CH647070A5 - Transducer for measuring force - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Messwandler zur Kraft- bestehen der Grundkörper, das drehbar gelagerte Teil, der messung. Reflektorhalter, der kippinvariante Reflektor, der optische The invention relates to a transducer for force - the base body, the rotatably mounted part, the measurement. Reflector holder, the tilt-invariant reflector, the optical

Es sind Vorrichtungen zur Kraftmessung bekannt, bei de- 40 Teiler sowie die zylinderförmige Schraubenfeder aus Materia-nen die zu messende Kraft auf einen Verformungskörper lien mit gleichem Ausdehnungskoeffizienten. Vorteilhafterwirkt. Die Deformation des Verformungskörpers, die nach weise werden der kippinvariante Reflektor und der optische verschiedenen Methoden gemessen werden kann, ist ein Mass Teiler aus optischem Quarz, jedoch der Grundkörper, das für die zu messende Kraft. Darunter gibt es auch Vorrichtun- drehbar gelagerte Teil und der Reflektorhalter aus Kieselgut gen, die die Deformation mittels eines interferentiellen Mess- 45 hergestellt. Devices for force measurement are known, in which the force to be measured is directed to a deformation element with the same coefficient of expansion in the case of dividers and the cylindrical helical spring made of materials. Works more advantageously. The deformation of the deformation body, which can be measured according to the tilt-invariant reflector and the different optical methods, is a mass divider made of optical quartz, but the base body, which is responsible for the force to be measured. Among them there are also non-rotatably mounted parts and the reflector holder made of silica material, which produces the deformation by means of an interferential measurement 45.

Verfahrens erfassen. Nach DD-PS 94 905 ist der Verfor- Das mit Hilfe der monochromatischen Lichtquelle und mungskörper so ausgebildet, dass er gleichzeitig als Interfero- des Kondensors erhaltene parallele Licht wird an einem Um- Record procedure. According to DD-PS 94 905, the deformation is designed with the aid of the monochromatic light source and body so that it is simultaneously received parallel light obtained as an interferometer of the condenser at a

meter wirkt. In dieser Vorrichtung treten interferentielle lenkprisma umgelenkt und passiert eine Teilerplatte des opti- meter works. In this device, interferential steering prism is deflected and passes through a divider plate of the optic

Drehstreifen auf, deren Abstand in der in dieser obengenann- sehen Teilers. Das entsprechend dem Verspiegelungsgrad ten DD-PS 94 905 beschriebenen y-Richtung sich in Abhän- so durchgelassene Bündel reflektiert am kippinvarianten Reflek- Turn strips on, their distance in the divider mentioned in this above. The y-direction described in accordance with the degree of mirroring according to DD-PS 94 905 is reflected in the bundle that is let through, and is reflected on the tilt-invariant reflective element.

gigkeit vom Wert der Messgrösse ändert. tor und durchtritt die andere Teilerplatte des optischen Tei- the value of the measured variable changes. gate and passes through the other divider plate of the optical part

