DE69207887T2

DE69207887T2 - Verfahren und gerät zur messung des dynamischen gewichts- und gewichtsmesseinrichtung unter verwendung dieses geräts

Info

Publication number: DE69207887T2
Application number: DE69207887T
Authority: DE
Inventors: Eiichi Tada; Kazuo Watanabe
Original assignee: KYOEI AUTOMATIC CONTROL TECHNO
Current assignee: KYOEI AUTOMATIC CONTROL TECHNO
Priority date: 1991-08-31
Filing date: 1992-08-27
Publication date: 1996-06-13
Anticipated expiration: 2012-08-28
Also published as: EP0557528A1; EP0557528A4; KR100216010B1; WO1993005371A1; US5526697A; DE69207887D1; KR930702663A; WO1993005374A1; JP3090686B2; EP0557528B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Meßfühler zur Messung dynamischer Belastungen und eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung, die das Meßverfahren und den Meßfühler zur Erfassung von zeitlich veränderlichen Kräften bei dynamischen Zuständen verwendet, die durch Schütteln, Schwingungen und/oder durch Vibrationen angeregt werden.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bis heute wurden viele Vorschläge zur Belastungsmessung einer zeitveränderlichen Kraft unter dynamischen Bedingungen gemacht, wie sie durch Schütteln, Schwingungen oder Vibrationen hervorgerufen werden. Jedoch sind herkömmliche Belastungsmeßverfahren und Vorrichtungen zum Messen einer statischen Kraft oder einer quasi-dynamischen Kraft unter Meßbedingungen vorgesehen, die über eine längere Zeitdauer, länger als eine Sekunde währen und bei einer kleinen Beschleunigung unter ein G arbeiten. Solche herkömmlichen dynamischen Belastungsmessungen gehen nicht über den Bereich einer statischen Belastungsmessung hinaus.
Zuerst werden herkömmliche Belastungsmeßfühler in Form früherer Vorschläge beschrieben. Herkömmliche Belastungsmeßfühler sind auf einer vollkommen ruhenden Basis angeordnet, eine Meßlast ist eine konstante und zeitlich invariante Kraft, und ein Meßobjekt wird weich auf die fixierte Meßvorrichtung gelegt, wie z.B. bei einer herkömmlichen Waage.
In einem herkömmlichen statischen Belastungsmeßfühler, wie er in Fig. 1(A) gezeigt ist, wird die Meßfühlerbaugruppe A steif von einer ruhenden, festen Basis B getragen, und das Meßobjekt C der Masse m weich auf die Meßfühlerbaugruppe A gelegt. Dieses System bildet eine gleichförmige Bewegungskoordinate, und die Kraft F ist durch die Gleichung F = mg(N = Kgm/s²) gegeben, worin g die Gravitationsbeschleunigung in m/s² ist. Die statische Last S/L ist zeitlich konstant und von der Meßzeit unabhängig, wie die Fig. 1B veranschaulicht. In Fig. 1(C) ist zu jeder Zeit die Beschleunigung A/L der Meßfühlerbaugruppe A Null.
Wenn man den Fall betrachtet, bei dem die in Fig.1(A) gezeigte Feder-Masse-Belastungsmeßvorrichtung einer plötzlich angelegten konstanten Kraft unterworfen wird, vibriert die Meßfühlerbaugruppe A durch die plötzlich angelegte dynamische Kraft, als ob das Belastungsmeßobjekt C von oben auf die Meßfühlerbaugruppe A fallen würde. Die Vibration und Beschleunigung, deren zeitlicher Verlauf in den Figuren 2(A) und (B) gezeigt ist, werden am freien Ende der Meßfühlerbaugruppe A an dem Balken angeregt. Die Vibration des freien Endes wird durch Dämpfungskräfte des Materials und durch die Konstruktion des für die Meßfühlerbaugruppe A konstruierten Balkens gedämpft. Die Dämpfungskräfte löschen die Vibration mit der Zeit. Zuletzt ist die äußere Kraft zeitlich konstant, und in diesem Zustand kann die zeitlich konstante Belastung gemessen werden. Dieselbe Analogie gilt für die Messung des Gewichts einer Person mittels einer herkömmlichen Waage.
Es sei der Fall betrachtet, daß auf die in Fig. 1(A) gezeigte Belastungsmeßvorrichtung eine plötzlich angelegte impulsartige Belastung einwirkt, wie sie durch ein bewegtes Objekt, wie z.B. ein über die Meßfühlerbaugruppe A hinwegfahrendes Automobil angeregt wird, und wo die Zeitdauer während die impulsförmige Belastung einwirkt so kurz ist, daß die Vibration und Beschleunigung der Meßfühlerbaugruppe A bleiben. Da die Vibration und Beschleunigung der Meßfühlerbaugruppe A eventuell zeitlich abklingt und auf Null sinkt, wie dies die Figuren 3(A) und 3(B) zeigen, läßt sich die Belastung durch das Objekt nicht messen.
Es sei der Fall betrachtet, daß die Basis B in Figur 1(A) einer zeitlich veränderlichen Auslenkung unterworfen wird, bei dem der Belastungsmeßfühler in Fig. 1(A) auf einer zeitlich veränderlichen Basis B sitzt, die durch äußere Vibrations- und Schwingungskräfte angeregt wird, wie in Fig. 4(A) gezeigt ist. Das Meßobjekt C der Masse m wird weich auf die Meßfühlerbaugruppe A gelegt. Dieses System bildet eine ungleichförmige Bewegungskoordinate. Da die Auslenkung der Basis B zeitlich variabel ist, ist die Meßlast nicht konstant. Die Beschleunigung G/L der Basis B in Fig. 4(B) wird durch äußere, zeitlich variable Kräfte erzeugt. Die Meßfühlerbaugruppe A erfährt eine Vibration von einer Beschleunigung G/L der Basis B und einer Beschleunigung A/L der Meßfühlerbaugruppe A. Außerdem ist die durch Vibrationen der Meßfühlerbaugruppe A angeregte Beschleunigung A/L durch eine ausgezogene Linie aufgezeichnet ,und die Beschleunigung G/L der Basis B durch eine gestrichelte Linie.
Es sei der Fall betrachtet, daß bei der Belastungsmessung die Basis B in Fig. 4(A) einer zeitlich veränderlichen Auslenkung unterworfen wird und daß auf die Meßfühlerbaugruppe A ein plötzlicher Sprung einer konstanten Kraft einwirkt, so daß die Belastungsmeßfühlerbaugruppe A in Fig. 4(A) eine Vibration sowohl durch die zeitlich veränderliche Basis B, die von einer äußeren Vibrations- und Schwingungskraft angeregt wird und durch den plötzlich angeregten Kraftsprung erfährt. Von dem plötzlich angelegten Kraftsprung an klingt die Vibration der Meßfühlerbaugruppe A unter Umständen mit der Zeit ab und sinkt durch Dämpfungseffekte auf Null. Allerdings verbleibt die durch die zeitvariable Basis B hervorgerufene Vibration während der Einwirkung einer externen Kraft. Als Ergebnis läßt sich die Belastung des Objekts nicht genau messen, wie in Fig. 5(A) dargestellt ist. Die Beschleunigung der Meßfühlerbaugruppe B wird lediglich von der äußeren, zeitlich veränderlichen Vibration angeregt. Es ist unmöglich, die Last nur durch die Beschleunigung des Objekts zu messen. Die durch Vibration der Meßfühlerbaugruppe A angeregte Beschleunigung A/L ist durch eine ausgezogene Linie aufgezeichnet und die Beschleunigung G/L der Basis B durch eine gestrichelte Linie, wie in Fig. 5(B) gezeigt ist.
