DE3232382A1

DE3232382A1 - Optoelektronische kraftmesseinrichtung

Info

Publication number: DE3232382A1
Application number: DE19823232382
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Bartkowiak (TU), 4690 Herne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-08-31
Filing date: 1982-08-31
Publication date: 1984-03-01
Also published as: DE3232382C2

Description

Optoelektronische Kraftmeßeinrichtung
Die Kraftmeßeinrichtung kann besonders zur Messung kleiner Kräfte und Wege eingesetzt werden, was die Anwendung als Strömungsmeßgerät, Mikrofon, Beschleunigungsaufnehmer (Schwingungsaufnehmer), Waage und ähnlichem möglich macht.
Es ergeben sich verschiedene Vorteile durch niedrige Kosten, Einfachheit, Zuverlässigkeit, mögliche geringe Baugröße, Genauigkeit, Linearität, hohes Auflösungsvermögen und ein gutes dynamisches Verhalten bis zu relativ hohen Frequenzen. Bei entsprechender Ausführung besteht Eignung zur Messung kleinster Kräfte.
Einer der Hauptvorteile ist die Möglichkeit, ohne besonderen Aufwand Richtungsinformationen zu bekommen, indem Komponenten der Kraft bzw. des Weges als elektrische Größen erhalten werden.
Das Grundprinzip beruht auf der elastischen Biegung einer einseitig fest eingespannten Lichtleitfaser durch Krafteinwirkung senkrecht zur Faser, oder durch entsprechende Wegaufprägung. Die Auslenkung des freien Faserendes durch die Biegung wird durch nach dort geleitetes und dort austretendes Licht vermessen. Der Lichtaustritt kann, bezogen auf die Richtung der Lichtleitung in der Faser, vorwärts, seitwärts oder rückwärts erfolgen. Lichtaustritt seitwärts oder rückwärts erfordert spezielle Gestaltung des freien Faserendes, z. B. durch eine schräge verspiegelte Endfläche oder eine andere zweckdienliche Form mit oder ohne Verspiegelung.
Bei dem in dieser Anmeldung beschriebenen Projektionsprinzip mit optischen Hilfsmitteln (wie Linsen, Prismen, Spiegel, Filter) wird das aus dem freien Faserende austretende Licht mit mindestens einer (Sammel-)Linse auf einen Fotosensor oder auf eine Anordnung von Fotosensoren projiziert. Jeder Fotosensor empfängt eine von der Aus lenkung abhängige Lichtstärke, die er in ein elektrisches Signal umwandelt. Mit nur einem Fotosensor kann nur der Betrag oder eine Komponente der Auslenkung gemessen werden. Mit mehreren, vorzugsweise mit vier Fotosensoren in Quadranten-Anordnung, kann der Betrag und auch die Richtung der Auslenkung erfaßt werden, indem aus den elektrischen Signalen der Fotosensoren Maße für die x - und die y - Komponente der Auslenkung gebildet (gerechnet) werden: Wird das leuchtende freie Faserende als Lichtfleck auf dem Teilungskreuz der Quadranten abgebildet und sind a, b, c, d die Signale aus den einzelnen Quadranten (linksdrehend, oben rechts beginnend) und sind sie ein Maß für das anteilig auf die jeweiligen Quadranten entfallende Licht, so gilt für gewisse begrenzte Verschiebungen x,y der Lage des projizierten Lichtflecks, daß a+d - (b+c) ein Maß für x und daß a+b - (c+d) ein Maß für y ist. Dabei gibt die Verschiebung x,y des Lichtflecks die Auslenkung des abgebildeten freien Faserendes proportional wieder.
Linearität ist bei rundem Lichtfleck aber nur näherungsweise für kleine Auslenkungen gegeben.
Zur Herstellung linearer Maße für beide Richtungen (x,y) kann ein von parallelen Seiten begrenzter Lichtfleck, beispielsweise ein Rechteck oder ein Quadrat, projiziert werden. Eine hierfür geeignete (Doppel-)Linse projiziert eine punktförmige (kleine) Lichtquelle als rechteckig begrenzte Fläche. Der Effekt beruht darauf, daß jeder der beiden Linsenteile nur in einer Richtung fokussiert, also für sich einen Punkt als Strecke scharf abbilden könnte. Die Fokussierungsrichtungen der beiden Linsenteile sind rechtwinklig zueinander und beide Linsenteile liegen im Strahlengang hintereinander, so daß auch die Stellen ihrer Scharfabbildung eines Punktes, bei Gleichheit der Linsenteile, hintereinander liegen. Legt man die Projektionsebene nun zwischen die Scharfabbildungsstellen der beiden Linsenteile, so wird in jeder Fokussierungsrichtung unscharf abgebildet, wobei das Maß der Unschärfen die Seiten längen des Lichtflecks ausmachen.
