DD292521A5

DD292521A5 - LOT AND TILTING KNIFE

Info

Publication number: DD292521A5
Application number: DD33847190A
Authority: DD
Inventors: Thomas Lau; Gerhard Koestler
Original assignee: Technische Universitaet "Otto Von Guericke" Magdeburg,De
Priority date: 1990-03-07
Filing date: 1990-03-07
Publication date: 1991-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lot- und Neigungsmesser fuer Winkelmessungen mit automatischer Anzeige nach dem Prinzip der winkelabhaengigen Lageveraenderung einer Masse, beispielsweise eines physikalischen Pendels. Zur Erhoehung der Genauigkeit sowie zur Verkuerzung der Meszzeit liegt die Masse (3; 5) in jeder Meszrichtung an jeweils einem piezoresistiven Element (2) spielfrei an. Die Masse kann dabei sowohl in bekannter Weise wie bei einem physikalischen Pendel (3) in einer oder mehreren Richtungen pendelnd aufgehaengt sein. Es ist aber auch moeglich, sie als angefaste Kugelkalotte (5) bzw. als Segment einer Kugelkalotte auszubilden. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dasz keine bewegten Teile verwendet werden, so dasz die Meszergebnisse sofort und damit fuer eine Echtzeitverarbeitung zur Verfuegung stehen. Fig. 1{Lot- und Neigungsmesser; Winkelmessung; Meszwandler, piezoresistiv; Pendel, physikalisch}The invention relates to a plumb and inclinometer for angle measurements with automatic display according to the principle of angular displacement of a mass, such as a physical pendulum. In order to increase the accuracy and to shorten the Meszzeit the mass (3; 5) in each Meszrichtung to each piezoresistive element (2) without play. The mass can be suspended in one or more directions in a known manner as in a physical pendulum (3). But it is also possible to form them as a chamfered spherical cap (5) or as a segment of a spherical cap. The particular advantage of the invention is that no moving parts are used, so that the measurement results are available immediately and thus for real-time processing. Fig. 1 {plummet and inclinometer; Angle measurement; Brass transducer, piezoresistive; Pendulum, physical}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Lot- und Neigungsmesser für Winkelmessungen mit automatischer Anzeige nach dem Prinzip der winkelabhängigen Lageveränderung einer Masse, beispielsweise eines Pendels.The invention relates to a plumb and inclinometer for angle measurements with automatic display according to the principle of the angle-dependent change in position of a mass, such as a pendulum.

