CH665024A5

CH665024A5 - ARRANGEMENT FOR HEIGHT MEASUREMENT, PREFERRED TO THE GEOMETRIC LEVEL.

Info

Publication number: CH665024A5
Application number: CH458884A
Authority: CH
Inventors: Wieland Feist; Gerhard Huether
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1983-10-03
Filing date: 1984-09-25
Publication date: 1988-04-15
Also published as: DD226066A1; JPS6097208A; DE3428044A1

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Höhenmessung, vorzugsweise zum geometrischen Nivellement, mit einem Nivellier, umfassend ein Zielfernrohr mit einer horizontalen Ziellinie zum Anzielen eines Messpunktes, eine Einrichtung zur Stabilisierung der horizontalen Ziellinie zur Lotrichtung, eine sichtbares oder infrarotes Licht aussehende Lichtquelle, eine im Zielpunkt angeordnete Messlatte, Mittel zur Horizontierung und Orientierung von Instrument und Messlatte und Mittel zur objektiven lichtelektrischen Ausmessung des Messlattenanzeige. The invention relates to an arrangement for height measurement, preferably for geometric leveling, with a level, comprising a telescopic sight with a horizontal target line for aiming at a measuring point, a device for stabilizing the horizontal target line towards the plumb direction, a visible or infrared-looking light source, one at the target point arranged measuring stick, means for leveling and orienting the instrument and measuring stick and means for objective photoelectric measurement of the measuring stick display.

Die Erfindung ist insbesondere beim geometrischen Nivellement für alle Genauigkeitsklassen anwendbar. The invention is particularly applicable to geometrical leveling for all accuracy classes.

Die geometrische Höhenmessung wird bekanntlich durch visuelle Beobachtungen ausgeführt. Ein Beobachter liest im Sehfeld eines genau horizontalen Fernrohres die Anzeige einer in einem Messpunkt aufgestellten Messlatte und deren horizontalen Zielstrich an einer vertikalen Lattenteilung ab. Diese Anzeige durchläuft eine Luftstrecke, die kein konstantes Medium darstellt, sondern atmosphärischen Bedingungen wie Sonneneinstrahlung, Temperaturgradient der bodennahen Luftschichten und Windeinfluss unterworfen ist. Diese äusseren Einflüsse auf die Lattenablesung und die Erfassung des sich bewegenden und deformierenden Bildes des Lattenstriches sind erschwerend für die visuelle Beobachtung, da in einem Messprozess immer mehrere Ablesungen hintereinander anfallen under Beobachter zusätzlich die Zieleinstellung und die Registrierung der Ergebnisse der Lattenablesung vornehmen muss. Es ist bekannt, die Lattenablesung durch Fotoempfängerzeilen zu ersetzen und einen horizontalen Laserstrahl, der von einem Nivellier ausgesendet wird als Index auf einer Messlatte zu verwenden. As is known, the geometric height measurement is carried out by visual observations. In the field of view of a precisely horizontal telescope, an observer reads the display of a measuring staff set up at a measuring point and its horizontal target line on a vertical staff division. This display runs through an air gap that is not a constant medium, but is subject to atmospheric conditions such as solar radiation, temperature gradient of the air layers near the ground and wind. These external influences on the reading of the staff and the recording of the moving and deforming image of the staff are difficult for the visual observation, since in one measuring process there are always several readings in succession and the observer must also set the target and register the results of the reading. It is known to replace the staff reading with photo receiver lines and to use a horizontal laser beam, which is emitted by a level, as an index on a staff.

