DE3938848A1 - Neigungssensor - Google Patents
NeigungssensorInfo
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- G01C9/18—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using liquids
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- G—PHYSICS
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Description
Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor der im Oberbe
griff des Anspruches 1 wiedergegebenen Art.
Solche Neigungssensoren sind beispielsweise der GB-OS
20 22 822 entnehmbar, gemäß derer in etwa die unteren
vier Fünftel des die Form eines in der Ruhelage vertikal
stehenden Zylinders besitzenden Innenraums des Hohlkörpers
mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, während das obere Fünf
tel von einem Gas eingenommen wird. Statt eines Gases könnte
hier auch eine zweite Flüssigkeit verwendet werden, die sich
mit der ersten nicht mischt und ein geringeres spezifisches
Gewicht als jene besitzt. Wesentlich ist, daß die beiden
verwendeten Medien eine stabile Grenzfläche aufweisen, die
sich in der Ruhelage quer über den gesamten Querschnitt des
Zylinders erstreckt. In der oberen Stirnwand des Zylinders
ist eine Lichtquelle angeordnet, die in den Zylinderraum
hinein Licht abstrahlt, das die Grenzfläche zwischen den
beiden Medien durchdringt und zu einem kleinflächigen Photo
detektor in der unteren Stirnwand des Zylinders gelangt, der
bezüglich der Zylinderachse der Lichtquelle vorzugsweise dia
metral gegenüberliegt. Beim Durchtritt durch die beiden Medien
und die Grenzfläche erfährt das Licht eine Dämpfung aufgrund
von Absorptions-, Streu-, Reflexions- und/oder Beugungseffek
ten, die alle von der Beschaffenheit der Grenzfläche und von
ihrer relativen Lage bezüglich des Zylinderraumes abhängen.
Wird also die Zylinderachse geneigt, so ändert sich die
Helligkeit des vom Photodetektor empfangenen Lichtes und
damit auch die Amplitude seines Ausgangssignals. Diese Am
plitudenänderung wird dann zur Erkennung und Messung der
Neigungsänderung weiter ausgewertet.
Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß hier eine
absolute Größe, nämlich die Intensität des vom Photodetek
tor empfangenen Lichtes auf das Auftreten absoluter Ände
rungen überwacht wird, so daß Alterungserscheinungen der
verwendeten photoelektrischen Sende- und Empfangselemente
und der dem Empfänger nachgeschalteten Elektronikkomponen
ten ebenso in das Meßergebnis bzw. die Meßgenauigkeit und
das Auflösungsvermögen eingehen wie Trübungserscheinungen,
die die Lichtdurchlässigkeit der beiden Medien im Laufe
der Zeit verändern. Will man den Einfluß dieser Störfak
toren eliminieren, muß ein hoher schaltungs- und/oder meß
technischer Aufwand getrieben werden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Neigungssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der,
obwohl er aus einfachen Komponenten aufgebaut ist, eine hohe
Meßgenauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen besitzt.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im An
spruch 1 zusammengefaßten Merkmale vor.
Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es, eine
der herkömmlichen Röhren- oder Dosenlibellen zu verwenden,
die mit sehr großer Genauigkeit kostengünstig hergestellt
werden können. Auf der einen Seite der Libelle ist eine
die Bewegungsbahn bzw. die Bewegungsfläche der Libellen
blase ausleuchtende Lichtquelle angeordnet, die flächig
oder punktförmig sein kann, wenn sie nur einen genügend
großen Öffnungswinkel besitzt. Weiterhin ist neben der
Röhren- oder Dosenlibelle ein ortsauflösendes Photoelement so
angeordnet, daß sich seine lichtempfindliche Fläche bzw.
Flächen in etwa parallel zur Bewegungsbahn bzw. zur Bewegungs
fläche der Libellenblase erstrecken. Soll im Durchlichtver
fahren gearbeitet werden, so befindet sich das Photoelement
auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Libelle.
Es kann aber auch das von der die Libellenblase umgebenden
Grenzfläche ausgehende Streulicht verwendet werden. In diesem
Fall wird das Photoelement so neben der Libelle angeordnet,
daß es dieses Streulicht empfängt.
Da das die Blase ausfüllende Medium einen ande
ren Brechungsindex besitzt als das umgebende Medium, wirft
die Blase einen Fleck auf die lichtempfindlichen
Flächen des photoelektrischen Empfängers, der je nachdem,
welche Medien verwendet werden, etwas heller oder etwas
dunkler ist, als die ihn umgebenden Bereiche, und der über
die lichtempfindliche Fläche bzw. Flächen wandert, wenn sich
die Libellenblase aufgrund einer Neigungsänderung verschiebt.
