DE6923679U - Optische messsonde zur dynamischen wegmessung - Google Patents

Description

Prof. Dr. Oskar Vierling 10. Juni I969

Optische Meßsonde zur dynamischen Wegmessung

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

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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.

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 i^r 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)

Prof. Dr. Oskar Vi ling 10. Juni 1969 Schutzansprüohe

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.