DE3902569A1 - Interferometrische kraftmesseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Messung von Kräften, insbesondere kleiner Kräfte eingesetzt werden kann.

Entsprechend der DD-PS 1 37 619 ist eine Vorrichtung zur Kraftmessung bekannt, bei der an einem gabelförmig ge­ stalteten Verformungskörper ein kippinvariantes Interfero­ meter fest angebracht ist.

Diese Vorrichtung ist zur Messung kleinster Lastbereiche 10 g nicht geeignet. Außerdem sind bei dieser Vorrich­ tung Fotoempfänger und Impulsformerstufen sowie die Be­ leuchtungseinrichtung mit der Lichtquelle unmittelbar am Verformungskörper angeordnet, was zu einer thermischen Be­ lastung der Kraftmeßeinrichtung und somit zu großen Einlauf­ zeiten führt. Elektromagnetische und elektrische Störfelder an der Kraftmeßvorrichtung können sich auf die fotoelek­ trische Abtastschaltung auswirken und so das Meßsignal ver­ fälschen. Weiter ist eine Kapselung, ähnlich einer Kraft­ meßdose, nicht möglich, da es zu einem Wärmestau kommen würde, die Abmessungen zu groß würden und die Auswechslung der Lichtquelle und der elektronischen Schaltungen er­ schwert wäre.

Entsprechend der Vorrichtung nach DD-PS 94 905 ist der Ver­ formungskörper so ausgebildet, daß er gleichzeitig als Interferometer wirkt. In dieser Vorrichtung treten inter­ ferentielle Drehstreifen auf, deren Abstand in y-Richtung sich in Abhängigkeit vom Wert der Meßgröße ändert. Die Patentschrift DD 1 37 619 beschreibt eine Vorrichtung zur Kraftmessung, bei der an einem gabelförmig gestalteten Ver­ formungskörper ein kippinvariantes Interferometer fest ange­ bracht ist.

In der DE-AS 26 58 629 ist eine Kraftmeß- oder Wägevorrich­ tung angegeben, bei der ein beweglicher Teil wenigstens zwei Spiegel trägt, von denen jeweils einer in einem Arm des Interferometers derart angeordnet ist, daß bei Auslenkung des beweglichen Teiles die beiden Arme des Interferometers in entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert werden.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Kraft­ meßvorrichtung, die nur optische und mechanische Elemente besitzt. Die Umwandlung der auf ein optisches Signal abge­ bildeten Meßgröße in ein quantisiertes elektrisches Signal erfolgt weitab von der Kraftmeßvorrichtung in einer zen­ tralen Verarbeitungseinheit. Kraftmeßvorrichtung und zen­ trale Verarbeitungseinheit sind durch Lichtwellenleiter ver­ bunden, wodurch elektromagnetische und elektrische Störungen ohne Einfluß auf die Kraftmeßvorrichtung und auf die Ver­ bindungskabel sind. In der Kraftmeßvorrichtung sollen keine Wärmequellen vorhanden sein, so daß sofortige Betriebsbe­ reitschaft erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine interfero­ metrische Vorrichtung zur Messung kleiner Kräfte zu schaffen, die durch elektromagnetische und elektrische Störfelder nicht beeinträchtigt werden kann und die keine Einlaufeigen­ schaften besitzt. Außerdem soll eine hermetische Kapselung möglich sein. Die mechanischen und optischen Bauelemente sollen am biegesteifen Grundkörper und am Biegekörper so an­ gebracht werden, daß Ausdehnungen dieser Elemente infolge von Temperaturänderungen keine Auswirkungen auf das Meß­ signal haben.

Weiterhin ist ein solches Interferometer zu schaffen, daß eine raumsparende und parallele Anordnung der Lichtwellen­ leiter am Verformungskörper ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Ver­ formungskörper, der aus einem Biegekörper und einem biege­ steifen Grundkörper besteht, verwendet wird und daß an dem Biegekörper ein Waagebalken angeordnet ist. An diesem Waage­ balken sind zwei Waagschalen angehängt. Mit dem Verformungs­ körper sind die Bauteile eines speziell für die Versorgung mit monochromatischer Strahlung mittels Lichtwellenleiter und für die Abtastung der Interferenzerscheinung ebenfalls mittels Lichtwellenleiter geeigneten Interferometers ver­ bunden. Zwecks eines optimalen Aufbaues sind alle optischen und mechanischen Bauelemente, die für das Interferometer sowie für die Versorgung des Interferometers mit mono­ chromatischem Licht mittels Lichtwellenleiter und für die Übertragung der optischen Signale mittels Lichtwellenleiter benötigt werden, an einer Seitenfläche des Verformungs­ körpers so angeordnet, daß die Lichtwellenleiter parallel zueinander liegen.

Der optische Teiler des Interferometers besteht in bekannter Weise aus zwei Teilprismen. Ein Teilprisma besitzt Winkel von 30°, 60° und 90° und ist auf der großen Kathetenfläche 50% teilverspiegelt. Diese Kathetenfläche ist mit der großen Kathetenfläche eines zweiten Teilprismas verkittet. Zur erfindungsgemäßen Einstellung des gewünschten Inter­ ferenzstreifenabstandes muß der Winkel α zwischen der teil­ verspiegelten großen Kathetenfläche des ersten Teilprismas und der Hypotenusenfläche des zweiten Prismas ungleich 30° sein. Außerdem sind die Hypotenusenflächen der Teilprismen zur Hälfte mit Oberflächenspiegeln versehen.

Der optische Teiler ist in bekannter Weise über einen Di­ stanzring mit der Halterungsplatte verbunden, die ihrer­ seits erfindungsgemäß über einen Distanzring am biege­ steifen Grundkörper befestigt ist. Aus der Halterungsplatte ist eine Biegezunge herausgearbeitet. Auf der Biegezunge ist über einen Distanzring ein kippinvarianter Reflektor an­ geordnet. Am Ende der Biegezunge sind zwei piezoelektrische Biegeelemente, die eine seismische Masse haltern, angebracht. Wird die Biegezunge durch die piezoelektrischen Biegeelemente und die seismische Masse zum Schwingen angeregt, kann das Ausgangssignal zusätzlich moduliert werden, was die elek­ tronische Auswertung erleichtern kann.

Auf einer weiteren Halterungsplatte, die ebenfalls über einen Distanzring mit dem biegesteifen Grundkörper verbunden ist, sind die Elemente zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung aus einem Lichtwellenleiter und zur Abtastung des Interferenzbildes mittels Lichtwellenleiter angeordnet. Die Vorrichtung zur Auskopplung, an der der Lichtwellenleiter fest angebracht ist, ist über Abstandsklötze mit der Mon­ tageplatte verbunden. Eine Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Lichtwellenleiter, die das Interferenzbild abtasten, ist über einen Distanzring mit der Halterungs­ platte verbunden. Die Lichtwellenleiter zur Abtastung des Interferenzbildes sind in einer Hülse eingekittet. Der Ab­ stand beider Lichtwellenleiter ist auf den Ordnungsabstand der Interferenzstreifen abgestimmt. Diese Hülse ist in einem Bauteil drehbar gehaltert und ist in der gewünschten Lage fixiert. Die Hülse ist so gedreht, daß die optischen be­ ziehungsweise elektrischen Ausgangssignale um 90° phasen­ verschoben sind. Mit einem gabelförmigen Justierelement ist die Hülse innerhalb des Interferenzbildes verschiebbar, um den intensitätsstärksten Ort zu erfassen. Das Interferenz­ bild ist durch ein torisches optisches System in Höhe und Breite auf die Lichtwellenleiter konzentriert. Dadurch er­ höht sich die Strahlungsleistung für die Abtastung und der Einfluß des Modenrauschens auf die elektronische Auswertung wird weitgehend eliminiert.

Um bei kleinen Momenten, welche durch die belasteten Waag­ schalen über den Waagebalken hervorgerufen werden, eine große Auslenkung des Biegekörpers und somit auch des an ihm befestigten kippinvarianten Reflektors zu erreichen, muß der Biegekörper ein kleines Widerstandsmoment besitzen, das heißt, die Biegeelemente dürfen nur sehr kleine Höhen und Breiten besitzen. Um jedoch eine ausreichende Quersteifig­ keit zu erzielen, sind zwei biegesteife Teile durch mehrere Biegeelemente kleiner Höhen und Breiten verbunden. Die Biegeelemente verlaufen zueinander parallel und besitzen einen entsprechenden Abstand voneinander.

Da die Verformungskörper aus nichtmetallischen Materialien wie zum Beispiel Quarz bestehen, um gute meßtechnische Eigenschaften zu erhalten, aber die Vorrichtung zur Ein­ kopplung der monochromatischen Strahlung sowie die Vorrich­ tung zur Halterung und Justierung der Abtastlichtwellen­ leiter aus Metall hergestellt sind und außerdem das Inter­ ferometer aus Glas besteht, sind Maßnahmen zur Eliminierung des Einflusses der unterschiedlichen Ausdehnungen bei Tem­ peraturänderungen erforderlich. Zu diesem Zweck sind der Grundkörper, die Halterungsplatten sowie die Distanzringe zwischen Grundkörper und Halterungsplatten aus dem gleichen nichtmetallischen Material hergestellt.

Der Grundkörper, die Halterungsplatten, die Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtastlichtwellenleiter, die Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung und die Abstandsklötze können aus dem gleichen nichtmetal­ lischen Material oder aus Materialien mit gleichem ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen und direkt auf­ einander angeordnet sein.

Ferner ist es möglich, daß der Grundkörper, die Halterungs­ platten, die Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtastlichtwellenleiter, die Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung, die Abstandsklötze, der optische Teiler und die kippinvarianten Reflektoren aus optischen Quarz bestehen und direkt aufeinander befestigt sind. Am Waagebalken kann eine Waagschale angehängt sein.

Die über einen Lichtwellenleiter eingekoppelte monochro­ matische Strahlung wird parallel ausgerichtet und trifft auf den optischen Teiler des Interferometers. Diese Strah­ lung wird in einem Teilprisma des optischen Teilers re­ flektiert, gelangt zu der Teilerschicht und wird in zwei gleiche Teilbündel aufgeteilt. Die Teilbündel werden je­ weils durch kippinvariante Reflektoren umgelenkt, werden durch die Oberflächenspiegel der Teilprismen zurückre­ flektiert, durchlaufen die kippinvarianten Reflektoren noch einmal, gelangen zur Teilerschicht und interferieren miteinander. Durch den Winkel α wird der Abstand der Interferenzstreifen so eingestellt, daß durch Drehen der Lichtwellenleiterhülse solche Ausgangssignale erhalten werden, die untereinander um 90° phasenverschoben sind. Ein torisches optisches System konzentriert das Inter­ ferenzbild rechteckförmig auf die Lichtwellenleiter.

Werden die Waagschalen unterschiedlich belastet, erfolgt eine Auslenkung des Biegekörpers und so auch des am Biege­ körper befestigten kippinvarianten Reflektors. Damit ändert sich der optische Gangunterschied der interferierenden Wellenzüge und die Interferenzstreifen laufen über die Lichtwellenleiter hinweg und werden fotoelektrisch ge­ zählt. Die Anzahl der so erhaltenen Impulse ist ein di­ rektes Maß für die Belastung der Waagschalen.

Da der biegesteife Grundkörper, die Halterungsplatten sowie die Distanzringe zwischen den Halterungsplatten und dem Grundkörper aus dem gleichen nichtmetallischen Material hergestellt sind und die optischen Bauteile des Inter­ ferometers und die Vorrichtung zur Halterung und Ju­ stierung der Lichtwellenleiterhülse auch über Distanz­ ringe befestigt sind und die Vorrichtung zur Auskopplung der Strahlung über Abstandsklötze gehaltert ist, wird der Einfluß von Temperaturänderungen auf die Lage der optischen Bauteile eliminiert.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles er­ läutert werden. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 Seitenansicht der Vorrichtung

Fig. 2 Anordnung des optischen Teilers und der Aus­ koppeleinrichtung an den Halterungsplatten sowie dieser am Grundkörper

Fig. 3 Gestaltung des Biegekörpers

Fig. 4 Anordnung der Auskoppeleinrichtung und der Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtastlichtwellenleiter am Grundkörper

Fig. 5 Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtastlichtwellenleiter.

Entsprechend Fig. 1 ist der Waagebalken 3 am Biegekörper 2 angeordnet. Bei unterschiedlicher Belastung der am Waage­ balken 3 angehängten Waagschale 4.1, 4.2 lenkt der Biege­ körper 2 aus. Damit lenkt, wie aus Fig. 3 ersichtlich, auch der am Biegekörper 2 über den Distanzring 21 be­ festigte kippinvariante Reflektor 7 aus und der optische Gangunterschied im Interferometer wird somit entsprechend verändert. Der optische Teiler 5 des Interferometers be­ steht aus den Teilprismen 5.1 und 5.2. Das Teilprisma 5.2 weist Winkel von 30°, 60° und 90° auf, die so genau wie möglich hergestellt werden. Auf der großen Kathetenfläche ist das Teilprisma 5.2 mit 50% teilverspiegelt. Diese Kathetenfläche ist mit der großen Kathetenfläche des Teil­ prismas 5.1 verkittet. Der Winkel α zwischen der Hypo­ tenusenfläche des Teilprismas 5.1 und der teilverspiegelten großen Kathetenfläche des Teilprismas 5.2 muß ungleich 30° gewählt werden, und zwar so, daß der Abstand der Interferenz­ streifen optimal an den Kerndurchmesser der Abtastlicht­ wellenleiter 26 und 27 angepaßt ist. Der optische Teiler 5 ist entsprechend der Fig. 2 mit der Halterungsplatte 10 über den Distanzring 17 mit dem Grundkörper 1 verbunden. Wie Fig. 1 zeigt, ist aus der Halterungsplatte 10 eine Biegezunge herausgearbeitet. An der Biegezunge ist der kipp­ invariante Reflektor 8 über den Distanzring 20 angeordnet. Mittels am Ende der Biegezunge angebrachter piezoelektrischer Biegeelemente 12.1 und 12.2, welche die seismische Masse 11 haltern, wird die Biegezunge zum Schwingen angeregt und so­ mit das optische Ausgangssignal moduliert.