Als Photoempfänger findet ein ortsauflösendes differentielles
Photoelement Verwendung, dem über einen Eingang ein Gesamt
strom zugeführt wird, der über zwei oder mehr Ausgänge ab
fließt. Solange der Schwerpunkt der auf die lichtempfind
liche Fläche bzw. Flächen auftreffenden Intensitätsverteilung
mit dem Symmetriezentrum der lichtempfindlichen Fläche bzw.
Flächen zusammenfällt, was vorzugsweise in der Ruhe- bzw.
Ausgangslage des Neigungssensors der Fall ist, sind die an
den verschiedenen Ausgängen abfließenden Ströme gleich. Ver
schiebt sich der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung, d. h.
der von der Libellenblase erzeugte Fleck gegen das Symmetrie
zentrum, so nimmt beispielsweise der Strom an dem oder den
Ausgängen, zu dem oder denen sich der dunkle Fleck hin ver
schiebt, ab, während er an den Ausgängen, von denen sich der
Fleck entfernt, anwächst. Durch Differenzbildung dieser Aus
gangsströme läßt sich die Richtung und die Weite der Ver
schiebung und damit die Richtung und Stärke der aufgetrete
nen Neigungsänderung sehr genau und mit hoher Auflösung be
stimmen.
Der dem photoelektrischen Element zugeführte Strom kann auf
einfache Weise konstant gehalten werden, so daß bei der Nei
gungsmessung nur die Differenz bzw. Differenzen der Aus
gangsströme eine Rolle spielen. Dadurch wird die Anordnung
von Alterungserscheinungen sowohl der optoelektrischen als
auch der elektronischen Komponenten als auch von Änderungen
in der Transparenz der beiden Medien und des sie umgebenden
Gehäuses völlig unabhängig.
Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß die opto
elektrischen Bestandteile auf der Außenseite der Libelle
angebracht werden können, ohne daß in deren Gehäuse einge
griffen werden muß. Zur Verarbeitung der Ausgangssignale des
photoelektrischen Empfängers genügen einfache Impedanzwand
ler und Differenzverstärker, die eine getaktete oder eine
kontinuierliche Messung ermöglichen. Eine Wechselspannungs
verarbeitung ist nicht zwingend erforderlich.
Um bei großen Bewegungsbereichen für die Libellenblase keine
allzu großen lichtempfindlichen Flächen für das photoelektrische
Empfängerelement zu benötigen, kann zwischen der Libelle und
dem photoelektrischen Empfänger eine Abbildungsoptik vor
gesehen werden.
ung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben;
in dieser zeigen:
Fig. 1 in Seitenansicht den mechanischen Aufbau eines
Neigungssensors zur Erfassung von Neigungsände
rungen um eine Achse,
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Neigungssensor aus Fig. 1,
wobei die Libelle weggelassen ist und die die
Ausgangssignale verarbeitenden elektronischen
Schaltungen schematisch angedeutet sind, und
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines
Neigungssensors zur Erfassung von Neigungsände
rungen gegenüber einer Ebene.
In den Fig. 1 und 2 ist ein Neigungssensor 1 wiedergegeben,
der geeignet ist, Neigungsänderungen bzw. Verkippungen um
die in Fig. 2 sichtbare Achse 3 mit hoher Genauigkeit und
großem Auflösungsvermögen messend zu erfassen. Zu diesem
Zweck umfaßt der Neigungssensor eine herkömmliche Röhren
libelle 5, deren Gehäuse aus einem für Licht durchlässigen
Material besteht und deren Innenraum 6 mit einer Flüssigkeit
7 gefüllt ist, die eine Gasblase 8 umschließt. Die Längs
achse der Röhrenlibelle 5 erstreckt sich in horizontaler
Richtung senkrecht zur Neigungsachse 3. Die Innenraum-Wand
fläche 9, an der die Gasblase 8 aufgrund des Auftriebes,
den sie in der Flüssigkeit 7 erfährt, anliegt, ist in Längs
richtung der Röhrenlibelle 5 mit einem in der Fig. 1 sehr
großen Krümmungsradius so gekrümmt, daß sich für jeden Nei
gungswinkel, mit dem die Längsachse der Röhrenlibelle 5 um
die Achse 3 verkippt wird, eine stabile Lage für die Gas
blase 8 ergibt, in der sie dann allerdings gegen die in
den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Ausgangslage nach links bzw.
rechts verschoben ist. Über der Röhrenlibelle 5 ist eine
Lichtquelle 10 angeordnet, die beispielsweise von einer
Leuchtdiode gebildet werden kann und die die gesamte Länge
der Röhrenlibelle 5 ausleuchtet. Das von der Lichtquelle
10 ausgehende Licht tritt durch das transparente Gehäuse
der Röhrenlibelle 5 und durch die ebenfalls transparente
Flüssigkeit 7 ebenso hindurch wie durch die Gasblase 8.
