DE102005052235A1

DE102005052235A1 - Inclinometer horizontal position and variation determination sensor transmits light or reflection to receiver from floating reflector surface

Info

Publication number: DE102005052235A1
Application number: DE200510052235
Authority: DE
Inventors: Kristian Rink
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2007-05-03

Abstract

An inclinometer horizontal position and variation determination sensor transmits (4) light which returns to the photosensitive area (15) of a receiver from a reflecting surface (7) floating in liquid (9).

Description

Sensoren zur Bestimmung von Neigungen, bzw. daraus resultierende Inklinometer (<lat.>: Inklination = Neigung) werden auf vielen Gebieten der Technik eingesetzt. Im Bauwesen, in der Geodäsie (Vermessungswesen), in der Schiff-, Luft- und Raumfahrt zur Lagebestimmung, beim Militär, in vielen Laboratorien und auch in der Wägetechnik, wo u.a. Inklinometer zur präzisen Einstellung einer Plattform in die Horizontale Verwendung finden, um reproduzierende Messergebnisse zu erhalten.sensors for determining inclinations, or resulting inclinometers (<lat.>: inclination = inclination) are used in many fields of technology. In construction, in geodesy (surveying), in shipping, aviation and space for orientation, in the military, in many Laboratories and also in weighing technology, where u.a. Inclinometer for precise Setting a platform to be used horizontally, to get reproducing measurement results.

Die wohl bekannteste Methode ist die Bestimmung von Neigungen mit der Flüssigkeitslibelle (Wasserwaage), bei der eine nur sehr begrenzte Ablesegenauigkeit möglich ist.The Probably the best known method is the determination of inclinations with the Fluid level (spirit level), in which only a very limited reading accuracy is possible.

In Elektrolytlibellen wird zur Verbesserung der Ablesegenauigkeit und Auswertung von Neigungen auf elektronische Art die Flüssigkeit durch ein elektrisch leitfähiges Medium ersetzt und die Position der Gasblase bestimmt. Dies erfolgt mittels einer Widerstandsmessung an Elektroden, die unterschiedlich benetzt werden. Nachteile wären, dass sie nur für geringe Abweichungen von der Waagerechten geeignet sind, sowie eine schlechte Langzeitstabilität und eine hohe Temperaturempfindlichkeit aufweisen.In Electrolyte level is used to improve the reading accuracy and Evaluation of passions in electronic way the liquid through an electrically conductive Medium replaced and determines the position of the gas bubble. this happens by means of a resistance measurement on electrodes which are different be wetted. Disadvantages would be that they only for small Deviations from the horizontal are suitable, as well as a bad one Long-term stability and have a high temperature sensitivity.

[Fundstelle: W. Caspary – A. Geiger: Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit elektronischer Neigungsmesser, Wissenschaftlicher Studiengang Vermessungswesen, Hochschule der Bundeswehr München, Heft 3, S. 11–21][Reference: W. Caspary - A. Geiger: Investigations on the performance of electronic inclinometers, Scientific Study Program Surveying, College of Bundeswehr Munich, Issue 3, pp. 11-21]

Ein weiteres Verfahren, die Pendelneigungsmessung, nutzt den Einfluss, den die Schwerkraft auf ein Pendel ausübt. Je nach Schrägstellung werden zwei Spulen durch die Annäherung bzw. Entfernung des Pendels verstimmt und dieser Wert wird durch eine elektronische Schaltung zur Anzeige gebracht. Nachteil: Reibungsverluste in der Lagerung. Zusätzliche Dämpfung muss vorgenommen werden.One Another method, the pendulum tilt measurement, uses the influence, which gravity exerts on a pendulum. Depending on the inclination Two coils will be through the approach or distance of the pendulum detuned and this value is replaced by a electronic circuit displayed. Disadvantage: friction losses in storage. additional damping must be made.

[obige Fundstelle][above reference]

Das Schwingsaiten-Messverfahren benutzt die Eigenfrequenz einer schwingfähig im Messwertaufnehmer eingespannten Messsaite. Eine Änderung der Neigung des Gerätes verursacht eine Änderung der Dehnung und damit der Eigenfrequenz der Messsaite.The Oscillating string measuring method uses the natural frequency of a vibrating in the transducer clamped measuring string. A change the inclination of the device causes a change the stretching and thus the natural frequency of the Messsaite.

[obige Fundstelle][above reference]

Ein rein mechanisches Verfahren zur Bestimmung der Waagerechten ist der Kreiselkompass. Der Kreisel ist eine durch einen schnell laufenden Elektromotor angetriebene Scheibe, die kardanisch (frei drehbar) aufgehängt ist. Die Rotationsachse wird dabei immer in der Waagerechten gehalten. Nachteil ist die sehr hohe Drehzahl des Kreisels und somit ein größerer mechanischer Verschleiß der Lager.One purely mechanical method for the determination of the horizontal is the gyrocompass. The gyro is powered by a fast-running electric motor driven disc, which is gimbaled (freely rotatable) suspended. The rotation axis is always kept in the horizontal. disadvantage is the very high speed of the gyro and thus a larger mechanical Wear the Camp.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, beide horizontale Ebenen (x und y) ohne gegenseitige Beeinflussung zu erfassen und auszuwerten. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass keine mechanische Reibung bei der Messwerterfassung erfolgt, dass die Neigungswinkel relativ große Bereiche überstreichen und dass die Abtastung der Reflektionslage ohne mechanische Berührung erfolgt.Of the The invention defined in claim 1 is based on the problem both horizontal planes (x and y) without mutual interference record and evaluate. The advantages achieved by the invention insist in particular that no mechanical friction at The measured value is recorded so that the inclination angles cover relatively large areas and that the scanning of the reflection layer takes place without mechanical contact.

