DE4110858A1

DE4110858A1 - Zweiachsiger neigungsmesser

Info

Publication number: DE4110858A1
Application number: DE4110858A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Piske
Original assignee: Wild Heerbrugg AG; Leica Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1991-04-04
Filing date: 1991-04-04
Publication date: 1992-10-08
Also published as: DE59206332D1; EP0507102A2; EP0507102A3; JP3119715B2; JPH0599666A; EP0507102B1; US5371951A

Description

Die Erfindung betrifft einen zweiachsigen Neigungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Neigungsmesser werden beispielsweise in der Geodäsie zur Horizontierung von geodätischen Meßinstrumenten verwendet. Bei der artigen Neigungsmessern ist ein Element vorgesehen, welches seine Lage in Abhängigkeit von der Schwerkraft verändert. Über dieses Element wird eine Meßmarke auf einen lagestabilen Empfänger abge bildet. Eine sich hier ergebende Lageabweichung zu einem vorher justierten Nullpunkt ist ein Maß für die Neigung des Gerätes.

Ein derartiger Neigungsmesser ist aus der EP 01 61 207 B1 bekannt. Mit einer Spaltbeleuchtung wird über einen Spiegel ein Lichtbündel auf ein kombiniertes Glas-Flüssigkeitsprisma projiziert. Das Prisma weist einen mit Siliconöl gefüllten Behälter auf, wobei über eine Reflexion am Flüssigkeitshorizont und Projektion des Strahls auf ein lichtempfindliches Array die Neigung ermittelt wird. Mit der hier beschriebenen und dargestellten Spaltbeleuchtung kann nur eine ein achsige Neigungsrichtung bei eingeschränktem Meßbereich ermittelt werden. Insbesondere bei geodätischen Instrumenten sind jedoch zweiachsige Neigungsmessungen erforderlich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Neigungsmesser der art weiterzubilden, daß zweiachsige Messungen bei hoher Meßgenauig keit und großem Meßbereich ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen dargestellt und wird an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Meßanordnung mit Flüssigkeitsprisma im Durchlicht,

Fig. 2 einen Träger mit einer als Fischgrätmuster ausgebildeten geometrischen Figur,

Fig. 3 ein Lineararray mit aufprojiziertem Winkel der geometrischen Figur,

Fig. 4 eine Meßanordnung mit Flüssigkeitsprisma und Strahlenteiler,

Fig. 5 eine Meßanordnung mit Flüssigkeitsprisma und Totalreflektion am Flüssigkeitshorizont,

Fig. 6 eine Meßanordnung mit einem Fadenpendel,

Fig. 7 einen Träger mit einer als Rautenmuster ausgebildeten geometrischen Figur,

Fig. 8 einen Träger mit einer als Mäandermuster ausgebildeten geometrischen Figur,

Fig. 9 einen Träger mit einer geometrischen Figur aus unterbrochenen Einzelwinkeln,

Fig. 10 eine geneigte Meßanordnung mit Flüssigkeitsprisma im Durchlicht.

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung für einen zweiachsigen Neigungs messer mit einer Lichtquelle 2, von der ein Beleuchtungsstrahlen bündel 10 über einen Träger 3 und ein Flüssigkeitsprisma 1 hindurch abgebildet wird. Im Strahlengang sind eine Optik 4 und 5 angeordnet. Das Flüssigkeitsprisma 1 weist in einem Behälter 7 eine Flüssigkeit 6 auf, die vorzugsweise aus transparentem Siliconöl besteht. Der Be hälter 7 wird durch eine transparente Abschlußplatte 11 geschlossen. Mit den beiden Optiken 4, 5 wird ein auf dem Träger 3 vorgesehenes Muster 12; 17; 18 über die Flüssigkeit 6 auf ein Lineararray 8 abge bildet, wobei das Beleuchtungsstrahlenbündel 10 im Bereich der Flüs sigkeit 6 parallel verläuft. Die hier beschriebene Anordnung kann sowohl in einem eigenen Gehäuse als auch als Bestandteil in einem geodätischen Meßinstrument angeordnet sein.

In dieser Ausführungsform erfolgt eine Ablenkung des Beleuchtungs strahlenbündels 10 in X- und Y- Richtung durch Brechung am geneigten Flüssigkeitshorizont 9, wobei sich die Flüssigkeit 6 wie ein op tischer Keil verhält.