An der Grenzfläche 11 zwischen der Gasblase 8 und der Flüs
sigkeit 7 treten jedoch Reflexions- und Streueffekte auf,
so daß in der unmittelbaren Umgebung der Verbindungslinie
zwischen der Lichtquelle 10 und dem Zentrum der Gasblase 8
auf der Unterseite des Libellengehäuses etwas weniger Licht
austritt als in den von dieser Verbindungslinie weiter ent
fernten Bereichen. Man erhält also auf der der Lichtquelle
10 gegenüberliegenden Seite der Röhrenlibelle, auf der der
Photodetektor 12 angeordnet ist, eine ungleichförmige In
tensitätsverteilung, die in Fig. 2 durch einen ovalen, in
seiner Form in etwa an die Form der Gasblase 8 angepaßten
Fleck 14 wiedergegeben ist, in dessen Bereich etwas weniger
Licht auf den Photodetektor 12 auffällt, als in den den
Fleck 14 umgebenden Bereichen.
Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Nullpunkts- bzw.
Ausgangslage des Neigungssensors 1 fällt das Zentrum der
eben beschriebenen Intensitätsverteilung mit dem Symmetrie
zentrum X des Photodetektors 12 zusammen.
Dieser Photodetektor 12 ist ein ortsauflösendes Photoelement,
das von einer Lateralphotodiode, einer Differentialphotodiode
oder einem CCD-Element gebildet werden kann. Bei dem in Fig. 2
gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der Photodetektor 12
einen Eingangsanschluß 15, über den ihm ein Eingangsstrom IEIN
zugeführt wird. Solange, wie in Fig. 2 gezeigt, der Schwer
punkt der auf die lichtempfindliche Oberfläche des Photode
tektors 12 auffallenden Intensitätsverteilung mit dem Symme
triezentrum X zusammenfällt, teilt sich dieser Eingangsstrom
IEIN gleichmäßig nach beiden Seiten hin auf, so daß die über
die beiden Ausgangsanschlüsse 16, 17 abfließenden Ströme I1
und I2 gleich groß sind. Diese beiden Ströme werden über Im
pedanzwandler 18, 19 einem Differenzverstärker 20 zugeführt,
der an seinem Ausgang 21 ein die Differenz der beiden Ströme
I1-I2 wiedergebendes Signal abgibt. In der gezeigten Aus
gangslage des Neigungssensors ist dieses Signal gleich Null.
Wird der Sensor geneigt, so bewegt sich die Gasblase 8 ent
lang der Wandfläche 9 in Fig. 1 entweder nach links oder
nach rechts und in entsprechender Weise verschiebt sich der
Fleck 14 in Fig. 2 aus der wiedergegebenen Zentrallage her
aus näher zum linken oder zum rechten Ausgangsanschluß 17
bzw. 16 hin. Dadurch nimmt der über den betreffenden Aus
gangsanschluß abfließende Strom I2 bzw. I1 ab, während der
am jeweils gegenüberliegenden Ausgang abfließende Strom I1
bzw. I2 in gleicher Weise zunimmt. In entsprechender Weise
weicht das vom Differenzverstärker 20 erzeugte Ausgangs
signal vom Null-Wert ab, wobei das Vorzeichen dieses Sig
nals die Richtung angibt, mit der der Fleck 14 aus der Zen
trallage ausgewandert ist.
Für den dieses Auswandern verursachenden Neigungswinkel α
gilt
da I1+I2=IEIN auf einfache Weise konstant gehalten
werden kann, hängt das den Winkel α beschreibende Signal
nur von der Differenz der beiden Ströme I1 und I2 ab, so
daß alle absoluten Änderungen keine Rolle spielen.
Der in Fig. 3 perspektivisch dargestellte Neigungssensor
1 umfaßt eine in einer horizontalen Ebene angeordnete Dosen
libelle 25, über der wieder eine Lichtquelle 10 angeordnet
ist, die den Bewegungsbereich der Gasblase 8 ausleuchtet.
Unterhalb der Dosenlibelle 25 befindet sich ein photoelek
trischer Empfänger 12, der hier von einer 4-Quadranten-
Photodiode gebildet wird, deren lichtempfindliche Flächen
26, 27, 28, 29 durch zwei einander im rechten Winkel über
kreuzende Trennspalte 30, 31 voneinander getrennt sind,
die in Fig. 3 der Deutlichkeit halber im Verhältnis zur
Größe der lichtempfindlichen Flächen 26 bis 29 stark ver
größert wiedergegeben sind. Der Kreuzungspunkt der beiden
Trennspalte 30, 31 bildet hier das Symmetriezentrum X des
Photoempfängers, das mit dem Eingangsanschluß 15 verbunden
ist, über den den vier Quadranten ein gemeinsamer Eingangs
strom IEIN zugeführt wird. Jeder der vier Quadranten be
sitzt einen Ausgangsanschluß 32 bis 35, über den der jeweilige
Ausgangsstrom I1, I2, I3 bzw. I4 abfließt. Befindet sich,
wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, der von der Gasblase 8
erzeugte Fleck 14 mit seiner Mitte genau über dem Symmetrie
zentrum X, so sind diese vier Ausgangsströme gleich groß.
