Устройство в частности,для цифрового измерения силы

 

1. УСТРОЙСТВО,в ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, состоящее из элемента деформации, интерферометра с оптическим делителем, неподвижных и подвижных инвариантных от опрокидывания отражателей, монохроматического источника света, оптических систем фотоэлектрических приемников, каскадов формирования импульсов и счетчика прямого и обратного хода, отличающееся тем, что изготовленное из одного куска тело деформации, например из кварца, состоит из жесткого при изгибе основания 6, прикрепленного жестко в станине 9, на котором установлены жестким образом оптический делитель Зи зеркала интерферометра 4а, 4, как инвариантный от опрокидывания отражатель 5, а также из одной гибочной пластины 7а, к которой прилагается измеряемая сила и на которой жестко расположен инвариант- § ный от опрокидывания отражатель 5а. (Л сл 00 в 71 V. Фиг.1

„„Su„„1015317 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(5Р С 01 Ь 1/04

1

Н Ф

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ /

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ. И ОТКРЫТИЙ (89) 137619 ГДР (21) 7770639/18-10 (22) 20.06.79 (31) W P G Ol Т,/206632 (32) ll 07.78 (33) ГДР (46) 30.04.83. Бюл. 9 16 (72) Иэгер Герд, Вендт Ханс-иоахим, Хонекер Зигфрид, Иррганг Клаус и Беркут Волфганг (ГДР) (71) ФЕБ Комбинат НАГЕМА (ГДР) (53) 531.781 (088.8) (54)(57) 1. УСТРОИСТВО, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ ЦИФРОВОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ, состоящее иэ элемента деформации, интерферометра с оптическим делителем, неподвижных и подвижных инвариантных . от опрокидывания отражателей, монохроматического источника света, оп- тических систем фотоэлектрических приемников, каскадов формирования импульсов и счетчика прямого и обрат. ногохода, отличающеес я тем, что иэготовленное иэ одного куска тело деформации, например иэ кварца, состоит иэ жесткого при изгибе основания 6, прикрепленного жестко в станине 9, на котором установлены жестким обраэом оптический делитель 3 и эеркала интерферометра

4ц, 4б, как инвариантный от опрокидывания отражатель 5, а также иэ одной гибочной пластины 7а, к которой прилагается измеряемая сила и на которой жестко расположен инвариант" 9

O ный от опрокидывания отражатель 5а.

1015317

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что тело деФормации состоит из основания 6 и нескольких Гибочных пластин 7о и гибочные пластины 7 на их свободных концах соединены жестким образом между .собой элементом связи 15.

3. Устройство по п. 2; о т л ич а ю m е е с я тем, что.точка приложения силы предусмотрена на одной из гибочных пластин 74.

4. Устройство по и. 2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что точка наложения силы предусмотрена на элементе 15 связи.

5 ° Устройство по пп. 1-4, о т л ич а ю щ е е с я тем, что основание б и элемент связи 15 изготовлены из кремниевого материала, а гибочные пластины 7а, 78 — из кристаллического кварца.

6. Устройство по пп. 1-5, о т л ич а ю щ е е с я тем, что между основанием 6 и изготовленными из кремниевого материала гибочными пластинами 7о, 78 установлено тело деформа-. ции 8, изготовленное из высококачественного материала, например кристаллического кварца.

2. ния в начале диапазона измерения до симметричного по отношению исходного положения конечного положения в конце диапазона измерения. Юстировкой

5 приемников по направлению У устанавливается объем запаса знаков, соответствующий диапазону измерения.

Юстировкой расстояния приемников по направлению Х можно достигать желае(g мого положения Фаз исходных сигналов

Объем запаса знаков, соответствующий диапазону измерения, определяетсяв этом-устройстве расстоянием места развертывания приемника от оси X

Однако это согласование изменяется в случае, например, изменения относительных положений между элементом измерения, оптической системой . изображения и фотоэлектрическим приемником вследствие колебаний температуры.

И з об рет ение к ас аетс я ус т ройс тв а, s частности, для цифрового измерения силы. Кроме того, с помощью этого устройства могут быть измерены цифровым образом значения измерения перемещения, как и все производимые из силы и перемещения величины.

