Neigungsmeßvorri chtung Inclination measuring device
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selbsttätigen Messen derNeigung und/oder Neigungsänderung eines Geräteteiles in bezug auf die Richtung derSchwerkraft, mit einem geratefest angeordneten optischen Strahlerzeuger und einemgerätefest angeordneten optischen Empfänger, sowie mit einem den optischen Strahlengangvom Strahlerzeuger zum Empfänger ablenkenden Bauelement, das sich selbsttätig nachder Schwerkraft einstellt.The invention relates to a device for automatic measurement of theInclination and / or change in inclination of a device part with respect to the direction of theGravity, with a fixed optical beam generator and aOptical receiver fixed to the device, as well as with an optical beam pathfrom the beam generator to the receiver deflecting component, which automatically followsthe gravity adjusts.
Bei einem bekAnnten derartigen Neigungsmesser, wie er i der VermessungstechnikVerwendung findet, ist als Sender eine Lichtquelle und als Empfänger eine Skalaoder Mattscheibe verwendet0 Als sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellendesund den optischen Strahlengang ablenkendes Bauelement dient eine Flüssigkeitsoberflächedie den Lichtstrahl reflektiert0 Diese bekannten Vorrichtungen sind als Kompensatorenausgebildet, bei denen durch manuelle Nachsteilung mittels optischer Mikrometerbei visueller Beobachtung der Meßwert ermittelt wird, Mit derartigen Kompensatorensind zwar recht genaue Messungen möglich, doch ist das Arbeiten mit diesen Gerätenrelativ zeitraubend und wegen der visuellen Kontrolle feiner Unterschiede ermüdend.With a well-known inclinometer of the kind used in surveying technologyIs used is a light source as a transmitter and a scale as a receiveror ground glass used0 As automatically adjusting according to the force of gravityand the component deflecting the optical beam path is a liquid surfacewhich reflects the light beam0 These known devices are called compensatorsformed in which by manual readjustment using an optical micrometerthe measured value is determined upon visual observation, with compensators of this typeare quite accurate measurements possible, but working with these devices isrelatively time-consuming and tiring because of the visual control of fine differences.
Selbsttätige Neigungsmesser sind ebenfalls bekannt; bei diesen bekanntenVorrichtungen sind weder optische Sender und Empfänger noch ein sich selbsttätignach der Schwerkraft einstellendes Bauelement vorhanden.Automatic inclinometers are also known; with these well-knownDevices are neither optical transmitters and receivers nor self-actingaccording to the gravity adjusting component available.
Vielmehr ist bei diesen bekannten Geräten ein Pendel vorgesehen, dasmittels elektronischer Positionsfühler und Regelschaltungen in konstanter Winkellagerelativ zum IIegungsmesser gehalten wird. Der hierzu erforderliche Regelstrom istein Maß für die Abweichung der Richtung der Schwerkraft von der Pendellängsachseund wird als analoge Meßgröße für den Neigungswert verwendet. Von Nachteil ist beidiesen bekannten Geräten die häufig mangelhafte zeitliche und thermische Stabilitätund die damit zwangsläufig verbundene GenauigkeitseinbußeOAlfflgabeder vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Vorteilebeider bekannten Vorrichtungen unter Vermeidung von deren Nachteilen kombiniert,bei der also sowohl eine selbsttätige Meßwerterfassung als auch gleichzeitig einegute zeitliche und thermische Stabilität erzielt wird. Gelöst wird diese Aufgabebei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß derEmpfänger ein photoelektrisches Empfangs system ist, daß dem photoelektrischen Empfangssystem eine Auswerteelektronik nachgeschaltet ist, daß am Ausgang der Auswerteelektronikein der Größe und der Richtung der Ablenkung des vom Sender ausgesandten und aufden Empfänger auftreffenden Strahles entsprechendes Signal auftritt, und daß anden Ausgang der Auswerteelektronik eine Anzeige- und/oder eine Registriervorrichtungund/oder eine Signalverarbeitungsstufe angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtungarbeitet sehr rasch, weil jegliche manuelle Meßwerterfassung entfällt. Sie arbeitetmit hoher Genauigkeit und guter Stabilität, weil keine Regelanordnungen verwendetsind0 Schließlich ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein wenig ermüdendesArbeiten möglich, weil eine Anzeige und/oder Registriervorrichtung