DE6923679U - Optische messsonde zur dynamischen wegmessung - Google Patents
Optische messsonde zur dynamischen wegmessungInfo
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Description
Prof. Dr. Oskar Vierling 10. Juni I969
Die Neuerung betrifft eine optische Meßsonde zur dynamischen Wegmessung von bewegten Teilen mit einer Lichtquelle
und einer lichtempfindlichen Anordnung sowie einer Vielzahl von Lichtleitern, die es gestattet, Weg-Zeit-Funktionen
berührungsfrei .und ohne Beeinflussung durch die Meßeinrichtung aufzunehmen.
Die genannte Meßsonde dient zur Aufnahme der Kurve s = f (t)
von vorzugsweise kleinen mechanischen Teilen, um deren Bewegungsabläufe zu erkennen und zu analysieren und sie gegebenenfalls
mit zugeordneten elektrischen Zeitfunktionen, z. B. der
Stromkurve eines Magneten, der das betreffende Teil bewegt, in Zusammenhang zu bringen. Messungen dieser Art sind in
der Praxis notwendig, um den Energiebedarf und -verlauf für eine gewünschte Bewegung richtig zu steuern und unerwünschte
Bewegungsabläufe (beispielsweise Schwingungen) zu verhindern. Aus der erhaltenen Kurve s = f (t), die den zurückgelegten
Weg in Abhängigkeit von der Zeit wiedergibt, lassen sich ferner im Bedarfsfall auch die Kurven ν (t) und
b (t), also Gesjnwindigkeit und Beschleunigung in Abhängigkeit
von der Zeit, ableiten.
Eine optische Meßsonde, die berührungsfrei und ohne Beeinflussung
des zu messenden Teils arbeitet, ist zur Lage- und Längenmessung bekannt (dt. Offenlegungsschrift 1 448 394).
Sie besteht aus einer Reihe langgestreckter Strahlenübertragungselemente, die die Strahlung über ihre gesamte Länge
durch Mehrfach-Innenreflexion übertragen, wobei die Aufnahmeenden
der Elemente jeweils einen langgestreckten Querschnitt besitzen und in einer Reihenanordnung mit den Längsseiten
parallel zueinander mit engem Abstand nebeneinander
— 2 —
angeordnet sind, während die anderen Enden der Elemente jeweils
einzeln Strahlungsempfängern gegenüberliegen, wobei die von einem Element übertragene Strahlung jeweils einen einzigen
Strahlungsempfänger erregt. Mit dieser Vorrichtung läßt sich zwar die Lage und die Länge eines strahlenaussendenden Körpers,
z. B. eines rotglühenden Blechs, feststellen, nicht aber die Bewegung eines beliebigen mechanischen Teils in Abhängigkeit
von der Zeit messen.
Für Bewegungsaufnahmen an schnellen Mechanismen ist eine
optische Meßsonde nach dem Prinzip der Lichtschranke bekannt (Industrie-Anzeiger, Jg. 91, Nr. 4, S. 24 bis 26). Bei ihr
wird ein paralleles Lichtbündel über ein Prisma in einen Meßspalt gelenkt, in den eine am zu messenden Teil angebrachte
Fahne eintaucht und mehr oder weniger große Teile des Lichtes ausblendet. An der anderen Seite des Meßspalts
befindet sich ein zweites Prisma, das das restliche Licht auf eine Fotozelle lenkt. Diese Einrichtung setzt voraus,
daß das zu messende Teil von beiden Selten zugänglich ist; sonst muß es mit einer starr daran befestigten Fahne versehen
werden, die das Gewicht des Teils und damit seine Bewegung verändert. Die Parallelisierung des Lichts einerseits
und seine Konzentration auf die Fotozelle andererseits erfordern neben den Prismen beiderseits des Meßspalts
weitere optische Systeme, die die Sonde so unförmig machen, daß damit nur an leicht zugänglichen Stellen, nicht aber im
Innern von mechanischen Aufbauten gemessen werden kann.