Characteristic of the known state of the art

Die meisten technischen Lösungen zur statischen Winkelmessung beruhen auf Pendelmechanismen, die in einer robusten Konstruktion ausgeführt sind. Durch Kopplung der Drehachse des Pendels mit einem Potentiometer erfolgt die Übernahme des Winkels und Wandlung in ein elektrisches Signal. Zur Vermeidung von Spiel bei der Übernahme der Pendelbewegung auf einen Winkelmeßumformer wird beispielsweise ein verspanntes Zahngetriebe verwendet (DD-PS242086), das allerdings aufgrund seiner speziellen Konstruktion einen zusätzlichen Aufwand erfordert. Ferner ist bei Verwendung von Drehpotentiometern zur Gewährleistung einer hohen Meßgenauigkeit eine hohe Übersetzung der Pendelbewegung erforderlich, so daß sich der Meßbereich des Lot- und Neigungsmessers einschränkt. Ferner sind Dreh- und Reibmomente, die die Meßgenauigkeit verschlechtern, nicht auszuschließen. Dieser Nachteil kann allerdings durch einen in der DD-PS 248864 gezeigten Winkelgeber mittels eines über den Ausschlagbereich in seiner Lichtdurchlässigkeit veränderlichen Pendelkörpers beseitigt werden. Der Nachteil aller nach dem Prinzip des physikalischen Pendels arbeitenden Lot- und Neigungsmesser besteht ferner darin, daß zur Verkürzung der Meßzeit die Pendelbewegung gedämpft v\.. Jen muß. Die dazu erforderlichen Baugruppen erhöhen den Aufwand des Meßgerätes. Trotzdem sind derartige Lot- und Neigungsmesser nur für quasistatische Messungen einsetzbar, wodurch die Anwendung dieser Meßgeräte eingeschränkt ist.Most technical solutions for static angle measurement rely on pendulum mechanisms that are designed in a rugged construction. By coupling the axis of rotation of the pendulum with a potentiometer takes over the acquisition of the angle and conversion into an electrical signal. To avoid play in the acquisition of the pendulum motion on a Winkelmeßumformer example, a braced toothed gear is used (DD-PS242086), which, however, requires additional effort due to its special design. Furthermore, when using rotary potentiometers to ensure a high accuracy of measurement, a high translation of the pendulum motion is required, so that limits the range of the plummet and inclinometer. Furthermore, turning and friction moments that worsen the accuracy can not be ruled out. However, this disadvantage can be eliminated by an angle sensor shown in DD-PS 248864 by means of a changeable over the deflection range in its translucency pendulum body. The disadvantage of all operating on the principle of the physical pendulum solder and inclinometer is also that to reduce the measuring time, the pendulum motion dampens v \ .. Jen must. The required assemblies increase the cost of the meter. Nevertheless, such plummet and inclinometer can only be used for quasi-static measurements, whereby the application of these meters is limited.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein Lot- und Neigungsmesser, der ohne großen Aufwand eine hohe Genauigkeit sowie eine kurze Meßzeit gewährleistet und einen erweiterten Anwendungsbereich besitzt.The aim of the invention is a plumb and inclinometer, which ensures a high accuracy and a short measurement time without much effort and has an extended scope.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lot- und Neigungsmesser nach dem Prinzip der winkelabhängigen Lageveränderung einer Masse zu entwickeln, der einen größeren Meßbereich aufweist und bei dem die Bewegung der Masse ohne Zeitverzug reibungsfrei auf die Meßwertgeber übertragen wird.The invention has for its object to develop a plumb line and inclinometer according to the principle of angle-dependent change in position of a mass having a larger measuring range and in which the movement of the mass is transmitted without any time delay to the transmitter.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Masse in jeder Meßrichtung an jeweils einem piezoresistiven Element spielfrei anliegt.According to the invention the object is achieved in that the mass is applied without play in each measuring direction to a respective piezoresistive element.

Die Masse kann dabei sowohl in bekannt .,eise wie bei einem physikalischen Pendel in einer oder mehreren Richtungen pendelnd aufgehängt sein. Es ist aber au jh möglich, sie als angefaste Kugelkalotte auszubilden. Ihre Fase liegt auf vier 90 Grad zueinander versetzt angeordneten piezoresistiven Elementen auf. Mit ihrem Kopfpunkt stößt sie an die obere Begrenzung des Gehäuses an und ist damit in ihrer Lage bestimmt und fixiert. Diese Variante gestattet die Me; sung der Nei jung in mehr als einer Ebene. Ein Sonderfall dieser Gestaltung der bewegbaren Masse ist die Verwendung eines Segmentes der Kugelkalotte. Der so gebildete längliche und in der Ebene der Meßrichtung gebogene Körper liegt mit seinen Stirnflächen an jeweils einem der beiden in der Meßebene angeordneten piezoresistiven Elementen an und ist spielarm gleitend gelagert. Allerdings kann mit dieser Variante nur in einer Meßebene gemessen werden.The mass can be suspended in a known manner, as in a physical pendulum swinging in one or more directions. But it is au jh possible to form them as a chamfered spherical cap. Your chamfer is on four 90 degrees to each other staggered piezoresistive elements. With its head point, it abuts against the upper boundary of the housing and is thus determined in their position and fixed. This variant allows the Me; young people in more than one level. A special case of this design of the movable mass is the use of a segment of the spherical cap. The thus formed elongated and curved in the plane of the measuring direction body abuts with its end faces on in each case one of the two arranged in the measurement plane piezoresistive elements and is slidably mounted with low backlash. However, this variant can only be measured in one measuring plane.