vorgesehen undohne weiteres so gestaltet werden kann, daß sie sehr viel bequemer auszuwertendeInformationen liefert als beispielsweise ein optisches Mikrometer, Außerdem könnenvon der Signalverarbeitungsstufe weitere Steuer- oder Meßfunktionen abgeleitet werden,Bevorzugtist als photoelektrisches Empfängersystem eine Schottizy-Farrier-Diode verwendet,die ich für den vorliegenden Zweck als besonderes geeignet erwiesen hat.Rather, a pendulum is provided in these known devices thatby means of electronic position sensors and control circuits in a constant angular positionis held relative to the voltage meter. The control current required for this isa measure of the deviation of the direction of gravity from the longitudinal axis of the pendulumand is used as an analog measured variable for the inclination value. The disadvantage is withthese known devices often lack the temporal and thermal stabilityand the inevitably associated loss of accuracyAlfflgabeThe present invention is to provide an apparatus that has the advantagesboth known devices combined while avoiding their disadvantages,In the case of both an automatic measurement value acquisition as well as a simultaneousgood temporal and thermal stability is achieved. This task is solvedin a device of the type mentioned according to the invention in that theReceiver a photoelectric reception system is that the photoelectric receptionsystem an evaluation electronics is connected downstream that at the output of the evaluation electronicsone of the size and direction of the deflection of the emitted by the transmitter and onthe receiver incident beam corresponding signal occurs, and that onthe output of the evaluation electronics a display and / or a registration deviceand / or a signal processing stage is connected. The device according to the inventionworks very quickly because there is no need for manual data acquisition. she workswith high accuracy and good stability because no control arrangements are usedsind0 Finally, the device according to the invention is a little tiringWork possible because a display and / or registration device is provided andcan easily be designed so that they are much more convenient to evaluateProvides information as, for example, an optical micrometer, can alsofurther control or measuring functions can be derived from the signal processing stage,Preferreda Schottizy-Farrier diode is used as the photoelectric receiver system,which I have proven to be particularly suitable for the present purpose.
Als sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellendes Element kannein Pendel verwendet sein, das zur Ablenkung des Strahlenganges einen Spiegel trägt,Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dagegen als ablenkendesBauelement eine totalreflektierende Flüssigkeitsoberfläche verwendet. Dies hat einerseitsden Vorteil, daß eine empfindliche Spiegeloberfläche nicht nötig ist und daß andererseitseine Schwingungsdämpfung leichter zu verwirklichen ist als bei einem Pendel.As an element that adjusts itself automatically according to the force of gravitya pendulum can be used that carries a mirror to deflect the beam path,In a preferred embodiment of the invention, however, is as a distractingComponent uses a totally reflective liquid surface. This has on the one handthe advantage that a sensitive mirror surface is not necessary and that on the other handvibration damping is easier to achieve than with a pendulum.
Häufig sind derartige Neigungsmeßvorrichtungen so ausgebildet, daßsie eine einachsige Messung ermöglichen, so daß sie in einer Richtung, meist derdes Zielazimutes, arbeiten können. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindungdagegen erfaßt das photoelektrische Empfängersystem die Ablenkung des Strahlengangesnach zwei vorzugsweis e zueinander orthogonalen Koordinatenrichtungen.Often such inclination measuring devices are designed so thatthey allow a uniaxial measurement, so that they are in one direction, usually theof the target azimuth. In preferred embodiments of the inventionon the other hand, the photoelectric receiver system detects the deflection of the beam pathafter two preferably e mutually orthogonal coordinate directions.
Dies hat den Vorteil, daß zwei Meßwerte gleichzeitig erfaßt werdenund daher die Meßzeit erheblich verkürzt wird.This has the advantage that two measured values are recorded at the same timeand therefore the measurement time is shortened considerably.