Ziel der Neuerung ist demgegenüber eine berührungsfrei
arbeitende Meßsonde, die das Meßobjekt nicht beeinflußt und die auch Messungen an schwer oder einseitig zugänglichen
Stellen, z. B. an einem inmitten einer Reihe weiterer Tastenhebel angeordneten Tastenhebel einer Tastatur,
gestattet. Dies wird nach der Neuerung durch eine optische Meßsonde mit einer Lichtquelle, einer lichtempfindlichen
Anordnung sowie einer Vielzahl von Lichtleitern dadurch erreicht, daß die Lichtleiter zu zwei Bündeln zusammengefaßt
sind, von denen das eine zur Lichtquelle und das andere zur lichtempfindlichen Anordnung führt, und an der Meßstelle
je ein Lichtleiter aus dem ersten Bündel neben einem Lichtleiter aus dem zweiten Bündel linear angeordnet ist.
Die Lichtleiter können dabei biegsam ausgebildet sein, so daß sie auch um Ecken und durch Spalte gefuhrt werden können,
Durch das erste Bündel wird das zu messende Teil beleuchtet, und das zweite führt das von diesem Teil reflektierte Licht
einer lichtempfindlichen Anordnung, beispielsweise einer Fotozelle, Fotodiode oder einem Fotowiderstand zu. Durch
die lineare Anordnung der Lichtleiter beider Bündel nebeneinander ist an der lic ,tempfindlichen Anordnung ein Meßwert
abnehmbar, der jeweils der Ausdehnung des gerade an der Meßstelle befindlichen Teils des Meßobjekts entspricht,
sofern das Meßobjekt gegenüber seiner Umgebung unterschiedliches Reflexionsvermögen aufweist. Da die als Meßob£kt
in Frage kommenden Teile sich aber nicht in allen Fällen bezüglich ihres Reflexionsvermögens von ihrer Umgebung
abheben, sieht eine Weiterbildung der Neuerung vor, daß das zu messende bewegte Teil an der Meßstelle mit einem
definierten Bereich von gegenüber seiner Umgebung unterschiedlichem Reflexions- oder Absorptionsvermögen versehen
ist.
Ein derartiger Bereich kann einfach durch Aufkleben eines dünnen weißen oder glänzenden Papiers auf das Meßobjekt geschaffen
werden. Die Meßwerterfassung wird, da nach obigem der von der lichtempfindlichen Anordnung gelieferte Wert
der Ausdehnung des gerade abgetasteten Abschnitts entspricht, besonders einfach, wenn dieses Papier nicht gleichmäßig,
z. B. quadratisch.ist, sondern seine Schnitte senk-
recht zur Bewegungsrichtung wachsende oder abnehmende
Längen ergeben. Eine Ausgestaltung der Neuerung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich unterschiedlichen
Reflexions- oder Absorptionsvermögens entsprechend der zu messenden Funktion ausgeoildet ist, das
heißt z. B. zur Aufnahme einer linearen Funktion dreieckförmig,
zur Aufnahme eines Winkels in Form einer geometrischen Figur von mit dem Winkel zunehmender Breite
und zur Aufnahme einer quadratischen oder anderen nichtlinearen Funktion mit entsprechenden nichtlinearen Begrenzungslinien.
Läßt sich ein derartiger Bereich auf dem Meßobjekt nicht anbringen, ist nach einer anderen Ausführung der Neuerung
vorgesehen, daß der Bereich unterschiedlichen Reflexionsoder Absorptionsvermögens rechteckförmig ausgebildet ist
und die Lichtleiter des einen oder anderen Bündels derart angeordnet sind, daß die durch die Leiter des ersten Bündels
an die Meßstelle geführte Beleuchtung oder das durch die Leiter des zweiten Bündels zur lichtempfindlichen Anordnung
geführte reflektierte Licht in Bewegungsrichtung des zu
messenden Teils entsprechend der zu messenden Funktion ansteigt oder abfällt.
