DE3740227C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüfkörpern in Prüfmaschinen - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüfkörpern in Prüfmaschinen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Verformun­ gen an Proben oder Prüfkörpern in Prüfmaschinen, gemäß Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

In der zum Stand der Technik nach §3 Absatz 2 PatG zählenden deutschen Patentanmeldung P 37 20 248 wird zumindest ein Spie­ gel an geeigneter Stelle der Probe oder des Prüfkörpers angeordnet, über den der Lichtstrahl auf den Positionsdetektor gelenkt wird. Die Lage des auftreffenden Lichtstrahls wird von einer Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt und ausgewertet.

Aus der Druckschrift "Experimentelle Technik der Physik", VIII, 1960, Heft 3, S. 126-132 ist eine Kriechapparatur be­ kannt. Durch eine Druckdose kann eine am unteren Ende einer Zugstange eingespannte Probe durch eine vorher einstellbare Kraft belastet werden. Die Dehnungsmessung der belasteten Probe erfolgt optisch. Hierzu sind an der Zugstange zwei sich gegen­ überstehende Prismen angeklemmt, die mit einem Spiegel versehen sind. Die Spiegel sind im Strahlengang eines optischen Systems angeordnet. Eine Bewegung der Zugstange bewirkt eine Drehung der Prismen und der darauf angeordneten Spiegel, so daß der Lichtstrahl ausgelenkt und diese Auslenkung auf einer Regi­ strierplatte abgebildet und anschließend ausgewertet wird.

Aus der US 4 605 857 ist eine Dehnungsmeßeinrichtung für far­ bige Proben bekannt. Zur Dehnungsmessung sind an der Probe be­ abstandet 2 Markierungen angebracht, die mit einer fluorisie­ renden Schicht versehen sind. Beabstandet von der Probe ist jeder dieser Markierung eine Lichtquelle, die ultraviolettes Licht aussendet und eine optische Anordnung samt Auswerteein­ heit zugeordnet. Diese Anordnung ist verschiebbar angeordnet. Die optische Anordnung samt Auswerteeinrichtung detektiert die von den fluorisierenden Markierungen ausgesandte Lichtmenge. Ändert sich diese Lichtmenge, so wird die optische Anordnung entsprechend automatisch nachgestellt. Der Nachstellweg wird erfaßt und ausgewertet.

Aus der JP 61-259136 A ist eine Biegeanordnung bekannt, bei der an einem beidseitig gelagerten Balken, der mit einer beliebigen Kraft belastet wird, der Elastizitätsmodul bestimmt werden soll. Hierzu sind jeweils am Ende des Balkens winklig zu seiner Längsachse ein Spiegel angeordnet, so daß ein von einer Licht­ quelle ausgehender und auf die beiden Spiegel treffender Licht­ strahl so reflektiert wird, daß sich die reflektierten Licht­ strahlen in einem gemeinsamen Kreuzpunkt schneiden, der auf einem Detektor abgebildet wird. Bei Belastung der Probe ändert sich dieser Kreuzpunkt und der Detektor wird entsprechend nach­ geführt. Dieser Nachstellweg kann dann entsprechend ausgewertet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeiten zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüfkörpern zu erwei­ tern.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein weiteres Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Messung von Verformungen bei in Prüfmaschinen aufgenommenen Proben nach den Merkmalen der Pa­ tentansprüche 1 und 7 vorgeschlagen. Die Erfindung stellt eine Erweiterung der bisherigen Möglichkeiten zur Verformungsmessung an Proben oder Prüfkörpern dar. Mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Anordnung zur Verformungsmes­ sung lassen sich statische und/oder dynamische Verformungen durch Zug- oder Druckkräfte sowie Verformun­ gen infolge von Drehmomenten und Biegemomenten erfas­ sen, wobei die Verformungen im Mikrometerbereich liegen können. Es können auch Rißaufweitungen gemessen werden. Für Messungen bei Schwingungsbelastungen sowie für Weg- und Geschwindigkeitsmessungen an extrem beschleunigten Proben oder Prüfkörpern, z. B. in Schnellzerreißmaschi­ nen, ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung besonders geeignet. Da beide Spiegel bzw. Spiegelflächen die Ab­ solutbewegung der Maschine mitmachen, werden diese Ab­ solutbewegungen vollständig kompensiert. Die Positio­ nierung von Lichtquelle, Spiegeln und Positionsdetekto­ ren ist wesentlich vereinfacht. Durch die vereinfachte Positionierung dieser Elemente ergibt sich eine Verrin­ gerung des zu Meßfehlern führenden Winkelversatzes.

