DE3129847A1 - Method and arrangement for measuring mechanical quantities - Google Patents
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Verfahren und Anordnung zur Messung mechanischer Größen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung mechanischer Größen nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.Method and arrangement for measuring mechanical quantities The invention relates to a method and an arrangement for measuring mechanical quantities according to the The preambles of claims 1 and 3.
Die Erfindung betrifft insbesondere einen Sensor für Gewichts-, Kraft-, Druck- oder Beschleunigungsmessungen.The invention relates in particular to a sensor for weight, force, Pressure or acceleration measurements.
Für den Einsatz moderner Elektronik, insbesondere von Mikroprozessoren, in technischen Anlagen und Geräten werden Sensoren benötigt, die entsprechende Meßgrößen in elektrische Signale umwandeln. Insbesondere auf dem Gebiet der Gewichts-, Kraft-, Druck- oder Beschleunigungs-Messung besteht ein großer Bedarf an derartigen MeBeinrichtung, Für die angegebenen Meßprobleme, die letzten Endes auf eine Kraftmessung zurückzuführen sind, seien einige Anwendungs- fälle genannt: 1. Gewichtskraft: Automatisches Verpacken (Abfüllen) großer Stückzahlen von Gegenständen mit einem damit verbundenen Wägevorgang 2. Messen schneller Druckänderungen, z.B. Vigrationen in Rohrleitungen, Motoren, Maschinen usw.For the use of modern electronics, especially microprocessors, In technical systems and devices, sensors are required, the corresponding measured variables convert into electrical signals. Especially in the field of weight, strength, Pressure or acceleration measurement is a great need for such a measuring device, For the specified measurement problems, which in the end can be traced back to a force measurement are some application cases mentioned: 1. Weight force: Automatic packaging (filling) of large numbers of items with a associated weighing process 2. Measurement of rapid changes in pressure, e.g. vigrations in pipes, motors, machines, etc.
3. Überwachung des Verkehrsflusses durch einen unterirdischen eingebauten Drucksensor 4. Messung der Beschleunigung von Fahrzeugen 5. Niveaukontrolle von Flüssigkeiten Für derartige Meßaufgaben stehen verschiedenartige Meßgeräte wie Waagen, Manometer, Schwimmer zur Verfügung. Die aufgeführten Anwendungsbeispiele stellen jedoch Anforderungen an die Meßgeräte, die mit herkömmlichen Methoden nur mit Mühe und/oder unter hohem.finanziellen Aufwand gelöst werden können. Darüberhinaus liefern bekannte Meßinstrumente kein elektrisches Ausgangssignal oder es wird ein solches auf indirektem Wege gewonnen, nämlich durch Auswertung einer Lageänderung beweglicher Teile. Derartige ge Anordnungen sind bekannt, z.B. als induktive Wegaufnehmer, die mit einer mechanischen Feder gekoppelt sind.3. Monitoring the flow of traffic through a built-in underground Pressure sensor 4. Measurement of the acceleration of vehicles 5. Level control of Liquids There are various types of measuring devices such as scales, Pressure gauge, float available. The listed application examples provide however, demands on the measuring instruments that can only be met with difficulty using conventional methods and / or can be solved with high financial outlay. In addition, deliver known measuring instruments do not have an electrical output signal or there is one obtained indirectly, namely by evaluating a change in position more mobile Parts. Such arrangements are known, e.g. as inductive displacement transducers, the are coupled with a mechanical spring.
Derartige Anordnungen haben einige Nachteile, z.B. können die mechanisch bewegten Teile im Laufe der Zeit verklemmen infolge von Verschmutzung und/oder Korrosion. Außerdem können fehlerhafte Messungen auftreten; z.B dadurch, daß bewegte Teile des Meßinstrumentes unerwunschte Schwingungen (Resonanzen) ausführen, die nicht vorhandene Änderungen einer zu messenden Größe vortäuschen.Such arrangements have some disadvantages, e.g. they can be mechanical moving parts jam over time due to contamination and / or corrosion. In addition, incorrect measurements can occur; e.g. by the fact that moving parts of the measuring instrument carry out undesired vibrations (resonances) that are not simulate existing changes in a quantity to be measured.