Die Fig. 2 zeigt den Träger 3 mit einem darauf angeordneten Fisch grätmuster 12 aus einzelnen Winkeln 13, die in unterschiedlicher Strichstärke und in unregelmäßigem Abstand voneinander auf dem Träger 3 angeordnet sind. Durch diese codierte Anordnung wird ein größerer Meßbereich für die Neigungsmessung erreicht. Die Auswertung einer zweiachsigen Neigungsmessung mit einem 90°-Winkel wird an Hand der Fig. 3 näher erläutert.

Die Fig. 3 zeigt das Lineararray 8 mit einem einzelnen aufproji zierten Winkels 13 der geometrischen Figur. Die beiden Schenkel 15, 16 des Winkels 13 schneiden das Array 8 in jeweils einem Punkt A₁, A₂.

Als Normallage, d. h. für X und Y liegt keine Neigung vor, wurde die Spitze des Winkel 13 auf die Koordinaten X₀ und Y₀ justiert und rechnerisch ein X-Y-Koordinatensystem festgelegt.

Eine X-Y-Neigung wird aus der Lageabweichung der Spitze des Winkels 13 mit den nachfolgend aufgeführten Formeln ermittelt:

Zur Auswertung einer Neigung in Y-Richtung verschiebt sich der Winkel 13 auf dem Array 8 entlang der Y-Achse und somit die Spitze des Winkels 13 parallel zum Array 8. Diese Verschiebung wird aus dem Betrag der Strecke Y_s-Y₀ bestimmt.

Zur Auswertung einer Neigung in X-Richtung verschiebt sich der Winkel 13 parallel zum Array 8 entlang der X-Achse und somit die Spitze des Winkels 13 senkrecht zum Array 8. Diese Verschiebung wird aus dem Betrag der Strecke X_s-X₀ bestimmt.

Bei einer sich überlagernden Bewegung, d. h. einer Neigung in X- und Y-Richtung, können die Beträge der beiden daraus resultierenden Verschiebungen auf dem Array 8 separat bestimmt werden.

Zur Vereinfachung der Berechnung kann der Winkel 13 mit 90° ausge bildet sein (ctg 45° = 1). Die Meßempfindlichkeit kann jedoch auch durch die Wahl des Winkels verändert werden. Aus o.a. Formeln wird deutlich, daß bei einem Winkel α < 45° die Empfindlichkeit gegen eine X-Y-Verschiebung größer ist als bei α < 45° Durch die Ver wendung einer geometrischen Figur, wie sie beispielsweise zur Fig. 2 bereits beschrieben wurde, wird der Meßbereich erweitert und es können zur Fehlerkompensation mehrere Messungen gleichzeitig durch geführt werden. Bedingt durch die unterschiedliche Strichstärke und/oder den unterschiedlichen Abstand der einzelnen Winkel 13 zu einander, kann jeder einzelne Winkel 13 an Hand dieser Codierung eindeutig erkannt und in einer nicht mit dargestellten Rechnerein heit ausgewertet werden.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Teiler prisma 14. Über dieses Teilerprisma 14 wird das Strahlenbündel 10 umgelenkt und am Füssigkeitshorizont 9 gebrochen. Eine Reflexion des Bildes mit der geometrischen Figur erfolgt am Spiegel 21. Das re flektierte Bild wird über das Prisma 14 auf den Array 8 abgebildet.

In der Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel mit einem kombinierten Glas-Flüssigkeitsprisma 1 dargestellt, welches sich dadurch aus zeichnet, daß bei schräger Beleuchtung das auftreffende Beleuch tungsstrahlenbündel 10 am Flüssigkeitshorizont 9 gespiegelt wird und sich daraus auch bei geringen X-Y-Neigungen eine hohe Ablenkung der Beleuchtungsstrahlenbündels 10 erreichen läßt.

Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Anordnung mit einem Fadenpendel 19, an welchem der Träger 3 mit der geometrischen Struktur angeordnet ist. Der Träger 3 wird mit einer Lichtquelle 2 beleuchtet und das Bild auf das unter dem Träger 3 angeordnete Lineararray 8 projiziert. Wird in dieser Ausführungsform der Abstand zwischen dem Träger 3 und dem Array 8 möglichst klein gewählt, so kann auf die Verwendung von zusätzlichen Optiken verzichtet werden.