Nimmt man den Fall der Lastmessung, wo die Basis B in Fig. 4(A) einer zeitveränderlichen Auslenkung unterworfen ist und wo auf die Meßfühlerbaugruppe A eine plötzlich angelegte impulsförmige Kraft einwirkt, erfährt die Belastungsmeßfühlerbaugruppe A in Fig. 4(A) eine Vibration sowohl von einer zeitlich veränderlichen Basis B, die durch äußere Vibrations- und Schwingungskräfte angeregt wird, als auch durch eine plötzlich angelegte impulsförmige Kraft. In diesem Fall ist die Zeit, während der eine impulsförmige Belastung einwirkt so kurz, daß die Vibrationenbeschleunigung der Meßfühlerbaugruppe A durch die impulsförmige Kraft eventuell mit der Zeit abklingt und auf Null absinkt, wie in Fig. 4(A) gezeigt ist. Die durch eine zeitlich veränderliche Basis B erteilte Vibration bleibt während der Einwirkung einer äußeren Kraft erhalten. Als Ergebnis läßt sich die auf das Objekt wirkende Belastung nicht genau messen, wie in Fig. 4(A) gezeigt ist. Die Beschleunigung der Meßfühlerbaugruppe B wird nur durch die von außen wirkende zeitlich veränderliche Vibration angeregt, wie in Fig. 6(A) dargestellt ist. Es ist nicht möglich, die Belastung nur durch die Beschleunigung des Objekts zu messen. Die durch Vibrationen der Meßfühlerbaugruppe A angeregte Beschleunigung A/L ist durch eine ausgezogenen Linie dargestellt, und die Beschleunigung G/L der Basis B durch eine gestrichelte Linie, wie in Fig. 6(A) gezeigt ist.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Lösung der oben erwähnte Schwierigkeiten. Im folgenden sind eine momentane Auslenkung und eine momentane Belastung jeweils durch eine Auslenkung und eine Belastung zu irgendeiner Zeit während der Messung definiert. Die Ruhelast ist durch eine Belastung definiert, wenn alle Systeme zu jeder Zeit ruhen und wenn eine Belastung eine zeitliche konstante Kraft ist.
Das Verfahren zum Messen einer dynamischen Belastung weist auf:
Festlegen einer Kante eines ein Feder-Massesystem bildenden Konstruktionselements, dessen andere Kante frei ist,
Messen einer momentanen Auslenkung yi durch Belastung der freien Kante, Umformen der momentanen Auslenkung yi in eine momentane Belastung Wi durch Anwendung einer Beziehung, in der bereits eine Beschleunigung Δg(A/L)i aus der zweiten Ableitung der Auslenkung yi nach der Zeit ermittelt ist und Berechnen einer Ruhebelastung We aus der folgenden Gleichung:
ergeben, worin g die Gravitationsbeschleunigung und k eine Federkonstante sind.
Die Vorrichtung zum Messen einer dynamischen Belastung weist ein Glied, das eine Kante eines ein Feder-Massesystem bildenden Bauelements festlegt, dessen andere Kante frei ist und einen Auslenkungsmeßfühler auf, der eine Auslenkung yi am freien Ende des Rahmenkörpers mißt und ein Rechenverfahren zum Umwandeln der Auslenkung y in eine Ruhelast We.
Nachstehend wird das Prinzip zur Messung einer dynamischen Belastung gemäß der Erfindung erläutert. In einer Vorrichtung, wie sie in Figur 1(A) gezeigt ist, verändert sich die Meßfühlerbaugruppe A auf der festen Basis B unter der Annahme, daß Δg(A/L)i die auf die Kante der Meßfühlerbaugruppe A einwirkende Beschleunigung, und daß Wi die zur gleichen Zeit zu messende momentane Belastung sind. Eine Bewegungsgleichung wird angewendet, d.h.
wobei We die Ruhelast (N) des Meßobjekts C, und m die Masse (kg) sind.
Die Ruhelast We (N) eines Meßobjekts C wird aus folgender Gleichung ermittelt
wobei die Beschleunigung Δg(A/L)i durch die zweite Ableitung der Auslenkung der Kante der Meßfühlerbaugruppe A nach der Zeit berechnet wird.
Die Bewegungsgleichung, wie sie die Gleichung (1) darstellt, läßt sich aus dem sogenannten Dalambertschen dynamischen Gleichgewicht herleiten. Das dynamische Gleichgewicht läßt die materiellen und konstruktiven Anordnungen der Elemente außer Betracht.
Allgemein wird das ungedämpfte Feder-Massesystem ersten Grades einer allgemeinen Kraftfunktion F(t) ausgesetzt. Die Differentialbewegungsgleichung wird aus dem zweiten Newtonschen Bewegungsgesetz abgeleitet.
m + ky = F(t)
In dem in Fig. 7 gezeigten Feder-Massesystem ist die Anfangsbedingung zur Zeit gegeben, wo das System in seiner Gleichgewichtsposition ye ist, d.h. durch die durch die Ruhelast bewirkte Auslenkung. Die Bewegungsgleichung ergibt sich wie folgt.
worin yi die momentane Auslenkung bei einer durch eine zeitlich veränderliche Kraft angeregten Momentanbelastung ist. Somit kann man den Ausdruck für F(t) schreiben als
F(t) = Wi - We
Somit ergibt Gleichung (2)
In Gleichung (3) ist die Auslenkung ye konstant, die Beschleunigung e = 0. Wenn man die Anfangsbedingung einsetzt, läßt sich die Beschleunigung yi ausdrücken durch Δg(A/L)i. Die Gleichung (3) ist
Diese Gleichung kann man umformen zu
Gemäß Figur 8,
und damit:
Deshalb erhält man unter Einsetzen dieser Beziehung in Gleichung (4)
Durch Vereinfachung erhält man
Wenn man tabellarisch eine Beziehung zwischen den Ruhelasten und Auslenkungen vorsieht, läßt sich eine Meßauslenkung leicht in eine momentane Belastung Wi umformen.
Auch läßt sich eine momentane Belastung Wi aufgrund des Hookschen Gesetzes berechnen:
Wi = k yi
Als Ergebnis läßt sich die Ruhelast We aus momentanen Auslenkungen, der Last und den Beschleunigungen unter Verwendung der Gleichung (5) berechnen. Die Federkonstante wird durch die Form, die Anordnung und das Material der die Meßfühlerbaugruppe bildenden Bauteile ermittelt.
Zum Beispiel ergibt sich die Federkonstante unter der Annahme, daß die Meßfühlerbaugruppe eine Balkenkonfiguration hat, wie folgt:
k = 6EL/I³
worin E und 1 jeweils der Elastizitätsmodul und das Querschnitts-Trägheitsmoment (I =b h³/12) des Balkens sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung einer dynamischen Last beinhaltet die Berechnung der Ruhelast We aufgrund der Messung der Beschleunigung Δg(A/L)i der Basis in dem Fall, daß sich die durch ein Federsystem auf der tragenden Basis aufgespannte Struktur durch Vibrationen und Schwingungen verändert.
Das Prinzip der Belastungsmessung in diesem Fall wird nachstehend erläutert. Angenommen, daß die Basis B oder die Meßfühlerbaugruppe A in Balkenform auf der Basis B einer zeitlich veränderlichen Auslenkung unterworfen werden, die Basis B mit der Beschleunigung Δg(A/L)i vibriert und der Kantenabschnitt der Meßfühlergruppe A mit der Beschleunigung Δg(A/L)i gegenüber der Basis B vibriert, ergibt sich Gleichung (3) wie folgt:
Im Falle, wo die Basis B veränderlich ist, läßt sich Gleichung (5) durch Einsetzen Δg(A/L)i-Δg(G/L)i in Δg(A/L)i der Gleichung (5) ausdrücken als
Als Ergebnis werden die Ruhelast We durch Berechnen der Beschleunigung Δg(G/L)i aus der Auslenkung der Basis und durch Berechnung der momentanen Last Wi und die Beschleunigung Δg(G/L)i aus der Auslenkung der Meßfühlerbaugruppe berechnet.
Das dynamische Lastmeßverfahren der vorliegenden Erfindung weist Mittel zum Messen einer Beschleunigung Δg(G/L)i einer fixierten Kante des auf einer durch eine zeitveränderliche Vibration und Schwingung angeregten Basis aufgesetzten Rahmenkörpers auf, und die Ruhelast We wird durch das Rechenverfahren berechnet.
Die Mittel zum Messen der Beschleunigung Δg(A/L)i können ein von einer zeitlich veränderlichen Vibration angeregtes aufgesetztes lichtemittierendes Glied, das durch Vibration und Schwingungserregung des Rahmens angeregt wird sowie ein festliegendes eindimensionales Positionserfassungsglied aufweisen, welches eine zeitlich veränderliche, momentane Position eines Lichtstrahls von dem lichtemittierenden Glied erfaßt.
Die dynamische Lastmeßvorrichtung weist einen Rahmenkörper auf, der einen hohlen Innenabschnitt hat, und eine Kante eines Trägerbalkens ist an einem festen Teil des Rahmenkörpers in dem hohlen Innenabschnitt festgelegt, ein freier Kantenteil des Balkens liegt einer freien Kante des Rahmenkörpers im hohlen Innenabschnitt gegenüber und ein Auslenkungsmeßfühler ist zwischen eine freie Kante des Balkens und eine freie Kante des Rahmenkörpers eingesetzt.
Als Auslenkungsmeßfühler kann ein optischer Auslenkungsmeßfühler dienen, und als das Erfassungsglied können eindimensionale Positionsmeßelemente, wie z.B. positionsempfindliche Halbleiterdetektoren (PSD) und PIN-Photodioden (PPD) verwendet werden. Falls solche eindimensionalen Positionsmeßelemente eingesetzt sind, ist es möglich, auf ein freies Ende des Balkens ein lichtemittierendes Glied aufzusetzen, welches einen Lichtstrahl auf das besagte eindimensionale Positionsmeßglied richtet, welches seinerseits auf einer freien Kante des Rahmenkörpers sitzt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 zeigt das grundlegende Prinzip einer dynamischen Lastmessung, (A) zeigt den Aufbau einer Vorrichtung, (B) eine auf eine Meßfühlerbaugruppe einwirkende zeitlich veränderliche Belastung, (C) eine auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkende zeitlich veränderliche Beschleunigung;
Figur 2 stellt in graphischer Darstellung den Fall dar, wo auf die Meßvorrichtung gemäß Figur 1 plötzlich eine konstante Belastung einwirkt, (A) zeigt die Änderung der auf eine Meßfühlerbaugruppe einwirkenden dynamischen Last, (B) zeigt die Veränderung einer auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden Beschleunigung;
Figur 3 zeigt in graphischer Darstellung, wie auf die Meßfühlervorrichtung gemäß Figur 1 plötzlich eine impulsförmige Last einwirkt, (A) zeigt die Veränderung der auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden dynamischen Last, (B) zeigt die Veränderung der auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden Beschleunigung;
Figur 4 zeigt anschaulich einen Prinzipaufbau, bei dem die Meßvorrichtung in Figur 1 auf einer zeitlich veränderlich vibrierenden und schwingenden Basis sitzt, (A) den Aufbau der Vorrichtung, (B) die Veränderung einer auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden dynamischen Last&sub1; (C) die Veränderung einer auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden Beschleunigung;
Figur 5 zeigt graphisch die Auswirkungen einer an der Meßvorrichtung in Fig. 4 plötzlich angreifenden konstanten Belastung, (A) zeigt die Änderung der auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden dynamischen Last, (B) zeigt die Änderung einer auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden Beschleunigung;
Figur 6 zeigt graphisch, wenn auf die Meßvorrichtung in Fig. 4 plötzlich eine impulsförmige Belastung einwirkt, (A) zeigt die zeitliche Veränderung der auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden dynamischen Last, (B) zeigt die zeitliche Veränderung einer auf die Meßfühlerbaugruppe einwirkenden Beschleunigung;
Figur 7 zeigt eine Beziehung zwischen einer Auslenkung und einer Belastung in einem Feder-Massesystem iter Ordnung, um das Verfahren der bei der vorliegenden Erfindung angewendeten dynamischen Belastungsmessung zu erläutern sowie ein Prinzip einer mit der vorliegenden Vorrichtung zur Messung einer dynamischen Belastung ausgeführten dynamischen Lastmessung;
Figur 8 zeigt eine statische Belastung, eine momentane Belastung und graphisch eine Beziehung zwischen den dadurch verursachten Auslenkungen;
Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Veranschaulichung der Federsteifigkeit eines Trägerbalkens der Meßfühlerbaugruppe;
Figur 10 zeigt perspektivisch eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Messung dynamischer Lasten gemaß der vorliegenden Erfindung;
Figur 11 zeigt einen Querschnitt von Figur 10 längs der Schnittebene A-A;
Figur 12 zeigt einen vergrößerten Seitenriß eines in Figur 10 gezeigten Lastmeßfühlers;
Figur 13 zeigt einen vergrößerten Grundriß des in Figur 10 gezeigten Lastmeßfühlers;
Figur 14 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Positionserfassung durch ein Halbleiter-Positionsmeßglied;
Figur 15 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung einer Vorrichtung gemäß Figur 10;
Figur 16 zeigt Flußdiagramm zur Veranschaulichung der Funktion der Vorrichtung von Figur 10;
Figur 17 zeigt eine Beschleunigung und eine Meßlast durch eine an einer ruhenden Basis gemäß Figur 10 plötzlich angreifenden konstanten Kraft;
Figur 18 zeigt die Beschleunigung und eine Meßlast, die durch eine an einer ruhenden Basis gemäß Figur 10 plötzlich angreifenden Impulskraft bewirkt wird;
Figur 19 zeigt die Beschleunigung und eine Meßlast, wie sie durch eine an einer zeitlich veränderlichen Basis gemäß Figur 10 angreifenden, zeitlich konstante Kraft bewirkt wird;
Figur 20 zeigt eine perspektivische Darstellung einer anderen bevorzugten Ausführungsform einer die vorliegende Erfindung anwendenden dynamischen Belastungsmeßvorrichtung;
Figur 21 zeigt einen Querschnitt durch die in Figur 20 gezeigte dynamische Belastungsmeßvorrichtung längs einer Schnittebene B-B;
Figur 22 zeigt eine vergrößerte Seitenansicht der in Figur 20 gezeigten dynamischen Belastungsmeßvorrichtung;
Figur 23 zeigt einen vergrößerten Grundriß einer Beschleunigungsdetektorvorrichtung wie sie in Figur 20 gezeigt ist;
Figur 24 zeigt einen Querschnitt durch die in Figur 23 gezeigte Vorrichtung längs einer Schnittebene C-C;
die Figuren 25(A) und (B) zeigen das Prinzip einer Positionserfassung mittels einer PIN-Photodiode;
Figur 26 zeigt eine experimentell bevorzugte Ausführungsart der Positionserfassung durch eine PIN- Photodiode;
Figur 27 zeigt Kurven von Meßergebnissen der in Figur 26 gezeigten bevorzugten Versuchausführungsart; und
die Figuren 28-34(A), (B) und (C) zeigen erläuternde Darstellungen einer die vorliegende Erfindung anwendenden dynamischen Belastungsmeßvorrichtung