В соответствии с экономическим патентом ГДР 94905 известно устройство для непосредственного цифрового измерения силы, содержащее элемент . измерения, состоящий из нескольких жестко соединенных между собой проз-рачных пластин. К одной пластине элемента измерения,ьк так называемой гибочной пластине, прилагается величина измерения силы. Воздушной щели, образуемой этой пластиной и пластиной, расположенной напротив нее, придают такую форму, чтобы возникло интерференционное распределение поворотных полос при прогибе гибочной пластины, как и при просвечивании элемента измерения параллельным монохроматическим светом. Определенные места интерференционного распределе ния поворотных полос развертываются фотоэлектрическими приемниками. Опти.мальные соотношения получаются в случае поворота интерференционных полос из косого цачального положе7. Устройство по пп. 2-6, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что грузовая колонка 10 присоединена к верхней гибочной пластине 74 посредством кинематической направляющей 16 и к нижней гибочной пластине 74 посредством безмоментной св язи.

8. Устройство по пп. 2-7, о т л ичающеес я тем, чтов определенных расстояниях по направлению

Х предусмотрено несколько грузовых. колонок 10, как и мест присоединения.

9. Устройство по пп. 1-8, о т л ич а ю щ е е с я тем, что зеркала интерферометра 4а, 48 жестко соединены с оптическим делителем 3.

10.устройство по пп. 2-,9; о т л ич а ю щ е е с я . тем, что инвариантный от опрокидывания отражатель 5а расположен на. нижней гибочной пластине 7-8, а второй инвариантный от опрокидывания отражатель 56 установлен на верхней гибочной пластине 74 и отражатели 5а 58 установлены в расположенной параллельно к плоскости 3 -g плоскости, диаметральной по отношению к нулевой точке координат в возможно минимааьном расстоянии по направлению X от.элемента связи 15., Расстояние интерференционных полос в направлении Х из-за распределения поворотных полос остается постоянным, а в направлении изменяется s зависимости от значения измерительной величины. Таким образом, количество получаемых интерференцйонных полос ограничивается расстоянием интерференционных полос, 1015317 определяемым фотоэлектрическим спо собом.

В случае закладывання силы не в центральной точке гибочной пластины возникает скручивание гибочной пластины, вследствие чего расстояние

5 интерференционных полос по направлению Х и, следовательно, разность фаз между выходными сигналами изменяются.

Соединенные между собой жестким образом пластины, образующие элемент измерения, должны быть изготовлены из высококачественного и прозрачного материала. Кроме того, пластины должны иметь высокое качество поверхнос" тей и сохранять размеры, чтобы можно 15 было достигнуть желаемой геометрии воздушного зазора. Изготовить элемент деформации из одного куска невозможно, так как окружающие воздушный зазор поверхности должны быть полированными.

Изобретение дает воэможность, главным образом, сохранять расстояние.интерференционных полос постоянным по всему диапазону измерения и устанавливать его любым образом, причем относительные изменения положения между элементом измерения (элемент деФормации), оптической системой изображения и Фотоэлектрическим . прнемником не оказывают никакого влияния на согласование объема запаса знаков с объемом диапазона, а скручивание-гибочной пластины не оказывает влияния на разность .Фаз между выходными сигналами. Устройст . во допускает применение непрозрачного материала для элемента деформации. Элемент деформации отличается простой конструкцией. Кроме того, предусмотрена воэможность экономии 40 высококачественного материала для элемента деформации, изменения диапазона измерения простым способом, а также достижения оптическим путем . независимости от угловой нагрузки. g5

Задачей изобретения является соз- . дание устройства, главным образом, для цифрового измерения силы, имеющего короткие времена измерения и высокую разрешающую споСобность.

Задача.по изобретению решена помещением инвариантного от опрокидывания интерферометра на оФормленном (вильчатом образом элементе деформации. Оформление элемента деформации . возможно и в виде кольцевой или рамной пружины.

Вильчатый элемент деформации состоит из жесткого при изгибе основания и одной или нескольких гибочных пластин, причем основание в одном . месте жестко закреплено в станине. !

Основание и гибочные пластины могут быть изготовлены обычным образом из одного куска, например, высоко- 65 качественной пружинной стали или кварца.