Die Fig. 7 zeigt den Träger 3 mit einem darauf angeordneten Rauten muster 18 aus einzelnen Winkeln 13. Analog zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 können auch hier die einzelnen Winkel 13 in unterschied licher Strichstärke ausgeführt sein.

In der Fig. 8 ist der Träger 3 mit einem darauf angeordneten Mäandermuster 19 aus einzelnen, aneinandergereihten Winkeln 13 dar gestellt. In dieser Ausführungsform können die einzelnen Winkel 13 in unterschiedlicher Strichstärke und/oder in unterschiedlichem Ab stand voneinander auf dem Träger 3 vorgesehen sein.

Die Fig. 9 zeigt eine geometrische Figur mit unterbrochenen Einzel winkeln. Diese Winkel 22 schränken die Funktion der geometrischen Figur nicht ein, sondern begrenzen lediglich den maximalen Meß bereich in X- oder Y-Richtung.

Die Fig. 10 zeigt analog zur Fig. 1 eine geneigte Meßanordnung in Durchlichtbeleuchtung. Der Flüssigkeitshorizont 9 richtet sich dabei unter Wirkung der Schwerkraft gegenüber dem tatsächlichen Horizont 20 aus und bildet zusammen mit dem Abschlußglas 11 einen optischen Keil, an dem das parallel verlaufende Beleuchtungsstrahlenbündel 10 gebrochen wird. Über die Optik 5 erfolgt die Abbildung der geo metrischen Figur auf dem Lineararray 8.

Die Erfindung ist nicht auf geodätische Meßinstrumente beschränkt, sondern ist überall dort als separates Gerät oder auch in Kombi nation mit einem anderen Instrument zu verwenden, wo X-Y-Neigungen zu erfassen sind.

Bezugszeichenliste

1 Flüssigkeitsprisma
2 Lichtquelle
3 Träger
4 Optik
5 Optik
6 Flüssigkeit
7 Behälter
8 Lineararray
9 Flüssigkeitshorizont
10 Beleuchtungsstrahlenbündel
11 Abschlußplatte
12 Fischgrätmuster
13 Winkel
14 Teilerprisma
15; 16 Schenkel von 13
17 Mäandermuster
18 Rautenmuster
19 Fadenpendel
20 Horizont
21 Spiegel
22 unterbrochener Winkel

Claims

1. Neigungsmesser zur Messung von Neigungen oder Neigungsänderungen in zwei senkrecht zueinander stehenden Richtungen, mit einer Licht quelle, die einen Träger mit einer geometrischen Figur beleuchtet und diese über einen neigungsempfindlichen und strahlablenkenden Sensor auf einen Lineararray abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur (12) mindestens einen Winkel (13; 22) auf weist, dessen abgebildete Schenkel (15; 16) das Array (8) an zwei Punkten schneiden.

2. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der neigungsempfindliche und strahlablenkende Sensor als mechanisches Pendel (19) ausgebildet und der Träger (3) mit der geometrischen Figur (12) an diesem Pendel (19) angeordnet ist.

3. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der neigungsempfindliche und strahlablenkende Sensor als Flüssig keitsprisma (1) ausgebildet ist.

4. Neigungsmesser nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur mehrere hintereinander zu einem Fischgrät muster (12) angeordnete Einzelwinkel (13) aufweist.

5. Neigungsmesser nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur ein Rautenmuster (18) mit mehreren Einzel winkeln (13) aufweist.

6. Neigungsmesser nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur ein Mäandermuster (17) mit mehreren anein andergereihten Einzelwinkeln (13) aufweist.

7. Neigungsmesser nach Anspruch 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur Einzelwinkel (13) mit unterschiedlicher Strichdicke aufweist.

8. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeitsprisma (1) transparentes Siliconöl aufweist.

9. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion im Durchlicht erfolgt.

10. Neigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion über eine Totalreflektion am Horizont (9) der Flüssigkeit (6) erfolgt.

11. Neigungsmesser nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Figur mehrere Einzel winkel (13) mit unterschiedlichen Abständen zueinander aufweist.

12. Neigungsmesser nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein gegeneinander geneigtes Strichmuster die Winkel (13; 22) der geometrischen Figur bilden.