Die Feldlinien des Schwerefeldes der Erde verlaufen vom Erdmittelpunkt aus radial nach aussen. Sie stehen rechtwinklig auf den Tangentialflächen der Erdkugeloberfläche. Die Richtung der Feldlinien wird als lotrecht bezeichnet, die rechtwinklig auf den Feldlinien stehenden Tangentialflächen als Horizontalflächen. Aus Gründen der Statik ist es vorteilhaft oder sogar notwendig, Bauten, Geräte, Maschinen u.a. parallel zur Horizontalfläche oder zur Lotrechten auszurichten. Dieses Ausrichten nennt man Horizontierung. Horizontiert werden z.B. Wohnwagen und Wohnmobile, wenn sie sich auf einem Standplatz befinden, aufklappbare Bühnen von Wandertheatern, Reportagewagen von Radio und Fernsehen oder irgendwelche Plattformen. Für die Horizontierung braucht es Vorrichtungen, mit deren Hilfe die Richtung der Feldlinien bestimmt werden kann.
Häufig angewandte Vorrichtungen sind das Senkblei und die Wasserwaage. Bei diesen Vorrichtungen muss die angezeigte Lage der Feldlinien bzw. der Horizontalfläche von Auge abgelesen werden. Sie sind deshalb für die Steuerung von automatischen, elektrischen Horizontierungseinrichtungen nicht geeignet. Für diesen Fall müssen elektronische Lagesensoren eingesetzt werden. Die bisher bekannten elektronischen Lagesensoren sind Feldplattensensoren oder kapazitive Sensoren. Die Feldplattensensoren bestehen aus einem Pendel, an dessen freien Ende ein Magnet befestigt ist. Beiderseits des Pendels befinden sich rechtwinklig zur Pendelausschlagsebene angeordnete Feldplatten. Die Feldplatten sind Halbleiterbauelemente, deren elektrischer Widerstand aufgrund des Hall-Effektes stark von einem anwesenden Magnetfeld abhängt.
Der elektrische Widerstand steigt mit steigender magnetischen Induktion, unabhängig vom Vorzeichen der Magnetfeldrichtung. Ist der Feldplattensensor genau auf die Lotrechte ausgerichtet, sind die Abstände zwischen dem Magnetpendel und den bei den Feldplatten gleich. Damit ist auch die magnetische Induktion und der elektrische Widerstand der beiden Feldplatten gleich. Steht der Feldplattensensor schief zur Lotrechten, nähert sich das Magnetpendel einer der beiden Feldplatten und entfernt sich gleichzeitig von der anderen. Der elektrische Widerstand der Feldplatte, der sich das Magnetpendel nähert, nimmt zu, während der Widerstand der Feldplatte, von der sich das Magnetpendel entfernt, abnimmt. Die Neigung des Feldplattensensors kann aus der Differenz dieser zwei Feldplattenwiderstände, die mit Hilfe geeigneter Messbrücken bestimmt wird, ermittelt werden.
Die Feldplattensensoren sind auf Magnetfelder, die von aussen auf sie einwirken, empfindlich. Der Feldplattenwiderstand kann durch solche Magnetfelder beeinflusst werden. Feldplattensensoren sind oft, wie z.B. bei automatischen, elektrischen Horizontierungseinrichtungen, in elektrische Geräte eingebaut. Sie müssen in diesen Fällen vor den Magnetfeldern, die durch alle fliessenden Ströme in diesen Geräten erzeugt werden, geschützt werden. Als Abschirmung kann ein Topf aus gewöhnlichem Eisenblech oder aus einer Permalloy-Legierung verwendet werden. Der Eisenblechtopf ist die billigere Lösung. Er eignet sich aber nur für die Abschirmung zeitlich konstanter Felder. Auch mit den teureren Abschirmungen aus Permalloy-Legierungen kann keine beliebig gute Abschirmung erzielt werden. Sie bieten keinen Schutz gegen schnell veränderliche Magnetfelder.
Elektrodynamische Abschirmungen können auch vor schnell veränderlichen Magnetfeldern schützen. Da diese Abschirmungen aber sehr teuer sind, fällt ihre Verwendung ausser Betracht. Neben dieser Empfindlichkeit auf von aussen einwirkende Magnetfelder haben die Feldplattensensoren den Nachteil, dass ihre Herstellungskosten sehr hoch sind.