Bei dem vom Sender ausgesandten Lichtstrahl kann es sich um einenkontinuierlich erzeugten Strahl handeln. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindungist der Senderst-rahl gepulst. Dies kann einerseits dazu benutztwerden,um die Lichtimpulsleistung gegenüber der Dauerstrichleistung des Senders zu erhöhem;es kann jedoch sich dazu verwendet werden, um eine taktweise Verarbeitung in derAuswerteelektronik vorzubereiten.The light beam emitted by the transmitter can be aact continuously generated beam. In preferred embodiments of the inventionthe transmitter beam is pulsed. This can be used on the one handwill,to increase the light pulse power compared to the continuous wave power of the transmitter;however, it can be used to schedule processing in thePrepare evaluation electronics.
Die der Auswerteelektronik nachgeschaltete Anzeige- und/oder Registriervorrichtungkann eine analog arbeitende Anordnung sein. Um jedoch die hohe, mit der erfindungsgemäßenVorrichtung erzielbare Genauigkeit bequem ausnutzen zu ktinnen mid um zusätzlicheine bequeme Registrierung ohne Genauigkeitsverlust zu ermöglichen umfaßt bevorzugtdie Auswerteelektronik einen spannungsgesteuerten Oszillator, rtr von den ggf. vorverstärktenund umgeformten Signalen des Empfängersystemes gesteuert ist; als Anzeige und/oderRegistrievorrichtung sind dem spannungsgesteuerten Oszillator Zähler nachgeschaltet.The display and / or registration device connected downstream of the evaluation electronicscan be an analog working arrangement. However, to the high, with the inventionDevice achievable accuracy can be conveniently exploited and in additionEnabling convenient registration without loss of accuracy is preferredthe evaluation electronics a voltage-controlled oscillator, rtr of the possibly preamplifiedand transformed signals of the receiver system is controlled; as a display and / orRecording devices are connected downstream of the voltage-controlled oscillator counter.
Um bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei Erfassung von zweiKoordinatenrichtungen den Aufwand hinsichtlich der Auswerteelektronik zu vermindernist bevorzugt fiir beide den beiden Koordinatenrichtungen zugeordneten Signalkanäleein gemeinsamer spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen; dabei sind zwischendem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators und den beiden Signalkanälen sowiezwischen dem Aungang des spannungsgesteuerten Uszillatiors und den zwei Zählernje zwei Torschaltungen vorgesehen, die paarweise abwechselnd in Durchlaß- bzw. inSperrstellung schaltbar sind.To with the device according to the invention also when detecting twoCoordinate directions to reduce the effort in terms of the evaluation electronicsis preferred for both signal channels assigned to the two coordinate directionsa common voltage controlled oscillator is provided; are betweenthe input of the voltage controlled oscillator and the two signal channels as wellbetween the output of the voltage controlled oscillator and the two counterstwo gate circuits are provided, alternating in pairs in pass-through or inLocked position are switchable.
Die Erfindung wird anschließend anhand eines in der Zeichnung dargestelltenAusführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigen in schematischerDarstellung: 1: Fle 1 deii mechanisch-optischen Teil einer Vorrichtung zur Beigungsmessungund Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik.The invention will then be illustrated with the aid of one in the drawingEmbodiment described and explained in more detail. It show in schematicIllustration: 1: Fle 1 of the mechanical-optical part of a device for measuring inclinationand FIG. 2 shows a block diagram of evaluation electronics.
Eine Leuchtdiode 1 befindet sich gemäß Fig. 1 im Brennpunkt einesObjektives 2, dem eine totalreflektierende Flüssigkeitsoberfläche 3 mit einem Anpassungskörper4 nachgeordnet ist. Der an der Oberfläche 3 reflektierte Strahl der Senderdiode1 wird durch ein zweites Objektiv 5 auf die Empfängerfläche einer zweikoordinatigempfindlichen Schottky-Barrier-Diode 6 fokussiert, so daß der Sender 1 auf den Empfänger6 abgebildet wird. 1 und 6 sind über Anschlußleitungen 7 bis 13 mit einer Speise-undAuswerteelektronik gemäß Fig. 2 verbunden.According to FIG. 1, a light-emitting diode 1 is located in the focal point of aObjective 2, which has a totally reflecting liquid surface 3 with an adapter body4 is subordinate. The beam of the transmitter diode reflected on the surface 31 is a two-coordinate through a second lens 5 on the receiver surfacesensitive Schottky barrier diode 6 focused, so that the transmitter 1 on the receiver6 is shown. 1 and 6 are via connecting lines 7 to 13 with a feed andEvaluation electronics according to FIG. 2 connected.
