mit Hilfe des
Meßmikroskops M wird der Abstand h zwischen der LichtmarkeB und der von dem SpiegelS
wieder in die Bildebene reflektierten Lichtmarkenabbildung B' gemessen. Die Größe
h stellt ein Maß dar für die Winkelgröße zwischen der Spiegelnormalen und der Fernrohrachse.
Demnach geht eine Eigenbewegting des Fernrohres in gleichem Maße in den Meßwert
h mit ein wie die eigentlich zu messende Eigenbewegung des Spiegels.
-
Das ebenso bekannte galvanometrische Spiegelverfahren trägt einen
ähnlichen Mangel in sich. Hierbei gehen nämlich seitliche Verschiebungen der Lichtquelle
und Abstandsänderungen der Anzeigeskaln zum Spiegel als Fehler in die Größe des
Meßwertes mit ein. Ein ähnliches Verfahren dient ebenfalls zur Messung kleiner Spiegelverdrehungen,
bedient sich aber zur Erhöhung der Empfindlichkeit einer in der Reihenfolge genau
festgelegten mehrfachen Reflektion an Drehspiegeln und einem feststehenden Hilfsspiegel.
Während diese bisher erwähnten Verfahren der Messung von statischen Werten dienen,
sind andere bekannte Verfahren zur Messung von dynamischen Vorgängen geeignet. Bei
einem dieser Verfahren z. B. wird die Amplitude eines schwingenden Drehspiegels
an der Breite des an einer Mattscheibe abgebildeten Lichtstreifens gemessen. In
einem anderen Falle wird zur Messung von Schwingbewegungen ein Lichtstrahl auf einen
bewegten Spiegel mit besonders geformter Reflektionsfläche gestrahlt und von diesem
auf Photozellen reflektiert. Auch diese Verfahren tragen den grundsätzlichen Nachteil
in sich, daß Eigenbewegungen des Beleuchtungs- und Ablesesystems in gleicher Größenordnung
als Fehler in den Ablesewert mit eingehen wie die zu messenden Stellungsänderungen
des Spiegels. Das heißt, bei allen derartigen Meßanordnungen muß die Stellung
von
Beleuchtung, Reflektor und Ableseeinrichtung zueinander vor der Messung genau justiert
werden und während der ganzen Messung unverändert bleiben.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der bekannten
Autokollimationsanordnung, den zeitlichen Verlauf der Winkeländerung eines mit beliebiger
Frequenz schwingenden Spiegels zu ermitteln und dabei die erwähnten Nachteile auszuschalten,
daß die Stellungsänderung des Strahlers und der Ablesevorrichtung - die entsprechend
der Autokollimationsanordnung in dem Fernrohr vereinigt sind - den Meßwert beeinflußt,
also eine Justierung des Fernrohres gegenüber dem Reflektor überflüssig wird.
-
Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zur Messung mechanischer
Schwingungen unter Verwendung einer Autokollimationsanordnung darin, daß das von
einer Lichtmarke ausgestrahlte, aus dem Fernrohr heraustretende Licht von mehreren
unter bestimmten Winkeln zueinander angeordneten Spiegeln nacheinander reflektiert,
schließlich in das Fernrohr zurückgestrahlt und in der Bildebene mehrfach wieder
abgebildet wird, wobei eines der Bilder gleichzeitig sowohl photoelektrisch empfangen
und zur elektrischen Anzeige benutzt als auch optisch von einem Meßmikroskop betrachtet
und gemessen wird.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens
ist die Lichtmarke derart gestaltet,
daß ihr in der Bildebene schwingendes Bild gleichzeitig an dem Photoempfänger und
an der optischen Ableseeinrichtung wirksam ist. Hierdurch ist es möglich, neben
der optischen Ablesung der größten Schwingungsweite zusätzlich auf photoelektrischem
Wege auch den genauen zeitlichen Verlauf des Schwingungsvorganges zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung besteht das als Geber dienende Spiegelsystem
aus zwei oder mehreren nicht in einer Ebene liegenden Spiegeln, von denen einer
oder mehrere sich um eine definierte Drehachse gegenüber den übrigen Spiegeln innerhalb
des Spiegelsystems verdrehen. Hierdurch ist erreicht, daß in den Meßwert nur die
Relativstellung der sich bewegenden Spiegel zu den ruhenden Spiegeln innerhalb des
Spiegelsystems eingeht, nicht aber die Bewegung des Fernrohrs gegenüber dem Spiegelsystem.
Je nach der Zahl der Spiegel im Spiegelsystem und deren Anordnung zueinander läßt
sich die Fehlerwirkung der Eigenbewegungen des Fernrohrs in seinen verschiedenen
Freiheitsgraden völlig oder bis auf einen unbedeutend kleinen Rest ausschalten.
Somit ist es möglich, kleinste Spiegelbewegungen zu analysieren, während das Fernrohr
Eigenbewegungen - hervorgerufen z. B. durch Erschütterungen - ausführt. Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung kann das - aus beliebig kleinen Spiegeln hergestellte
-Spiegelsystem an irgendeiner Stelle in dem Strahlengang des Fernrohres an dem Meßobjekt
befestigt werden. Aus dem Obenerwähnten erklärt sich der Vorteil, daß die Grundstellung
des Spiegelsystems in weiten Grenzen beliebig ist und daher ohne vorherige Justierung
gemessen werden kann.
-
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Durchführung
des Meßverfahrens beschrieben. In den Abb. 3 und 4 ist der Aufbau einer solchen
Meßvorrichtung dargestellt. In der Bildebene des in Abb. 3 dargestellten Fernrohres
F befindet sich die in Abb. 4 gesondert dargestellte LichtmarkeB Ferner enthält
das Fernrohr die Objektivlinse L, den PhotoaufnehmerPh und das MeßmikroskopM. Als
Geber dient das Spiegelsystem, welches in diesem Falle aus den beiden Spiegeln Sj
und Sz besteht, von denen der eine gegenüber dem anderen Verdrehungen um die Berührungsachse
ausführen kann. Die Fernrohrachse muß so stehen, daß sie in der Ebene der Spiegelnormalen
liegt und die Spiegel aus beliebiger Richtung und beliebiger Entfernung bestrahlt.
-
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Die
von der Lichtmarke B ausgehenden Strahlen beleuchten das Spiegelsystem und werden
von diesem reflektiert. Wie in Abb. 2 dargestellt, entstehen in der Bildebene zwei
Abbildungen von B, nämlichB' und B". Von diesen wird nur eine benötigt, beispielsweise
B'. Sie steht, wie in Abb. 4 dargestellt ist, im Abstand h0 von B so, daß die Spitze
an der Skala des Meßmikroskops sichtbar wird, während das Rechteck den Photowiderstand
ungefähr halb ausleuchtet. Solange die SpiegelS, und 52 relativ zueinander in Ruhe
sind, bleibt die Lichtmarkenabbildung B' wie angeheftet in der eben beschriebenen
Ruhelage h" stehen, unabhängig von Bewegungen des Spiegelsystems oder des Fernrohres
in der Ebene der Spiegelnormalen (Papierebene). Wenn jetzt - beispielsweise durch
Schwingungen hervorgerufen -die SpiegelS, und S2 kleine Relatiwerdrehungen gegeneinander
ausführen, schwingt im Takte der
Spiegelschwingungen um die Ruhelage ho. Damit ändert
sich die Stellung der Lichtspitze an der Skala und auch die Ausleuchtung der lichtempfindlichen
Fläche des Photowiderstandes. In Abb. 5 ist dargestellt, wie die damit verbundene
Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Photowiderstandes in bekannter Weise
zur Anzeige des Schwingungsbildes, beispielsweise an einem Oszillographenschirm,
benutzt werden kann. Gleichzeitig wird als Maß für die dazugehörende größte Schwingweite
die Breite des von der Lichtmarkenspitze erzeugten Lichtbandes an der linearen Skala
des Meßmikroskops abgelesen.
-
Ein anderes, aus drei Spiegeln bestehendes Spiegelsystem ist in Abb.
6 dargestellt. Die Spiegels und SB bilden miteinander einen Winkel von 900. Der
an einer dünnen Blattfeder Bf angebrachte Spiegel Sc gerät durch die zu messenden
Körperschwingungen in Drehbewegungen um seine Unterkante. Bei Anwendung dieses Dreispiegelverfahrens
zur Messung von Körperschwingungen in der angegebenen Richtung ist die Stellung
der Fernrohrachse nicht mehr an eine Ebene gebunden. Das Fernrohr bestrahlt alle
Spiegel schräg, und zwar aus beliebiger Richtung und Entfernung. Hierdurch entstehen
in der Bildebene ebenfalls zwei Lichtmarkenabbildungen, und die Messung geht so
vor sich, wie bereits für das Zweispiegelverfahren beschrieben.
-
Die beiden hier beschriebenen Verfahren haben, wie bereits erwähnt,
folgenden Unterschied. Bei dem Zweispiegelverfahren sind alle Änderungen der Fernrohrachse
in der Ebene der Spiegelnormalen ohne jeden Einfluß auf den Meßvorgang. Bei dem
Dreispiegelverfahren dagegen sind alle Änderungen der Fernrohrachse im Raum zugelassen,
ohne daß dabei der Meßvorgang um mehr als 2°/o in ungünstigen Stellungen und um
mehr als 0,6ovo in günstigen Stellungen verfälscht wird.
-
Mit dem Dreispiegelverfahren lassen sich in der beschriebenen Weise
Körperschwingungen z. B. mit der Schwingweite von 0,005 mm messen, obwohl das Fernrohr
- auf ein einfaches Photostativ montiert -während der Messung großen Erschütterungen
ausgesetzt ist oder sogar bewußt angestoßen wird.
-
Außer zu Messungen in der hier beschriebenen Art läßt sich dieses
Verfahren auch für statische Messungen, z. B. zur Justierung optischer Geräte oder
in der allgemeinen Vermessungstechnik, anwenden.
-
Wegen der Billigkeit der als Geber dienenden Spiegelsysteme ist beispielsweise
daran zu denken, eine Reihe von Gebern an verschiedenen Meßstellen zu montieren
und diese im Bedarfsfalle durch Bestrahlung mit ein und demselben Fernrohr abzufragen.
-
Die Richtungs- und Entfernungsunempfindlichkeit ermöglicht es beispielsweise
auch, ein kleines Spiegelsystem an einer rotierenden Welle zu befestigen und dieses
während des Betriebes abzufragen. Da bei jeder Umdrehung der Welle die Reflexionsrichtung
eines Zweispiegelsystems einmal durchlaufen wird, kann aus freier Hand eine dem
Auge kontinuierlich erscheinende Ablesung am Meßmikroskop erfolgen. In dieser Weise
könnte das Verfahren beispielsweise zur Drehmomentenmessung angewendet werden.