Eine besonders einfache und trotzdem genaue Positionie­ rung ist bei einer Ausgestaltung gegeben, bei der die Strahlrichtung der Lichtquelle derart gewählt wird, daß der Strahl in einer rechtwinklig zu den Spiegelebenen verlaufenden Ebene und im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse bzw. Kraftübertragungsachse verläuft, wobei die beiden Spiegelebenen unter einem Winkel von 45° zur Längsachse bzw. Kraftübertragungsachse angeordnet wer­ den.

Insbesondere bei schnell beschleunigten Proben ist es vorteilhaft, die Spiegel durch Spiegelflächen der Kraftübertragungselemente zu bilden.

Die weiteren Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung einschließlich vorteilhafter Anwendungsmöglichkeiten.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher er­ läutert.

Die einzige Figur zeigt das Meßprinzip für die erfin­ dungsgemäße Verformungsmessung.

Die zu untersuchende Probe 4 (Flachprobe, Rundprobe) ist in zwei Kraftübertragungseinheiten 10, 11 einer nicht näher dargestellten Prüfmaschine eingespannt. Je­ de Kraftübertragungseinheit 10, 11 weist Klemmbacken auf, mit denen die Probe 4 festgehalten werden kann. Bei Kraftbeaufschlagung der Probe 4 über die Kraftüber­ tragungseinheiten 10, 11 stellt sich eine Verformung der Probe 4 ein, die lichtoptisch ermittelt wird.

Der Lichtstrahl 2 einer punktförmigen Lichtquelle 1 wird auf eine Spiegelfläche 6 an einem Bereich der Kraftübertragungseinheit 10, im Beispiel auf die Spie­ gelfläche 6 der Klemmbacke der Kraftübertragungseinheit 10, gerichtet. Die Spiegelfläche 6 kann an der Klemm­ backe ausgeformt und durch entsprechende Bearbeitung wie z. B. Schleifen und Polieren hergestellt sein. Es kann jedoch auch ein separates Spiegelelement an der Klemmbacke beispielsweise durch Kleben befestigt sein. An der Spiegelfläche 6 wird der Lichtstrahl 2 umgelenkt und läuft parallel zur Längsachse X-X der Probe 4 bzw. der Kraftübertragungsachse in Richtung auf die Kraft­ übertragungseinheit 11. Der Lichtstrahl 2 trifft auf eine Spiegelfläche 6′ an der Klemmbacke dieser Kraft­ übertragungseinheit 11 und wird dort in Richtung auf den Positionsdetektor 7 umgelenkt. Der Positionsdetek­ tor 7 ist in bekannter Weise als optisch-elektronischer Positionsdetektor ausgebildet und ermöglicht es, die Lage eines Lichtpunktes, der auf den Detektor geworfen wird, in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik 8 mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Die der Lichtquelle 1 zugeordnete Kraftübertragungseinheit 10 kann als bei der Verformung der Probe 4 feststehende oder als bei der Verformung der Probe 4 sich entsprechend bewegende Kraftübertragungseinheit vorgesehen sein; im ersten Fall bewegt sich dann die Kraftübertragungseinheit 11 entsprechend der Probenverformung, im zweiten Fall ist die Kraftübertragungseinheit 11 feststehend angeordnet. Die im dargestellten Beispiel bei einer Probenverfor­ mung feststehende Kraftübertragungseinheit 10 und die Lichtquelle 1 können vorteilhaft an der Quertraverse einer Prüfmaschine angeordnet sein. Dabei kann die Lichtquelle 1 mit der Kraftübertragungseinheit verbun­ den sein.