In £ler der obengenannten Ausführungen wird ein besonders
einfacher Aufbau der Meßsonde dadurch erzielt, daß nach einer Weiterbildung der Neuerung als Lichtleiter die
Fasern einer an sich bekannten Faseroptik eingesetzt sind.
Die Genauigkei tsgrenze der Meßsonde ist dort erreicht, wo
das Auflösungsvermögen der Faseroptik aufhört. Eine Weiterbildung
der Neuerung überschreitet diese Grenze einfach dadurch, daß an der Meßstelle zwischen dem zu messenden
Teil und dem gemeinsamen Inäe beider Bündel optische Mittel
vorgesehen sind, die das zu messende Teil oder den darauf befindlichen Bereich unterschiedlichen Reflexions- oder
Absorptionsvermögens auf dem gemeinsamen Ende beider E"ndel
abbilden. Diese zusätzlichen optischen Mittel bewirken vorzugsweise eine Vergrößerung des zu messenden Teils bzw. des
auf ihm befindlichen Bereichs unterschiedlichen Reflexionsoder Absorptionsvermögens.
Die mit der Neuerung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,, daß durch einfache Mittel genaue Messungen
von Bewegungsabläufen, auch an schwer zugänglichen Stellen and ohne Eingriff in diese Abläufe, möglich sind, daß ferner
durch entsprechende Ausgestaltung des reflektierenden oder absorbierenden Bereichs nicht nur lineare Punktionen, sondern
auch deren Ableitungen sowie Kreisfunktionen unmittelbar als Meßwerte erhalten werden und darstellbar sind. Durch die
Form des reflektierenden oder absorbierenden Bereichs können auch Nichtlinearitäten, die z. B. bei der lichtempfindlichen
Anordnung vorhanden sein könnten, kompensiert werden. Außerdem ist die Meßsonde der Erfindung statisch eichbar, so daß
sie stets verg .eichbare Ergebnisse liefert.
Im folgenden wird die Neuerung anhand eines in den Pig. I
bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiels beschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der optischen Meßsonde, Fig. la eine vergrößerte Darstellung des rechten Teils von
Fig. 1,
Fig. 2 und J> Anwendungsbeispiele für die Meßsonde von Fig. 1.
Fig. 2 und J> Anwendungsbeispiele für die Meßsonde von Fig. 1.
Die in Fig. 2 gezeigte Meßsonde besteht aus zwei Bündeln 1
und 2 von einzelnen Lichtleitern l/l...η und 2/1...n, die
vorzugsweise durch die Fasern einer bekannten Faseroptik
gebildet werden. Das Bündel 1 liegt mit seinem Ende b an
einer Lichtquelle 3 und führt deren Liohb zum Ende a, das
an die Meßstelle gebracht wird. Das Bündel 2 leitet die an der Meßstelle, also an seinem Ende a aufgenommene reflektierte
Strahlung zu einer Fotodiode 4, die unmittelbar am Ende b des Bündels 2 angeordnet ist. Dabei sind die Fasern l/l...η und
2/1...η beider Bündel 1 und 2 am Ende a so geführt, daß sich linear angeordnet - jeweils eine Faser aus dem Bündel 1 neben
einer Faser aus dem Bündel 2 befindet. Diese Anordnung ist in Fig. la vergrößert wiedergegeben.
Über die Fasern l/l...η wird das ,jeweilige Meßobjekt beleuchtet, während die Fasern 2/1...η das vom Meßobjekt
reflektierte Licht der Fotodiode 4 zuführen. Die Fotodiode 4 liefert einen Kurzschlußstrom, der linear von der Stärke des
auf sie fallenden reflektierten Lichts abhängt. Da gemäß Fig. la die Fasern 1/1...η und 2/1...η beider Bündel 1 und 2 am Ende a
über die gesamte Meßstelle gleichmäßig verteilt sind, entspricht der von der Fotodiode 4 zu jedem Zeitpunkt gelieferte
Kurzschlußstrom unmittelbar der Ausdehnung des zu diesem Zeitpunkt vor der Meßstelle befindlichen reflektierenden Bereichs.