Nachteilig ist dabei, dass bei Unterschreitung eines Min- lers. Ein Teilbündel wird an dieser Teilerplatte durchgelassen destwertes des Abstandes keine fotoelektrische Auswertung und ein Teilbündel wird reflektiert. Das reflektierte Teilbün-mehr erfolgen kann. del durchläuft den kippinvarianten Reflektor, reflektiert an Nach WP G 01 L/206 632 wurde eine Kraftmessvorrich- 55 der ersten Teilerplatte, durchläuft den kippinvarianten Re-tung vorgeschlagen, bei der an einem gabelförmig gestalteten flektor erneut und kommt mit dem durchgelassenen Teilbün-Verformungskörper ein kippinvariantes Interferometer ange- del zur Interferenz. Die Interferenzstreifen werden durch ein bracht ist. Die zu messende Kraft greift an einem Schenkel, optisches Abbildungssystem auf fotoelektrische Empfänger der in Form einer Biegeplatte ausgebildet ist und an dem ein abgebildet. Die zu messende Kraft, die an dem drehbar gela-Tripelprisma befestigt ist, an. Die maximal mögliche Durch- so gerten Teil angreift, bewirkt eine Deformation der zylinder-biegung der Biegeplatte bestimmt das erreichbare Auflö- förmigen Schraubenfeder und eine entsprechende Verlagesungsvermögen. rung des kippinvarianten Reflektors. Die Anzahl der Interfe-Bei einer fest vorgegebenen Geometrie der Biegeplatte renzstreifen, die ein direktes Mass für die zu messende Kraft wird das Auflösungsvermögen somit von der zulässigen Bie- ist, wird mit Hilfe fotoelektrischer Empfänger, Impulsformer-gespannung des Materials begrenzt. Ausserdem wurde ein fer-65 stufen sowie eines Vor-Rückwärts-Zählers in bekannter Wei-tigungstechnisch für ein Betriebsmessgerät noch zu aufwendi- se erfasst. The disadvantage here is that when a miner is undershot. A sub-bundle is passed through this dividing plate, the minimum value of the distance, no photoelectric evaluation and a sub-bundle is reflected. The reflected sub-beam can be done more. del passes through the tilt-invariant reflector, reflects on According to WP G 01 L / 206 632, a force measuring device 55 of the first divider plate, passes through the tilt-invariant direction, is proposed again with a fork-shaped reflector and arrives with the let-through part-bend deformation body tilt-invariant interferometer tied to interference. The interference fringes are brought in by one. The force to be measured engages on one leg, optical imaging system on photoelectric receiver which is designed in the form of a bending plate and on which one is imaged. The force to be measured, which is attached to the rotating gela triple prism. The maximum possible penetration of the part causes a deformation of the cylinder bend of the bending plate, determines the achievable Auflö-shaped coil spring and a corresponding displacement capacity. tion of the tilt-invariant reflector. The number of interfaces - With a fixed geometry of the bending plate, which is a direct measure of the force to be measured, the resolving power is thus limited by the permissible bending, is limited with the help of photoelectric receivers, pulse shaper voltage of the material. In addition, a fer-65 stage and a forward-backward counter were still too expensive to be recorded in a known manner for an operational measuring device.

ges Interferometer verwendet. Da Biegegelenk und Interfero- Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels nä- interferometer used. Since the flexible joint and interfero-

meter räumlich relativ weit voneinander angeordnet sind, her erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt: meters are spatially relatively far apart, are explained here. The accompanying drawing shows:

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Fig. 1 : Seitenansicht des Messwandlers Fig. 2: Zylinderförmige Schraubenfeder Entsprechend Fig. 1 ist der Grundkörper 1 im Gestell 15 fest gehaltert. Mit dem Grundkörper 1 fest verbunden sind das eine Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder 3, die Teilergrundplatte 6a, die monochromatische Lichtquelle 7, der Kondensor 8, das Umlenkprisma 9, das optische Abbildungssystem 10 sowie der Halter 11 für die fotoelektrischen Empfänger 12. Das andere Ende der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 ist fest am drehbar gelagerten Teil 2 angebracht. Dieses Teil 2 ist mittels des Drehgelenkes 16 drehbar im Grundkörper 1 gelagert. Ausserdem ist am Teil 2 der Reflektorhalter 4, der der Halterung des kippinvarianten Reflektors 5 dient, befestigt. Der optische Teiler besteht aus der Teilergrundplatte 6a und zwei an dieser Teilergrundplatte 6a angesprengten Teilerplatten 6b und 6c. Die freien Oberflächen der Teilerplatten 6b und 6c sind teilverspiegelt und die Normalen auf diesen Oberflächen schliessen miteinander einen kleinen Winkel a ein. Das Interferometer, bestehend aus dem optischen Teiler und dem kippinvarianten Reflektor 5, ist innerhalb der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 so angeordnet, dass der Abstand des Lichtstrahles B, der in die Würfelecke des kippinvarianten Reflektors 5 trifft, vom Drehgelenk 16 gleich dem Abstand der Symmetrieachse A der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 vom Drehgelenk 16 ist. Grundkörper 1, drehbar gelagertes Teil 2 und Reflektorhalter 4 sind aus Kieselgut hergestellt. Der kippinvariante Reflektor 5 und der optische Teiler bestehen aus optischen Quarz. Die zylinderförmige Schraubenfeder 3 besteht aus kristallinem Quarz. Fig. 1: Side view of the transducer Fig. 2: Cylindrical helical spring According to Fig. 1, the base body 1 is fixed in the frame 15. Fixed to the base body 1 are one end of the cylindrical coil spring 3, the divider base plate 6a, the monochromatic light source 7, the condenser 8, the deflection prism 9, the optical imaging system 10 and the holder 11 for the photoelectric receiver 12. The other end of the cylindrical coil spring 3 is fixedly attached to the rotatably mounted part 2. This part 2 is rotatably mounted in the base body 1 by means of the swivel joint 16. In addition, the reflector holder 4, which serves to hold the tilt-invariant reflector 5, is fastened to part 2. The optical divider consists of the divider base plate 6a and two divider plates 6b and 6c which are blasted onto this divider base plate 6a. The free surfaces of the divider plates 6b and 6c are partially mirrored and the normals on these surfaces form a small angle a with one another. The interferometer, consisting of the optical divider and the tilt-invariant reflector 5, is arranged within the cylindrical coil spring 3 so that the distance of the light beam B, which strikes the cube corner of the tilt-invariant reflector 5, from the swivel joint 16 is equal to the distance of the axis of symmetry A is cylindrical coil spring 3 from the hinge 16. Base body 1, rotatably mounted part 2 and reflector holder 4 are made of gravel. The tilt-invariant reflector 5 and the optical divider consist of optical quartz. The cylindrical coil spring 3 consists of crystalline quartz.

Nach Fig. 2 besteht die zylinderförmige Schraubenfeder 3 5 aus einem Quarzrohr mit eingefräster Nut. Das durch den Kondensor 8 parallel gerichtete monochromatische Licht wird am Umlenkprisma 9 um 90° umgelenkt und passiert die Teilerplatte 6c. Das entsprechend dem Verspiegelungsgrad durchgelassene Bündel reflektiert am kippinvarianten Reflek-lo tor 5 und durchtritt die Teilerplatte 6b. Ein Teilbündel wird an der Teilerplatte 6b durchgelassen und ein Teilbündel wird reflektiert. Das reflektierte Teilbündel durchläuft den kippinvarianten Reflektor 5, reflektiert an der Teilerplatte 6c, durchläuft den kippinvarianten Reflektor 5 erneut und 15 kommt mit dem durchgelassenen Teilbündel zur Interferenz. Die Interferenzstreifen werden durch das optische Abbildungssystem 10 auf die fotoelektrischen Empfänger 12 abgebildet. 2, the cylindrical coil spring 3 5 consists of a quartz tube with a milled groove. The monochromatic light directed in parallel by the condenser 8 is deflected by 90 ° at the deflection prism 9 and passes through the divider plate 6c. The bundle that is let through according to the degree of mirroring reflects on the tilt-invariant reflector 5 and passes through the divider plate 6b. A sub-bundle is passed through the divider plate 6b and a sub-bundle is reflected. The reflected partial bundle passes through the tilt-invariant reflector 5, reflects on the divider plate 6c, passes through the tilt-invariant reflector 5 again and 15 comes to interference with the passed partial bundle. The interference fringes are imaged on the photoelectric receivers 12 by the optical imaging system 10.