Для экономии высококачественного материала элемента деформации сущест- вует несколько возможностей. Из высококачественного материала изготовляют или.только гибочные пластины и соединяют их прочно с жестким при изгибе основанием, или добавляют в гибочных пластиках дополнительные промежуточные части, которым придают такую Форму, чтобы они приняли на себом. самую большую часть деФормаций.

В последнем случае только промежуточные части для элемента деформации должны быть изготовлены из высококачественного материала. Особенно целесообразным является изготовление промежуточных частей из кристаллического кварца, а основания, как и гибочных пластин — иэ кремниевого материала;

В случае установления нескольких гибочных пластин последние на своих свободных концах жестко соединяются элементом связи. Измеряемая сила может быть наложена на одну из внешних гибочных пластинах или на элемент связи.

В случае выполнения устройства с несколькими гибочными пластинами возникает возможность использовать гибочные пластины одновременно в качест. ве параллельного передаточного рычага для системы ввода силы. ГрузОвая колонка при этом соединена непосредственно с гибочными пластиками. В од" ном месте присоединения-передается сила на элемент деформации. Это место присоединения должно иметь такую форму, чтобы оно не передавало моментов . В другом месте грузовая колонка соединена с одной гибочной пластиной при помощи кинематической направляющей. Кинематическая направляющая должна иметь такую форму, . чтобы она могла передавать по воэможности только .пренебрегаемые моменты.

Изменением расстояния инвариантно" го от опрокидывания отражателя гибочной пластины от места зажима гибоч-: ной пластины можно устанавливать желаемый диапазон измерения.

Установлением нескольких грузовых колонок с различными расстояниями с помощью переставления чашки весов получают систему измерения силы о несколькими диапазонами.

Жестко с элементом деформации соединяются оптические части инвариантного от опрокидывания интерферометра известной конструкции. Noжет быть, например, использован интерферометр Майкельсона, s ветвях которого реализуется изменение хода луча инвариантными от опрокидывания (например тройными) призмами. Опти1015317

20 ческий делитель и оба зеркала интерферометра, как и инвариантный от опрокидывания отражатель, жестко соединяются с основанием. Целесообразно укреплять зеркала интерферометра на оптическом делителе, так как производственная реализация этого процесса легка, при этом окончательная конструкция получается жесткой. Другой инвариантный от опрокидывания отражатель жестко соединен с гибочной пластиной. При прогибе гибочной пластины вследствие приложенной силы изменяется только оптический пробег в ветви интерферометра, но при этом изменяются направления возникающих в инвариантном от опрокидывания отражателей лучей, как и отражаемых отражателями лучей. Расстояние интерференционных полос определяется Положением углов обоих зеркал интерферометра, прикрепленных на оптическом делителе.

С помощью монохроматического источника света и конденсатора к оптическому делителю подводится параллельный монохроматический свет . На оптическом делителе производится разделение его на два частичных пучка. На инвариантных от опрокидывания отражателях производится изменение направлений обоих частичных пучков.

Потом они поступают на прикрепленные на делительном кубике зеркала интерферометра, отражаются или проходят еще раз инвариантные от опрокидывания отражатели, соединяются опять. на З5 оптическом делителе и интерферируют.

При прогибе гибочной пластины вследствие приложенной силы различие хода интерферирующих пучков изменяется и.интерференционные полосы выходят.

Количество интерференционных полос, выходящих при определенном изменении значения измерения, зависит от расстояния инвариантного от опрокидывания отражателя гибочной пластины 4 ,от центра прогиба.

Объектив изображает интерференционные полосы на Фотоэлектрических приемниках. Фотоэлектрические приемники должны быть юстированы только в направлении, перпендикулярном к интерференционным полосам, для .получения желаемой разности фаэ. Для реализации инкрементного способа интерференционная картина развертывается фотоэлектрическим способом на двух смененных по фазе на 90 местах.

Для уменьшения чувствительности к угловой нагрузке оба инвариантных оТ опрокидывания отражателя располо-. 60 жены на обеих гибочных пластинах в параллельной к плоскости J — L плоскости, расположенной диаметрально к нулевой точке координат. Инвариантные от опрокидывания отражатели долж-g5 ны быть установлены как можно ближе к элементу связи и учитывая положение элемента связи, перед гибочными элемент ами .