Bei dem Patentanspruch 1 wird die Erdanziehungskraft als Naturkonstante ausgenutzt. Hierbei wird die Horizontale in beiden Ebenen mittels Spiegel [7], die in Behältern [6] und auf einer Flüssigkeit [9] schwimmen, bestimmt. Der Spiegel [7] wird von einer Styropor-Platte [8] getragen und richtet sich bei Schräglage der Grundplattform [1] immer in die horizontale Lage aus. Abgetastet wird diese Lage durch eine optisch elektronische Schaltung, u.a. bestehend aus einer Infrarot-Sendediode [4] und einem Doppel-Fotoempfänger [5] für jeden Kanal. Das Licht der Sendediode [4] wird auf dem Spiegel [7] reflektiert (je nach x- oder y-Richtung) und die Beleuchtungsstärke (Intensität) auf den jeweils zwei nahe nebeneinander liegenden fotoempfindlichen Flächen [15] des Empfängers [5] gemessen. Die unterschiedliche Beleuchtung der beiden optischen Flächen [15] ist ein Maß für die Schrägstellung und kann weiterverarbeitet werden. Um eine Ausrichtung der Messplattform [2] in die Waagerechte zu erzielen, können Motore [12] über eine geeignete elektronische Schaltung in der jeweiligen Richtung solange angesteuert werden, bis die optischen Flächen [15] (jede Richtung getrennt voneinander) gleichmäßige Beleuchtung erfahren und die Messplattform [2] exakt in der Horizontalen ausgerichtet ist.In claim 1, the gravitational force is exploited as a natural constant. In this case, the horizontal in both planes by means of mirror [ 7 ] in containers [ 6 ] and on a liquid [ 9 ] swimming, certainly. The mirror [ 7 ] is replaced by a Styrofoam plate [ 8th ] and is aimed at inclining the base platform [ 1 ] always in the horizontal position. This position is scanned by an optically electronic circuit, consisting inter alia of an infrared transmitting diode [ 4 ] and a double photoreceiver [ 5 ] for each channel. The light of the transmitting diode [ 4 ] is on the mirror [ 7 ] (depending on the x or y direction) and the illuminance (intensity) on the two adjacent photosensitive surfaces [ 15 ] Recipient [ 5 ] measured. The different illumination of the two optical surfaces [ 15 ] is a measure of the inclination and can be further processed. In order to align the measuring platform [ 2 ] in the horizontal direction, motors [ 12 ] are controlled via a suitable electronic circuit in the respective direction until the optical surfaces [ 15 ] (each direction separated from each other) experience uniform illumination and the measurement platform [ 2 ] is aligned exactly in the horizontal.

Nach Patentanspruch 2, bezogen auf Zeichnung III, müssen der Spiegel [7] und das Trägermaterial Styropor [8] rundherum ca. 5mm kleiner als der Behälter [6] für die Flüssigkeitsaufnahme sein. Spiegel [7] und Träger [8] werden durch acht Abstandhalter [16] in der gewünschten Position gehalten. Dies ist erforderlich, da sonst die Spiegelfläche durch die Oberflächenenergie der Flüssigkeit zu einem beliebigen Rand gezogen würde und damit eine geringfügige Veränderung der Lage nicht mehr exakt erfassbar wäre.According to claim 2, based on drawing III, the mirror must 7 ] and the carrier material Styrofoam [ 8th ] around 5mm smaller than the container [ 6 ] for fluid intake. Mirror [ 7 ] and supports [ 8th ] are replaced by eight spacers [ 16 ] held in the desired position. This is necessary because otherwise the mirror surface would be drawn by the surface energy of the liquid to any edge and thus a slight change in the position would no longer be detected exactly.

Nach Patentanspruch 3, bezogen auf Zeichnung IV, wird direkt vor den fotoempfindlichen Flächen [15] der Fotoempfänger [5] eine Schlitzblende [17] (in Richtung Grenzbereich der Flächen) angebracht, um ein eindeutiges Nutzsignal zu erhalten und um unerwünschte Reflektionen zu minimieren.According to claim 3, based on drawing IV, is placed directly in front of the photosensitive surfaces [ 15 ] the photoreceiver [ 5 ] a slit [ 17 ] (in the direction of the boundary area of the surfaces) in order to obtain a clear useful signal and to minimize unwanted reflections.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Zeichnung I und II dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.One embodiment is shown in drawing I and II and will be described in more detail below.

