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FORCE- & ACCELERATION- SENSING, PRESSURE MEASUREMENT KRAFT-& BESCHLEINIGUNGSMESSUNG, DRUCKMESSUNG.
Summary:
We tested the photoelastic effect in lasers and discovered special crystals convert very precisely inputs like force, pressure and acceleration to frequency output signals. Features of this so-called Force to Frequency Conversion (FFC) are as follows:
Input/output range of each crystal covers about 9 magnitudes! Signal conversion of laser crystals tested is highly linear over these 9 decades. Thus, broad input ranges for instance from 50 Nano Newton to 50 Newton can be realized! Furthermore, we performed ultrafast broadband detection of time depending forces from DC up to MHz!
Total measurement range oft the laser technology can be extrapolated up to 14 decades! This is because one can adapt sensitivity and measurement range on demand by simply miniaturizing or magnifying the crystal size. Such, complete sensor families within the same technology are easy feasible. Sensitivity and bandwidth increase rapidly by miniaturizing the crystals!
We conclude here on base of our test results that small, high performance sensors detecting forces, accelerations or pressures can be performed provided that housing and force leading-in are matched with the crystal.
Please, read the following books and papers :
Zhang S.; Holzapfel, W.
Orthogonal Polarization in Lasers – Physical Phenomena and Engineering Applications*
Wiley 2014 ISBN 978-1-118-34651-8 (Adobe PDF) – ISBN 978-1-118-34652-5 (ePub) – ISBN 978-1-118-34653-2 (MobiPocket) – ISBN 978-1-118-34649-5 (cloth) ; Tsinghua University Press 2014, ISBN 978-7-302-34951-8. 434 pages including Foreword, Preface, Introduction, Index. See Part Four, Applications of Orthogonally Polarized Lasers: Introduction and Background of Applications (Main Chapter11), Measurements of Optical Anisotropies by Orthogonally Polarized Lasers (Main Chapter 12), Displacement Measurement by Orthogonally Polarized Lasers (Main Chapter 13), Force and Pressure Measurement by Means of Photoelastic Nd:YAG Lasers (Main Chapter 14), Measurements via Translation/Rotation of Intracavity Quartz Crystals (Main Chapter 15), Combined Magnetometer/Rate Gyro Transducers by Four-Frequency Ring Lasers (Main Chapter 16), Further Applications of Orthogonally Polarized Lasers (Main Chapter 17), Conclusions of Part Four (Main Chapter 18), References.
Holzapfel, W.; Suske, M.:
Precise Force Measurement by Photo-Elastic Laser Crystals in the Time/Frequency Domain
Procedings XVIII IMEKO World Congress, Metrology for a sustainable development, Sept, 17 – 22, 2006, Rio de Janeiro, Brazil, pp
Holzapfel, W.; Suske, M.:
Broadband Vibration Detection by Laser Force Transducers
Procedings 50th International Scientific Colloquium, Technical University Ilmenau, 19. – 23. 9. 2005, pp. 251-252, ISBN 3-932 633-98-9
Holzapfel, W.:
Force-to-Frequency Conversion by Microlasers
Procedings 4th Sino-German Symposium on Micro and Nano Technologies, PTB Braunschweig, April 18 – 20, 2005 pp
Holzapfel, W.
Static-dynamic Force Measurements by novel Laser Sensor
Proceedings International Conference on Sensors and Systems, June 24-27, 2002, St. Petersburg, Russia. Vol II, pp.3 -5, ISBN 5-7422-0267-9
Holzapfel, W.; Kobusch, M.; Neuschaefer-Rube, U.:
Opto-mechatronic frequency response of high-performance force-sensing microlasers
Proceedings of SPIE, Vol. 4564: Optomechatronic Systems II, 29-31 October 2001, Newton, USA, pp. 290-301, ISBN 0-8194-4292-5/ISSN 0277-786X Wheeler, M.D.;
Wheeler, M.D (edit.).; Holzapfel, W.
Microlasers convert Forces to Frequencies with high Resolution and Proportionality Photonics Spectra, Dezember 2000, p. 36
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.
Optische Messeinrichtung zur Druckmessung
Deutsche Patentanmeldung DE100 24 982.5 vom 19.5 Mai 2000
Holzapfel, W.
Nd:YAG-Laser sensieren Kraftvektoren mit hoher Auflösung und großer Messbandbreite
LaserOpto 32, 5, 2000, pp. 9-10, ISSN 14373041
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.; Kobusch, M.; Hou, L.
High-resolution, very broadband force measurements by solid-state laser transducers Measurement 28, 4, pp. 277-291 (2000), ISSN 0263-2241
Holzapfel, W.
Hochauflösende, breitbandige Kraftmessungen mit Laserwandlern
Wägen, Dosieren + Mischen 31, 6 (2000) pp. 4-11, ISSN 14352176
Holzapfel, W.
Solid state laser crystal measures force
Laser Focus World 36, 10, 2000, pp. 13
Holzapfel, W.; Hou, L.; Neuschaefer-Rube, St.