Изобретение объясняется более подробно с помощью примеров осуществления. На фиг.1 изображено устройство с основанием и одной гибочной пластиной; на фиг.2 — устройство с основанием и двумя гибочными пластинами; на фиг.3 — расположение деталей интерферометра для устранения чувствительности к угловой нагрузке.

Согласно фиг.1 элемент деформации составлен из жесткого при изгибе основания 6, гибочной пластины 7а и неподвижно закрепленного промежуточного элемента 8. Основание 6 и гибочную пластину 7а изготавливают из непрозрачного кварцевого стекла, а промежуточный элемент 8 — из кристаллического кварца.

В промежуточном элементе 8 фрезерован паз так, что элемент принимает самую большую часть деформации, Основание 6 в одном месте жестко прикреплено к станине 9. Оптический делитель 3 и инвариантный от опрокидывания отражатель 5 жестко соединены с основанием 6. На оптическом делителе 3 установлены зеркала интерферометра 4а и 48. Инвариантный от опрокидывания отражатель 5а жестко соединен с гибочной пластиной 7О. С помощью монохроматического источника 1 авета и конденсатора 2 подводится к оптическому делителю 3 параллельный монохроматический свет.

На оптическом делителе 3 производится разделение параллельного монохроматического света на два частичных пучка. На соответствующих инвариантных от опрокидЫвания отражателях 5а и 58 производится изменение направлений обоих частичных пучков, пучки поступают на зеркала интерферометра 4а и 44, отражаются от них, проходят инвариантные от опрокидывания отражатели 5а и 56 еще раз, соединяются опять на оптическом делителе 3 и интерферйруют. С помощью объектива 11 производится проекция интерференционного появления на фотоэлектрические приемники 12, к которым подключены каскады формирования импульсов 13 и счетчик прямого и обратного хода 14. Сила F направляется через систему ввода силы, состоящую из чаши весов 20 и грузовой колонки 10, параллельно передаточному рычагу 18 и присоединяющему элементу 19 на гибочную пластину 7a .

С увеличением силы F гибочная пластина 7п изгибается и на фотоэлектрических приемниках 12 выходят интерференционные полосы. Количество проходящих мимо интерференционных полос считывается с счетчика прямого н

1015317

Фиг. 8 д

Фа

4ЫЛ

Редактор A. Огар Техред N.Tåïåð . Корректор О. Билак

Заказ 3202/42 Тираж 471 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент!, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 обратного хода 14 и служит для измерения значения илы.

СогЛасно фиг.2 концы гибочных пластин 74 соединены элементом связи

15. Оптические конструкционные элементы интерферометра точно такие же, 5 как и в устройстве согласно фиг ° 1.

Фотоэлектрическая оценка производится таким же образом .. Сила F передается через грузовую колонку 10 на нижнююгибочную пластину 78 с помощью од- 30 ного упорного подшипника 17. С верхней гибочной пластиной 78 грузовая колонка 10 соединена с помощью кинематической направляющей lб. Верхняя и нижняя гибочные пластины 74 служат одновременно параллельным пере-. даточным рычагом 18. B данном примере помещены две грузовые колонки 10, Переставлением чашки весов 20 получают систему измерения силы с двумя диапазонами измерения.

На фиг.3 показано сечение A-A на фиг.2 с измененным расположением

1 оптических деталей интерферометра.

В этом специальном устройстве, реализующем нечувствительность к- угловой нагрузке, один инвариантный от опрокидывания отражатель 5а закреплен на нижней гибочной пластине 78 а другой инвариантный от опрокидывания отражатель 50 закреплен на верхней гибочной пластине 78 . Инвариантные от опрокидывания отражатели 5а и Я расположены в параллельной к плоскости — Х плоскости, диаметральной к нулевой точке координат, на минимально возможном расстоянии от элемента связи 15 по направлению

Х. Для измерения направления хода лучей в ветви интерферометра предусмотрено дополнительное поворотное зеркало 21.

Признано изобретением по результатам экспертизы, осуществленной Ве. домством по изобретательству Германской Демократической Республики.