Verfälschungen durch Einflüsse wie Verschmutzung oder Alterung der Lichtquelle oder der Fotosensoren können kompensiert werden, indem man die Signale der Richtungen (x,y) durch die Gesamtsignalstärke a+b+c+d dividiert oder indem man über die Lichtquelle a+b+c+d = konstant regelt. Schutz vor störendem Fremdlicht kann erreicht werden entweder durch Verwendung einer bestimmten Lichtfrequenz und eines entsprechenden Filters, oder durch eine der Lichtquelle aufmodulierte Frequenz und entsprechende Bandpaßfilter nach den Fotosensoren, oder durch zyklische Abschaltung der Lichtquelle zur Messung der Fremdlichtanteile, oder durch eine abschirmende Wandung, soweit dies bei der jeweiligen Anwendung möglich ist. Maßnahmen dieser Art können kombiniert werden.
Jede Lichtart, z.B. Glühlampenlicht, Leuchtdiodenlicht oder Laserlicht, ist verwendbar. Als Sensoren sind Fotodioden besonders geeignet, es sind aber auch andere lichtempfindliche Elemente verwendbar.
Bei Anwendung als Strömungsmeßgerät wirkt die Strömungskraft als Strecken last und zwar mit ihrer senkrecht zur Faser liegenden Komponente. Bei dünner Faser herrscht schleichende Strömung, was günstigerweise mit einem proportionalen Zusammenhang zwischen Anströmgeschwindigkeit und (Reibungs-)Kraft verbunden ist. Bei der Messung von Strömungen hat man schon mit manueller Beobachtung (mit Mikroskop) von Fasern im Strömungsfeld gearbeitet. Die erprobte gute Eignung dünner Fasern zur Strömungsmessung, läßt für ein Gerät mit elektrischer Meßwandlung einen hohen Gebrauchswert erwarten. Bei Anwendung als Strömungsmeßgerät für freie Strömungen ist Lichtaustritt rückwärts günstig, da hierbei die Faser frei vom Fühlerkopf abstehen kann und die Strömung so am wenigsten gestört wird. Die Anwendung als Mikrofon ist prinzipiell ein Sonderfall der Strömungsmessung.
Der Schall tritt als schnell wechselhafte Strömung an der Faser in Erscheinung (Longitudinalwelle). Besonders für eine richtungserfassende Version sind viele Einsatzmöglichkeiten ("Stereo") denkbar. Störende Einflüsse durch Massenkräfte sind bei kleiner Faser nicht zu erwarten, diese sind dann vernachlässigbar.
Für die Anwendung als Beschleunigungsaufnehmer sind aber Massenkräfte zu messen, weshalb die Faser dann, möglichst nahe dem freien Ende, beschwert werden sollte. In diesem Falle ist gegen störende Anströmung abzuschirmen, am besten durch einkapseln in einer dichten Zelle, die ein dämpfendes Fluid enthalten kann.
Mehrere Kraftmeßeinrichtungen als Grundelemente können eine sinnvolle Einheit bilden. Dies kann z.B. dann der Fall sein, wenn alle drei räumlichen Komponenten einer Meßgröße zu erfassen sind (z.B.Strömungsgeschwindigkeit oder Beschleunigung). Hierbei können drei senkrecht zueinander stehende Grundelemente eingesetzt werden, welche jeweils nur eine Komponente (oder einen Betrag) erfassen. Noch besser für den gleichen Zweck wäre eine Anordnung aus zwei zweiachsig messenden Grundelementen, wobei eine wichtige Komponente redundant von beiden gemessen werden könnte.
Zeichnungen : 1 Lichtquelle (Sender) 2 einseitig eingespannte Lichtleitfaser 3 optische(s) Hilfsmittel (Linse(n), Prisma) 4 Fotosensor(en) (-Anordnung, Empfänger) Fl Lichtaustritt vorwärts mit kugligem Faserende zur Verkleinerung des Abstrahlwinkels F2 Lichtaustritt rückwärts durch schräges verspiegeltes Faserende, Doppellinse mit eingefügtem Prisma (3) Projektion eines quadratischen Lichtflecks auf vier Fotosensoren in Quadranten-Anordnung (4) Faserende mit Lichtaustritt seit- und/oder rückwärts F3 durch Krümmung ohne/mit kugliger Endfläche F4 durch konkave verspiegelte Endfläche F5 durch konvexe verspiegelte Endfläche F6 durch schräge versp.Endf.ohne/mit Krümmung der Faser F7 durch zusätzliche Riffelung der Lichtaustrittsfläche Die dargestellten Faserenden sind auch bei Gradientenprofilfaser sinnvoll.
Leerseite

Claims

Ansprüche fN (1. Optoelektronische Kraftmeßelnrichtung, bestehend aus einer elastischen Lichtleitfaser, welche einseitig fest eingespannt ist und deren freies Ende infolge Krafteinwirkung oder Wegaufprägung ausgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag (oder eine Komponente oder der Betrag und die Richtung der Auslenkung erfaßt werden, indem von einer Lichtquelle zum freien Faserende geleitetes Licht dort vorwärts, seitwärts und/oder rückwärts austritt und über optische Hilfsmittel (wie Linsen, Prismen, Spiegel, Filter) auf einen Fotosensor oder eine Fotosensor-Anordnung projiziert wird, wobei jeder Fotosensor eine auslenkungsabhängige Lichtstärke empfängt und in ein entsprechendes elektrisches Signal urmhandelt, 2. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtaustritt seitwärts und/oder rückwärts aus der Lichtleitfaser durch eine Verspiegelung ihrer Endfläche erreicht wird, wobei eine zweckdienlich gestaltete Form des verspiegelten freien Faserendes eben oder gekrümmt, gerade oder schräg sein kann.

3. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtfleck auf eine Quadranten-Anordnung von vier Fotosensoren projiziert wird und daß deren Signale für das einfallende Licht a, b, c, d (z B. linksdrehend von oben rechts) prinzipiell so verarbeitet werten, daß a+d - (b+c) als Maß für die eine (links nach rechts, x) und a+b - (c+d) als Maß für die andere (unten nach oben, y) Komponente der Verschiebung des Lichtflecks (bzw. der Auslenkung des Faserendes) herangezogen wird.

4. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung linearer Maße für die beiden Richtungen (x,y), ein von parallelen Seiten begrenzter Lichtfleck (vorzugsweise Rechteck, Quadrat) auf die Quadranten-Anordnung projiziert wird.

5. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß rechteckige Projektion durch eine Doppellinse bewirkt wird, deren zwei Teile oder Bereiche im Strahlengang hintereinander liegen und für sich nur in einer Richtung fokussieren, wobei die jeweiligen Unschärfen in den beiden Richtungen, auf den Sensoren die Seiten längen des rechteckigen Lichtflecks ausmachen.

6. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Maße der beiden Richtungen (x,y) durch die Gesamtsignalstärke a+b+c+d dividiert werden oder daß über die Lichtquelle amb+c+d = konstant geregelt wird, damit Störeinflüsse kompensiert sind.

7. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das nutzsignalerzeugende Licht aus der Lichtleitfaser von störendem Fremdlicht unterscheidbar gemacht und empfangsseitig selektiv erfaßt wird.

8. Kraftmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Erfassung des Lichts aus der Lichtleitfaser erreicht wird, entweder durch Verwendung einer bestimmten Lichtfrequenz und eines entsprechenden Filters, oder durch eine der Lichtquelle aufmodulierte Frequenz und entsprechende Bandpaßfilter nach den Fotosensoren, oder durch zyklische Abschaltung der Lichtquelle zur Messung der Frendlichtanteile, oder durch eine das Fremdlicht abschirmende Wandung, oder auch durch eine Kombination einzelner dieser Möglichkeiten.