Die kapazitiven Lagesensoren arbeiten mit vier Plattenkondensatoren, deren Kapazität sich je nach Lage des Sensors bezüglich der Lotrechten ändert. Der Sensor besteht aus zwei übereinanderliegenden, gewölbten Platten, deren Form der gewölbten Fläche eines Kugelabschnittes entspricht. In der unteren, aus Kunststoff gefertigten Platte, sind vier dreieckförmige Kondensatorplatten gleicher Grösse eingelassen. Jede Kondensatorplatte bedeckt einen Quadranten der unteren Platte. Die obere Platte bildet für die vier unteren Kondensatorplatten die gegenüberstehende Kondensatorplatte. Sie ist aus Aluminium hergestellt. Der Raum zwischen der unteren und oberen Platte ist seitlich abgedichtet. Drei Viertel seines Volumens sind mit einer Flüssigkeit gefüllt. Der restliche Viertel seines Volumens wird von einer Luftblase eingenommen. Die Flüssigkeit weist eine hohe Dielektrizitätskonstante auf.
Sie bildet das Dielektrikum der vier Plattenkondensatoren. Liegt der Sensor parallel zur Horizontalfläche, befindet sich die Luftblase im Zentrum der Platten. Die Kapazität der vier Kondensatoren ist in dieser Lage identisch. Wird der Sensor geneigt, bewegt sich die Luftblase durch die Einwirkung der Schwerkraft vom Zentrum weg. Die Kapazitäten der Kondensatoren verändern sich. Aus den Kapazitätsdifferenzen lässt sich die Neigung des Sensors gegenüber der Lotrechten in der Richtung der beiden Achsen, die von je zwei sich gegenüberliegenden Kondensatoren definiert werden, bestimmen. Diese kapazitiven Lagesensoren sind auf von aussen einwirkende Magnetfelder unempfindlich und haben ein hohes Auflösungsvermögen. Sie haben zudem den Vorteil, dass sie gleichzeitig die Neigung in der Richtung zweier Achsen bestimmen können. Ihr Nachteil liegt in den sehr hohen Herstellungskosten.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen elektronischen Lagesensor zur Bestimmung der Lotrechten zu schaffen, der auf von aussen einwirkende Magnetfelder unempfindlich ist und der kostengünstig hergestellt werden kann. Zudem soll der Lagesensor eine gute Auflösung haben und reproduzierbare Werte liefern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss mit Hilfe der Ausbildungsmerkmale nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei der Erfindung handelt es sich um einen optischen Lagesensor, der mit einer ringförmigen, pendelartig aufgehängten Blende 1 ausgerüstet ist, die abhängig von der Neigung des Lagesensors bezüglich der Lotrechten, ihre Lage gegenüber einem Lichtkegel 2 ändert. Die Lage dieser Ringblende 1 wird mit Hilfe von Photodetektoren 3, 4 bestimmt.
Es zeigen:
Fig. 1 Räumliche Darstellung des optischen Lagesensors
Fig. 2 Querschnitt durch den optischen Lagesensor
Fig. 3 Projektion der verschiedenen Elemente und des Lichtkegels des optischen Lagesensors auf die Bodenplatte
Fig. 4 Lage der Photodetektoren, der Ringblende und des Lichtkegels bei schräg zur Lotrechten stehendem Lagesensor von oben
Fig. 5a Schaltbild zweier gegenüberliegenden, über eine Wheatstone-Messbrücke gekoppelten Photodioden
Fig. 5b Schaltbild zweier gegenüberliegenden, über eine Wheatstone-Messbrücke gekoppelten Phototransistoren
Die Elemente des optischen Sensors sind in einem hohlzylinderförmigen Gehäuse 6 untergebracht. Der Gehäusezylinder 6 dient unter anderem als Lichtabschirmung für die Sensorelemente. Er steht auf einer Bodenplatte 7 und ist starr mit dieser verbunden. Die zentrale Längsachse 8 des Gehäusezylinders steht dabei rechtwinklig auf der Bodenplattenfläche. Der Gehäusezylinder 6 ist auf seiner Oberseite mit einer quadratischen Deckplatte 9 verschlossen. Die Deckplatte 9 und die Bodenplatte 7 liegen parallel zueinander. Die Länge der Deckplattenseiten entspricht dem Aussendurchmesser des Gehäusezylinders 6. An der Innenseite dieser Deckplatte 9 ist im Deckelzentrum eine Lichtquelle 5 angebracht, die einen gebündelten Lichtkegel 2 in die Richtung der Bodenplatte 7 wirft. Die zentrale Längsachse dieses Lichtkegels 2 liegt auf der zentralen Längsachse 8 des Gehäusezylinders.
