DE1171173B

DE1171173B - Spannungsoptisches Untersuchungsverfahren und Messelement zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1171173B
Application number: DEO6284A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Georg Oppel
Original assignee: GEORG OPPEL DR ING
Current assignee: GEORG OPPEL DR ING
Priority date: 1958-07-25
Filing date: 1958-07-25
Publication date: 1964-05-27
Also published as: US3313204A

Description

Spannungs optisches Untersuchungsverfahren und Meßelement zur Durchführung des Verfahrens -Die Erfindung bezieht sich auf ein spannungsoptisches Untersuchungsverfahren unter Verwendung einer spannungsoptisch aktiven Schicht, welche an auf ihren Spannungszustand zu untersuchenden Körpern zweckmäßig unter Zwischenschaltung eines Spiegels befestigt und mit polarisiertem Licht bestrahlt wird. Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Meßelement zur Durchführung des Verfahrens.
Die bisherigen Untersuchungsverfahren dieser Art liefern Anzeigen, die -nur bei Verwendung von teuren und schwer zu bedienenden, optischen Feinmeßgeräten die notwendige Meßgenauigkeit ergeben.
So ist z. B. vorgeschlagen worden, die in spannungsoptisch aktiven Medien bei mechanischer Verformung eintretende Verfärbung als Anzeige für einen bestimmten Spannungszustand, d. h. für eine bestimmte Dehnung heranzuziehen. Auch bei den polarisationsoptischen Schichtverfahren zur Messung der Oberflächenspannung an beanspruchten Bauteilen (s. VDI-Zeitschrift, Bd. 81, S. 803/804, 1937) waren optische Feinmeßgeräte unerläßlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist demgegenüber dadurch gekennzeichnet, daß bereits im unbelasteten Zustand ein Interferenzraster erzeugt wird, welches durch die spannungsoptisch aktive Schicht eine meßbare Verschiebung erfährt, sobald in dieser Schicht Spannungen auftreten.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Verschiebungen des Interferenzrasters auch bei geringen Dehnungen der spannungsoptisch aktiven Schicht so groß, daß sie mit dem unbewaffneten Auge wahrgenommen werden können.
Ein spannungsoptisches Meßelement zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß die spannungsoptisch aktive Schicht aus einem optisch inhomogenen Medium besteht, in welchem durch die Inhomogenität zwischen benachbarten Lichtstrahlen eine Phasenverschiebung eintritt, wodurch ein Interferenzraster erzeugt wird. Derartige optisch inhomogene Medien lassen sich durch besondere Behandlung von unter Spannung stehenden Körpern erzeugen; die Spannungszustände frieren dabei gewissermaßen ein. Die Verwendung solcher inhomogener Medien ist von den spannungsoptischen Untersuchungsverfahren dreidimensionaler Körper am Modell her bekannt.
Ein Interferenzraster kann auch dadurch erzeugt werden, daß der spannungsoptisch aktiven Schicht eine keilförmige, Interferenzen gleicher Dicke erzeugende Platte beigelegt ist.
Da in der Spannungsoptik mit polarisiertem Licht gearbeitet werden muß, legt man zweckmäßig, wie bei spannungsoptischen Meßelementen bekannt, einen Polarisationsfilm dem Meßelement unmittelbar bei. Eine andere Möglichkeit besteht natürlich darin, auf das Meßelement Licht von einer polarisierten Lichtquelle her einfallen zu lassen und das Interferenzraster durch ein weiteres Polarisationsfilter zu betrachten. Die Ablesung des Spannungszustandes ist am einfachsten dann, wenn mit dem Meßelement eine Skala vereinigt ist.
Um an einem Meßelement nur die in einer bestimmten Richtung wirksamen Spannungen angreifen zu lassen, bringt man dieses in bekannter Weise nur in bestimmten Zonen in kraftübertragende Verbindung mit dem auf seinen Spannungszustand zu untersuchenden Körper. Zweckmäßig bildet man das Meßelement als länglichen Streifen aus, der nur an seinen beiden Endabschnitten mit dem Körper verbunden wird.
Um an den übrigen Stellen die Verbindung des Meßelementes mit dem Körper zu verhindern, belegt man das Meßelement zwischen seinen Endabschnitten und an seinen längsseitigen Begrenzungsfiächen mit einem weichen Werkstoff.
Will man neben der Direktablesung des spannungsoptischen Meßstreifens auch die Möglichkeit einer Fernablesung schaffen, so vereinigt man das spannungsoptische Meßelement in bekannter Weise mit einem dehnungsempfindlichen Widerstandsdraht oder einer Widerstandsfolie nach Art der bekannten Dehnungsmeßstreifen.
Um die Empfindlichkeit des spannungsoptischen Meßelementes noch zu erhöhen, kann man in der spannungsoptisch aktiven Schicht, wie bekannt, spannungserhöhende Kerben, Bohrungen od. dgl. vorsehen.
Die Zeichnungen zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es stellt dar Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Meßelement, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II der F i g. 1, F i g. 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Meßelement mit Ableseskala, Fig. 4 einen der Fig. 2 entsprechenden Schnitt durch eine andere Ausführungsform, F i g. 5 ein spannungsoptisches Meßelement mit dehnungsempfindlichem Widerstand, F i g. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI der F i g. 5.