Weist das Meßobjekt also nicht Darallele, sondern beispielsweise aufeinander zulaufende Begrenzungskanten auf, steigt
oder fällt der an der Fotodiode 4 abnehmbare Strom während einer Bewegung des Meßobjekts im gleichen Maße, wie sich die
reflektierende Fläche an der Meßstelle ändert. Im allgemeinen kann man bei den Meßobjekten keine bestimmte Form voraussetzen;
deshalb wird das Meßobjekt mit einem reflektierenden Bereich versehen, der eine für die Meßwerterfassung besonders ge
eignete Form hat. Dies wird anhand der in Fig. 2 und 3 gezeigten
Anwendungsbeispiele beschrieben.
In Fig. 2 ist als Meßobjekt ein Tastenhebel 5 mit einem
Ansatz 5a dargestellt, der sich in Pfeilrichtung auf und ab bev;egt. Um den Ablauf dieser Bewegung zu erfassen, ist der
Ansatz 5a mit einem Dreieck 6 aus weißer Farbe oder aufgeklebtem weißen Papier versehen. Ihm gegenüber wird die Meßsonde
mit ihrem Ende a, wie gestrichelt angedeutet, gebracht. Der Tastenhebel befindet sich dabei in seiner (oberen) Ruhestellung.
In dieser Position gelangt noch kein Licht zur Fotodiode 4 und erzeugt dort dementsprechend auch keinen
Strom. Beim Niederdrücken des Tastenhebels 5 bewegt sich sein Ansatz 5a mit dem Dreieck 6 nach unten, und im gleichen
Maße, wie der reflektierende Bereich vor der Meßstelle zunimmt, wächst auch der von der Fotodiode 4 gelieferte Strom.
Bei gleichförmigem Ablauf der Bewegung stiege dieser Strom linear an, bei Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf sind
diese unmittelbar aus den Abweichungen des Fotodiodenstroms von einem linearen Anstieg zu erkennen. Auf einem angeschlossenen
Oszillografen, der den Stromverlauf wiedergibt, ist damit der Bewegungsablauf direkt abzulesen. Wenn der
Hebel 5 mit Ansatz 5a nicht von Hand, sondern über einen
Magneten o. ä. bewegt wird, läßt sich gleichzeitig der Verlauf des Antriebsstroms oszillografisch abbilden und so eine
Zuordnung von Antrieb und Bewegung erhalten.
Beim Loslassen des Tastenhebels 5 bewegt sich der Ansatz 5a
wieder nach oben. Dabei erscheint zunächst di«? Basis des Dreiecks 6 und dann ein ständig abnehmender Bereich an der
Meßstelle a, der einen entsprechend absinkenden Strom durch die Fotodiode 4 zur Folge hat. Auch hier prägen sich Schwingungen
und dergleichen des Tastenhebels 5 unmittelbar in Abweichungen des Fotodiodenstroms von einer linear fallenden
Kurve aus.
Wenn, wie in Fig. 3 angedeutet ist, die Bewegung eines rotierenden
Meßobjekts 7 aufzunehmen ist, wird anstelle eines Dreiecks ein reflektierender Bereich δ von der Gestalt eines um
eine gedahte konzentrische Mittellinie 9 gekrümmten Dreiecks
auf dem Meßobjekt 7 angebracht, um die gleichen Ergebnisse wie beim vorhergehenden Beispiel zu erhalten.