20 Die zu messende Kraft F, die am drehbar gelagerten Teil 2 angreift, bewirkt eine Deformation der zylinderförmigen Schraubenfeder 3 und eine entsprechende Verlagerung des kippinvarianten Reflektors 5. Die Anzahl der Interferenzstreifen, die ein direktes Mass für die zu messende Kraft ist, 25 wird mit Hilfe fotoelektrischer Empfanger 12, Impulsformerstufen 13 sowie eines Vor-Rückwärts-Zählers 14 erfasst. 20 The force F to be measured, which acts on the rotatably mounted part 2, causes a deformation of the cylindrical coil spring 3 and a corresponding displacement of the tilt-invariant reflector 5. The number of interference fringes, which is a direct measure of the force to be measured, becomes 25 With the help of photoelectric receiver 12, pulse shaper stages 13 and an up-down counter 14 detected.

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (3)

647070 2 PATENTANSPRÜCHE muss im gesamten Verformungskörper für eine gleichmässige647070 2 PATENT REQUIREMENTS must be in the entire deformation body for a uniform 1. Messwandler, zur Kraftmessung,bestehend aus einem Temperaturverteilung gesorgt werden. 1. Transducers, for force measurement, consisting of a temperature distribution. Verformungskörper, einem Interferometer, einer monochro- In DE-AS 26 58 629 ist eine Kraftmess- oder Wägevor- Deformation body, an interferometer, a monochromic DE-AS 26 58 629 is a force measuring or weighing device matischen Lichtquelle, optischen Systemen, fotoelektrischen richtung angegeben, bei der ein beweglicher Teil wenigstens Matic light source, optical systems, photoelectric direction specified, in which a moving part at least Empfängern, Impulsformerstufen und einem Vor-Rück- 5 zwei Spiegel trägt, von denen jeweils einer in einem Arm des wärts-Zähler, dadurch gekennzeichnet, dass an einem in ei- Interferometers derart angeordnet ist, dass bei Auslenkung nem Gestell (15) gehalterten Grundkörper (1) das eine Ende des beweglichen Teiles die beiden Arme des Interferometers in einer zylinderförmigen Schraubenfeder (3), die eine schrau- entgegengesetzten Richtungen in ihrer Länge verändert benförmig eingearbeitete Nut aufweist, ein optischer Teiler, werden. Receivers, pulse shaper stages and a forward / backward 5 carries two mirrors, one of which is located in one arm of the upward counter, characterized in that it is arranged on an interferometer in such a way that when a frame (15) is deflected, a base body is held (1) the one end of the movable part, the two arms of the interferometer in a cylindrical helical spring (3), which has a screw-shaped groove, which changes in length in opposite directions, becoming an optical divider. der aus einer Teilergrundplatte (6a), mit der zwei Teilerplat- io Solche Vorrichtungen sind jedoch unter Betriebsbedin- that of a divider base plate (6a) with the two divider plate. Such devices are, however, under operating conditions ten (6b, 6c) verbunden sind, besteht, wobei die freien Oberflä- gungen nur schwer einsetzbar, da sie stark temperaturabhän- ten (6b, 6c) are connected, whereby the free surfaces are difficult to use because they are strongly temperature-dependent chen der Teilerplatten (6b, 6c) teilverspiegelt sind und die gig und verlagerungsempfindlich sind. Chen the divider plates (6b, 6c) are partially mirrored and are gig and sensitive to displacement. Normalen auf diesen Oberflächen einen Winkel a miteinan- Mit der erfindungsgemässen Lösung kann bei vorgegebe- Normals on these surfaces at an angle a. With the solution according to the invention, given der einschliessen, ein Drehgelenk (16) für ein drehbar gelager- nem Kraftmessbereich das Auflösungsvermögen wesentlich tes Teil (2), die monochromatische Lichtquelle (7), ein Kon- 15 erhöht werden, ohne dass die zulässige Spannung des Mate- which include a swivel joint (16) for a rotatably mounted force measuring range, the resolving power (2), the monochromatic light source (7), a component without increasing the permissible voltage of the material. densor (8), ein Umlenkprisma (9), ein optisches Abbildungs- rials überschritten wird. Durch ein fertigungstechnisch sehr system (10) sowie ein Halter (11) für die fotoelektrischen einfach herstellbares Interferometer, das