Der Lot- und Neigungsmesser ist in einem Gehäuse untergebracht, das an das Bauteil, dessen Neigung zu messen ist, angelegt wird. Durch Verlagerung der Masse gegenüber der Horizontalen bzw. einer beliebig anderen Ausgangsstellung verändert sich die sinusbehaftete Kraftkomponente auf das durch die Masse belastete piezoresistive Element proportional zur Winkeländerung,The plumb and inclinometer is housed in a housing which is applied to the component whose inclination is to be measured. By displacing the mass relative to the horizontal or any other initial position, the sinusoidal force component changes in proportion to the angle change on the piezoresistive element loaded by the mass,

die die Masse infolge ihrer Verlagerung erfährt. Diese Kraftänderung wird durch d^!e piezoresistiven Elemente in eine elektrische Größe umgewandelt. Da sich die Masse»praktisch nicht bewegt, wird die Winkeländerung nahezu reibungsfrei erfaßt. Eine Bewegung der Masse in Form von Nachschwingen nach dem Anlegen des Lot- und Neigungsmessers an das Meßobjekt infolge ihrer Trägheit tritt nicht auf, so daß der Meßwert sofort zur Verfugung steht. Es entfallen aufwendige Dämpfungsmaßnahmen. Außerdem kann ein Winkel von 90 Grad in beiden Richtungen gemessen werden. Die Empfindlichkeit des Lot- und Neigungsmessers bzw. der Winkelmessung hängt im wesentlichen vom Verhältnis Masse zur Empfindlichkeit der Aufnehmer ab.which the mass experiences as a result of their displacement. This force change is caused by d ^! e piezoresistive elements converted into an electrical size. Since the mass "practically does not move, the angle change is detected almost frictionless. A movement of the mass in the form of ringing after the application of the plumb and inclinometer to the test object due to their inertia does not occur, so that the measured value is immediately available. It eliminates complex damping measures. In addition, an angle of 90 degrees can be measured in both directions. The sensitivity of the plumb and inclinometer or the angle measurement depends essentially on the ratio mass to the sensitivity of the transducer.

embodiment

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Beispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigenBelow, the invention will be explained in more detail by way of example. In the accompanying drawing show

Fig. 1: einen Lot- und Neigungsmesser mit pendelnd aufgehängter Masse in einem Schnitt in Pendelrichtung,1: a Lot- and inclinometer with pendulum suspended mass in a section in the pendulum direction,

Fig.2: den Lot- und Neigungsmesser im Querschnitt,2: the plumb and inclinometer in cross section,

Fig.3: einen Lot- und Neigungsmesser, bei dem die Masse als Kugelkappe ausgebildeten ist und3 shows a plumb and inclinometer, in which the mass is designed as a ball cap and

Fig.4: einen Querschnitt durch Fig.3.4 shows a cross section through Fig.3.