Im Lichtkegel 2 hängt eine flache, ringförmige Blende 1. Sie ist mit Hilfe von mindestens drei Fäden 10 an der Deckplatte 9 frei aufgehängt. Die Befesti gungspunkte 11 dieser Fäden 10 liegen auf der Deckplatteninnenseite und bilden ein regelmässiges Vieleck (bei drei Fäden ein gleichseitiges Dreieck, bei vier Fäden ein Quadrat, etc.), dessen Flächenmittelpunkt auf der zentralen Längsachse 8 des Gehäusezylinders liegt. Die Grösse dieser Vielecke wird so gewählt, dass der Durchmesser ihres Umkreises dem Aussendurchmesser der Ringblende 1 entspricht. Die blendenseitigen Befestigungspunkte 12 der Fäden liegen am äusseren Blendenrand 14 und bilden ebenfalls die Ecken eines regelmässigen Vieleckes. Um die Konstruktion zu vereinfachen, werden vorzugsweise vier Fäden 10 verwendet. Die Befestigungsfäden 10 sind alle gleich lang.
Dadurch und dank der Anordnung der Fäden 10 erreicht man, dass die Fläche der Ringblende 1 parallel zur Deckplattenfläche und zur Bodenplattenfläche und bei lotrechter Stellung des optischen Lagesensors der Mittelpunkt ihrer zentralen, kreisförmigen \ffnung 13 auf der zentralen Längsachse des Gehäusezylinders 8 liegt. Damit die Fäden 10 sich weniger miteinander verwickeln, sind sie von je einem Schutzröhrchen 15 umgeben, das ihnen eine gewisse Steifheit verleiht und sie dadurch stabilisiert. Auf der Bodenplatte 7 sind vier Photodetektoren 3, 4 angebracht. Sie können als Photodioden 3 oder Phototransistoren 4 ausgebildet sein. Die Photodetektoren 3, 4 bilden die Ecken eines Quadrates, dessen Mittelpunkt auf der zentralen Längsachse 8 des Gehäusezylinders liegt.
Ist die Ringblende 1 an vier Fäden 10 aufgehängt, ist dieses Quadrat, gegenüber demjenigen Quadrat, dessen Ecken durch die deckplattenseitigen Fadenbefestigungspunkte 11 definiert wird, um 45 Grad verdreht. Dadurch wird verhindert, dass die Fäden 10 die Photodetektoren 3, 4 gegen das Licht der Lichtquelle 5 abdecken. Ein solches Abdecken würde die Messresultate verfälschen. Um beim Zusammensetzen des optischen Lagesensors zu garantieren, dass die Fäden 10 und die Photodetektoren 3, 4 die richtige Lage zueinander einnehmen, ist die Deckplatte 9 mit einer speziellen Positionierungsvorrichtung ausgestattet. Auf der Bodenplatte 7 sind zwei Positionierungsstäbe 16 befestigt. Sie stehen auf einer Geraden, die durch die zentrale Achse 8 des Gehäusezylinders geht und haben von dieser Achse 8 den gleichen Abstand.
Die Länge des Abstandes zwischen den beiden Positionierungsstäben 16 liegt zwischen der Länge der Deckplattendiagonalen und der Länge des Aussendurchmessers des Gehäusezylinders 6. Die Positionierungsstäbe 16 stehen rechtwinklig auf der Bodenplatte 7. Sie sind um die Dicke der Deckplatte 9 länger als die Höhe des Gehäusezylinders 6. Die Deckplatte 9 weist bei zwei gegenüberliegenden Ecken ein kreisförmiges Positionierungsloch 17 auf. Diese Positionierungslöcher 17 liegen auf der Deckplattendiagonalen und haben von der zentralen Längsachse 8 des Gehäusezylinders denselben Abstand wie die Positionierungsstäbe 16. Ihr Durchmesser ist geringfügig grösser als der Durchmesser der Stäbe 16. Wird die Deckplatte 9 auf den Gehäusezylinder 6 aufgelegt, werden die oberen Enden der Positionierungsstäbe 16 in die Positionierungslöcher 17 hineingesteckt und festgelötet.
Der \ffnungswinkel des Lichtkegels 2, der Durchmesser der zentralen Ringblendenöffnung 13 und die Aufhänghöhe der Ringblende 1 sind in der Art und Weise aufeinander abgestimmt, dass der Durchmesser des Lichtkegels 2 auf der Höhe der Ringblende 1 gleich gross oder ein bisschen grösser ist als der Durchmesser der zentralen Ringblendenöffnung 13. Die auf der Bodenplatte 7 stehenden Photodetektoren 3, 4 befinden sich in den zylindrischen Löchern 20 einer Gummiplatte 18, die auf der Bodenplatte 7 aufliegt. Der Durchmesser dieser Gummiplatte 18 entspricht dem Innendurchmesser des Gehäusezylinders 6. Ihre Dicke entspricht etwa der doppelten Höhe der Photodetektoren 3, 4. Der Durchmesser der Löcher 20, in denen sich die Photodetektoren 3, 4 befinden, ist nur geringfügig grösser als der Durchmesser der Photodetektoren 3, 4.
