DE1112309B

DE1112309B - Optical-photoelectronic method for measuring mechanical vibrations and device for carrying out the method

Info

Publication number: DE1112309B
Application number: DEF28879A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ruediger Hartwig
Original assignee: FOERDERUNGSGEMEINSCHAFT DES HE; Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Current assignee: FOERDERUNGSGEMEINSCHAFT DES HE; Fraunhofer Institut fuer Nachrichtentechnik Heinrich Hertz Institute HHI
Priority date: 1959-07-10
Filing date: 1959-07-10
Publication date: 1961-08-03

Description

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. Optical-photoelectronic method for measuring mechanical vibrations and device for carrying out the method The invention relates to a method and a device for measuring mechanical vibrations which is used to carry it out, which is based on the known autocollimation arrangement.

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. As is known, a collimator is an optical device which has a Measuring mark od. Ä. Imaged at infinity with the help of a lens. An autocollimation arrangement is an optical arrangement in which the light is the same on a round trip Collimator happened. Such arrangements are used to measure mirror rotations at very small angles.

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. The known type of autocollimation method is shown in Fig. 1 shown. The telescope F contains an emitting light mark B. With the help of the The measuring microscope M is the distance h between the light markB and that of the mirrorS Again in the image plane reflected light mark image B 'measured. The size h represents a measure for the size of the angle between the mirror normal and the telescope axis. Accordingly, any self-movement of the telescope goes into the measured value to the same extent h with one such as the proper movement of the mirror that is actually to be measured.

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. The well-known galvanometric mirror process has one similar defect in itself. This is because there are lateral shifts of the light source and changes in the distance of the display scales to the mirror as errors in the size of the Measured value with a. A similar procedure is also used to measure small mirror rotations, but uses one in the order exactly to increase the sensitivity fixed multiple reflections on rotating mirrors and a fixed auxiliary mirror. While these previously mentioned methods serve to measure static values, other known methods for measuring dynamic processes are suitable. at one of these methods e.g. B. is the amplitude of an oscillating rotating mirror measured by the width of the strip of light shown on a ground glass. In In another case, a beam of light hits you to measure oscillating movements moving mirror with a specially shaped reflection surface and blasted by this reflected on photocells. These methods also have the fundamental disadvantage inherent movements of the lighting and reading system in the same order of magnitude are included as errors in the reading, as are the changes in position to be measured of the mirror. That means that with all such measuring arrangements the position from Lighting, reflector and reading device precisely adjusted to each other before the measurement and remain unchanged throughout the measurement.

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. The invention is based on the object based on the known Autocollimation arrangement, the temporal course of the angle change one with any To determine the frequency of the oscillating mirror and to eliminate the disadvantages mentioned, that the change in position of the radiator and the reading device - the corresponding the autocollimation arrangement are combined in the telescope - influences the measured value, So an adjustment of the telescope with respect to the reflector is superfluous.

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. According to the invention, the method for measuring is mechanical Vibrations using an autocollimation arrangement in that the Light emitted by a light mark and emerging from the telescope by several mirrors arranged at certain angles to one another reflected one after the other, finally reflected back into the telescope and again several times in the image plane is imaged, one of the images being received both photoelectrically at the same time and used for electrical display as well as viewed optically by a measuring microscope and is measured.

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. According to a further feature of the device according to the invention for Implementation of the procedure is the light mark designed in such a way that your image, swinging in the image plane, is at the same time on the photoreceiver and is effective on the optical reading device. This makes it possible besides the optical reading of the largest oscillation amplitude additionally on photoelectric Ways to determine the exact timing of the oscillation process. According to a further characteristic of the invention, there is the mirror system serving as a transmitter of two or more mirrors not lying in one plane, one of which or more around a defined axis of rotation with respect to the other mirrors within of the mirror system. This ensures that only the Relative position of the moving mirror to the stationary mirrors within the Receives mirror system, but not the movement of the telescope in relation to the mirror system. Depending on the number of mirrors in the mirror system and their arrangement to each other the error effect of the proper movements of the telescope in its various Switch off degrees of freedom completely or except for an insignificantly small remainder. This makes it possible to analyze the smallest mirror movements while the telescope is in use Own movements - caused z. B. by vibrations - executes. According to a Another feature of the invention can be - made from mirrors of any size -Mirror system at any point in the beam path of the telescope on the measurement object be attached. The advantage that the basic position of the mirror system is arbitrary within wide limits and therefore without prior adjustment can be measured.