Weiterhin sind insbesondere für Kraftmessungen sogenannte weglose Sensoren bekannt, die z,B. auf dem piezo-elektrischen Effekt beruhen. Bei derartigen Sensoren wird nahezu weglos eine Kraft bzw. ein Druck auf eine Piezokeramik oder einen Piezokristall ausgeübt, die ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefern. Derartige Kraftaufnehmer haben den Nachteil, daß eine fortlaufende Eichung nötig ist, denn z.B. infolge Alterung und/oder hoher mechanischer Impulsbelastung kann sich der Kristallaufbau ändern.Furthermore, so-called pathless ones are particularly suitable for force measurements Known sensors that z, B. based on the piezo-electric effect. With such A force or a pressure on a piezoceramic or sensor becomes almost pathless a piezo crystal exerted a corresponding electrical output signal deliver. Such force transducers have the disadvantage that a continuous calibration is necessary, because e.g. due to aging and / or high mechanical impulse loads the crystal structure can change.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, die insbesondere statische und/oder dynamische Kräfte in elektrische Signale umwandeln ohne daß bewegliche Teile am Meßvorgang beteiliegt sind, und die weitgehend unempfindlich sind gegen Alterung und äußere Störungen wie z,B. Verschmutzung und/ oder Vibrationen.The invention is therefore based on the object of a method and to specify an arrangement that specifically includes static and / or dynamic forces Convert into electrical signals without moving parts taking part in the measurement process and which are largely insensitive to aging and external disturbances such as. Pollution and / or vibrations.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 3 angegebenen Merkmale.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing Parts of claims 1 and 3 specified features.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.Further developments and refinements of the invention are set out in the subclaims removable.
Die Erfindung beruht auf dem an sich bekannten spannungsoptischen Effekt, bei dem ein mit polarisiertem Licht durchstrahlter Körper, in dem mechanische Spannungen vorhanden sind, räumliche Intensitätsschwankungen des transmittierten Lichts erzeugt.The invention is based on the optical voltage known per se Effect in which a body penetrated by polarized light, in the mechanical Tensions are present, spatial fluctuations in intensity of the transmitted Generated light.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei- spielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt FIG. l ein Ausführungsbeispiel FIG. 2 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispieles gemäß FIG. 1 Die FIG. 1 bzw. 2 zeigen einen einen durchsichtigen doppelbrechenden Körper 3, z.B. Plexiglas, auf dem mittels eines Wandlers 7, z.B. ein keilförmiger Körper, eine Kraft t einwirkt. Ausgehend von einer Berührungslinie 2 (oder mindestens einem Berührungspunkt) zwischen Wandler 7 und'Körper 3 entsteht in .dem Körper 3 ein mechanischer Spannungszustand ll, der mittels polarisierten Lichtes sichtbar gemacht werden kann. Bei monochromatischem Licht entstehen streifenförmige Lichtintensitätsschwankungen. Räumliche und/oder zeitliche Änderungen der Kraft 1 bewirken eine Änderung der Lichtintensitätsschwankungen. An einer Meßstelle 4 des Körpers 3 entstehen beispielsweise zeitlich nacheinander abwechselnd helle und dunkle Streifen. Diese Streifen bzw. Intensitätsschwankungen werden erfindungsgemäß gezählt und daraus mittels eine,Eichung die Kraft 1 und/oder daraus ableitbare Größen berechnet. Dazu wird an einer Seite 31 des Körpers 3 eine Lichtquelle 5, z.B. ein Halbleiterlaser, angebracht, die mittels eines ersten Polarisators 6, z.B. eine Polarisationsfolie, im wesentlichen linear polarisiertes Licht erzeugt. Dieses durchläuft den unter mechanischer Spannung stehenden Körper 3, einen zweiten Polarisator 8, z.B. ebenfalls eine Polarisationsfolie, und wird einem Lichtdetektor 9, z.B. eine1WHalbleiter-Photodiode, zugeführt, der sich an der Meßstelle 4 befindet. Das elektrische Ausgangssignal des Lichtdetektörs 9 wird einerAuswerteeinheit 10, die z.B einen sogenannten Mikroprozessor enthält, zugeführt und z.B derart weiterverarbeitet, daß die Kraft l bzw. deren Änderungen unmittelbar angezeigt werden.The invention is described below with reference to exemplary embodiments to play explained in more detail with reference to schematic drawings. It shows FIG. l a Embodiment FIG. 2 shows a side view of the embodiment according to FIG. 1 FIG. 1 and 2 show a transparent birefringent body 3, e.g. Plexiglas, on which a transducer 7, e.g. a wedge-shaped body, a force t acts. Starting from a contact line 2 (or at least one Point of contact) between transducer 7 und'Kbody 3 arises in .dem body 3 a mechanical State of tension II, which can be made visible by means of polarized light. With monochromatic light, strip-shaped light intensity fluctuations occur. Spatial and / or temporal changes in the force 1 cause a change in the light intensity fluctuations. At a measuring point 4 of the body 3, for example, occur one after the other alternating light and dark stripes. These stripes or fluctuations in intensity are counted according to the invention and from this, by means of a calibration, the force 1 and / or variables derived from this are calculated. For this purpose, on one side 31 of the body 3 a Light source 5, e.g. a semiconductor laser, attached by means of a first polarizer 6, e.g., a polarizing film, generates substantially linearly polarized light. This passes through the body 3, which is under mechanical tension, a second one Polarizer 8, e.g. also a polarizing film, and becomes a light detector 9, for example a 1 W semiconductor photodiode, which is located at the measuring point 4. The electrical output signal of the light detector 9 is sent to an evaluation unit 10, which e.g. contains a so-called microprocessor, fed and e.g. further processed in such a way that the force l or its changes are immediate are displayed.