Die Gummiplatte 18 dient dazu, das Gesichtsfeld der einzelnen Photodetektoren 3, 4 einzuschränken und sie vor einfallendem Streulicht zu schützen. Die Oberfläche der Gummiplatte 18 ist mit einer transparenten Folie 19 bedeckt, die als Projektionsebene dient, auf welche die Ringblendenöffnung 13 und der Ringblendenring durch den aus der Lichtquelle 5 austretenden Lichtkegel 2 abgebildet wird.
Die Entfernung der Photodetektoren 3, 4 von der zentralen Längsachse 8 des Gehäusezylinders, der \ffnungswinkel des Lichtkegels 2, der Durchmesser der Ringblendenöffnung 13 und die Aufhänghöhe der Ringblende 1 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Durchmesser der auf der Projektionsfolie 19 abgebildeten Ringblendenöffnung dem doppelten Abstand zwischen den Photodetektoren 3, 4 und der zentralen Achse 8 des Gehäusezylinders entspricht oder etwas grösser ist. Steht die zentrale Längsachse 8 des Gehäusezylinders lotrecht, liegt der Mittelpunkt der Ringblendenöffnung 13 auf dieser Achse. Alle vier Photodetektoren 3, 4 werden in dieser Situation mit der gleichen Lichtmenge bestrahlt. Kippt man die zentrale Längsachse 8 gegenüber der Lotrechten, bewegt sich der Mittelpunkt der Ringblendenöffnung 13 von der zentralen Längsachse 8 weg.
Die Folge davon ist, dass die Photodetektoren 3, 4, von denen sich der Mittelpunkt der Ringblendenöffnung 13 weg bewegt, durch den Blendenring stärker abgedeckt und dadurch mit einer kleineren Lichtmenge bestrahlt werden. Umgekehrt werden die Photodetektoren 3, 4, auf die sich der Mittelpunkt der Ringblendenöffnung 13 zu bewegt, vom Blendenring weniger stark abgedeckt und dadurch mit einer grösseren Lichtmenge bestrahlt. Für die Anordnung der Lichtquelle 2 ist eine zweite Ausbildungsart vorgesehen. Bei dieser Ausbildungsart ist die Lichtquelle 2 mittels eines Fadens im Zentrum der Deckplatte 9 des Gehäusezylinders 6 pendelartig aufgehängt. Die Lichtquelle 2 gibt einen klar definierten Lichtkegel ab.
Je nach Neigung des Sensors gegenüber der Lotrechten entfernt sich diese Lichtquelle 2 und gleichzeitig auch die zentrale Achse des Lichtkegels von der zentralen Längsachse des Gehäusezylinders 8. Die Photodetektoren 3, 4 werden dadurch ebenfalls unterschiedlich beleuchtet.
Photodioden 3 haben die Eigenschaft, dass ihr Widerstand in der Sperrichtung proportional zur auftreffenden Lichtmenge abnimmt. Phototransistoren 4 entsprechen in ihrer Funktion einer Photodiode mit dahintergeschaltetem Verstärker. Das heisst, dass man durch das Messen des Widerstandes der Photodetektoren 3, 4, die eingestrahlte Lichtmenge bestimmen und durch den Vergleich der unterschiedlichen Bestrahlung der vier Photodetektoren 3, 4, die Neigung der zentralen Längsachse 8 gegenüber der Lotrechten berechnen kann. Für die Widerstandsmessung sind je zwei sich gegenüberliegende Photodetektoren 3, 4 über eine Wheatstone-Messbrücke gekoppelt. Mittels dieser Brücke kann die Widerstandsdifferenz von zwei sich gegenüberliegenden Photodetektoren 3, 4 gemessen werden. Die beiden Photodetektorenpaare definieren zwei rechtwinklig aufeinanderstehende Achsen.