Die Beleuchtung des Interferometers erfolgt mittels des Lichtwellenleiters 25 und der Vorrichtung 16, die der Aus­ kopplung der monochromatischen Strahlung dient. Entsprechend Fig. 4 ist die Vorrichtung 16 über die Abstandsklötze 24.1 und 24.2 mit der Halterungsplatte 13 verbunden. Die Hal­ terungsplatte 13 ist ihrerseits mittels des Distanzringes 18 am Grundkörper 1 angeordnet. Bei Auslenkung des kippin­ varianten Reflektors 7, welche ein Maß für die Belastung der Waagschalen 4.1 und 4.2 ist, durchlaufen die Interferenz­ streifen das Interferenzbild. Die Interferenzstreifen werden durch das optische torische System 9 auf die Abtastlicht­ wellenleiter 26 und 27 abgebildet. Die aus den Abtastlicht­ wellenleitern 26 und 27 austretende Strahlung wird auf foto­ elektrische Empfänger geleitet und anschließend in elek­ trische Impulse umgewandelt. Die Abtastlichtwellenleiter 26 und 27 sind in der Lichtwellenleiterhülse 14 eingekittet. Der Abstand der Abtastlichtwellenleiter 26 und 27 ist auf die Interferenzstreifenbreite abgestimmt. Die Hülse 14 wird so gedreht, daß die elektrischen Ausgangssignale eine Pha­ senverschiebung von 90° besitzen. Wie in Fig. 5 darge­ stellt, wird in dieser Lage die Hülse 14 mit dem Klemm­ element 15.3 im Halterungselement 15.2 fixiert. Mit dem gabelförmigen Justierelement 15.1 werden die Abtastlicht­ wellenleiter 26 und 27 innerhalb des Interferenzbildes an den intensitätsstärksten Ort gebracht. Das gabelförmige Justier­ element 15.1 wird mittels des Distanzringes 22 mit der Hal­ terungsplatte 13 verbunden. Nach Fig. 3 besteht der Biege­ körper 2 aus den biegesteifen Teilen 2.3 und 2.4, diese Teile sind durch zwei Biegeelemente 2.1 und 2.2 verbunden. Die beiden Biegeelemente 2.1 und 2.2 verlaufen parallel. Der Grundkörper 1, der Biegekörper 2, der Waagebalken 3, die Halterungsplatten 10 und 13 sowie die Distanzringe 17 und 18 sind aus Kieselglas hergestellt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Grundkörper
2 Biegekörper
2.1, 2.2 Biegeelement
2.3, 2.4 biegesteife Teile
3 Waagebalken
4.1, 4.2 Waagschalen
5 optischer Teiler
5.1, 5.2 Teilprisma
6.1, 6.2 Oberflächenspiegel
7, 8 kippinvarianter Reflektor
9 torisches optisches System
10 Halterungsplatte
11 seismische Masse
12.1, 12.2 piezoelektrische Biegeelemente
13 Halterungsplatte
14 Lichtwellenleiterhülse
15 Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtastlichtwellenleiter
15.1 Justierelement
15.2 Halterungselement
15.3 Klemmelement
16 Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung
17, 18, 19, 20, 21, 22 Distanzringe
23 Bohrung
24.1, 24.2 Abstandsklötze
25 Lichtwellenleiter
26, 27 Abtastlichtwellenleiter
28 Lichtwellenleiterkabel
29 Gestell
α Winkel

Claims (6)

1. Interferometrische Kraftmeßvorrichtung mit einem Verfor­ mungskörper, der im Gestell gehaltert ist, festen und be­ weglichen Reflektoren, monochromatischer Lichtquelle, op­ tischen Systemen, Lichtwellenleitern, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an einem Biegekörper (2) ein Waagebalken (3) angeordnet ist, daß an dem Waagebalken (3) zwei Waag­ schalen (4.1, 4.2) angehängt sind, daß ein optischer Teiler (5) über den Distanzring (19) mit der Halterungs­ platte (10) verbunden ist, welche ihrerseits über den Distanzring (17) mit dem biegesteifen Grundkörper (1) verbunden ist, daß aus der Halterungsplatte (10) eine Biegezunge herausgearbeitet ist, daß ein kippinvarianter Reflektor (8) über den Distanzring (20) sowie die seis­ mische Masse (11) mittels zweier piezoelektrischer Biege­ elemente (12.1, 12.2) an der Biegezunge befestigt sind, daß der optische Teiler (5) aus zwei Teilprismen (5.1) und (5.2) besteht, wobei das Teilprisma (5.2) Winkel von 30°, 60° und 90° aufweist und auf der großen Katheten­ fläche 50% teilverspiegelt ist, daß diese Katheten­ fläche mit der großen Kathetenfläche des Teilprismas (5.1) verkittet ist, daß der Winkel α zwischen der Hypotenusenfläche des Teilprismas (5.1) und der teil­ verspiegelten großen Kathetenfläche des Teilprismas (5.2) ungleich 30° ist, daß die Hypotenusenflächen der Teilprismen (5.1) und (5.2) die Oberflächenspiegel (6.1) und (6.2) tragen, daß die Vorrichtung (16) zur Aus­ kopplung der monochromatischen Strahlung aus dem Licht­ wellenleiter (25) über Abstandsklötze (24.1, 24.2) an der Montageplatte (13) angeordnet ist, daß auch die Vor­ richtung (15) zur Halterung und Justierung der Licht­ wellenleiterhülse (14) über den Distanzring (22) an der Halterungsplatte (13) befestigt ist, daß die Halterungs­ platte (13) mittels des Distanzringes (18) am Grund­ körper (1) angeordnet ist, daß zwischen Teilprisma (5.2) und der Vorrichtung (15) sich ein torisches optisches System (9) befindet, daß der Grundkörper (1), die Hal­ terungsplatten (10, 13) sowie die Distanzringe (17, 18) aus dem gleichen nichtmetallischen Material bestehen, daß die Abtastlichtwellenleiter (26, 27) in der Licht­ wellenleiterhülse (14) eingekittet sind, daß der Abstand der Lichtwellenleiter (26, 27) in der Lichtwellenleiter­ hülse (14) auf die Interferenzstreifenbreite abgestimmt ist, daß die Lichtwellenleiterhülse (14) im Halterungs­ element (15.2) drehbar gehaltert ist und mittels des Klemmelementes (15.3) fixiert ist, daß das Element (15.2) mit dem gabelförmigen Justierelement (15.1) verbunden ist, daß der optische Teiler (5), die kippinvarianten Reflektoren (7, 8) das torische optische System (9), die Halterungsplatten (10, 13), die seismische Masse (11), die piezoelektrischen Biegeelemente (12.1, 12.2), die Lichtwellenleiterhülse (14), die Vorrichtung zur Hal­ terung und Justierung der Abtastlichtwellenleiter (15), die Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung (16), die Distanzringe (17, 18, 19, 20, 21, 22), die Abstandsklötze (24.1, 24.2), der Lichtwellen­ leiter (25) und die Abtastlichtwellenleiter (26, 27) an einer Seitenfläche des Grundkörpers (1) und des Biege­ körpers (2) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), die Halterungsplatten (10) und (13), die Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtast­ lichtwellenleiter (13), die Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung (16) und die Abstands­ klötze (24.1, 24.2) aus dem gleichen nichtmetallischen Material bestehen und ohne Distanzringe (17, 18, 22) an­ geordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), die Halterungsplatten (10) und (13), die Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtast­ lichtwellenleiter (15), die Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung (16) und die Abstands­ klötze (24.1, 24.2) aus Materialien mit gleichem ther­ mischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), die Halterungsplatten (10) und (13), die Vorrichtung zur Halterung und Justierung der Abtast­ lichtwellenleiter (15), die Vorrichtung zur Auskopplung der monochromatischen Strahlung (16), die Abstandsklötze (24.1, 24.2), der optische Teiler (5) und die kippin­ varianten Reflektoren (7) und (8) aus optischem Quarz bestehen und ohne Distanzringe (17 bis 22) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegekörper (2) aus den biegesteifen Teilen (2.3) und (2.4), die miteinander durch mehrere Biegeelemente (2.1, 2.2) verbunden sind, besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß an den Waagebalken (3) eine Waagschale (4.2) angehängt ist.