Im Ausführungsbeispiel verläuft die Richtung des aus der Lichtquelle 1 austretenden Strahls orthogonal zu der durch die Längsachse X-X der Probe 4 bzw. die Kraftübertragungsachse definierten Richtung. Die Spie­ gelebenen der beiden Spiegel sind unter 45° zur Längs­ achse, einander zugewandt und zueinander parallel an­ geordnet. Die Abschnitte des Lichtstrahls 2 zwischen Lichtquelle 1 und Spiegelfläche 6, zwischen den beiden Spiegelflächen 6 und 6′ und zwischen der Spiegelfläche 6′ und dem Positionsdetektor 7 liegen alle in einer ge­ meinsamen Ebene, zu der die Spiegelebenen orthogonal angeordnet sind. Die Lichtquelle 1 liegt auf einer Sei­ te der Längsachse X-X, während der Positionsdetektor 7 auf der anderen Seite der Längsachse X-X angeordnet ist.

Im dargestellten Beispiel ergibt sich bei einer Längen­ änderung Δ s der Probe 4 eine Strahlablenkung, die im Detektor abgebildet und in der Auswerteelektronik er­ mittelt und z. B. angezeigt wird. Der Positionsdetektor 7 kann als einachsiger oder zweiachsiger Detektor aus­ gebildet sein, d. h. er kann Lichtpunktverschiebungen in einer oder zwei Achsen erfassen. Hierbei können Ver­ formungen bzw. Abstände im Mikrometerbereich gemessen werden.

Es können sowohl analog als auch digital arbeitende De­ tektoren verwendet werden.

Wie sich aus der Darstellung leicht erkennen läßt, füh­ ren Absolutbewegungen der Prüfmaschine in vertikaler Richtung, d. h. Bewegungen der skizzierten Anordnung nach oben oder unten, die von der Probe 4 und den Spie­ geln 6, 6′ mitgemacht werden, nicht zu Beeinträchtigun­ gen des Meßergebnisses, da die Absolutbewegungen voll­ ständig kompensiert werden. Werden beide Spiegel bei­ spielsweise in belastungsfreiem Zustand in gleicher vertikaler Richtung um jeweils den gleichen Weg ver­ schoben, so ändert sich der Auftreffort des Licht­ strahls 2 auf dem Positionsdetektor 7 auch dann nicht, wenn Lichtquelle 1 und Positionsdetektor 7 die Absolut­ bewegungen nicht mitmachen.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist besonders ge­ eignet zur Messung der Probenverformung und/oder Ver­ formungsgeschwindigkeit bei Schnellzerreißmaschinen. Bei solchen Maschinen ist die Messung unmittelbar an der Probe äußerst aufwendig. Mit der dargestellten An­ ordnung kann die in die Probe eingeleitete Verformung sowie die Verformungsgeschwindigkeit bei Prüfabläufen mit hohen Geschwindigkeiten ermittelt werden.

Die in der Beschreibung erwähnten Positionsdetektoren einschließlich Auswerteelektronik sind bekannt, so daß die Angabe weiterer Einzelheiten hierzu nicht erforder­ lich ist. Bei der beschriebenen Anordnung ist es zweck­ mäßig, digital arbeitende Positionsdetektoren zu ver­ wenden, da mit solchen Detektoren die Unterdrückung von Streulichteinflüssen mit elektronischen Mitteln leicht möglich ist.