Die Widerstandsdifferenz eines Photodetektorenpaares ist proportional zur Auslenkung der frei aufgehängten Ringblende 1 und zur Neigung der zentralen Längsachse 8 in der Richtung der durch dieses Detektorenpaar gebildeten Achse. Jede Neigung der zentralen Längsachse 8 gegenüber der Lotrechten wird somit durch diese Messanordung in zwei rechtwinklig aufeinanderstehende Neigungskomponenten zerlegt. Die Messwerte der Widerstandsdifferenzen werden an eine Steuereinheit weitergegeben, welche daraus die exakte Neigung der zentralen Längsachse 8 bezüglich der Lotrechten berechnet. Für die Photodetektoren 3, 4 ist noch eine zweite Ausbildungsart vorgesehen. Dabei tritt an die Stelle der vier Photodetektoren 3, 4 eine Art Photoplatte, die aus zahlreichen photoempfindlichen Elementen in Matrix- oder Kreisanordnung besteht.
Die Änderungen der belichteten Elemente wird dabei koordinatenmässig ausgewertet. Ein weiteres Problem muss noch beachtet werden. Die Ringblende 1 oder bei der zweiten Ausbildungsart die pendelartig aufgehängte Lichtquelle 5 lässt sich sehr leicht in Schwingung versetzen. Die Neigung kann aber erst gemessen werden, wenn die Schwingung abgeklungen ist und die Ringblende 1 bzw. die Lichtquelle 5 stillsteht. Um solche Schwingungen zu dämpfen, wird der gesamte Innenraum des Gehäusezylinders 6 mit einer transparenten Flüssigkeit gefüllt. Da die optischen Lagesensoren oft auch im Freien eingesetzt werden, muss eine frostsichere Flüssigkeit wie Alkohol oder Glyzerin verwendet werden. Es ist auch eine elektronische Dämpfung mittels RC-Gliedern denkbar.
Der vorgeschlagene, optische Lagesensor eignet sich ausgezeichnet für den Einbau in automatische, elektrische Horizontierungseinrichtungen bei Wohnwagen und Wohnmobilen. Die Neigung eines Wohnwagens bzw. Wohnmobils wird mit Hilfe von Hebevorrichtungen, die von Elektromotoren angetrieben werden, verändert. Die Signale der Lagesensoren werden zu einer Steuereinheit geleitet, die daraus die Neigung des Wagens bestimmt und mit Hilfe der gewonnenen Informationen die Elektromotoren in der Art und Weise steuert, dass der Wagen in die gewünschte Lage gebracht wird. Die Steuereinheit erlaubt es, eine beliebige Neigung in der Form eines Zahlenwertes vorzuwählen. Andere Anwendungsbereiche sind aufklappbare Bühnen von Wandertheatern, Reportagewagen von Radio und Fernsehen, oder irgendwelche andere Geräte oder Plattformen, die in einem bestimmten Winkel zur Lotrechten ausgerichtet werden müssen.
Die Ausbildung der optischen Lagesensoren kann den Anforderungen der verschiedenen Anwendungsbereiche angepasst werden. Falls sehr kleine Neigungsdifferenzen bestimmt werden müssen, wird ein hoher, schlanker Gehäusezylinder 6 mit langen Ringblendenaufhängefäden 10 gewählt. Je nach Bedarf wird man als Photodetektoren die weniger empfindlichen Photodioden 3 oder aber die empfindlicheren Phototransistoren 4 wählen. Der erfindungsgemässe optische Lagesensor hat im Vergleich zu den bisher angewandten Feldplattensensoren wesentliche Vorteile. Er ist unempfindlich auf Magnetfelder und kann dadurch ohne teure Abschirmungen in elektrischen Geräten verwendet werden. Die Widerstandsmessung ist temperaturkompensiert, da sie mittels Wheatstone-Messbrücken geschieht.
Die Koppelung je zwei gegenüberliegender Photodetektoren 3, 4 hat zudem den Vorteil, dass der Effekt der Beleuchtungsverschiebung beim Neigen des Sensors verdoppelt wird. Der optische Lagesensor stellt eine kompakte Lösung dar, da für beide Schwingungsebenen der pendelartigen Ringblende 1 nur ein Sensor notwendig ist. Die Herstellung des optischen Lagesensors ist wesentlich kostengünstiger als die Herstellung der Feldplattensensoren und der kapazitiven Sensoren.
The field lines of the gravitational field of the earth run radially outwards from the center of the earth. They are perpendicular to the tangential surfaces of the earth's surface. The direction of the field lines is referred to as perpendicular, the tangential surfaces standing at right angles on the field lines as horizontal surfaces. For reasons of statics, it is advantageous or even necessary to build structures, devices, machines, etc. to be aligned parallel to the horizontal surface or to the vertical. This alignment is called leveling. Are leveled e.g. Caravans and mobile homes, if they are on a stand, hinged stages of traveling theaters, reportage cars from radio and television or any platforms. Devices are required for leveling, with the aid of which the direction of the field lines can be determined.