nur kleine geometri- densor (8), a deflecting prism (9), an optical imaging rial is exceeded. Thanks to a very technical manufacturing system (10) and a holder (11) for the photoelectric interferometer that is easy to manufacture and which only has small geometrical Empfanger (12) fest angeordnet sind, dass am drehbar gela- sehe Abmasse besitzt und das im Zentrum der sich deformie- Receivers (12) are fixedly arranged, that on the rotatable dimension and that in the center of the deformed gerten Teil (2) das andere Ende der zylinderförmigen Schrau- renden Teile des Verformungskörpers zugeordnet ist, wird ei- the other end of the cylindrical screwing parts of the deformation body is assigned, benfeder (3) sowie ein Reflektorhalter (4), an dem ein kippin- 20 ne hohe Temperaturunabhängigkeit erreicht. benfeder (3) and a reflector holder (4), on which a tilt-independent high temperature independence is achieved. varianter Reflektor (5) fest angebracht ist, befestigt sind, und Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen Mess- variant reflector (5) is fixedly attached, and the object of the invention is to provide a measuring dass der Aufriss eines Lichtstrahles (B), der in die Würfelecke wandler, insbesondere zur digitalen Kraftmessung zu schaf- that the breakdown of a light beam (B) that converts into the cube corner, in particular for digital force measurement, des kippinvarianten Reflektors (5) trifft, und der Aufriss der fen, der ein hohes Auflösungsvermögen besitzt und in weiten of the tilt-invariant reflector (5), and the elevation of the fen, which has a high resolution and in wide Symmetrieachse (A) der zylinderförmigen Schraubenfeder (3) Temperaturgrenzen funktionstüchtig ist. Axis of symmetry (A) of the cylindrical coil spring (3) temperature limits is functional. auf der senkrechten die Achse des drehbar gelagerten Teiles 25 Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gemäss Patentan- on the vertical, the axis of the rotatably mounted part 25 2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- wobei der optische Teiler mit dem Grundkörper und der net, dass der Grundkörper (1), das drehbar gelagerte Teil (2) kippinvariante Reflektor mittels des Reflektorhalters fest mit und der Reflektorhalter (4) aus Kieselgut und der kippinva- 30 dem drehbar gelagerten Teil verbunden sind. 2. Transducer according to claim 1, characterized in that the optical divider with the base body and the net that the base body (1), the rotatably mounted part (2) tilt-invariant reflector by means of the reflector holder and the reflector holder (4) made of silica and the kippinva- 30 are connected to the rotatably mounted part. riante Reflektor (5) sowie der optische Teiler aus optischem Der Winkel a bestimmt den Abstand der Interferenzstrei- Riante reflector (5) and the optical divider from optical The angle a determines the distance between the interference stripes Quarz bestehen. fen. Zur optimalen Temperaturkompensation und zum Errei- Quartz exist. fen. For optimal temperature compensation and for reaching (2) einschliessenden Ebene im gleichen Abstand vom Drehge- sprach 1 gelöst. Somit erfolgt die Anordnung des Interfero- (2) including the level at the same distance from the spoken word 1. The arrangement of the interfero- lenk (16) stehen. meters im Zentrum der zylinderförmigen Schraubenfeder, steer (16). meters in the center of the cylindrical coil spring, 3. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- chen einer relativ hohen Unempfindlichkeit gegenüber Verla-net, dass die Schraubenfeder (3) aus einem Rohr aus kristalli- gerungen, ist der Lichtstrahl B, der in der Würfelecke des nem Quarz besteht. 35 kippinvarianten Reflektors trifft, und die Symmetrieachse A 3. A measuring transducer according to claim 1, characterized in that the helical spring (3) consists of a tube of crystallization, is the light beam B which is in the corner of the cube of the quartz. 35 tilt-invariant reflector hits, and the axis of symmetry A der zylinderförmigen Schraubenfeder im gleichen Abstand vom Drehgelenk des drehbar gelagerten Teiles. Vorzugsweise the cylindrical coil spring at the same distance from the swivel of the rotatably mounted part. Preferably