DE29622575U1

DE29622575U1 - Kraftsensor

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Publication number: DE29622575U1
Application number: DE29622575U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-31
Filing date: 1996-12-31
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2007-01-01

Description

Jens Philipp München, den 23.Dezember 1996

Bavariastraße 10
80336 München

Kraftsensor

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Messen einer Kraft

Bekannte Kraftsensoren funktionieren beispielsweise nach dem Prinzip der Änderung eines elektrischen Widerstandes in Abhängigkeit der zu messenden Kraft.

Dabei wird eine Folie mit einer aufgedruckten Anordnung von Widerständen auf einen Körper aufgeklebt, auf den die zu messende Kraft wirkt. Die durch die Kraft auftretende Verformung des Körpers überträgt sich auf die Folie und verändert den Wert der Widerstandsanordnung. Diese Änderung ist ein Maß für die Kraft, die auf den Körper einwirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Alternative zu bekannten Kraftsensoren zu bieten.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß. durch den spannungsoptisch empfindlichen Körper hindurchtretendes Licht je nach mechanischer Spannung in dem Körper unterschiedlich phasenverzögert wird. Mit Hilfe von Polarisatoren können diese Spannungsverzögerungen als Streifen (Isochromaten) unterschiedlicher Lichtfarbe oder Lichtintensität sichtbar gemacht werden. Mit sich ändernder Krafteinwirkung auf den Körper ändert sich das Streifenbild, die Streifen "laufen". Mit Hilfe eines Lichtsensors und eines Zählwerkes lassen sich die an einem Meßort vorbeilaufenden Streifen zählen.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in einem Kraftsensor mit einem Körper aus spannungsoptisch empfindlichem Material, welcher so geformt und gelagert ist, daß die zu messende Kraft in dem Körper mechanische Spannungen hervorruft, mit einer Lichtquelle für polarisiertes Licht, welche so angeordnet ist, daß sie den Körper von einer Seite

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beleuchtet, sowie mit einem Lichtsensor und mit einem Polarisator auf der anderen Seite des Körpers, welche so angeordnet sind, daß mit dem Lichtsensor aus dem Körper an einer Meßstelle austretendes und durch den Polarisator hindurchtretendes Licht erfaßbar ist. Die Anzahl der an dem optischen Sensor vorbeilaufenden Helligkeitsmaxima und -minima der Isochromaten wird als ein Maß für die Kraftänderung verwendet.

Die Erfassung der Isochromaten am Kraftsensor erfolgt rein optisch; metallhaltige Teile müssen nicht verwendet werden. Es entstehen somit weder elektromagnetische Felder, noch wird die Erfassung des Lichtstrahls durch elektromagnetische Felder beeinflußt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit.

Es ist beispielsweise einsetzbar in einem Kernspintomographen, einem Gerät für die bildgebende Diagnostik in der Medizin, das mit extrem starken Magnetfeldern arbeitet, und dessen Bildgebung durch das Vorhandensein von Metallen und elektromagnetischen Feldern innerhalb und in der Nähe seines Meßvolumens gestört wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist zwischen der Lichtquelle und dem Körper ein Lichtleiter angeordnet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist zwischen dem Polarisator und dem Lichtsensor ein Lichtleiter angeordnet.

Eine bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist eine Lichtquelle mit Polarisator auf.

Eine bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung weist eine dichromatische Lichtquelle auf.

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Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele erläutert.
Ausführungsbeispiel 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung von Kräften, die beim Fassen eines Gegenstandes mit der Hand entstehen (Greifkörper). Ausführungsbeispiel 2 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung von translatorischen Beschleunigungskräften.

Es zeigen:

Fig. 1: Eine schematische Ansicht des Kraftsensors mit

Signalverarbeitungskette, identisch für beide

Ausführungsbeispiele
Fig. 2: Eine Gesamtansicht eines Greifkörpers mit erfindungsgemäßen

Kraftsensor. (Ausführungsbeispiel 1)
Fig. 3: Eine Gesamtansicht eines Linearbeschleunigungssensors mit

erfindungsgemäßem Kraftsensor (Ausführungsbeispiel 2)
Fig. 4: Ein Blockschaltbild des Signalverlaufs, identisch für beide

Ausführungsbeispiele.