The most commonly used devices are the plumb line and the spirit level. With these devices, the displayed position of the field lines or the horizontal surface must be read by the eye. They are therefore not suitable for the control of automatic, electrical leveling devices. In this case, electronic position sensors must be used. The previously known electronic position sensors are field plate sensors or capacitive sensors. The field plate sensors consist of a pendulum with a magnet attached to its free end. Field plates are arranged on both sides of the pendulum at right angles to the pendulum deflection level. The field plates are semiconductor components whose electrical resistance is strongly dependent on a magnetic field due to the Hall effect.
The electrical resistance increases with increasing magnetic induction, regardless of the sign of the magnetic field direction. If the field plate sensor is exactly aligned with the vertical, the distances between the magnetic pendulum and those of the field plates are the same. This means that the magnetic induction and the electrical resistance of the two field plates are the same. If the field plate sensor is at an angle to the vertical, the magnetic pendulum approaches one of the two field plates and at the same time moves away from the other. The electrical resistance of the field plate approaching the magnetic pendulum increases, while the resistance of the field plate away from the magnetic pendulum decreases. The inclination of the field plate sensor can be determined from the difference between these two field plate resistances, which is determined with the aid of suitable measuring bridges.
The field plate sensors are sensitive to magnetic fields that act on them from the outside. The field plate resistance can be influenced by such magnetic fields. Field plate sensors are often, e.g. in automatic, electrical leveling devices, installed in electrical devices. In these cases, you must be protected from the magnetic fields generated by all flowing currents in these devices. A pot made of ordinary iron sheet or made of a permalloy alloy can be used as a shield. The iron tin pot is the cheaper solution. However, it is only suitable for shielding fields that are constant over time. Even with the more expensive shields made from permalloy alloys, shielding of any kind cannot be achieved. They offer no protection against rapidly changing magnetic fields.
Electrodynamic shields can also protect against rapidly changing magnetic fields. However, since these shields are very expensive, their use is not considered. In addition to this sensitivity to external magnetic fields, the field plate sensors have the disadvantage that their manufacturing costs are very high.
The capacitive position sensors work with four plate capacitors, the capacitance of which changes depending on the position of the sensor with respect to the vertical. The sensor consists of two superimposed, curved plates, the shape of which corresponds to the curved surface of a spherical section. In the lower plate made of plastic, four triangular capacitor plates of the same size are embedded. Each capacitor plate covers a quadrant of the bottom plate. The upper plate forms the opposite capacitor plate for the four lower capacitor plates. It is made of aluminum. The space between the lower and upper plate is sealed on the side. Three quarters of its volume is filled with a liquid. The remaining quarter of its volume is taken up by an air bubble. The liquid has a high dielectric constant.
It forms the dielectric of the four plate capacitors. If the sensor is parallel to the horizontal surface, the air bubble is in the center of the plates. The capacitance of the four capacitors is identical in this position. When the sensor is tilted, the air bubble moves away from the center due to gravity. The capacitors change capacitors. The inclination of the sensor with respect to the vertical in the direction of the two axes, which are defined by two capacitors located opposite one another, can be determined from the capacitance differences. These capacitive position sensors are insensitive to external magnetic fields and have a high resolution. They also have the advantage that they can determine the inclination in the direction of two axes at the same time. Their disadvantage is the very high manufacturing costs.
The invention has for its object to provide an electronic position sensor for determining the perpendicular, which is insensitive to external magnetic fields and which can be manufactured inexpensively. In addition, the position sensor should have a good resolution and deliver reproducible values.
The object is achieved according to the invention with the aid of the training features according to the characterizing part of patent claim 1.
The invention relates to an optical position sensor which is equipped with an annular, pendulum-like diaphragm 1, which changes its position relative to a light cone 2 depending on the inclination of the position sensor with respect to the vertical. The position of this ring diaphragm 1 is determined with the aid of photodetectors 3, 4.
Show it:
Fig. 1 Spatial representation of the optical position sensor
Fig. 2 cross section through the optical position sensor
Fig. 3 projection of the various elements and the light cone of the optical position sensor on the base plate
Fig. 4 position of the photodetectors, the ring diaphragm and the light cone with the position sensor at an angle to the perpendicular from above
5a circuit diagram of two opposite photodiodes coupled via a Wheatstone measuring bridge
5b circuit diagram of two opposite phototransistors coupled via a Wheatstone measuring bridge
The elements of the optical sensor are accommodated in a hollow cylindrical housing 6. The housing cylinder 6 serves, among other things, as a light shield for the sensor elements. It stands on a base plate 7 and is rigidly connected to it. The central longitudinal axis 8 of the housing cylinder is at right angles on the bottom plate surface. The housing cylinder 6 is closed on its upper side with a square cover plate 9. The cover plate 9 and the bottom plate 7 are parallel to each other. The length of the cover plate sides corresponds to the outer diameter of the housing cylinder 6. On the inside of this cover plate 9, a light source 5 is attached in the cover center, which throws a bundled light cone 2 in the direction of the base plate 7. The central longitudinal axis of this light cone 2 lies on the central longitudinal axis 8 of the housing cylinder.