Einem Fachmann ist es geläufig, die beschriebene Anordnung optimal an die gestellte Maßaufgabe anzupassen und insbesondere einen geeigneten Wandler zu wählen. Mit der Größe des Körpers 3 und/oder der Konstruktion des Wandlers 7 läßt sich die Empfindlichkeit der Anordnung auf einen Meßbereich derart abstimmen, daß eine Anpassung an alle der eingangs genannten Anwendungsfälle möglich ist, Einet derartige Optimierung wird sich auf die Elastizitätstheorie fester Körper abstützen. Dadurch daß die elastischen Eigenschaften des Körpers 3 zur Messung ausgenutzt werden, arbeitet die Anordnung in einem weiten Bereich nahezu trägheitslos, so daß insbesondere eine Messung dynamischer Vorgänge möglich wird, ohne daß dabei die Möglichkeiten zu einer statischen Messung eingeschränkt werden.A person skilled in the art is familiar with optimally using the described arrangement to adapt to the task at hand and in particular a suitable converter to choose. With the size of the body 3 and / or the construction of the transducer 7 the sensitivity of the arrangement can be adjusted to a measuring range in such a way that that an adaptation to all of the applications mentioned above is possible, Einet such optimization will rely on the theory of elasticity of solids. Because the elastic properties of the body 3 are used for the measurement, the arrangement works almost inertia-free over a wide range, so that in particular a measurement of dynamic processes becomes possible without sacrificing the possibilities be restricted to a static measurement.
Ein weiteres. Ausführungsbeispiel besteht darin, die innerhalb der Umrandung 12 (FIG. 1) dargestellten Einzelteile der beschriebenen Anordnung zu einem störungsunempfindli chen Sensor zusammenzufügen, z.B, mit Kunstharz zu vergießen.Another one. Embodiment is that within the Border 12 (FIG. 1) shown items of the described arrangement to one To assemble a sensor that is insensitive to interference, e.g. to encapsulate it with synthetic resin.
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Auswerteeinheit 10, Lichtquelle 5, Lichtdetektor 9 sowie die Polarisatoren 6 und 8 zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Die Lichtzu- bzw. Lichtableitung an den Körper 3 erfolgt dann mit Lichtwellenleitern, z,B, optischen Glasfasern. Ein derartiger Sensor hat z.B. ein sehr geringes Eigengewicht, so daß dynamische Kräfte meßbar sind, die hohe Frequenzkomponenten enthalten. Außerdem ermöglicht eine derartige Anordnung zuverlässige Messungen an schwer zugänglichen Stellen, z.B. innerhalb eines Kernreaktors.In a further, not shown embodiment, the Evaluation unit 10, light source 5, light detector 9 and polarizers 6 and 8 combined into one structural unit. The light supply or light discharge to the body 3 then takes place with optical waveguides, e.g., optical glass fibers. One of those For example, the sensor has a very low weight so that dynamic forces can be measured that contain high frequency components. In addition, such a Arrangement of reliable measurements in hard-to-reach places, e.g. within of a nuclear reactor.
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