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. The following are exemplary embodiments of the device for implementation of the measuring method described. In Figs. 3 and 4 the structure of such is Measuring device shown. In the image plane of the telescope shown in Fig. 3 F is the light mark shown separately in Fig. 4 the telescope the objective lens L, the photoreceptor Ph and the measuring microscope M. as The mirror system, which in this case consists of the two mirrors Sj and Sz, of which one relative to the other rotations about the axis of contact can perform. The telescope axis must stand so that it is in the plane of the mirror normal and irradiates the mirror from any direction and any distance.

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. The operation of the device described is as follows: The Rays emanating from light mark B illuminate the mirror system and become reflected from this. As shown in Fig. 2, there are two in the image plane Maps of B, namely B 'and B ". Only one of these is needed, for example B '. As shown in Fig. 4, it is at a distance h0 from B so that the tip becomes visible on the scale of the measuring microscope, while the rectangle represents the photoresistor about half lit. As long as the mirrors S, 52 and 52 are at rest relative to one another are, the light mark image B 'remains as attached in that just described Rest position h "are independent of movements of the mirror system or the telescope in the plane of the mirror normals (plane of the paper). If now - for example through Vibrations caused - the mirrors S, and S2 small relative rotations against each other perform, oscillates in time with the Mirror oscillations around the rest position ho. So that changes the position of the light tip on the scale and also the illumination of the light-sensitive ones Area of the photoresistor. In Fig. 5 it is shown how the associated Change the electrical conductivity of the photoresistor in a known manner to display the vibration pattern, for example on an oscilloscope screen, can be used. At the same time is used as a measure for the associated greatest amplitude the width of the light band generated by the tip of the light mark on the linear scale of the measuring microscope.

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. Another mirror system consisting of three mirrors is shown in Fig. 6 shown. The mirror and SB form an angle of 900 with each other Mirror Sc attached to a thin leaf spring Bf passes through the mirror to be measured Body vibrations in rotary movements around its lower edge. When using this three-mirror method for measuring body vibrations in the specified direction is the position the telescope axis is no longer bound to a plane. The telescope irradiates everyone Mirror at an angle, from any direction and distance. This creates There are also two light mark images in the image plane, and the measurement goes like this in front of you, as already described for the two-mirror method.

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. As already mentioned, the two methods described here have following difference. With the two-mirror method, all changes are made to the telescope axis in the plane of the mirror normal without any influence on the measuring process. In which Three-mirror method, on the other hand, allows all changes to the telescope axis in space, without thereby reducing the measuring process by more than 2 ° / o in unfavorable positions and around more than 0.6ovo is falsified in favorable positions.

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. The three-mirror method can be used in the manner described Body vibrations z. B. measure with an amplitude of 0.005 mm, although the telescope - Mounted on a simple photo tripod - Large vibrations during the measurement is exposed or even consciously triggered.

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. In addition to measurements of the type described here, this Method also for static measurements, e.g. B. for adjusting optical devices or in general surveying technology.

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.Because of the cheapness of the mirror systems serving as donors, for example remember to mount a number of encoders at different measuring points and, if necessary, interrogate them by irradiating them with one and the same telescope.

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.The insensitivity to direction and distance makes it possible, for example also to attach a small mirror system to a rotating shaft and this to be queried during operation. Since with each revolution of the shaft the direction of reflection a two-mirror system is run through once, a dem Eye continuously appearing reading on the measuring microscope. That way the method could be used, for example, for torque measurement.

Claims

PATENTANSPROCI} E 1. Optical-photoelectronic method for measurement mechanical vibrations by a Autocollimation device, characterized in that the emitted by a light mark, from the autocollimation telescope outgoing light from several arranged at certain angles to each other Reflected one after the other, finally reflected back into the telescope and is reproduced several times in the image plane, with one of the images at the same time both photoelectrically received and used for electrical display as well as optically is viewed and measured by a measuring microscope.

2. Device for carrying out the process according to claim 1, characterized in that the autocollimation telescope the image of a special Form trained light mark emits.

3. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that light mark (B), photoreceiver (Ph) and Measuring microscope (M) with the telescope (J) together form a rigid unit.

4. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that the reflective mirror system consists of two or more among There are mirrors standing at certain angles to one another, one or more of which together rotate about a defined axis of rotation with respect to the other mirrors.

5. Apparatus for performing the method according to claim 1 and 4, characterized in that the mirror system serving as a transmitter is attached to the one to be examined Object is attached anywhere in the beam path of the telescope.

Documents considered: German Patent No. 817177; French patent specification No. 1086 997.