Der Lot- und Neigungsmesser ist, wie aus den Fig. 1 bis 4 zu erkennen, in einem Gehäuse 1 untergebracht. Er besteht im wesentlichen aus einer im Gehäuse 1 leicht beweglich angeordneten Masse und den in Meßrichtung fixierten und fest mit dem Gehäuse 1 verbundenen piezoelektrischen Elementen 2. In dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Beispiel wurde als Masse eine Pendelscheibe 3 verwendet. Sie hat die Form eines Halbkreises und ist in dessen Mittelpunkt mittels eines Nadellagers 4 im Gehäuse 1 pendelnd aufgehängt, so daß die Pendelscheibe 3 in der Ebene des Halbkreises pendeln kann. Für die Neigungsmessung in einer Ebene, d. h. in zwei zueinander entgegengesetzt verlaufenden Richtungen, sind erfindungsgemäß zwei piezoelektrische Elemente 2 erforderlich. Diese sind im vorliegenden Beispiel so im Gehäuse 1 fixiert, daß sie jeweils am Rand der ebenen Fläche der Pendelscheibe 3 spielfrei anliegen. Bei Bewegung des Lot- und Neigungsmessers in dor Pendelebene stützt sich die Pendelscheibe 3 auf einem der beiden piezoelektrischen Elemente 2 ab, ohne sich selbst zu bewegen. Die dabei auf das jeweilige piezoelektrische Element 2 ausgeübte und von dem piezoelektrischen Element 2 in eine elektrische Größe umgewandelte Kraft ist dem Sinus des zu bestimmenden Neigungswinkels proportional. Der mit dieser Anordnung meßbare Winkel beträgt plus/minus 90Grd.The plumb and inclinometer is, as can be seen from FIGS. 1 to 4, housed in a housing 1. It consists essentially of a readily movably arranged in the housing 1 mass and fixed in the measuring direction and fixedly connected to the housing 1 piezoelectric elements 2. In the example shown in Fig. 1 and 2, a pendulum disc 3 was used as a mass. It has the shape of a semicircle and is suspended in the center by means of a needle bearing 4 in the housing 1 pendulum, so that the pendulum disc 3 can oscillate in the plane of the semicircle. For inclination measurement in a plane, i. H. in two mutually opposite directions, two piezoelectric elements 2 are required according to the invention. These are fixed in the present example in the housing 1, that they rest free of play at the edge of the flat surface of the pendulum disc 3. Upon movement of the plumb and inclinometer in dor pendulum plane, the pendulum disc 3 is supported on one of the two piezoelectric elements 2, without moving itself. The force exerted on the respective piezoelectric element 2 and converted into an electrical quantity by the piezoelectric element 2 is proportional to the sine of the inclination angle to be determined. The angle measurable with this arrangement is plus / minus 90Grd.

Gemäß Fig. 3 und 4 wurde in einem zweiten Ausführungsbeispiel als Masse eine Kugelkappe 5 mit einem angeschrägten Rand verwendet. In der Ebene dieses Randes sind vier piezoelektrische Elemente 2 in einem Winkel von 90 Grad. zueinander so im Gehäuse fixiert, daß der Rand der Kugelkappe 5 auf den vier piezoelektrischen Elementen 2 aufliegt. Der Kopfpunkt der Kugelkappe 5 liegt, wie aus Fig.4 erkennbar, an der oberen Begrenzung des Gehäuses 1 an, so daß die Kugelkappe 5 zwar frei beweglich, jedoch in ihrer Lage fixiert ist. Diese Anordnung gestattet die Messung des Neigungswinkels in unterschiedlichenAccording to Fig. 3 and 4, a ball cap 5 was used with a tapered edge in a second embodiment as a mass. In the plane of this edge, four piezoelectric elements 2 are at an angle of 90 degrees. fixed to each other in the housing so that the edge of the ball cap 5 rests on the four piezoelectric elements 2. The head of the ball cap 5 is, as seen in Figure 4, at the upper boundary of the housing 1, so that the ball cap 5, although freely movable, but is fixed in position. This arrangement allows the measurement of the inclination angle in different

Directions.

Claims

1. Angled and tilted angle measuring meter according to the principle of angle-dependent positional change of a mass which is arranged so as to be easily movable in a housing and which is in operative connection with at least one transducer permanently connected to the housing, characterized in that the mass ( 3, 5) in each measuring direction bears on each of a piezoresistive element (2) without play.

2. plummet and inclinometer according to claim 1, characterized in that the mass is formed as a chamfered spherical cap (5) with its phase without play at 90 Grd. Zueinan the staggered piezoresistive elements (2) is applied, the head of the spherical cap ( 5) rests against the upper boundary of the housing (1).

3. plummet and inclinometer according to claim 1, characterized in that c 3 mass is formed as a segment of a spherical cap, which rests with its end faces on each one of the two lying in the measurement plane piezoresistive elements (2) and is slidably mounted.