A flat, ring-shaped diaphragm 1 hangs in the light cone 2. It is freely suspended on the cover plate 9 with the aid of at least three threads 10. The fastening supply points 11 of these threads 10 lie on the inside of the cover plate and form a regular polygon (with three threads an equilateral triangle, with four threads a square, etc.), whose center point lies on the central longitudinal axis 8 of the housing cylinder. The size of this polygon is chosen so that the diameter of its circumference corresponds to the outer diameter of the ring diaphragm 1. The blind-side fastening points 12 of the threads lie on the outer edge 14 of the blind and also form the corners of a regular polygon. To simplify the construction, four threads 10 are preferably used. The fastening threads 10 are all of the same length.
As a result of this and thanks to the arrangement of the threads 10, it is achieved that the surface of the ring diaphragm 1 is parallel to the cover plate surface and the base plate surface and when the optical position sensor is in the vertical position, the center of its central, circular opening 13 lies on the central longitudinal axis of the housing cylinder 8. So that the threads 10 become less entangled with each other, they are each surrounded by a protective tube 15, which gives them a certain stiffness and thereby stabilizes them. Four photodetectors 3, 4 are attached to the base plate 7. They can be designed as photodiodes 3 or 4. The photodetectors 3, 4 form the corners of a square, the center of which lies on the central longitudinal axis 8 of the housing cylinder.
If the ring diaphragm 1 is suspended from four threads 10, this square is rotated by 45 degrees with respect to the square whose corners are defined by the thread fastening points 11 on the cover plate side. This prevents the threads 10 from covering the photodetectors 3, 4 against the light from the light source 5. Such covering would falsify the measurement results. In order to guarantee when assembling the optical position sensor that the threads 10 and the photodetectors 3, 4 are in the correct position relative to one another, the cover plate 9 is equipped with a special positioning device. Two positioning rods 16 are fastened to the base plate 7. They stand on a straight line that passes through the central axis 8 of the housing cylinder and are at the same distance from this axis 8.
The length of the distance between the two positioning rods 16 lies between the length of the cover plate diagonals and the length of the outer diameter of the housing cylinder 6. The positioning rods 16 are perpendicular to the base plate 7. They are longer by the thickness of the cover plate 9 than the height of the housing cylinder 6. The cover plate 9 has a circular positioning hole 17 at two opposite corners. These positioning holes 17 lie on the cover plate diagonals and have the same distance from the central longitudinal axis 8 of the housing cylinder as the positioning rods 16. Their diameter is slightly larger than the diameter of the rods 16. If the cover plate 9 is placed on the housing cylinder 6, the upper ends of the Positioning rods 16 inserted into the positioning holes 17 and soldered.
The opening angle of the light cone 2, the diameter of the central ring diaphragm opening 13 and the suspension height of the ring diaphragm 1 are matched to one another in such a way that the diameter of the light cone 2 at the height of the ring diaphragm 1 is the same size or a little larger than the diameter the central ring aperture 13. The photodetectors 3, 4 standing on the base plate 7 are located in the cylindrical holes 20 of a rubber plate 18 which rests on the base plate 7. The diameter of this rubber plate 18 corresponds to the inner diameter of the housing cylinder 6. Its thickness corresponds approximately to twice the height of the photodetectors 3, 4. The diameter of the holes 20 in which the photodetectors 3, 4 are located is only slightly larger than the diameter of the photodetectors 3, 4.
The rubber plate 18 serves to restrict the field of view of the individual photodetectors 3, 4 and to protect them from incident stray light. The surface of the rubber plate 18 is covered with a transparent film 19, which serves as a projection plane, on which the ring aperture 13 and the ring aperture ring is imaged by the light cone 2 emerging from the light source 5.
The distance of the photodetectors 3, 4 from the central longitudinal axis 8 of the housing cylinder, the opening angle of the light cone 2, the diameter of the ring aperture 13 and the suspension height of the ring aperture 1 are coordinated with one another in such a way that the diameter of the ring aperture shown on the projection film 19 is twice that Distance between the photodetectors 3, 4 and the central axis 8 of the housing cylinder corresponds or is slightly larger. If the central longitudinal axis 8 of the housing cylinder is perpendicular, the center of the ring aperture 13 lies on this axis. In this situation, all four photodetectors 3, 4 are irradiated with the same amount of light. If the central longitudinal axis 8 is tilted with respect to the vertical, the center of the ring aperture 13 moves away from the central longitudinal axis 8.
The consequence of this is that the photodetectors 3, 4, from which the center point of the ring aperture 13 moves away, are covered more by the aperture ring and are thereby irradiated with a smaller amount of light. Conversely, the photodetectors 3, 4, towards which the center of the ring aperture 13 moves, are less covered by the aperture ring and are thus irradiated with a larger amount of light. A second type of training is provided for the arrangement of the light source 2. In this type of training, the light source 2 is suspended in a pendulum-like manner by means of a thread in the center of the cover plate 9 of the housing cylinder 6. The light source 2 emits a clearly defined light cone.
Depending on the inclination of the sensor with respect to the vertical, this light source 2 and at the same time also the central axis of the light cone moves away from the central longitudinal axis of the housing cylinder 8. The photodetectors 3, 4 are also illuminated differently as a result.
Photodiodes 3 have the property that their resistance in the reverse direction decreases proportionally to the amount of light that strikes them. The function of phototransistors 4 corresponds to that of a photodiode with an amplifier connected behind it. This means that by measuring the resistance of the photodetectors 3, 4, the amount of light irradiated can be determined and by comparing the different irradiation of the four photodetectors 3, 4, the inclination of the central longitudinal axis 8 with respect to the vertical can be calculated. For the resistance measurement, two opposing photodetectors 3, 4 are coupled via a Wheatstone measuring bridge. By means of this bridge, the difference in resistance of two opposing photodetectors 3, 4 can be measured. The two pairs of photodetectors define two mutually perpendicular axes.
The difference in resistance of a pair of photodetectors is proportional to the deflection of the freely suspended ring diaphragm 1 and to the inclination of the central longitudinal axis 8 in the direction of the axis formed by this pair of detectors. Each inclination of the central longitudinal axis 8 with respect to the vertical is thus broken down into two inclination components which are at right angles to one another by this measuring arrangement. The measured values of the resistance differences are forwarded to a control unit, which uses this to calculate the exact inclination of the central longitudinal axis 8 with respect to the vertical. A second type of training is also provided for the photodetectors 3, 4. The four photodetectors 3, 4 take the place of a kind of photo plate, which consists of numerous photosensitive elements in a matrix or circle arrangement.
The changes in the exposed elements are evaluated in terms of coordinates. Another problem has to be considered. The ring diaphragm 1 or, in the second embodiment, the light source 5 suspended in a pendulum-like manner can be set in vibration very easily. However, the inclination can only be measured when the vibration has subsided and the ring diaphragm 1 or the light source 5 has stopped. In order to dampen such vibrations, the entire interior of the housing cylinder 6 is filled with a transparent liquid. Since the optical position sensors are often used outdoors, a frost-proof liquid such as alcohol or glycerin must be used. Electronic damping by means of RC elements is also conceivable.
The proposed optical position sensor is ideal for installation in automatic, electrical leveling devices in caravans and mobile homes. The inclination of a caravan or mobile home is changed with the help of lifting devices which are driven by electric motors. The signals from the position sensors are sent to a control unit, which uses them to determine the inclination of the car and, using the information obtained, controls the electric motors in such a way that the car is brought into the desired position. The control unit makes it possible to preselect any inclination in the form of a numerical value. Other areas of application are hinged stages of traveling theaters, reportage cars from radio and television, or any other devices or platforms that have to be aligned at a certain angle to the vertical.
The design of the optical position sensors can be adapted to the requirements of the various areas of application. If very small inclination differences have to be determined, a high, slender housing cylinder 6 with long ring diaphragm suspension threads 10 is selected. Depending on requirements, the less sensitive photodiodes 3 or the more sensitive phototransistors 4 will be selected as the photodetectors. The optical position sensor according to the invention has significant advantages compared to the field plate sensors previously used. It is insensitive to magnetic fields and can therefore be used in electrical devices without expensive shielding. The resistance measurement is temperature compensated as it is done using Wheatstone bridges.
The coupling of two opposite photodetectors 3, 4 also has the advantage that the effect of the lighting shift is doubled when the sensor is tilted. The optical position sensor represents a compact solution, since only one sensor is necessary for both vibration levels of the pendulum-like ring diaphragm 1. The production of the optical position sensor is much cheaper than the production of the field plate sensors and the capacitive sensors.