In Fig. 1 ist auf einem StablO ein erfindungsgemäßes spannungsoptisches Meßelement befestigt, welches allgemein mit 12 bezeichnet ist. Die Befestigung an dem Stab 10 ist an den beiden Enden des Meßelementes bei 14 und 16 mit Hilfe eines Klebstoffes hergestellt. Das Meßelement besteht aus einer spannungsoptisch aktiven Schicht 18, welche an ihrer Unterseite mit einem Spiegel 20 versehen, etwas versilbert ist und auf ihrer versilberten Fläche eine Gummierung 22 trägt; die Gummierung 22 ist wesentlich weicher als die spannungsoptische Schicht 18. Auf die Deckfläche der spannungsoptischen Schicht 18 ist eine Polarisationsfolie 24 aufgeklebt.
In F i g. 3 erkennt man ein System von Interferenzstreifen 26. Diese Interferenzstreifen erfahren bei Dehnung des Meßelementes eine Verschiebung in Richtung des Pfeiles 28. Aus der Verschiebung der Interferenzstreifen 26 gegenüber einer Skala 30 erhält man ein Maß für die im Prüfkörper herrschenden Spannungen. Bei Berücksichtigung des Elastizitätsmoduls der spannungsoptisch aktiven Schicht kann die Skala in Dehnungseinheiten geeicht werden.
Während in der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 3 das Entstehen des Interferenzrasters auf die optische Inhomogenität der spannungsoptisch aktiven Schichtl8 zurückzuführen ist, wird in der Ausführungsform nach Fig. 4 das Interferenzraster durch eine keilförmige Interferenzen gleicher Dicke erzeugende Schicht 32 gebildet. Im übrigen stimmt die Ausführungsform nach Fig. 4 in allen Einzelheiten mit der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 überein. Die in der Fig. 4 erzeugten Interferenzstreifen liegen ähnlich wie in der Fig. 3; ihre Lage kann ebenfalls mit Hilfe einer Skala ermittelt werden.
In den Fig. 5 und 6 ist ein spannungsoptisches Meßelement dargestellt, welches mit Widerstandsdrähten 34 versehen ist. Diese Widerstandsdrähte ändern bei mechanischer Dehnung ihren Widerstandswert, so daß neben der optischen Anzeige des Spannungszustandes auch eine elektrische Anzeige zur Verfügung steht. Die Kombination des spannungsoptischen Meßelementes mit dem elektrischen Meßelement hat den besonderen Vorteil, daß eine ständige Nullpunktkontrolle zur Verfügung steht.
Fehler, die durch das Ankleben hereinkommen, werden durch Verzerrung des Interferenzrasters sichtbar und können daher berücksichtigt werden.
Würde man elektrische Dehnungsmeßstreifen allein verwenden, so könnten derartige Fehler nicht entdeckt werden und würden zu falschen Meßergebnissen führen.
Die insbesondere aus den F i g. 1, 3 und 5 zu entnehmende Art der Befestigung des Meßstreifens an dem zu untersuchenden Körper bewirkt, daß der Meßstreifen nur den jeweils interessierenden Span- nungen ausgesetzt ist, während die übrigen Spannungen durch die Zwischenschaltung der verhältnismäßig weichen Gummierung 22 ausgeschaltet werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Spannungsoptisches Untersuchungsverfahren unter Verwendung einer spannungsoptisch aktiven Schicht, welche an auf ihren Spannungszustand zu untersuchenden Körpern zweckmäßig unter Zwischenschaltung eines Spiegels befestigt und mit polarisiertem Licht bestrahlt wird, d a -durch gekennzeichnet, daß bereits im unbelasteten Zustand ein Interferenzraster erzeugt wird, welches durch die spannungsoptisch aktive Schicht eine meßbare Verschiebung erfährt, sobald in dieser Schicht Spannungen auftreten.
2. Spannungsoptisches Meßelement zur durch führung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsoptisch aktive Schicht aus einem optisch inhomogenen Medium besteht, in welchem durch die Inhomogenität eine Phasenverschiebung zwischen benachbarten Lichtstrahlen eintritt, wodurch ein Interferenzraster erzeugt wird.
3. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch inhomogene Medium ein Medium mit eingefrorenem Spannungszustand ist.
4. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsoptisch aktiven Schicht eine keilförmige, Interferenzen gleicher Dicke erzeugende Platte beigelegt ist.
5. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise mit einer Polarisationsfolie vereinigt ist.
6. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer Skala für die Ablesung der Interferenzrastereinstellung versehen ist.
7. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise auf den auf seinen Spannungszustand zu untersuchenden Körper aufgeklebt ist.
8. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise nur in bestimmten Zonen in kraftübertragender Verbindung mit dem auf seinen Spannungszustand zu untersuchenden Körper steht.
9. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 8 in Form eines länglichen Streifens, dadurch gekennzeichnet, daß nur die beiden Endabschnitte mit dem Körper verbunden sind.
10. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es zwischen seinen Endabschnitten und an seinen längsseitigen Begrenzungsflächen mit einem weichen Werkstoff belegt ist.
11. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es in an sich bekannter Weise mit einem dehnungsempfindlichen Widerstandsdraht oder einer Widerstandsfolie vereinigt ist.
12. Spannungsoptisches Meßelement nach Anspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise in der spannungsoptisch aktiven Schicht zur Erhöhung der Spannung Kerben, Bohrungen od. dgl. vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 1 102 216, 1161842, 1163306; »Revue de Metallurgie (Memoires)«, Bd. 53, 1956, H. 8, S. 638 bis 644.