Error Effects in Microlaser Sensors
Proceedings of XVI IMEKO World Congress, Sep 25-28, 2000, Vienna, Austria, Vol. III: Measurement of Force, Mass and Torque, Hardness Measurement, Experimental Mechanics, Pressure and Vacuum Measurement, pp. 85-90, ISBN 3-901888-05-5
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.; Hou, L.; Kobusch, M.
Photoelastische Kraftmessung und Wägung mit Mikrolasern
44th International Scientific Colloquium, Ilmenau, Sept. 20 - 23, 1999, Band 1: Vortragsreihen Prozessmess- und Sensortechnik, Oberflächen- und Lichtmesstechnik, Qualitätssicherung, PC-basierte Automatisierungssysteme , pp. 150-155, ISSN 0943-7207
Holzapfel, W.; Kobusch, M.; Neuschaefer-Rube, St.; Hou, L.
Dynamic Testing of Laser Force Transducers
Proceedings of IMEKO XV World Congress, June 13-18, 1999, Osaka, Japan, Vol. III: Measurement of Force, Mass and Torque, pp. 159-166, ISBN 4-907764-02-2
Kobusch, M.; Neuschaefer-Rube, St.; Holzapfel, W.
Dynamic Force Sensing by laseractive Nd:YAG crystals
Proceedings of 9th International Fair and Conference on Sensors, Transducers and Systems (Sensor '99), Bd. 2, pp. 17-23, Nürnberg, Mai 18.-20. 1999
Holzapfel, W.; Finnemann, M.; Luxem, W.; Neuschaefer-Rube, St., Settgast, W
Berg, Ch.
Zur Kraftmessung mit laserdiodengepumpten Nd:YAG-Lasern (orientierende Untersuchungen)
Bericht des Institutes für Mess-und Automatisierungstechnik der Universität Kassel IMAT- MT-11, Kassel 1993, 55 S., ISBN 3-88122-924-8, ISSN 0939-5628
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, U.
Broadband dynamic force measurement by miniaturized solid-state lasers Proceedings XIV IMEKO World Congress, Tampere, Finland, 1-6 June 1997, Vol. III: Measurement of Force and Mass, Hardness Measurement, pp. 96-101, ISBN 951-96567-5-8, CD-ROM ISBN 951-96042-9-4
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, U.
The diode-pumped monolithic Nd:YAG Laser – a new tool for high-resolution force sensing
CLEO '96, 8.-13. September 1996, Hamburg, Germany, ISBN 0-7803-3169-9
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, U.; Neuschaefer-Rube, St.
The photoelastic microellipsometer – a new tool for high resolution force vector measurements
SPIE-Proceedings of the International Symposium on Polarization Analysis and Applications to Device Technology, 12-14 June 1996, Yokohama, Japan, Vol. 2873, pp. 176-179, ISBN 0-8194-2271-1
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.; Neuschaefer-Rube, U.
Laseroptisches Kraftmeßverfahren nach dem Resonanzprinzip
Laser und Optoelektronik 27, 5 pp. 48-54 (1995)
Holzapfel, W.; Finnemann, M.
High-resolution and high-sensitivity force measurements using the intracavity photoelastic effect
Proceedings of XIII IMEKO World Congress, Torino Sep. 5-9, 1994, Vol. 1: Measurement of Force and Mass, pp. 211-215
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.
Optische Kraftmeßeinrichtung mit Kraftrichtungserkennung
Deutsches Patent DE 43 39 497 A1 vom 19. November 1993
Holzapfel, W.; Settgast, W.
Optische Kraftmeßeinrichtung
Deutsches Patent Nr. 43 22 291 vom 15. Juli 1993
Holzapfel, W.; Finnemann, M.
High-resolution force sensing by diode-pumped Nd:YAG lasers Optics Letters 18, 23, pp. 2062-2064 (1993)
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, U.
Photoelastischer Kraftsensor mit Proportionalverhalten und Resonanzverstärkung in Laser
Engineering – Proceedings of the 11th International Congress, Ed. W. Waidelich, Springer Verlag, München, pp. 320-323 (1993) ISBN 3-540-57444-1
Holzapfel, W.; Braasch, J. C.
Photoelastisches Kraftmeßverfahren mit moduliertem Halbleiterlaser
Technisches Messen 60, 12, pp. 459-464 (1993)
Holzapfel, W.; Finnemann, M.; Luxem, W.; Neuschaefer-Rube, St., Settgast, W Berg, Ch.
Zur Kraftmessung mit laserdiodengepumpten Nd:YAG-Lasern (orientierende Untersuchungen)
Bericht des Institutes für Mess-und Automatisierungstechnik der Universität Kassel IMAT- MT-11, Kassel 1993, 55 S., ISBN 3-88122-924-8, ISSN 0939-5628
Baetz., W.; Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, U.
A New Method of Force Sensing Utilizing Resonant Amplification of Induced Optical Phase Anisotropies
Proceedings of IMEKO XII, Beijing, Sep 5-10, 1991, Vol.: Measurement of force, mass, pressure, flow and vibration, pp. 310-315, ISBN 7-80003-175-6/TB. 18
Holzapfel, W.