Wird die Anordnung geneigt, so verschiebt sich der Fleck
14 aus dieser Ausgangslage heraus und nähert sich dabei
einem oder zweien der Ausgangsanschlüsse 32 bis 35 an.
Dadurch ändern sich die aus den Ausgangsanschlüssen heraus
fließenden Ströme in entsprechender Weise, wie dies bei
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 bereits beschrie
ben wurde. Durch entsprechende Auswertung dieser Änderun
gen der Ausgangsströme I1 bis I4 läßt sich erkennen, um
welche durch die horizontale Ebene verlaufende Achse die
Anordnung geneigt wurde und wie stark diese Neigung ist.
Statt der in Fig. 1 gezeigten geradlinigen Röhrenlibelle
kann auch eine zur Lichtquelle 10 hin konvex gekrümmte
Röhrenlibelle verwendet werden, wodurch sich der Neigungs
winkel-Meßbereich vergrößern läßt. Zwischen dem photo
elektrischen Empfänger 12 und der Unterseite der zugehöri
gen Libelle kann eine Sammellinse angeordnet werden, wodurch
bei gleichbleibender lichtempfindlicher Fläche des Photo
detektors 12 der Bewegungsbereich der Gasblase 8 vergrößert
werden kann.
Claims (3)
1. Neigungssensor mit einem geschlossenen Hohlkörper, dessen
Innenraum mit zwei Medien gefüllt ist, die verschiedene
spezifische Gewichte und unterschiedliche optische Eigen
schaften besitzen und durch eine stabile Grenzfläche von
einander getrennt sind, und mit einer Lichtquelle und
einem Photoempfänger, der das durch die Grenzfläche be
einflußte Licht der Lichtquelle empfängt und in ein
elektrisches Signal umwandelt, das zur Erkennung und
Messung von Neigungsänderungen ausgewertet wird, dadurch
gekennzeichnet, daß das eine der beiden
Medien von einer Wandfläche (9) des Innenraums (6) des
Hohlkörpers (5) und dem anderen der beiden Medien in
Form einer Blase (8) umschlossen wird, die sich beim
Auftreten einer Neigungsänderung ausgehend von einer
vorgegebenen Ruhelage an der Wandfläche (9) entlang be
wegt, daß die Lichtquelle (10) den Bewegungsbereich
der Blase (8) lampenartig ausleuchtet, daß der photo
elektrische Empfänger (12) von einem ortsauflösenden
photoelektrischen Element gebildet wird, dessen Ausgangs
signale sich mit der geometrischen Verschiebung des
Schwerpunktes der auf das photoelektrische Element auf
treffenden Intensitätsverteilung differentiell ändern,
und daß die Lichtquelle (10) und das photoelektrische
Element (12) an der Bewegungsbahn der Blase
(8) so angeordnet sind, daß sich der Schwerpunkt der
Intensitätsverteilung des von der Lichtquelle (10) auf
das photoelektrische Element (12) fallenden Lichtes ent
sprechend den Bewegungen der Blase (8) über die licht
empfindlichen Flächen des photoelektrischen Elements
(12) verschiebt.
2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wandfläche (9), an der sich
die Blase (8) beim Auftreten einer um eine Neigungsachse
(3) erfolgenden Neigungsänderung entlang bewegt, zumin
dest in der zu der Neigungsachse (3) senkrechten Rich
tung einen sehr großen Krümmungsradius besitzt.
3. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lichtquelle (10)
und das photoelektrische Element (12) so angeordnet
sind, daß in der Ruhelage der Schwerpunkt der Inten
sitätsverteilung des auf das photoelektrische Element
(12) auftreffenden Lichts mit dem Symmetriezentrum
(X) der lichtempfindlichen Flächen zusammenfällt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893938848 DE3938848A1 (de) | 1989-11-23 | 1989-11-23 | Neigungssensor |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893938848 DE3938848A1 (de) | 1989-11-23 | 1989-11-23 | Neigungssensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3938848A1 true DE3938848A1 (de) | 1991-05-29 |
Family
ID=6394065
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19893938848 Withdrawn DE3938848A1 (de) | 1989-11-23 | 1989-11-23 | Neigungssensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3938848A1 (de) |
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-
1989
- 1989-11-23 DE DE19893938848 patent/DE3938848A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG, 8000 MUENCHEN, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |