DD295413A5

DD295413A5 - INCLINOMETER

Info

Publication number: DD295413A5
Application number: DD34187590A
Authority: DD
Inventors: Norbert Sellin; Mario Moeller
Original assignee: Bauakademie,Institut Fuer Technologie Und Mechanisierung,De
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1991-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor zur Messung von Neigungen und Winkeln im Vollwinkelbereich, der in Produktionsprozessen, in der Bauindustrie und insbesondere zur Steuerung von Baumaschinen einsetzbar ist. Erfindungsgemaesz werden die einer lichtundurchlaessigen der Schwerkraft ausgesetzten Fluessigkeit beeinfluszten Lichtstrahlen von einer Vierquadrantendiode aufgenommen und in entsprechende elektrische Signale, bezueglich der jeweiligen Winkelstellung, zur Quadranterkennung bzw. zur Winkelerkennung umgewandelt und fuer Steuerungszwecke aufbereitet.{Neigungssensor; Vierquadrantendiode; Behaelter; Leuchtdiode; Generator; lichtundurchlaessige Fluessigkeit; Fotostroeme; Auswerte- und Anzeigeelektronik; Winkelanzeige; Vollwinkelbereich}The invention relates to a tilt sensor for measuring inclinations and angles in the full-angle range, which can be used in production processes, in the construction industry and in particular for the control of construction machinery. According to the invention, the light rays affected by an opaque gravity-exposed liquid are picked up by a four-quadrant diode and converted into corresponding electrical signals, with respect to the respective angular position, for quadrant detection or for angle detection and prepared for control purposes. Four-quadrant diode; Container; Led; Generator; opaque liquid; Fotostroeme; Evaluation and display electronics; Angle display; Full angle range}

Description

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor zur schnellen und präzisen Messung von Winkeln und Neigungen im Vollwinkelbereich. Der Neigungssensor ist in Produktionsprozessen und in der Bauindustrie zur Steuerung von Baumaschinen einsetzbar.The invention relates to a tilt sensor for fast and accurate measurement of angles and inclinations in the full-angle range. The tilt sensor can be used in production processes and in the construction industry to control construction machinery.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Mit einem bekannten Neigungsmesser, DE-OS 263G706, wird von zueinancbr fest angeordneten Elementen sowie eines Behälters mit einer der Schwerkraft ausgesetzten Flüssigkeit, ein pulsierender Lichtstrahl einer Leuchtdiode von einem Objekt über einen Anpassungskörper auf die totalreflektierende Flüssigkeitsoberfläche geleitet. Der an der Flüssigkeitsoberfläche totalreflektierte pulsierende Lichtstrahl der Leuchtdiode (Sendediode) wird durch ein zweites Objektiv auf eine zweikoordinatig empfindliche Schottky-Barrier-Diode fokussiert. Bei einer Verkippung der fest zueinander angeordneten Elemente sowie des Behälters mit der totalreflektierten Flüssigkeitsoberfläche bewegt sich das Bild nach Richtung und Größe. Diese Bewegung hat eine entsprechende Änderung der Ausgangssignale der Diode zur Folge, welche elektrisch ausgewertet, angezeigt und/oder registriert wird. Die Nachteile des Neigungsmessers bestehen darin, daß nur kleine Neigungswinkel gemessen werden können, der gerätetechnische Aufwand sehr hoch ist sowie für mechanische Stoßbeanspruchungen nicht geeignet ist. Weiterhin ist nach der Patentschrift DD 142753 ein Neigungsmesser bekannt, bei welchem zwischen einer Lichtquelle und einem Fotowiderstand ein lichtundurchlässiger Flüssigkeitstropfen die Lichtstrahlen je nach Neigung des Neigungsmessers mehr oder weniger unterbricht. Der Nachteil besteht darin, daß große Winkel mit dem Neigungsmesser nicht meßbar sind und die Meßergebnisse durch die Kohäsionskraft der Flüssigkeitstropfen ungenau werden.With a known inclinometer, DE-OS 263G706, a zueinancbr fixedly arranged elements and a container with a gravity-exposed liquid, a pulsating light beam of a light emitting diode from an object via a matching body on the total reflective liquid surface is passed. The totally reflected on the liquid surface pulsating light beam of the light emitting diode (transmitting diode) is focused by a second lens on a two-coordinate sensitive Schottky Barrier diode. When tilting the fixedly arranged elements and the container with the totally reflected liquid surface, the image moves in direction and size. This movement has a corresponding change in the output signals of the diode result, which is electrically evaluated, displayed and / or registered. The disadvantages of the inclinometer are that only small angles of inclination can be measured, the equipment complexity is very high and is not suitable for mechanical shock loads. Furthermore, according to the patent DD 142753 an inclinometer is known in which between a light source and a photoresistor, an opaque liquid droplet interrupts the light rays more or less depending on the inclination of the inclinometer. The disadvantage is that large angles with the inclinometer are not measurable and the measurement results are inaccurate due to the cohesion force of the liquid drops.