Claims (8)

1. Verfahren zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüf­ körpern in Prüfmaschinen, mit einer Lichtquelle und einer Signalverarbeitungseinrichtung, bei dem die Proben oder Prüfkörper mit Kraftübertragungseinheiten verbunden werden, bei dem an einer ersten Kraftübertragungseinheit zumindest ein Spiegel mit einer Spiegelebene angeordnet wird, bei dem der Strahl der Lichtquelle auf den zumindest einen Spiegel gelenkt wird, bei dem der vom Spiegel reflektierte Strahl auf einen Positionsdetektor gelenkt wird und bei dem die Lage des auf den Positionsdetektor auftreffenden Licht­ strahls in einer Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einer zweiten Kraftübertragungseinheit (11) ein Spiegel (6′), der eine Spiegelebene aufweist, angeordnet wird, wobei die Spiegel (6,6′) der ersten und zweiten Kraftübertragungsein­ heit unter einem Winkel zur Längsachse (X-X) der Probe (4) oder der Kraftübertragungsachse und zueinander parallel angeordnet sind, und daß der Lichtstrahl (2) der Lichtquel­ le (1) von dem an der ersten Kraftübertragungseinheit (10) angeordneten Spiegel (6) parallel zur Längsachse (X-X) oder der Kraftübertragungsachse auf den an der zweiten Kraft­ übertragungseinheit (11) angeordneten Spiegel (6′) und von dort auf den Positionsdetektor (7) geleitet wird, und daß die Signalverarbeitungseinrichtung als Auswerteelektronik ausgebildet ist.

2. Vorrichtung zur Messung von Verformungen an Proben oder Prüfkörpern mit zwei Kraftübertragungseinheiten, die mit der Probe oder dem Prüfkörper verbindbar sind, mit einer Lichtquelle, mindestens einem ersten Spiegel oder Spiegel­ fläche an der ersten Kraftübertragungseinheit zur Umlenkung des Lichtstrahls auf einen Positionsdetektor, sowie mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung und Auswertung der Lage des auf den Positionsdetektor auftref­ fenden Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei­ ter Spiegel (6′) oder Spiegelfläche an der zweiten Kraft­ übertragungseinheit (11) angeordnet ist, wobei die Spiegel (6, 6′) an der ersten und der zweiten Kraftübertragungsein­ heit (10, 11) unter einem Winkel zur Längsachse (X-X) der Probe (4) oder der Kraftübertragungsachse und zueinander parallel angeordnet sind, daß die Lichtquelle (1) und der Positionsdetektor (7) so angeordnet sind, daß der Licht­ strahl (2) der Lichtquelle (1) von dem an der ersten Kraft­ übertragungseinheit (10) angeordneten Spiegel (6) parallel zur Längsachse (X-X) oder der Kraftübertragungsachse auf den an der zweiten Kraftübertragungseinheit (11) angeord­ neten Spiegel (6′) und von dort auf den Positionsdetektor (7) geleitet wird, und daß die Signalverarbeitungseinrich­ tung als Auswerteelektronik (8) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrichtung der Lichtquelle (1) derart gewählt wird, daß der austretende Strahl in einer rechtwinklig zu den Spiegelebenen verlaufenden Ebene und im wesentlichen recht­ winklig zur Längsachse (X-X) oder Kraftübertragungsachse verläuft, wobei die beiden Spiegelebenen unter einem Winkel von 45° zur Längsachse (X-X) oder Kraftübertragungsachse angeordnet werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spiegel (6, 6′) durch Spiegelflächen der Kraftübertragungselemente (10, 11) gebildet werden.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungs­ einheiten (10, 11) an den Enden der Proben (4) oder der Prüfkörper angeordnet werden.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (1) eine punktförmige Lichtquelle verwendet wird.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden An­ sprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung von Dehnungen, Biegung, Rißaufweitung und von schnellen Bewegungsabläufen bei Proben oder zur gleichzeitigen Mes­ sung von mehreren der genannten Verformungsarten.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsdetek­ tor (7) als ein- oder zweiachsiger Detektor ausgebildet ist.