Die Form des reflektierenden Bereichs ist auch in anderen
Fällen leicht dem Anwendungsfall anzupassen. Soll ine
lineare Funktion, beispielsweise die Weg-Zeit-Funktion, aufgenommen werden, ist dem reflektierenden Bereich einfach
die Form zu geben, die bei gleichmäßiger Bewegung einen linearen Anstieg oder Abfall des Fotodiodenstroms
zur Folge hätte. Auf diese Weise lassen sich auch Nichtlinearitäten in der Kennlinie der Fotodiode 4 durch entsprechende Kantenkrümmung des reflektierenden Bereichs
bzw. 8 ausgleichen.
In manchen Fällen mag nicht der Weg, sondern die Geschwindigkeit oder auch die Beschleunigung des bewegten Teils
oder 7 interessieren. Beide Angaben lassen sich aus der
Weg-Zeit-Funktion mat; -latisch oder elektrisch ableiten
und können im letzteren Falle unmittelbar auf dem Oszillograf en dargestellt werden.
Statt eines Dreiecks 6 in Fig. 2 bzw. eines gekrümmten Dreiecks 8 in Fig. 3 läßt sich auf dem Meßobjekt 5 bzw.
auch einfach ein weißer Strich in oder senkrecht zur Bewegungsrichtung anbringen. Im ersten Fall ist das Ende a der
Sonde wie gezeichnet, im zweiten senkrecht dazu gegenüber dem Meßobjekt 5 bzw. 7 anzubringen. Außerdem müssen zur
eindeutigen Bewegungsanalyse die neben- oder untereinander angeordneten Fasern l/l...η des Bündels 1 oder die entsprechend angeordneten Fasern 2/1...η des Bündels 2 ir
Flächeneinheit unterschiedliche Lichtmengen zur Meßstelle oder von der Meßstelle weg führen, z. B. von links nach
rechts bzw. von oben nach unten zunehmende Lichtmengen, was durch eine in dieser Richtung steigende Anzahl von
Fasern je Flächeneinheit erreicht wird. Dann ergeben sich
die gleichen Wirkungen wie oben beschrieben.
Wenn das zu untersuchende Teil 5 bzw. 7 sehr klein ist
und einen entsprechend kleinen reflektierenden Bereich 6
bzw. 8 oder einen sehr feinen Strich verlangt, kann davor ein nicht dargestelltes Objektiv angeordnet werden, das das
Dreieck 6 (8) bzw. einen an seiner Stelle vorgesehenen Strich vergrößert auf dem BUndelende a abbildet. Ohne ein derartiges
Objektiv sind Bewegungen von wenigen Millimetern in der Praxis noch sehr gut auswertbar, mit zusätzlichen Objektiven
gelangt man um einige Größenordnungen darunter.
Die beschriebene Anordnung ist statisch eichbar, und zwar entweder bei voller Reflexion durch entsprechende Einstellung
des dann erhaltenen Maximalwerts des von der Fotodiode 4 gelieferten
Stroms bzw." einer daraus gewonnenen Spannung oder umgekehrt bei minimaler Reflexion. Zur Überprüfung der
Linearität lassen sich selbstverständlich auch beliebig viele Zwischenwerte statisch kontrollieren, indem bei einem
definierten Weg die zugeordnete Ausgangsspannung auf Proportionalität
geprüft wird. Diese Eichung gilt dann auch für den dynamischen Fall. Auf diese Weise werden stets vergleichbare
Ergebnisse hoher Genauigkeit erzielt.
Claims (6)
1. Optische Meßsonde zur dynamischen Wegmessung von bewegten
Teilen mit einer Lichtquelle und einer lichtempfindlichen Anordnung sowie einer Vielzahl von Lichtleitern,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (Ι/l...n, 2/1...n) zu zwei Bündeln (l, 2) zusammengefaßt
sind, von denen das eine (l) zur Lichtquelle (5) und das andere (2) zur lichtempfindlichen Anordnung (4)
führt, und an der Meßstelle je ein Lichtleiter (l/l...n) aus dem ersten Bündel (l) neben einem Lichtleiter (2/1...n)
aus dem zweiten Bündel (2) linear angeordnet ist.