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die dynamische Belastungsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung in Figur 10 weist einen Rahmenkörper 1, einen Armkörper 2, einen Lastmeßfühler und einen Beschleunigungsmeßfühler 4 auf.
Der Rahmenkörper 1 hat auch eine rechtwinklige hohle Rahmenform und sieht eine festliegende Säule 5 mit großem Querschnitt, eine bewegliche Säule 6, die der festen Säule 5 gegenüber liegt und einen oberen und unteren Rahmentragbalken 7 und 8 vor, die mit beiden Säulen 5 und 6 verbunden sind. Die festliegende Säule 5 ist auf einer Basis 9 aufgebaut und die bewegliche Säule, auf die eine zu messende Last einwirkt, stellt eine freie Kante, wie bei einem Kragbalken dar. Es ist auch möglich, daß die festliegende Säule 5 unterhalb einer Basis 9 aufgebaut ist und daß, wie die Figur zeigt, die obere ebene Oberfläche der festliegenden Säule 5 Schraubenbohrungen 5a hat.
Der Armkörper 2 sieht eine Armbasis 10 und einen Armbalken 11 vor, wobei die Armbasis 10 mit Schrauben 12 an der festliegenden Säule 5 des Rahmenkörpers 1 befestigt ist. Der an der festliegenden Säule 5 mit der Armbasis verbundene Armbalken 11, ist in einem hohlen Innenabschnitt des Rahmenkörpers 1 unter Bildung einer kleinen Lücke zwischen der beweglichen Säule 6 und dem Armbalken 10 angeordnet.
Der Lastmeßfühler 3 sieht einen an der beweglichen Säule 6 angebrachten Lichtsender 13 und einen eindimensionalen Positionsmeßfühler, wie z.B. einen positionsempfindlichen Halbleiterdetektor 14 vor (der nachstehend kurz PSD genannt wird) und der an einer Kante des Armbalkens 11 angebracht ist.
Der Lichtsender 13 hat ein lichtemittierendes Glied 16, wie z.B. eine LED, die an der Kante einer l-förmigen Stützstrebe 15 der beweglichen Säule 6 angebracht und von einem Deckel 18 mit einer schmalen Lichtabstrahlöffnung 17 bedeckt ist. Der PSD 14 liegt der schmalen Lichtabstrahlöffnung 17 gegenüber und ist in Längsrichtung fluchtend mit der vertikalen Zeichenrichtung von oben nach unten angebracht. Der PSD 14 gibt ein Signal ab, das die Position des vom lichtemittierenden Glied 16 durch die schmale Lichtabstrahlöffnung empfangenen Lichts angibt. Bei einer Positionsänderung des lichtemittierenden Glieds 16 aufgrund einer Auslenkung der Rahmentragbalken 7 und 8, die durch eine auf die bewegliche Säule 6 einwirkende Last verursacht ist, wird die Positionsänderung kontinuierlich vom PSD 14 ausgegeben. Als Ergebnis stellt das Ausgangssignal des PSD 14 Daten dar, die eine Auslenkung der Armbalken 7 und 8 angeben, die dem Feder-Massesystem unterworfen sind.
Der Beschleunigungsmeßfühler 4 sieht einen Lichtsender 19, der auf der festliegenden Säule 5 aufgebaut ist und einen eindimensionalen Positionsmeßfühler, wie einen positionsempfindlichen Halbleiterfühler 20 (kurz PSD) vor, der auf einer Basis des Armbalkens 11 angebracht ist. Der Lichtsender 19 hat ein lichtemittierendes Glied 22, wie z.B. eine LED, die an der Basis eines Lagerblocks 21 angebracht ist, und ist mit einem Deckel mit einer schmalen Lichtabstrahlöffnung bedeckt, genauso wie der Lastmeßfühler 3. Der PSD 20 liegt der schmalen Lichtabstrahlöffnung gegenüber und ist in Längsrichtung fluchtend mit der Zeichenrichtung von oben nach unten angebracht. Der PSD 20 gibt ein Signal ab, das die Position angibt, an der er vom lichtemittierenden Glied 22 durch die Lichtabstrahlöffnung Licht empfängt. Das lichtemittierende Glied 22 ist mit dem Lagerblock 21 durch mehrere Federn 23 verbunden und vibriert in Vertikalrichtung der Zeichnung mit der auf der Basis 9 angebrachten festliegenden Säule 5 aufgrund der durch zeitlich veränderliche Kräfte angeregten Vibrationen oder Schwingungen. Wenn die Vibration des lichtemittierenden Glieds 22 durch die Vibration der Basis 9 angeregt ist, wird die Positionsänderung kontinuierlich vom PSD 20 ausgegeben, und das Ausgangssignal des PSD 20 stellt Daten dar, die die zeitlich veränderliche Auslenkung der Basis 9 zeigen.
Figur 14 zeigt eine Prinzipansicht eines eindimensionalen Positionsmeßfühlers, der in Figur 14 ein PSD ist. Die durch den vom lichtemittierenden Glied einfallenden Lichtstrahl Lx angeregten Lichtströme Ii und 12 werden umgekehrt proportional zu den Einschußdistanzen jeweils zwischen dem Einfallspunkt und den Elektroden a und b des PSD erzeugt. Die Einfallstelle wird durch eine Differenz oder ein Produkt beider Ausgangslichtströme ermittelt. Die Distanz Xa zwischen der Einfallstelle E und der Mitte der Elektroden A und B eines PSD wird aus folgender Beziehung berechnet.
(2Xa/X)=(I1-12)/(I1+I2)
worin X die Distanz zwischen den Elektroden A und B ist. Aus dieser Gleichung ergibt sich der Einfallpunkt unabhängig von der Intensität eines einfallenden Lichtstrahls.
Natürlich ist die vorliegende Erfindung in Konstruktion, Form und Anordnung des Lastmeßfühlers und des Beschleunigungsmeßfühlers nicht auf die oben beschriebene Struktur beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann konventionelle Lastmeßfühler und konventionelle Beschleunigungsmeßfühler verwenden.
Die beiden oben erwähnten PSD-Einheiten 14 und 20 sind auf einer gedruckten Leiterplatte 24 eines Armbalkens 11 angebracht. Die gedruckte Leiterplatte 24 sieht beispielsweise Platten mit zwei oder mehr blockierenden Schichten vor, und ermöglicht je zwei Schaltungen eines PSD 14 und eines lichtemittierenden Glieds 16 in einem Lastmeßfühler 3 sowie eines PSD 20 und eines lichtemittierenden Glieds 22 in einem Beschleunigungsmeßfühler 4; die Lastmeßschaltung 25 und die Beschleunigungsmeßschaltung 26.
Diese Meßschaltungen 25 und 26 haben dieselbe Schaltungsanordnung und sehen jeweils eine Meßfühlerstromversorgungschaltung 27, Stromverstärkerschaltungen 28, die Positionsmeßausgangssignale von den PSD-Einheiten 14 und 20 verstärken, Vorspannungsschaltungen 29 für Ausgänge der PSD-Einheiten 14 und 20 und Operationsschaltungen 30 für die lichtemittierenden Glieder vor. Die Meßschaltungen 25 und 26 sind jeweils mit einer Analysiereinheit 31 verbunden. Die Analysiereinheit 31 weist eine CPU 32, eine Stromversorgung 33, zwei A/D-Umsetzer 34 und 35, eine Eingangsschaltung 36, drei Ausgangsschaltungen 37, 38 und 39 sowie eine Anzeigeschaltung 40 auf.
Die Analysiereinheit 31 kann verschiedenartige Formen annehmen, z.B. kann die Analysiereinheit an der festliegenden Säule 5 des Rahmenkörpers 1 oder an einem Armkörper 2 angebracht, an der Außenseite des Rahmenkörpers 1 oder einem Armkörper 2 angesetzt sein, oder ein Teil der Analysiereinheit kann an der festliegenden Säule 5 des Rahmenkörpers 1 und ein anderer Teil der Analysiereinheit an der Außenseite einer Meßvorrichtung angebaut sein.
Die Stromversorgungsschaltung 33 ist mit einer externen Stromversorgung verbunden und speist eine Meßfühlerstromversorgungsschaltung der Meßschaltungen 25 und 26, die CPU 32, den A/D- Umsetzer 34, die Eingangsschaltung 36, die drei Ausgangsschaltungen 37, 38 und 39 und die Anzeigeschaltung 40. Die beiden A/D-Umsetzer 34 und 35 sind mit Erfassungsschaltungen 25 und 26 der PSD-Einheiten 14 und 20 über die Stromverstärkerschaltungen 28 verbunden und geben der CPU 32 jeweils ein Datenpaar entsprechend dem Paar der von den Stromverstärkerschaltungen 28 empfangenen Analogdaten ein. Eine Schnittstellenschaltung für die Eingangssignale ist in diesem Fall nicht gezeigt. Die Ausgangsschaltung 37 dient für die Anzeige 41 der gemessenen Belastung an der Anzeigeschaltung 40, und die Ausgangsschaltung 38 dient der Anzeige 42 einer dynamischen Belastung an der Anzeigeeinheit 40, während die Ausgangsschaltung 39 der externe Ausgang ist.
Das in Figur 16 gezeigte Funktions-Flußdiagramm wird nachstehend beschrieben.