In der DE-AS 2 756 364 wird eine fotoelektrische Nivellierlatte beschrieben, deren Messbereich übereinander angeordnete, lichtempfindliche Blättchen von Fotodioden enthält, mit denen Impulse eines Lichtstrahles aus einem als Nivellierinstrument dienenden Lasersenders abgetastet werden. Eine CCD-Anordnung zur Längenmessung, bei der beliebig viele CCD-Zeilen hintereinander angeordnet werden können, zur Erfassung eines beliebigen Messbereiches wird in dem WP G01D 218 988 beschrieben. Fotoelektrische Nivellierlatten haben den Nachteil, dass lineare Anordnungen von Fotoempfängern sehr kostenaufwendig sind und dadurch nicht für einen grossen Messbereich ausgelegt werden. Die Auflösung des Messsystems ist an die Grösse der Empfänger gebunden. Um grössere Auflösungen zu erreichen, müssen mehrere gegeneinander versetzte Reihen von Empfängern verwendet werden, die eine komplizierte Auswerteelektronik erfordern. In der DE-AS 1915 891 wird eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lagekoordinaten eines Punktes mittels eines Laserstrahles dargestellt. DE-AS 2 756 364 describes a photoelectric leveling staff, the measuring range of which contains light-sensitive sheets of photodiodes arranged one above the other, with which pulses of a light beam are scanned from a laser transmitter serving as a leveling instrument. A CCD arrangement for length measurement, in which any number of CCD lines can be arranged one behind the other, for recording any measuring range is described in WP G01D 218 988. Photoelectric leveling staffs have the disadvantage that linear arrangements of photo receivers are very costly and are therefore not designed for a large measuring range. The resolution of the measuring system is linked to the size of the receiver. In order to achieve higher resolutions, several rows of receivers offset from one another must be used, which require complicated evaluation electronics. DE-AS 1915 891 shows a device for determining the position coordinates of a point by means of a laser beam.

Eine andere Methode der Höhenmessung besteht darin, dass geometrische Nivellement auf ein trigonometrisches Nivellement zurückzuführen und die Ablesung an der Messlatte durch eine genauere Teilkreisablesung zu ersetzen. Dieser Methode sind aber Grenzen gesetzt, da eine Winkelmessung stets genauer sein muss als die direkte Höhenmessung. Another method of height measurement is that geometric leveling can be traced back to trigonometric leveling and the reading on the staff can be replaced by a more accurate pitch circle reading. There are limits to this method, however, since an angle measurement must always be more precise than a direct height measurement.

Aus der CH-PS 376 673 sind Verfahren und Einrichtungen zum Messen von Strecken durch Ablesungen von Teilungen bekannt. Methods and devices for measuring distances by reading divisions are known from CH-PS 376 673.

Im Maschinenbau werden Massstäbe für Auflicht-Messsy-steme zur Zählung von Ziffern verwendet, die vorwiegend dort eingesetzt werden, wo sich das Messsystem direkt am Massstab befindet. In mechanical engineering, standards for incident light measuring systems are used to count numbers, which are mainly used where the measuring system is located directly on the scale.

Durch die Erfindung sollen die genannten Nachteile beseitigt, die Genauigkeit der visuellen Beobachtung erhöht und der Messprozess beim geometrischen Nivellement vereinfacht werden. Weiterhin soll durch Entlastung des Beobachters bei der visuellen Beobachtung die Ablese- und Übertragungsfehler reduziert werden. The aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned, to increase the accuracy of the visual observation and to simplify the measuring process for the geometric leveling. Furthermore, the reading and transmission errors are to be reduced by relieving the observer of the visual observation.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Höhenmessung so zu gestalten, dass durch eine Erhöhung des Signal-Rauschverhältnisses von Lattenteilstrich zu Umfeld sich die Genauigkeit der lichtelektrischen Messdatenerfassung über Fernstrecken erhöht, so dass eine Objektivierung und Automatisierung des Messprozesses beim geometrischen Nivellement möglich wird. Diese Aufgabe wird erfindungs-gemäss dadurch gelöst, dass ein optisches System mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines infraroten oder eines sichtbaren Lichtstrahlenbündels in der optischen Achse eines Zielfernrohres angeordnet ist und dass für die Messlatte eine reflektierende Teilung vorgesehen ist. Vorteilhaft ist es, The object of the invention is to design an arrangement for height measurement in such a way that increasing the signal-to-noise ratio from crossbar to environment increases the accuracy of the photoelectric measurement data acquisition over long distances, so that objectification and automation of the measurement process in the geometric leveling is possible. This object is achieved according to the invention in that an optical system with a light source for emitting an infrared or a visible light beam is arranged in the optical axis of a telescopic sight and that a reflective division is provided for the measuring staff. It is advantageous

wenn das optische System mit der Lichtquelle zum Aussenden des Lichtstrahlenbündels und das Zielfernrohr eine gemeinsame optische Achse besitzen. if the optical system with the light source for emitting the light beam and the telescopic sight have a common optical axis.

Durch die Erfindung ist es möglich, den Messprozess der lichtelektrischen Messdatenerfassung zu objektivieren, indem durch Ausnutzung der Einfachreflexion des Lichtes zur Abbildung eines selbstleuchtenden Lattenstriches die Bedingungen für die Automatisierung des geometrischen Nivellements geschaffen werden. Dadurch können die Ablese- und Übertragungsfehler reduziert werden, die durch einen Beobachter bei der visuellen Beobachtung entstehen. The invention makes it possible to objectify the measurement process of the photoelectric measurement data acquisition, by creating the conditions for the automation of the geometric leveling by utilizing the simple reflection of the light to image a self-illuminating slat line. As a result, the reading and transmission errors that are caused by an observer during visual observation can be reduced.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained below with reference to the schematic drawings. Show it:

Fig. 1 den Aufbau eines Nivelliers mit der erfindungsge-mässen Anordnung Fig. 1 shows the structure of a level with the arrangement according to the Invention

Fig. 2 die Vorderansicht des Nivelliers Fig. 2 is the front view of the level

Fig. 3 eine Messlatte mit der entsprechenden Teilung Fig. 3 shows a measuring stick with the corresponding division

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Messeinrichtung Fig. 4 is a block diagram of the measuring device

Der Grundaufbau des Nivelliers in Fig. 1 entspricht dem Ni 002 des VEB Carl Zeiss JENA. Die erfindungsgemässe Anordnung enthält ein optisches System, das axial zur optischen Achse des Nivellierfernrohres angeordnet ist. Es enthält eine Lampe 12 zum Aussenden eines infraroten oder eines sichtbaren Lichtstrahlenbündels und ein Kondensorsystem 13. Das Lichtstrahlenbündel wird weitergeleitet über die Umlenkprismen 14 und 15, durch einen Pendelspiegel 3 mit der spiegelfreien Fläche 17, den zwei Blenden 16, durch ein Objektiv 2 und eine Abschlussplatte 1 auf eine in einem The basic structure of the level in Fig. 1 corresponds to the Ni 002 of the VEB Carl Zeiss JENA. The arrangement according to the invention contains an optical system which is arranged axially to the optical axis of the leveling telescope. It contains a lamp 12 for emitting an infrared or a visible light beam and a condenser system 13. The light beam is passed on via the deflection prisms 14 and 15, through a pendulum mirror 3 with the mirror-free surface 17, the two diaphragms 16, through a lens 2 and one End plate 1 on one in one