Transmission-Ellipsometric Measurement of Force and Acceleration,
Tagungsband 36. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Hrsg. E. Köhler, Ilmenau (1991) S. 906-911, ISSN 0374-3365
Holzapfel, W.; Baetz, W.; Braasch, J.; Hölscher, M.; Neuschaefer-Rube, U.
Laserdioden-Beschleunigungsmesser Bericht des Institutes für Mess-und Automatisierungstechnik der Universität Kassel, IMAT- MT 6, 171 S. Kassel 1991, ISBN 3-88122-625-7, ISSN 0939-5628
Holzapfel, W.; Settgast, W.
Kraftmessende Lasersensorik mit frequenzanaloger Signalwandlung
Technisches Messen tm, 57, 9, pp. 323-334 (1990)
später auch publiziert in „Sensoren '92“, Sonderheft tm, pp. 72-83 (1992)
Holzapfel, W.; Baetz, W.; Braasch, J.; Neuschaefer-Rube, U.
Force Measuring Sensor applying Transmission Ellipsometric Principles
Applied Optics Digest, Edt. J. C. Dainty, Bristol, pp. 49-50 (1990) ISBN 0-85498-528-X
Holzapfel, W.; Settgast, W.
Precise Force Measurement over 6 Decades Applying the Resonator-Internal Photoelastic Effect
Applied Physics B 49, 2, pp. 169-172 (1989)
Holzapfel, W.; Riß, U.; Rüdinger, U.; Settgast, W.
Photoelastischer Laserbeschleunigungsmesser - experimentell-theoretische Grundlagenuntersuchung
Bericht des Institutes für Mess-und Automatisierungstechnik der Universität Kassel, IMAT-MT1, Kassel 1989, 153 S., ISBN 3-88122-542-0, ISSN 0939-5628
Holzapfel, W.; Settgast, W.
Force to frequency conversion by intracavity photoelastic modulation
Applied Optics 28, 21, pp. 4585-4594 (1989), also published in SPIE Milestone Series, Vol. MS 57: Selected Papers on Application of Polarized Light, pp. 573-582 (1992), ISBN 0-8194-0989-8
Holzapfel, W., Settgast, W.
High Accuracy Force Measuring Laser Transducer
Proceedings of IMEKO XI, 1988, Houston, Vol.: Metrology, pp. 345-360, ISBN 1-55617-143-9
Holzapfel, W.
Der optische Beschleunigungsmesser - ein neuer Sensor für die inertiale Flugführung DFVLR-Mitt. 87-21 Optik - Perspektiven für Meßtechnik und Signalverarbei¬tung in der Flugführung, pp. 159-192 (1987) ISSN 0176-7739
Holzapfel, W.
Beschleunigungs- und Kraftmeßgerät
Deutsche Patentschrift DE 26 33 178; erteilt 1982
Holzapfel, W.
Verfahren und Systeme zur laseroptischen Messung von Beschleunigungen nach dem Kraftprinzip
Forschungsbericht W 75-30, Bundesministerium für Forschung und Technologie (Reihe Weltraum¬forschung) 202 S.,72 Abbildungen, 9 Tabellen (1975), bestehend aus 6 Hauptkapiteln:
1. Einführung und Abgrenzung der Aufgabenstellung 2. Physikalische und messtechnische Prinzipien kohärenzoptischer Beschleunigungsmessverfahren 3. Theoretische Untersuchungen zu verschiedenen Messsystemen 4.Versuchsanordnung und experimentelle Ergebnisse 5, Schlussfolgerungen und Ausblick 6 Literaturverzeichnis (91 Stellen)
Elekctronic Weighing - Wägetechnik
Holzapfel, W.
Hochauflösende, breitbandige Kraftmessungen mit Laserwandlern Wägen, Dosieren + Mischen 31, 6 (2000) pp. 4-11, ISSN 14352176
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.; Hou, L.; Kobusch, M.
Photoelastische Kraftmessung und Wägung mit Mikrolasern 44th International Scientific Colloquium, Ilmenau, Sept. 20 - 23, 1999, Band 1: Vortragsreihen Prozessmess- und Sensortechnik, Oberflächen- und Lichtmesstechnik, Qualitätssicherung, PC-basierte Automatisierungssysteme , pp. 150-155, ISSN 0943-7207
Holzapfel, W.; Baetz, W.; Settgast, W.
Schwingsaitenwaage IMAT-Bericht - MT-9, Kassel (1997) 106 S., ISBN 3-88122-923-X
Holzapfel, W.; Finnemann, M.; Luxem, W.; Neuschaefer-Rube, St.; Settgast, W.
Modulare Laserwaage Bericht des Institutes für Mess-und Automatisierungstechnik der Universität Kassel IMAT- MT 7, Kassel 1992, 185 S., ISBN 3-88122-679-6, ISSN 0939-5628
Holzapfel, W.; Neuschaefer-Rube, St.
Fehlereffekte bei Waagen mit rotierendem Wägegut Technisches Messen tm 58, 5, S. 209-211 (1991)