Die beiden Ausführungsbeispiele unterscheiden sich lediglich durch ihre jeweils geeignet zu wählende Formgebung. Dabei ist jede Form geeignet, bei der infolge der Einwirkung der zu messenden Kraft mechanische Spannungen in dem Körper auftreten. Außerdem weist Ausführungsbeispiel 2 eine Masse 76, die an einem Ende des Sensors angebracht ist, und die Befestigung am zu bewegenden Körper 78 auf. 74 deutet die Bewgungsrichtung des Körpers an, dessen Beschleunigung zu messen ist.

Ein Kraftsensor 66 und 70 besitzt einen Körper 28 aus spannungsoptisch empfindlichem Material. Mit einem Taktgeber 4 werden zwei monochromatische koherente Lichtquellen 8 und 12 mit unterschiedlicher Wellenlänge über ihre Ansteuerungen 6 wechselweise eingeschaltet. Das in den Lichtquellen 8 und 12 erzeugte Licht wird über einen Adapter 18 in einen Lichtleiter 20 durch das Kabel 64 durch den Polarisator 24 in den Körper 28 eingeleitet. Auf der gegenüberliegenden Seite tritt das Licht aus und durch den Polarisationsfilter 32 hindurch in den Lichtleiter 36 ein, durch welchen es auf den Lichtsenssor 40 gelangt.

Ein beispielhafter Kraftverlauf 80, dessen Angriffsrichtungen durch 72 angedeutet sind, erzeugt im Körper 28 Isochromaten, welche die Helligkeit

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des durch den Körper 28 hindurchtretenden Lichtes dämpfen. Die quantitative Erfassung der zu messenden Kraft erfolgt in der vorne beschriebenen Weise.

Der Taktgeber 4 schaltet wie in 84 dargestellt zwischen den beiden Lichtquellen 8 (Ll) und 12 (L2) um. Da die Lichtquellen 8 und 12 geeignet unterschiedliche Wellenlängen besitzen, liegen die Dämpfungsmaxima ihrer Isochromaten örtlich voneinander verschoben. Graph 88 zeigt beispielhaft einen Helligkeitsverlauf, am Sensor 16, in dem die Helligkeiten für beide Lichtquellen 8 und 12 kodiert sind. Durch das Taktsignal 84 wird dieser Helligkeitsverlauf 88 in die Helligkeitsverläufe 92 und 96 der jeweiligen Lichtquellen 8 und 12 dekodiert.

Die Bestimmung einer Kraftzunahme ergibt sich durch das frühere Auftreten eines Helligkeitsmaximums ( = minimale Dämpfung im Körper 28) für eine der beiden Lichtquellen 8 und 12. Hier: Erreicht die Intensität in 92 ihr Maximum vor der Intensität in 96, so liegt eine Kraftzunahme vor und ein Zähler 100 wird erhöht. Erreicht die Intensität 96 zuerst ihr Maximum, so liegt eine Kraftabnahme vor und der Zähler wird entsprechend verringert. Der Stand des Zählers, realisiert im Computer 48 ist ein Maß für die Kraft.

Ein Lichtpfad, bestehend aus einer Lichtquelle 16 mit Ansteuerungselektronik 14 und mit einem Lichtleiter 52, welcher durch das Kabel 64 hin- und zurück läuft und auf einen Lichtsensor 56 fällt, dient als Referenz, um die Dämpfung, die in den Lichtleitern 20 und 36 auftritt, erkennen und korrigieren zu können.

Claims

Schutzansprüche:

1. Kraftsensor mit einem Körper (28) aus spannungsoptisch empfindlichem Material, welcher so geformt und gelagert ist, daß die zu messende Kraft (72) in dem Körper (28) mechanische Spannungen hervorruft, mit einer Lichtquelle (8, 12 mit 24) für polarisiertes Licht, welche so angeordnet ist, daß sie den Körper (28) von einer Seite beleuchtet, sowie mit einem Lichtsensor (40) und mit einem Polarisator (32) auf der anderen Seite des Körpers (28), welche so angeordnet sind, daß mit dem Lichtsensor (40) aus dem Körper (28) an einer Meßstelle austretendes und durch den Polarisator (32) hindurchtretendes Licht erfaßbar ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (8, 12) und dem Körper (28) ein Lichtleiter (20) angeordnet ist.

3. Kraftsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisator (32) und dem Lichtsensor (40) ein Lichtleiter (36) angeordnet ist.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (8,12) einen Polarisator (24) aufweisen.

5. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (8, 12) kohärent sind.

6. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle dichromatisch ist.

7. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzlichtpfad (16, 52, 56) vorhanden ist

8. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoren (24, 32) Zirkularpolarisatoren sind.

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