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

Messpunkt aufgestellte Messlatte 39 (siehe Fig. 3). Die spiegelnden Teilungsstriche 42 der Messlatte 39 werden durch Reflexion des Lichtstrahlenbündels aus der Lampe 12 wieder zum Nivellier zurückreflektiert. Das zurückreflektierte Licht tritt über die keilige Abschlussplatte 1 in das Objektiv 2 ein und wird von diesem gesammelt, von dem Pendelspiegel 3 reflektiert und bildet in der Bildebene A die leuchtenden Teilungsstriche 42 scharf ab. In dieser Ebene befindet sich ein Differenzfotoempfänger 5 und vor ihm angeordnet eine Blende 4. In dem Differenzfotoempfänger 5 entsteht ein elektrisches Signal, das entsprechend des Blockschaltbildes in Fig. 4 weiterverarbeitet wird. Dem Objektiv 2 ist ein Prisma 6 nachgeordnet, das das Messfernrohrsystem bestehend aus den Teilen Abschlussplatte 1, Objektiv 2, Pendelspiegel 3, Blende 4 und Differenzfotoempfänger 5 zum Anzielen eines Messpunktes in ein visuelles Zielfernrohrsystem umwandelt. Die zu A analoge Bildebene befindet sich dann in B. Das in der Bildebene B befindet sich dann in B. Das in der Bildebene B entstehende Bild wird über ein Zwischenabbildungssystem 9 und ein Prisma 8 in eine Bildebene 10 abgebildet und mit einem Okular 11 betrachtet. Mit dem Objektiv 2 ist ein Massstab 18 fest verbunden, der von einem Leuchtdiodensystem 19 beleuchtet und an einem Index 20 mit einem Frequenzempfänger 27 abgelesen wird. Das Objektiv 2 ist ausserdem an einer Führung 21 verschiebbar gelagert. Eine Zugfeder 26 kann das Objektiv 2 über eine Gleitfläche 22 ziehen, an der ein Exzenter 23 auf der Welle 25 eines Motors 24 angeordnet ist. Der Motor 24 ist in einem Gerätegehäuse 28 untergebracht. Das Gerätegehäuse 28 enthält eine weitere Führung 31, auf der der Pendelspiegel 3 in einem Gehäuse 32 angeordnet ist und mit einem nicht dargestellten Fokussier-trieb bewegt wird. Der Pendelspiegel 3 erhält seine Dämpfung durch ein Luftdämpfungssystem 33. Measuring point 39 set up (see Fig. 3). The reflective graduation lines 42 of the staff 39 are reflected back to the level by reflection of the light beam from the lamp 12. The back-reflected light enters the lens 2 via the wedge-shaped end plate 1 and is collected by it, reflected by the pendulum mirror 3 and forms the luminous division lines 42 sharply in the image plane A. In this level there is a differential photo receiver 5 and an aperture 4 arranged in front of it. An electrical signal is generated in the differential photo receiver 5, which is processed further in accordance with the block diagram in FIG. 4. A prism 6 is arranged downstream of the objective 2, which converts the measuring telescope system consisting of the parts end plate 1, objective 2, pendulum mirror 3, aperture 4 and differential photo receiver 5 into a visual telescopic sight system for aiming a measuring point. The image plane analogous to A is then in B. That in image plane B is then in B. The image created in image plane B is imaged into an image plane 10 via an intermediate imaging system 9 and a prism 8 and viewed with an eyepiece 11. A scale 18, which is illuminated by a light-emitting diode system 19 and is read at an index 20 with a frequency receiver 27, is firmly connected to the objective 2. The lens 2 is also slidably mounted on a guide 21. A tension spring 26 can pull the objective 2 over a sliding surface 22, on which an eccentric 23 is arranged on the shaft 25 of a motor 24. The motor 24 is housed in a device housing 28. The device housing 28 contains a further guide 31, on which the pendulum mirror 3 is arranged in a housing 32 and is moved with a focusing drive, not shown. The pendulum mirror 3 is damped by an air damping system 33.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorderansicht des Nivelliers enthält das Gehäuse 28, das auf einem Unterteil 29 angeordnet ist, in dem sich der nicht dargestellte Seitenfeintrieb befindet. Ein Knopf 35 dient zur Fokussierung des Pendelspiegels 3, ein weiterer Knopf 36 schaltet das Prisma 6 in seine Messlage ein. An der Okularseite des Nivelliers ist ein Bedienpult 37 vorgesehen. The front view of the level shown in FIG. 2 contains the housing 28, which is arranged on a lower part 29, in which the side fine drive, not shown, is located. A button 35 is used to focus the pendulum mirror 3, another button 36 switches the prism 6 into its measuring position. A control panel 37 is provided on the eyepiece side of the level.

Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der Messlatte 39 mit den verschiedenen Teilungsstrichen. In einem Holzkasten 38 ist wie üblich das Invarband mit seiner Messteilung angeordnet. Fig. 3 shows a section of the staff 39 with the various graduation marks. As usual, the invar band with its measuring graduation is arranged in a wooden box 38.

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Auf der linken Seite des Holzkastens 38 ist die Meterteilung 39 und auf der rechten Seite die Dezimeterteilung 40 mit dem Vi Dezimeterpunkt und den Ziffern vorgesehen. Eine Messteilung 41 trägt auf ihrem Metallband die spiegelnden Teilungsstriche 42. An dem Holzkasten 38 ist weiterhin ein Richtglas 43 angeordnet, dessen Zielachsenebene 45 genau rechtwinklig zur Teilungsebene eingestellt wird. Eine Achse 46 einer Dosenlibelle 44 liegt parallel zu den spiegelnden Teilungsstrichen 42 und ermöglicht ein genaues Senkrechtstellen der Messlatte 39. Durch das Richtglas 43 kann die Messlatte 39 genau zum Messgerät (Nivellier) ausgerichtet werden. On the left side of the wooden box 38, the meter division 39 and on the right side the decimeter division 40 with the Vi decimeter point and the numbers are provided. A measuring graduation 41 carries the reflective graduation lines 42 on its metal band. A leveling glass 43 is also arranged on the wooden box 38, the target axis plane 45 of which is set exactly at right angles to the graduation plane. An axis 46 of a circular bubble level 44 lies parallel to the reflective graduation lines 42 and enables the measuring stick 39 to be positioned exactly vertically. The measuring stick 39 can be aligned precisely with the measuring device (level) by means of the leveling glass 43.

In Fig. 4 wird das Blockschaltbild der Messeinrichtung dargestellt. Über ein Eingabepult 47 erfolgt die Auslösung des Messprozesses, der durch einen Mikroprozessor 48 gesteuert wird. Mit dem Auslöseimpuls schaltet eine Steuerung 49 den Scheinwerfer 51 und den Motor 50 ein. Ein Differenzfotoempfänger 52 erfasst den Nulldurchgang des Lattenstriches. Das gewonnene elektrische Signal wird in einem Verstärker 53 verstärkt und durch einen A/D-Wandler 54 in ein Digitalsignal umgewandelt. Dieses Signal startet einen Zähler 58, der die von einem Messstab 18 kommenden Signale über einen Fotoempfänger 55, einen Verstärker 56 und einen A/D-Wandler 57 zählt. Diese Zählung wird durch den Nullstrich der Teilung beendet. Eine Steuerlogik 61 sorgt mit zusätzlichen Einrichtungen dafür, dass nur die Impulsstrecke die Nullstrich-Digitalsignale zählt. Der Mikroprozessor 48 berechnet dabei die Feinablesung und stellt mit der über die Eingabe 47 bereitgestellten visuellen Grobablesung die Gesamtablesung zusammen, die in einer Anzeige 59 oder in einer Registriereinheit 60 abgelesen wird. 4 shows the block diagram of the measuring device. The measurement process is triggered via an input console 47 and is controlled by a microprocessor 48. With the trigger pulse, a controller 49 switches on the headlight 51 and the motor 50. A differential photo receiver 52 detects the zero crossing of the crossbar. The electrical signal obtained is amplified in an amplifier 53 and converted into a digital signal by an A / D converter 54. This signal starts a counter 58 which counts the signals coming from a measuring rod 18 via a photo receiver 55, an amplifier 56 and an A / D converter 57. This counting is ended by the zero line of the division. A control logic 61 with additional devices ensures that only the pulse line counts the zero-stroke digital signals. The microprocessor 48 calculates the fine reading and uses the visual rough reading provided via the input 47 to compile the total reading, which is read in a display 59 or in a registration unit 60.

Diese Anordnung zur Höhenmessung ist für das geometrische Nivellement vorzugsweise anwendbar, weil das Nivellier über eine genau horizontierte Ziellinie verfügt, die Messlatte 39 mittels der Dosenlibelle 44 sehr genau senkrecht gestellt werden kann und der Beobachter für die visuelle Beobachtung die Mitte der Lattenteilung anzielen muss und die Messlatte 39 genau winklig zum Zielstrahl ausgerichtet wird. Nach dem Anzielen der Messlatte 39 fokussiert der Beobachter mittels des Pendelspiegels 3 das Lattenbild und liest es grob ab. Danach schaltet er das Prisma 6 in die Lage 7 und löst den Messprozess aus. This arrangement for height measurement is preferably applicable for the geometric leveling because the level has a precisely leveled target line, the measuring staff 39 can be set very precisely vertically by means of the circular level 44 and the observer has to aim at the center of the staff division for visual observation and that Height 39 is aligned precisely at an angle to the target beam. After aiming the staff 39, the observer uses the pendulum mirror 3 to focus and read the staff image roughly. He then switches the prism 6 into position 7 and triggers the measuring process.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

dfiiilJJ PATENT CLAIMS

1. Arrangement for height measurement, preferably for geometric leveling, with a level, comprising a telescopic sight with a horizontal target line for aiming at a measuring point, a device for stabilizing the horizontal target line for perpendicular direction, a visible or infrared light emitting light source (12), an im Target point arranged measuring stick (39), means for leveling and orienting the instrument and measuring stick and means for objective photoelectric measurement of the measuring stick display, characterized in that an optical system with a light source (12) for emitting an infrared or visible light beam in the optical axis of the Rifle scope is arranged, and that a reflective division (42) is provided for the measuring staff.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the optical system with the light source for emitting the light beam and the telescopic sight have a common optical axis.