Bekannt ist auch eine Wasserwaage, DE-OS 3333049, bei der ein Hohlraum teilweise mit einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit gefüllt ist und eine ständig in die Flüssigkeit eingetauchte Elektrode aufweist. Mindestens zwei weitere Elektroden sind an der zur eingetauchten Elektrode weisenden Innenwand des Hohlraumes, elektrisch voneinender isoliert angeordnet. Bei einer Drehung der Wasserwaage werden über eine Wheaton-Brückenschaltung - die Widerstände befinden sich in der Flüssigkeit Widerstandswerte abgegriffen und durch eine Auswerteelektronik äquivalente Kippwinkel angezeigt. Nachteilig ist, daß Kippwinkel nur bis 90° gemessen werden können und die Meßeinrichtung (Hohlraum) der Wasserwaage fertigungstechnisch sehr aufwendig ist sowie mechanischen Stoßbeanspruchungen nicht standhält.Also known is a spirit level, DE-OS 3333049, in which a cavity is partially filled with an electrically conductive liquid and having a constantly immersed in the liquid electrode. At least two further electrodes are arranged on the inner wall of the cavity facing the immersed electrode, isolated electrically from one another. When the spirit level is rotated, resistance values are picked up in the liquid via a Wheaton bridge circuit and equivalent flip angles are displayed by evaluation electronics. The disadvantage is that tilt angle can only be measured up to 90 ° and the measuring device (cavity) of the spirit level manufacturing technology is very expensive and mechanical shock loads not withstand.

Bekannt ist eine Winkelmeßwaage, DE-OS 2840263, bei der ein rundes, geschlossenes, durchsichtiges Rohr in Kreisform zur Hälfte mit Flüssigkeit gefüllt ist. Mit Hilfe einer Skaleneinteilung werden Winkel im Vollwinkelbereich ablesbar und bestimmbar. Diese technische Lösung erfordert aber hohe Anforderungen an die Genauigkeit sowie erhebliche Gefäßabmessungen, die eine einfache Handhabung erschweren. Weiterhin ergeben sich Probleme bei der Einhaltung der Fertigungsgenauigkeit bezüglich der Rundheit und der Einhaltung des von der Flüssigkeit durchsetzten Querschnitts.Known is a Winkelmeßwaage, DE-OS 2840263, in which a round, closed, transparent tube is filled in a circular shape half with liquid. With the aid of a scale graduation, angles in the full-angle range can be read and determined. However, this technical solution requires high accuracy requirements as well as significant vessel dimensions that make easy handling difficult. Furthermore, there are problems in maintaining the manufacturing accuracy with respect to the roundness and compliance with the enforced by the liquid cross-section.

Eine schnelle und präzise Messung von Winkeln ist daher nicht möglich. Eine Umsetzung der Winkel in elektrische Signale ist ebenfalls nicht möglich.A fast and precise measurement of angles is therefore not possible. A conversion of the angle into electrical signals is also not possible.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, alle Winkel im Vollwinkelbereich mit geringerem Aufwand sicher und präzise elektronisch zu messen und zur Steuerung, z. B. von Baumaschinen, aufzubereiten.The aim of the invention is to measure all angles in the full-angle range with less effort safely and accurately electronically and control, z. B. of construction machinery, prepare.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Meßvorrichtung zur Messung von Winkeln im Vollwinkelbereich zu schaffen.The invention has for its object to provide a simple measuring device for measuring angles in the full-angle range.

Erfindungsgemäß wird das mit einem Neigungssensor erreicht, der aus einer Diode, einem lichtdurchlässigen Behälter mit lichtundurchlässiger Flüssigkeit, einer Lichtquelle und einer Auswerte- und Anzeigeelektronik besteht. Die Lichtquelle, die von einem Generator gespeist wird, und die Diode, eine als Fotoempfänger ausgebildete Vierquadrantendiode (VD) mit vierAnschlüssen, sind in einem Abstand fest zueinander angeordnet. Der Behälter ist prismatisch ausgebildet und zwischen der Lichtquelle und der VD fest angeordnet.According to the invention this is achieved with a tilt sensor, which consists of a diode, a translucent container with opaque liquid, a light source and an evaluation and display electronics. The light source, which is fed by a generator, and the diode, a four-quadrant diode (VD) with four terminals, designed as a photoreceiver, are arranged at a distance fixed to one another. The container is prismatic and fixed between the light source and the VD.

Der Behälter ist bis zur Hälfte mit der lichtundurchlässigen Flüssigkeit, die der Schwerkraft ausgesetzt ist, gefüllt. Die Flüssigkeit absorbiert auch insbesondere infrarotes Licht. In der Ausgangsstellung bei 0° und bei 180° bildet die Flüssigkeitsoberfläche die Diagonale im prismaartigen Behälter. Die zueinanderweisenden Flächen des Behälters und der VD sind parallel zueinander angeordnet, wobei die geometrischen Abmessungen der Fläche des Behälters größer sind.The container is filled halfway with the opaque liquid exposed to gravity. The liquid also absorbs infrared light in particular. In the initial position at 0 ° and at 180 °, the liquid surface forms the diagonal in the prism-like container. The facing surfaces of the container and the VD are arranged parallel to each other, wherein the geometric dimensions of the surface of the container are larger.

Bei der Messung von Winkeln werden die auf die lichtundurchlässige Flüssigkeit auftreffenden Lichtstrahlen der Lichtquelle absorbiert.When measuring angles, the light rays of the light source impinging on the opaque liquid are absorbed.

Die lichtundurchlässige Flüssigkeit deckt gleichzeitig, entsprechend der jeweiligen Winkelstellung, eine bestimmte Fläche der VD vor den Lichtstrahlen ab. Die durch den Behälter kommenden Lichtstrahlen der Lichtquelle bestrahlen, entsprechend der jeweiligen Winkelstellung, eine bestimmte Fläche der VD. An den vier Anschlüssen der VD werden für jede Winkelstellung entsprechende Fotoströme U-U abgegriffen und in bekannter Weise durch die Auswerte- und Anzeigeelektronik zur Quadrantenerkennung herangezogen.The opaque liquid simultaneously covers, according to the respective angular position, a certain area of the VD in front of the light rays. The light rays of the light source coming through the container irradiate, according to the respective angular position, a certain area of the VD. At the four terminals of the VD corresponding photoelectric currents UU are tapped for each angular position and used in a known manner by the evaluation and display electronics for quadrant detection.

Durch die Heranziehung aller vier Fotoströme I₁—1₄ und deren Verwendung sowie deren Verknüpfung zur Gewinnung des Ausgangssignals werden auftretende Schwankungen des Flüssigkeitsvolumens, z. B. bei Temperaturschwankungen, kompensiert.By taking all four photocurrents I ₁ -1 ₄ and their use and their link to obtain the output signal occurring fluctuations in the liquid volume, eg. B. at temperature fluctuations compensated.