2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu messende bewegte Teil (5 in Fig. 2, 7 in Fig. J3) an
der Meßstelle mit einem definierten Bereich (6 in Fig. 2, 8 in Fig. J>) von gegenüber seiner Umgebung unterschiedlichem
Reflexions- oder Absorptionsvermögen versehen ist.
3. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bereich unterschiedlichen Reflexions- oder Absorptionsvermögens
(6bzw. 8) entsprechend der zu messenden Funktion ausgebildet ist, das heißt z. B. zur Aufnahme einer linearen
Funktion dreieckförmig (6 in Fig. 2), zur Aufnahme eines Winkels in Form einer geonStrischen Figur von mit dem
Winkel zunehmender Breite (8 in Fig. 3) und zur Aufnahme
einer quadratischen oder anderen nichtlinearen Funktion mit entsprechenden nichtlinearen Begrenzungslinien.
4. Meßsonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bereich unterschiedlichen Reflexions- oder Absorptionsvermögens
(6 bzw. 8) rechteckförmig ausgebildet ist und
die Lichtleiter des ei^en oder anderen Bündels (l, 2)
derart angeordnet sind, daß die durch die Leiter (l/ΐ...η)
des erstan Bündels (l) an die Meßstelle geführte Beleuchtung
oder das durch die Leiter (2/l...n) des zweiten Bündels (2) zur lichtempfindlichen Anordnung (4) geführte
reflektierte Licht in Bewegungsrichtung des zu messenden Teils (5 bzw. 7) entsprechend der zu messenden
Punktion ansteigt oder abfällt.
5. Meßsonde nach Anspruch 1 bis Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleiter (l/l...η, 2/1...η) die Pasern
einer an sich bekannten Faseroptik eingesetzt sind.
6. Meßsonde nach Anspruch 1 bis Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß an der Meßstelle zwischen dem zu messenden
Teil (5 bzw. 7) und dem gemeinsamen Ende beider Bündel
(1, 2) optische Mitu ". vorgesehen sind, die das zu messende Teil (5 bzw. 7) oder den darauf befindlichen Bereichs
unterschiedlichen Reflexions- oder Absorptionsvermögens
(6 bzw. 8) auf dem gemeinsamen Ende beider Bündel (1, 2)
abbilden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19696923679 DE6923679U (de) | 1969-06-13 | 1969-06-13 | Optische messsonde zur dynamischen wegmessung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19696923679 DE6923679U (de) | 1969-06-13 | 1969-06-13 | Optische messsonde zur dynamischen wegmessung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE6923679U true DE6923679U (de) | 1969-10-16 |
Family
ID=6602877
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19696923679 Expired DE6923679U (de) | 1969-06-13 | 1969-06-13 | Optische messsonde zur dynamischen wegmessung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE6923679U (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3007462A1 (de) * | 1979-04-20 | 1980-10-30 | Benno Perren | Fuehler fuer eine ueberwachungseinrichtung |
DE2945229A1 (de) * | 1979-11-09 | 1981-05-27 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Einrichtung zur beruehrungslosen schwingungsmessung mit hilfe des laser-dopplereffektes |
DE3017309A1 (de) * | 1980-05-06 | 1981-11-12 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Stellungsgeberanordnung mit mehreren stellungsgebern und einer mit diesen verbundenen steuereinheit |
-
1969
- 1969-06-13 DE DE19696923679 patent/DE6923679U/de not_active Expired
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3007462A1 (de) * | 1979-04-20 | 1980-10-30 | Benno Perren | Fuehler fuer eine ueberwachungseinrichtung |
DE2945229A1 (de) * | 1979-11-09 | 1981-05-27 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt | Einrichtung zur beruehrungslosen schwingungsmessung mit hilfe des laser-dopplereffektes |
DE3017309A1 (de) * | 1980-05-06 | 1981-11-12 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Stellungsgeberanordnung mit mehreren stellungsgebern und einer mit diesen verbundenen steuereinheit |
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