Zeichnung I zeigt zur Prinzipverdeutlichung den Querschnitt durch das Inklinometer. Es wurde hier nur die Funktionsweise in einer (Horizontal-) Richtung dargestellt. Die auf der schiefen Ebene [3] stehende Grundplatte [1] ist Aufnahmeplattform für den Flüssigkeitsbehälter [6] mit Spiegel [7] und Styropor [8]. Exakt in der Mitte der Grundplatte ist ein Träger [10] befestigt, der am oberen Ende eine Kugel [11] aufweißt. Des Weiteren ist ein Motor mit Getriebe [12] angebracht, welcher über Zahnräder [13] einen beweglichen Innengewindebolzen [18] antreiben kann. Genau in der Mitte der Messplattform [2] ist eine leichte Vertiefung zur Aufnahme der Kugel [11] vorgesehen. Weiterhin sind an der Messplattform [2] auf einer justierbaren Trägerplatte [19] Sender [4] und Empfänger [5] in einem Winkel von je 13° angebracht. Bei gleichmäßiger Beleuchtung der fotoempfindlichen Flächen [15] vom Empfänger steht die Messplattform [2] genau in der Waagerechten, da sich der Spiegel [7] immer in die horizontale Lage ausrichtet. Bei Änderung der schiefen Ebene [3] wird die Messplattform [2] durch Eindrehen einer Gewindestange [14] in den Innengewindebolzen [18] wieder ausgeregelt.Drawing I shows the principle clarification of the cross section through the inclinometer. Only the mode of operation in a (horizontal) direction was shown here. The ones on the inclined plane [ 3 ] standing base plate [ 1 ] is a receiving platform for the liquid container [ 6 ] with mirror [ 7 ] and Styrofoam [ 8th ]. Exactly in the middle of the base plate is a support [ 10 ], which has a ball at the top [ 11 ]. Furthermore, a motor with gearbox [ 12 ] which is connected by gears [ 13 ] a movable internal thread bolt [ 18 ] can drive. Right in the middle of the measuring platform [ 2 ] is a slight depression for receiving the ball [ 11 ] intended. Furthermore, at the measuring platform [ 2 ] on an adjustable carrier plate [ 19 ] Sender [ 4 ] and recipients [ 5 ] attached at an angle of 13 ° each. With uniform illumination of the photosensitive surfaces [ 15 ] from the receiver is the measuring platform [ 2 ] exactly in the horizontal, since the mirror [ 7 ] always aligns with the horizontal position. When changing the inclined plane [ 3 ] the measuring platform [ 2 ] by inserting a threaded rod [ 14 ] in the female thread bolts [ 18 ] corrected again.

Ohne Verstellung kann durch die unterschiedliche Beleuchtung der fotoempfindlichen Flächen vom Empfänger die Schrägstellung gemessen und ausgewertet werden.Without Adjustment may be due to the different lighting of the photosensitive surfaces from the recipient the inclination measured and evaluated.

Zeichnung II zeigt eine Durchsicht durch die Messplattform [2] von oben. Bei Verstellung in x-Richtung (lange Seite der Messplattform wird angehoben oder abgesenkt) werden die fotoempfindlichen Flächen der Abtastung für x-Richtung unterschiedlich beleuchtet. Der Reflektionspunkt der Abtastung für die y-Richtung wird zwar verschoben, aber die Beleuchtung der Flächen des y-Empfängers bleibt gleichmäßig (identisch auch für die andere Richtung).Drawing II shows a view through the measuring platform [ 2 ] from above. When adjusted in the x-direction (long side of the measuring platform is raised or lowered), the photosensitive surfaces of the scanning are illuminated differently for the x-direction. Although the reflection point of the scan for the y-direction is shifted, the illumination of the areas of the y-receiver remains uniform (identical also for the other direction).

Zusätzlich zu den schon aufgezählten Vorteilen dieser Erfindung ist eine schnelle und exakte Erfassung der Horizontalen und Schräglagen abweichend von der Horizontalen gegeben. Durch die Viskosität der verwendeten Flüssigkeit ist ohne zusätzliche Maßnahmen eine gute Eigendämpfung des Sensors sichergestellt.In addition to the already enumerated Advantages of this invention is fast and accurate detection horizontal and sloping given deviating from the horizontal. By the viscosity of the used liquid is without additional activities a good self-damping of the sensor ensured.

Claims

Sensor for determining the horizontal positions and their deviations as a basic building block for inclinometers or inclinometers, characterized in that the light of the transmitter [ 4 ], reflected back on a reflective surface [ 7 ], on photosensitive areas [ 15 ] of a recipient [ 5 ] and that the reflective surface [ 7 ] on a liquid [ 9 ] is swimming.

Sensor according to claim 1, characterized in that the reflective surface [ 7 ] in a defined position within the liquid container [ 6 ] is held.

Sensor according to claim 1, characterized in that a slit diaphragm [ 17 ] in front of the photosensitive surfaces [ 15 ] Recipient [ 5 ] is attached.