Nach dem Einschalten der Stromversorgung wird in Schritt 1 zuerst beurteilt, ob eine gewöhnliche Lastmessung vorliegt oder nicht. Wenn keine gewöhnliche Lastmessung vorliegt, geht es mit Schritt 15 weiter und es werden Anfangswerte eingestellt. Wenn eine gewöhnliche Belastungsmessung vorliegt, wird mit Schritt 2 fortgefahren. In Schritt 15 kann die Auswahl der Analysebetriebsarten durch eine von außen erfolgte Eingabe über die Eingangsschaltung 36 (oder die CPU 32) durchgeführt werden.
Falls eine gewöhnliche Lastmessung vorliegt, werden im Schritt 2 Meßausgangssignale der PSD-Einheiten 14 und 20 den A/D- Umsetzern 34 und 35 eingegeben und im Schritt 3 durch die A/D- Umsetzer umgesetzt. In Schritt 4 werden Auslenkungsdaten von der PSD-Einheit 34 in Belastungsdaten umgewandelt. Die Auslenkungsdaten sind eine momentane Auslenkung yi und die Lastdaten eine momentane Last Wi. Durch Zugriff zu einer Tabelle, die die Beziehung zwischen den Ruhelasten und den Auslenkungen angibt, läßt sich eine durch einen Meßausgang der PSD-Einheit 14 angegebene Auslenkung leicht in eine momentane Last Wi umwandeln. Wenn man den Rahmenkörper 1 und den Rahmenbalken 2 als Feder-Massesystem betrachtet, kann die Federkonstante k aus dem Hookschen Gesetz wie folgt berechnet werden:
Danach wird eine Berechnungsart in Schritt 5 ausgewählt. Die Auswahl der Berechnungsarten kann durch eine externe Eingabe über eine Eingangsschaltung 36 oder an die CPU erfolgen, im Schritt 6 werden die anfangs eingestellten Bedingungen für die Berechnung geprüft. Es wird beurteilt, ob die Anfangseinstellungen korrekt sind oder nicht. Wenn die Berechnung nicht gestartet wird, fährt Schritt 11 fort und die in Schritt 4 umgewandelte Meßlast wird von der Ausgangsschaltung 37 an einen externen Ausgang ausgegeben und an der Anzeigeschaltung 40 als Meßlastanzeige angezeigt.
Wenn die Berechnung begonnen wird, fhrt Schritt 7 mit der Beurteilung fort, ob die Meßvorrichtung durch eine zeitlich veränderliche Kraft oder nicht angeregt ist. Wenn sie von einer zeitlich veränderlichen Kraft angeregt ist, wird in Schritt 8 die dynamische Last aufgrund der folgenden Gleichung in zeitlichveränderlichem Modus berechnet:
worin We eine Ruhelast ist, die die angeforderte Belastung darstellt, Δg(A/L)i die Beschleunigung der beweglichen Säule 6 des Rahmenkörpers 1, welche die Ableitung zweiter Ordnung der von der PSD-Einheit 14 gemessenen Auslenkung yi nach der Zeit ist, und Δg(A/L)i die Beschleunigung der Basis 9 ist, um die zweite Ableitung nach der Zeit einer von der PSD-Einheit 20 gemessenen Auslenkung yi zu erhalten.
Wenn die Berechnung nicht begonnen wird, fährt Schritt 12 mit der Beurteilung fort, ob die Meßvorrichtung durch einen plötzlich angelegten konstanten Kraftsprung angeregt wird oder nicht. Wenn sie durch einen plötzlich angelegten konstanten Kraftsprung angeregt wird, wird in Schritt 13 die dynamische Belastung aus der nachfolgenden Gleichung im Sprungmodus berechnet.
Wenn die Meßvorrichtung nicht von einem plötzlich angelegten konstanten Kraftsprung angeregt wird, erfolgt im Schritt 14 die Berechnung der dynamischen Last aus folgender Gleichung in einem Impulsmodus.
Der Sprung- und Impulsmodus unterscheiden sich in den Anfangswerten für die Berechnung, wie bei der Abtastperiode, dem Abtastbereich, usw., weil die Kurve der zeitabhängigen Last im Sprungmodus sich von der im Impulsmodus unterscheidet, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt ist.
Das in den Schritten 8, 13 und 14 vorliegende Rechenergebnis wird von den Ausgangsschaltungen 38 und 39 an einen externen Ausgang in Schritt 9 ausgegeben und an der dynamischen Lastanzeige 42 der Anzeigeschaltung 40 angezeigt (Schritt 10).
Rechenergebnisse der vorliegenden Ausführungsform werden nachstehend erläutert
Figur 17 zeigt Meßergebnisse, wie sie sich durch eine plötzlich einwirkende konstante Kraft und durch einen Kraftsprung bei ruhender Basis 9 ergeben, wenn ein Gewicht von 10 kgf auf die bewegliche Säule 6 fällt. In Figur 17 ist DIL eine dynamische Last, G/L eine Beschleunigung und S/L eine Meßbelastung. Es stellt sich heraus, daß eine dynamische Belastung mit der Ruhelast von 10 kgf zum Zeitpunkt 200 Millisekunden übereinstimmt
Figur 18 zeigt Meßergebnisse bei Einwirkung eines plötzlich angelegten Kraftimpulses auf die ruhende Basis 9, wenn ein Gewicht von 10 kgf auf die bewegliche Säule 6 fällt und sofort entfernt wird. In Figur 18 stellen D/L eine dynamische Last, G/L eine Beschleunigung und S/L eine Meßlast dar. Es stellt sich heraus, daß die dynamische Belastung mit der Ruhelast von 20 kgf zum Zeitpunkt 150 Millisekunden übereinstimmt.
Figur 19 zeigt Meßergebnisse, wenn eine zeitlich konstante Kraft auf eine zeitveränderliche Basis 9 einwirkt, wie wenn ein Gewicht von 10 kgf auf die bewegliche Säule 6 weich aufgelegt wird. In Figur 19 stellt sich heraus, daß die dynamische Last mit der Ruhelast von 10 kgf übereinstimmt unter der Bedingung, daß die Basis 9 vibriert.
Die zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in den Figuren 20 und 27 wird nun erläutert.
Die dynamische Lastmeßvorrichturig der vorfiegenden Erfindung in Figur 20 sieht einen Rahmenkörper 51, einen Armkörper 52, einen Lastmeßfühler 53 und einen Beschleunigungsmeßfühler 54 vor.
Der Rahmenkörper 51 hat auch eine rechtwinklige hohle Rahmenform und sieht eine festliegende Säule 55 mit großem Querschnitt, eine bewegliche Säule 56, die der festen Säule 55 gegenüberliegt und einen oberen und unteren Rahmenbalken 57 und 58 vor, die mit beiden Säulen 55 und 56 verbunden sind. Die festliegende Säule 55 ist auf eine Basis 59 aufgesetzt, und die durch eine zu messende Belastung betätigte bewegliche Säule 56 hat eine freie Kante, wie z.B. einen Balkenträger. Es ist auch möglich, daß die festliegende Säule 55 unterhalb einer Basis 59 angebracht ist und deshalb hat die obere Oberfläche der festliegenden Säule 55 Schraubbohrungen 55a, wie in der Figur gezeigt ist.
Der Armkörper 52 ist im hohlen Inneren 60 des Rahmenkörpers 51 und zur beweglichen Säule 56 hin angeordnet, auf die ein Gehäuse 63 eines Lastmeßfühlers 53 aufgesetzt ist.
Der Lastmeßfühler 53 sieht ein lichtemittierendes Glied 63 und einen eindimensionalen Positionsmeßfühler, wie eine Halbleiter- PIN-Photodiode (kurz PPD) 64 vor, die auf das Gehäuse 62 gesetzt ist. Eine Streifenmaske 66 ist in einen Abschnitt zwischen dem lichtemittierenden Glied 63 und der PPD-Einheit 64 von der Kante des an der beweglichen Säule 56 befestigten Ständers 65 eingefügt. Wenn die PPD-Einheit 64 einen vom lichtemittierenden Glied 63 ausgesendeten Lichtstrahl empfängt, erzeugt sie einen Lichtstrom proportional zur Lichtempfangsfläche und der Intensitt des Lichtstrahls. Wenn bei einer auf die bewegliche Säule 56 einwirkenden Last die Positon der Streifenmaske 66 durch eine Auslenkung der Rahmentragbalken 57 und 58 geändert wird, wird die Lageänderung kontinuierlich vom PPD 64 ausgegeben.
Der Beschleunigungsmeßfühler 54 sieht ein lichtemittierendes Glied 69 und einen eindimensionalen Positionsmeßfühler wie eine Halbleiter-PIN-Photodiode 70 vor, die im inneren hohlen Abschnitt 67 eingebaut ist. Im Deckel 68 liegt das lichtemittierende Glied 69 der eindimensionalen PPD-Einheit 70 gegenüber. Eine schmale bewegliche Streifenmaske 71, die an dem Lagerblock 69a angebracht ist, ist in einen Abschnitt zwischen dem lichtemittierenden Glied 69 und der PPD-Einheit 70 eingefügt. Wenn die PPD-Einheit 70 einen von dem lichtemittierenden Glied 69 ausgesendeten Lichtstrahl empfängt, erzeugt sie den Lichtstrom proportional zur Lichtempfangsfläche und der Intensität des Lichtstrahls. Der schmale bewegliche Streifen 71 kann in Vertikalrichtung von Fig. 24 mit dem Rahmenkörper 51 auf der Basis 59 vibrieren. Wenn die Lichtempfangsfläche der PPD-Einheit 70 durch die Vibration des schmalen Streifens 71 geändert wird, wird der Lichtstrom abhängig von der Veränderung der Lichtempfangsfläche kontinuierlich vom PPD 70 ausgegeben.