Durch die elektronische Messung, Auswertung und Anzeige werden Winkel im Vollwinkelbereich schnell, sicher und präzise gemessen und eine Umwandlung in Steuersignale für Maschinen und Aggregate ermöglicht.Electronic measurement, evaluation and display allow angles in the full-angle range to be measured quickly, reliably and precisely, and to enable conversion into control signals for machines and units.

Der Neigungssensor ist fertigungstechnisch mit geringerem Aufwand herstellbar und gestattet die Anwendung in einer Meßvorrichtung für mechanische Beanspruchungen in Produktionsprozessen und in der Bauindustrie, z. B. für Baumaschinen.The inclination sensor can be produced with less effort and allows the use in a measuring device for mechanical stresses in production processes and in the construction industry, eg. B. for construction machinery.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand sines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen die ZeichnungenThe invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment. The drawings show

Fig. 1: die Anordnung des NeigungssensorsFig. 1: the arrangement of the tilt sensor

Fig. 2: einen Behälter mit lichtundurchlässiger FlüssigkeitFig. 2: a container with opaque liquid

Fig. 3: den Signalpegel an den Ausgängen der Vierquadrantendiode.Fig. 3: the signal level at the outputs of the four-quadrant diode.

Ein Generator 1 speist impulsartig eine Leuchtdiode 2. Vor einer Vierquadrantdiode 3 (VD) ist eine lichtundurchlässige Flüssigkeit 6 in einem lichtdurchlässigen prismaartigen Behälter 4 mit zwei quadratischen Flächen vorhanden, die in der Ausgangslage bis zur Diagonalen der VD reicht.In front of a four-quadrant diode 3 (VD), an opaque liquid 6 is present in a light-permeable prism-like container 4 with two square surfaces, which in the starting position extends to the diagonal of the VD.

Durch die pulsierenden Lichtimpulse der Leuchtdiode 2 entstehen an den vier Ausgängen der VD Fotoströme, deren Augenblickswerte abhängig von der Lichtleistung der Leuchtdiode 2 und der bestrahlten Fläche zwischen den Anschlüssen ist. In der Fig. 3 ist die Abhängigkeit der vier Fotoströme IH₄ als Funktion der Abweichung der VD von der Ausgangslage dargestellt. Die VD ist mit einer nachgeschalteten Auswerte- und Anzeigeelektronik 5 verbunden. Die Fotoströme werden in bekannter Weise zur Quadrantenerkennung bzw. zur Winkelerkennung herangezogen und zugeordnet. Die Winkel werdenzur optischen Kontrolle angezeigt und entsprechende Signale für die Steuerung von Maschinen, Aggregaten und Geräten bereitgestellt.Due to the pulsating light pulses of the light-emitting diode 2, photocurrents are produced at the four outputs of the VD whose instantaneous values are dependent on the light output of the light-emitting diode 2 and the irradiated area between the terminals. FIG. 3 shows the dependence of the four photocurrents IH ₄ as a function of the deviation of the VD from the starting position. The VD is connected to a downstream evaluation and display electronics 5. The photocurrents are used in a known manner for quadrant detection or for angle detection and assigned. The angles are displayed for visual inspection and corresponding signals are provided for the control of machines, units and equipment.

Claims

Inclination sensor, consisting of a light source and a diode designed as a light receiver, which are fixed to each other, and a fixed therebetween transparent container with an opaque liquid exposed to gravity and an evaluation and display electronics, which is connected to the diode, characterized in that the diode is a four-quadrant diode (37) and the container (4) is prismatic and is filled halfway with the opaque liquid (6) and the surface of the container (4) lying in front of the four-quadrant diode (3) is parallel and of larger geometrical dimensions Dimensions to the photosensitive surface of the four-quadrant diode (3) is arranged.

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