Die Funktion der soweit beschriebenen Einrichtung ist leicht einzusehen:Bei einer Verkippung der zueinander fest angeordneten Elemente 1, 2, 4, 5, 6, sowiedes Behälters der Flüssigkeitsoberfläche 3 im Raum bewegt sich das Bild von 1 auf6 um eine durch die Verkippung nach Richtung und Größe festgelegte Strecke. DieseBewegung hat eine entsprechende Anderung der Ausgangssignale der Diode 6 zur Folge,welche elektronisch ausgewertet, angezeigt und/oder registriert wird.The function of the device described so far is easy to see:If the elements 1, 2, 4, 5, 6, and also fixedly arranged relative to one another are tiltedof the container of the liquid surface 3 in space, the image of FIG. 1 moves to6 by a distance determined by the tilt according to direction and size. TheseMovement results in a corresponding change in the output signals of diode 6,which is electronically evaluated, displayed and / or registered.
Fig. 2 zeigt einen 1 kHz-Generator 14 zum Betrieb der Leuchtdiode1 über eine Leitung 12, sowie zur Signalverarbeitung. Die Ausgangssignale der Schottky-Barrier-Diode6 sind für die x-Winkelkoordinate über Anschlüsse 7, 8 und für die y-Winkelkoordinateüber Anschlüsse 9, 10 einem Vorverstärker 15 zugeführt. Diesem folgen über einenTiefpaß 16 Je ein Differenzverstärker 17, 18 für die x- bzw. y-Eoordinate, derenAusgangssignale, sowie ihnen zugeordnete, mit Phasenumkehrern 19, 20 erzeugte gegenphasigeSignale Toren 21, 22, 23, 24 zugeführt sind.Fig. 2 shows a 1 kHz generator 14 for operating the light emitting diode1 via a line 12, as well as for signal processing. The Schottky Barrier Diode output signals6 are for the x-angle coordinate via connections 7, 8 and for the y-angle coordinateA preamplifier 15 is supplied via connections 9, 10. Follow this over oneLow-pass filter 16 Each one differential amplifier 17, 18 for the x and y coordinate, theirOutput signals, as well as associated with them, generated with phase inverters 19, 20 anti-phaseSignals gates 21, 22, 23, 24 are fed.
Die Tore 21, 22 für den x-Winkel und 23, 24 für den y-Winkel werdenvon in einem Trigger 25 erzeugten Gegentaktsignalen wechselweise auf- und zugesteuert.Diese Steuersignale entstehen im Trigger 25 mit einstellbarer Phase und regelbaremTastverhältnis mittels zweier Monoflop 26, 27 aus dem 1-kHz-Taktsignal des Generators14.The gates 21, 22 for the x-angle and 23, 24 for the y-angle will bealternately opened and closed by push-pull signals generated in a trigger 25.These control signals arise in the trigger 25 with an adjustable phase and controllableDuty cycle by means of two monoflop 26, 27 from the 1 kHz clock signal of the generator14th
Die Ausgangssignale der Tore 21, 22 owie 23, 24 werden paarweise summiert,mit einer konstanten Spannung überlagert, in Integratoren 28, 29 von ihren Wechselanteilenbefreit und über weitere Tore 30, 31 einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO)32 zugeführt. Die Frequenzen der Oszillatorsignale werden für die Winkelabweichungin x mit einem Zähler mit Anzeige 33 und in y entsprechend mit 34 gezählt und angezeigt,wobei die Zähler 33, 34 ihre Eingangssignale über Tore 35, 36 erhalten. DieTorpaare30, 35 und 31, 36 werden über Taktsignale L, L wechselweise geöffnet bzw. geschlossen,so daß der VCO 32 im Duplexbetrieb arbeitet.The output signals of gates 21, 22 and 23, 24 are summed in pairs,superimposed with a constant voltage, in integrators 28, 29 of their alternating componentsfreed and via further gates 30, 31 a voltage controlled oscillator (VCO)32 supplied. The frequencies of the oscillator signals are used for the angular deviationcounted and displayed in x with a counter with display 33 and in y correspondingly with 34,the counters 33, 34 receiving their input signals via gates 35, 36. The pair of goals30, 35 and 31, 36 are alternately opened and closed via clock signals L, L,so that the VCO 32 operates in duplex mode.