Das Prinzip der Positionsmessung mittels des PPDS in Figur 25 wird nachstehend erläutert.
Die Figuren 25 (A) und (B) zeigen jeweils eine Positionsbeziehung zwischen einer Maske M und einem PPD und eine Beziehung zwischen der Position der Maske M und der Ausgangsspannung des PPD. Es ist bekannt&sub1; daß die PPD-Einheit eine Ausgangsspannung proportional zur Lichtempfangsfläche und der Intensität des Lichtstrahls liefert. Es ist deutlich, daß die PPD-Einheit allein nicht als Positionsmeßglied arbeitet. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung veranlaßten, daß eine PPD-Einheit als Positionsmeßglied arbeitet, indem sie eine Maske M unter Einhaltung einer schmalen Lücke einer PPD-Einheit hinzufügen, die aus einem Paar von PPD-Gliedern, PPD 1 und PPD2, besteht.
Unter der Annahme, daß die Ausgangsspannungen der Glieder PPD1 und PPD2 jeweils V1 und V2 betragen, wird die Auslenkung von der Mittellinie 0 der PPD-Einheit zur Mittellinie der Maske M gleich 1, und die Position der Maske M wird aus den folgenden Beziehungen berechnet. Wenn die Mitte der Maske M zwischen O-A liegt, wie z.B. bei 0≤l≤L/2, wobei l die Auslenkung ist, gilt
I=V1-V2/V1+V2 L/2
Wenn die Mitte der Maske M zwischen A und C liegt, wie z.B. bei L/2≤l≤3≤L/2, gilt
I=V2/V1 L + L/2
Wenn die Intensität I eines Lichtstrahls konstant ist, ist auch die Ausgangsspannung V1 und V2 der Elemente PPD1 und PPD2 nur von der Position der Maske abhängig. PPD-Einheiten lassen sich als Positionsmeßfühler verwenden, da die Mittelposition der Maske M zwischen den obigen, aufeinander bezogenen Positionserfassungsgliedern aufgrund der zuvor erwähnten Beziehungen berechenbar ist.
Nachstehend wird ein Fall betrachtet, wo sich die Intensität des Lichtstrahls ändert. Die Variation dV der Ausgangsspannungen der Glieder PPD1 und PPD2 ist proportional zur Veränderung dl der Intensität des Lichtstrahls unter der Bedingung, daß die Intensität des letzteren sich verändert. Wenn die Charakteristiken der Glieder PPD1 und PPD2 gleich sind, ist die Variation dV der Ausgangsspannung zwischen PPD1 und PPD2 unter denselben Bedingungen gleich groß. Wenn die Variation der Intensität des Lichts nur von der Variation dVLED der Lichtemissionsleistung VLED des lichtemittierenden Glieds abhängt, ist diese Variation proportional zur Variation der Lichtleistung.
Wenn die Mitte der Maske zwischen den Positionen O und A liegt, wird die Auslenkung l aus folgenden Gleichungen berechnet.
Wenn die Mitte der Maske zwischen den Positionen A und C liegt, wird die Auslenkung l aus folgenden Gleichungen berechnet.
Aus der obigen Analyse läßt sich die Veränderung der Lichtleistung eliminieren, und als Ergebnis können die PPD- Einheiten als Positionsmeßfühler eingesetzt werden. Wenn die PPD-Einheiten die Positionen erfassen können, wird die Beschleunigung aus der zweiten Ableitung der Auslenkung nach der Zeit berechnet, und die PPD-Einheiten können auch als Beschleunigungsmeßfühler verwendet werden.
Die Versuchsausführung in Figur 26 wird nun beschrieben. Die Mikroauslenkung ist an der Maske M angebracht, die zwischen LED und PPD eingefügt ist und die sich durch irgendeine Vorrichtung, wie z.B. durch ein Mikrometer bewegen läßt. Die Ausgangsspannungen V1 und V2 der Glieder PPD werden nacheinander gemessen. In Figur 27 sind Meßergebnisse dargestellt. Die durch die Ausgangsspannung der PPD dargestellte Auslenkung D ergibt eine lineare Kurve, wie die Figur zeigt. Es stellt sich heraus, daß PPDs als Positionsmeßfühler eingesetzt werden können. Die Breite der Maske M in Figur 26 ist 1,5 Millimeter und die des PPD 3,0 Millimeter.
Der Deckel 72 in Figur 21 ist in Figur 20 weggelassen. Die gedruckten Leiterplatten 73 und 74 sind dieselben wie in der bevorzugten Ausführung und im Deckel 72 angebracht. Die Erläuterung der Arbeitsschritte ist weggelassen, da sie dieselben sind wie bei der bevorzugten Ausführungsart.
Ein Beispiel einer bei dynamischen Lastmessungen eingesetzten Lastmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der Figuren 28 und 34 beschrieben. Die nachfolgende, bevorzugte Ausführungsart ist eine generelle Idee oder ein Konzept zur Verwendung der Erfindung bei Meßbedingungen, die eine Vorrichtung zur Messung dynamischer Lasten gemäß der vorliegenden Erfindung anwenden und keine reale Meßanordnung.
In Figur 28 ist der dynamische Lastmeßfühler 85 (kurz DLS)) der vorliegenden Erfindung an einer Feder 84 am Ende eines Drahts 82 angeordnet, der über zwei Rollen 82 und 83 geht und mit dem Ende eines Stabs eines ölzylinders 81 auf dem Basisblock 80 verbunden ist. Wie die Figur nicht im einzelnen zeigt, ist die Feder 84 am Endes des Drahts 82 an der Oberseite der festen Säule des Rahmenkörpers des DLS 85 befestigt, und das Meßobjekt 86 wird an der Unterseite der beweglichen Säule des Rahmenkörpers angebracht. Diese Vorrichtung ist ein Beispiel der Aufhängung von Meßobjekten an dem DLS unter Verwendung von Federsystemen.
In Figur 29 ist der DLS 85 der vorliegenden Erfindung auf eine Trägerbasis 80 aufgesetzt, die in vertikaler Richtung vom Draht 88 bewegt wird, der über zwei Rollen 87 und 87 geht. Diese Vorrichtung ist ein Beispiel eines Systems, das sich in Vertikalrichtung bewegt, wie Segelschiffe und Flugzeuge.
In Figur 30 ist der DLS 85 der vorliegenden Erfindung auf der Basis 92 aufgesetzt, die an einem Federsystem aufgehängt ist, und zwischen zwei Förderbändern 91 und 93 angeordnet. Es läßt sich die Belastung eines Meßobjekts 86 messen, das über den DLS 85 hinweggeht. Figur 31 zeigt, daß der DLS 85 der vorliegenden Erfindung auf einer zeitlich veränderlichen Basis 92 aufgesetzt und zwischen zwei Förderbändern 91 und 91 angeordnet ist. Diese Vorrichtungen, wie sie in den Figuren 30 und 31 gezeigt sind, stellen Beispiele eines Systems dar, das den DLS bei einer Trägervorrichtung, wie z.B. Förderbändern verwendet. Es ist nicht notwendig, den DLS der vorliegenden Erfindung zusammen mit zwei Förderbändern zu verwenden. Das Objekt 86 läßt sich auch durch ein Förderband auf den DLS 85 fördern.
In Figur 32 ist der unter einer Straßenoberfläche oder einem Gehweg liegende DLS 85 so angeordnet, daß er eine Last mißt, wenn ein Fahrzeug 94 darüber hinweggeht. Wenn das Gewicht des Fahrzeugs 93 vorher bekannt ist, kann die Belastung durch ein Objekt 86 auf dem Fahrzeug 94 vom DLS 85 der vorliegenden Erfindung gemessen werden.
Die Meßvorrichtung in Figur 33 ist zur Messung einer Last angeordnet, wenn ein Fahrzeug 94, auf das der DLS 85 aufgesetzt ist, auf einer unebenen Straße fährt, deren Oberfläche konvex und konkav ist. In diesem Fall läßt sich ein Teil der Straße auf einem Federsystem anbringen. Es ist möglich, die Vorrichtung in Figur 32 und die in Figur 33 zusammen einzusetzen.
Die Vorrichtung in Figur 34 ist zur Messung einer Belastung durch ein Objekt 99 in einem Gefäß angeordnet, das auf den DLS 35 gesetzt ist, der auf der zeitlich veränderlichen Basis fixiert ist, die durch ein Federsystem angeregt ist. Figur 34 (A) zeigt, daß es sich auf die Messung einer Belastung durch bewegte Objekte, wie Menschen und Tiere anwenden läßt. Figur 34 (B) zeigt, daß sich die Meßvorrichtung zur Messung der Belastung durch eine strömende Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, anwenden läßt. Figur 34 (C) zeigt, daß sich die Meßvorrichtung zum Messen einer Belastung durch nach unten geworfene Objekte, wie z.B. Fische anwenden läßt.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT

Wie oben geschildert, lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren zur dynamischen Lastmessung und die Meßvorrichtung zum Messen dynamischer Lasten gut zum Messen dynamischer Lasten verwenden, die durch Schütteln und Vibration angeregt werden, so daß sie zur Messung einer momentanen Last zur Verfügung stehen, die sich während des Meßvorgangs verändert, wie z.B.
bei strömenden Flüssigkeiten. Ferner lassen sich die Vorrichtung und das Verfahren zum Messen der durch sich bewegende Objekte hervorgerufenen Belastung, wie durch lebende Fische und bei zeitlich sich verändernden Positionen oder Basen, wie Segelschiffen, fliegenden Flugzeugen, Fördereinrichtungen, usw., sowie bei fahrenden Fahrzeugen usw. anwenden.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer dynamischen Belastung, welches aufweist

Festlegen einer Kante eines ein Feder-Massesystem bildenden Konstruktionselements, dessen andere Kante frei ist,

Messen einer momentanen Auslenkung yi durch Belastung der freien Kante, Umformen der momentanen Auslenkung yi in eine momentane Belastung Wi durch Anwendung einer Beziehung, in der eine Beschleunigung Δg(A/L)i aus der zweiten Ableitung der Auslenkung yi nach der Zeit bereits ermittelt ist, wobei die Ruhebelastung We aus der folgenden Gleichung berechnet wird:

ergeben, worin g die Gravitationsbeschleunigung und k eine Federkonstante sind.

2. Lastmeßverfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Basis, die eine das genannte Feder-Massesystem umfassende Konstruktion fixiert, veränderlich ist, vibriert und schwingt, und bei dem eine Beschleunigung Δg(A/L)i der Basis gemessen und eine Ruhebelastung We aus folgender Gleichung berechnet wird:

3. Lastmeßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine momentane Belastung Wi aus der folgenden Gleichung ermittelt wird.

Wi=kyi

4. Vorrichtung zum Messen einer dynamischen Belastung&sub1; die aufweist

einen Rahmenkörper&sub1; der eine Kante eines ein Federmassesystem bildenden Konstruktionselements fixiert, dessen andere Kante frei ist, und einen Auslenkungsfühler, der eine Auslenkung Yi am freien Ende des genannten Rahmenkörpers mißt, und ein Rechenverfahren zur Umformung der genannten Auslenkung Yi in eine Ruhebelastung We, wobei durch das Rechenverfahren eine momentane Belastung Wi aus einer momentanen Auslenkung Yi durch Anwendung einer Beziehung berechnet wird, in der eine Beschleunigung Δg(A/L)i aus der zweiten Ableitung der Auslenkung Yi nach der Zeit bereits ermittelt ist und wobei eine Ruhebelastung We aus folgender Gleichung berechnet wird:

worin g die Gravitationsbeschleunigung und k eine Federkonstante sind.

5. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 4, bei der eine momentane Belastung Wi aus der folgenden Gleichung ermittelt wird:

Wi=k yi

6. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei Mittel zum Messen einer Beschleunigung Δg(A/L)i einer fixierten Kante des Rahmenkörpers vorgesehen sind, der auf einer von einer zeitlich veränderlichen Vibration und Schwingung angeregten Basis aufgesetzt ist, und daß bei dem genannten Berechnungsverfahren eine Ruhebelastung We aus der folgenden Gleichung berechnet wird.

7. Belastungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei der der genannte Rahmenkörper einen hohlen Innenabschnitt hat, eine Kante eines Tragbalkens an einem fixierten Teil des Rahmenkörpers in dem hohlen Innenabschnitt befestigt ist, ein freier Kantenteil des Tragbalkens einer freien Kante des Rahmenkörpers im hohlen Innenabschnitt gegenüberliegt und der Auslenkungsfühler zwischen einer freien Kante des Tragbalkens und einer freien Kante des Rahmenkörpers eingesetzt ist.

8. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Auslenkungsfühler ein Fühler ist, der die Auslenkung optisch erfaßt.

9. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Auslenkungsfühler ein Glied zur Messung der Position in einer Dimension ist.

10. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 9, bei der das eindimensionale Positionsmeßglied an einer freien Kante des Tragbalkens aufgesetzt ist, und bei der ein Licht auf das genannte eindimensionale Positionsmeßglied richtendes lichtemittierendes Glied auf eine fixierte Kante des Rahmenkörpers aufgesetzt ist.

11. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein Glied zur Messung der Beschleunigung Δg(A/L)i ein durch eine zeitveränderliche Vibration und Schwingung des Rahmens angeregtes lichtemittierendes aufgesetztes Glied und ein in seiner Position festgelegtes eindimensionales Positionsmeßglied vorsieht, welches eine zeitveränderliche momentane Lage eines von dem lichtemittierenden Glied kommenden Lichtstrahls erfaßt.

12. Belastungsmeßverfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das genannte eindimensionale Positionsmeßglied ein Halbleiter- Positionsfühler (PSD) ist.

13. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 9, bei der das genannte eindimensionale Positionsmeßglied und ein Licht in das genannte Meßglied einstrahlendes lichtemittierendes Glied in der Nachbarschaft und gegenüber einer freien Kante des Tragbalkens fixiert sind, ein an einer freien Kante des genannten Rahmenkörpers angeordnete Stab zwischen das genannte eindimensionale Positionsmeßglied und das lichtemittierende Glied eingefügt ist, wobei ein Teil des eindimensionalen Positionsmeßglieds von dem Stab abgeschattet wird.

14. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Stab als Glied zur Messung der Beschleunigung Δg(A/L)i eine zusammen mit dem Rahmenkörper vibrierende Feder ist.

15. Belastungsmeßvorrichtung nach Anspruch 14, bei der das genannte eindimensionale Positionsmeßglied aus zwei Photodioden besteht, die Ausgangssignale proportional zu einer Licht von dem lichtemittierenden Glied empfangenden Fläche erzeugen.

16. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die die Aufhängung der genannten dynamischen Belastungsmeßvorrichtung an einer fixierten Kante des Rahmenkörpers aufweist.

17. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die das Aufsetzen der genannten dynamischen Belastungsmeßvorrichtung auf eine sich in vertikaler Richtung bewegende Basis aufweist.

18. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die eine Anordnung der dynamischen Belastungsmeßvorrichtung zwischen zwei Trägervorrichtungen, z.B. eines Förderwerks aufweist, wobei ein Gegenstand über die dynamische Belastungsmeßvorrichtung hinweggeht.

19. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die eine Anordnung der dynamischen Belastungsmeßvorrichtung unter einer Trägervorrichtung, wie z.B. einem Förderwerk aufweist, wobei ein Gegenstand über die dynamische Belastungsmeßvorrichtung hinweggeht.

20. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die die genannte dynamische Belastungsmeßvorrichtung unter der Oberfläche einer Straße oder einer Durchfahrt aufweist, wobei ein sich bewegender Gegenstand, zum Beispiel ein Fahrzeug, über die dynamische Belastungsmeßvorrichtung hinweggeht.

21. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die das Aufsetzen der dynamischen Belastungsmeßvorrichtung auf einen bewegten Gegenstand, wie z.B. ein Fahrzeug aufweist.

22. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 oder 15 vorsieht und die das Aufsetzen eines Aufnahembehälters auf der dynamischen Belastungsmeßvorrichtung aufweist, die eine Belastung durch einen Gegenstand in dem Aufnahmebehälter mißt.

23. Belastungsmeßvorrichtung, die eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß den Ansprüchen 7 oder 15 und eine dynamische Belastungsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 22 vorsieht, wobei ein Objekt auf dem Rahmenkörper in seiner Position und Menge veränderlich ist.