Die beschriebene Schaltung hat folgende Funktion: Da die Leuchtdiode1 mit einem stabilisierten 1 kHz-Signal von 14 betrieben wird, haben die 8ignaleder Schottky Barrier-Diode 6 auf den Leitungen 7 bis 10 alle die gleiche Frequenzund Phase, aber von der Lage des Beleuchtungsstrahles abhängige, meistens unterschiedlicheAmplituden. Der Tiefpaß 16 zusammen mit dem üblichen Vorverstärker 15 dient derVermeidung von hoohfrequenten 8törsignalen. Die in den Differenzverstärkern 17,18 für die x- bzw. y-Soordinate gebildete Signal differenz stellt nach Größe undVorzeichen ihrer Amplitude den Betrag und die Richtung der Neigung des Gerätes dar.Der Monoflop 26 kippt durch jede positive Flanke des 1 kHs-Signales vom Generator14 für eine einstellbare Zeit von 0 - 1 ms, am Invert-Ausgang von 26 erscheinendaher die positiven Flanken für den Monoflop 27 phasenverschoben. 27 wird so eingestellt,daß seine Ausgangssignale ein Tastverhältnis 1 : 1 haben. Mit diesen zueinanderkomplementären Signalen 4, Q werden die Tore 21 bzw. 22 und 23 bzw. 24 für die Gegentaktsignaleder x- und y-Koordinate wechselweise derart geöffnet, daß entweder nur positiveoder nur negative Halbwellen an den Ausgängen von 21, 22 oder 23, 24 summiert werden.Dementsprechend wird die konstante Vorspannung durch die Integratoren vermehrt odervermindert und über die vom Takt L bzw. L gesteuerten Tore 30 bzw. 31 vom VCO 32abwechselnd in Signale entsprechender Frequenz umgesetzt. Die Signale sind überdie synchron gesteuerten Tore 35, 36 abwechselnd den Zählern 33 bzw. 34 zugeführt,welche die Frequenzen periodisch derart zählen und anzeigen, daß sich die Anzeigeder Neigungswinkel αx und αy vorzeichenrichtig in Minuten (c) und Sekunden(cc) ergibt.L e e r s e i t eThe circuit described has the following function: As the light-emitting diode1 is operated with a stabilized 1 kHz signal of 14, the 8 signalsthe Schottky Barrier Diode 6 on lines 7 to 10 all have the same frequencyand phase, but mostly different depending on the position of the illuminating beamAmplitudes. The low-pass filter 16 together with the usual preamplifier 15 is usedAvoidance of high-frequency interfering signals. The in the differential amplifiers 17,18 for the x or y coordinate signal formed difference represents according to size andThe sign of its amplitude represents the amount and direction of the inclination of the device.The monoflop 26 toggles with every positive edge of the 1 kHs signal from the generator14 for an adjustable time of 0 - 1 ms, appear at the invert output of 26therefore the positive edges for the monoflop 27 are out of phase. 27 is set so thatthat its output signals have a duty cycle of 1: 1. With these to each othercomplementary signals 4, Q are the gates 21 and 22 and 23 and 24 for the push-pull signalsthe x- and y-coordinate alternately opened in such a way that either only positiveor only negative half-waves are summed at the outputs of 21, 22 or 23, 24.Accordingly, the constant bias is increased or increased by the integratorsand via the gates 30 and 31 controlled by the clock L and L from the VCO 32alternately converted into signals of the corresponding frequency. The signals are overthe synchronously controlled gates 35, 36 alternately fed to the counters 33 and 34, respectively,which count and display the frequencies periodically in such a way that the displaythe angle of inclination αx and αy with the correct sign in minutes (c) and seconds(cc) gives.L e r s e i t e
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| Date | Code | Title | Description |
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