DE102012201228B4 - Two-axis optical position detection of a cylindrical body - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen. Erfindungsgemäß ist ein erstes optisches Element (1.1) vorgesehen, mittels welchem Licht in sein elektromagnetisches Spektrum (S) zerlegbar ist. Weiterhin ist ein zweites optisches Element (1.3) vorgesehen, mittels welchem das in sein elektromagnetisches Spektrum (S) zerlegte Licht fokussierbar ist. Ferner ist ein zwischen dem ersten optischen Element (1.1) und dem zweiten optischen Element (1.3) angeordneter Messkörper (1.2) vorgesehen, welcher derart beweglich angeordnet ist, dass in Abhängigkeit einer Lage des Sensors (1) und einer daraus resultierenden Lage des Messkörpers (1.2) mittels des Messkörpers (1.2) ein vorgegebener Anteil (A) des elektromagnetischen Spektrums (S) des Lichts im Bereich zwischen dem Messkörper (1.2) und dem zweiten optischen Element (1.3) ausgeblendet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung (5) und ein Verfahren zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen.The invention relates to a sensor (1) for measuring inclinations and / or displacements. According to the invention, a first optical element (1.1) is provided, by means of which light can be disassembled into its electromagnetic spectrum (S). Furthermore, a second optical element (1.3) is provided, by means of which the light decomposed into its electromagnetic spectrum (S) can be focused. Furthermore, a measuring body (1.2) arranged between the first optical element (1.1) and the second optical element (1.3) is provided, which is movably arranged in such a way that, depending on a position of the sensor (1) and a position of the measuring body resulting therefrom ( 1.2) by means of the measuring body (1.2) a predetermined proportion (A) of the electromagnetic spectrum (S) of the light in the area between the measuring body (1.2) and the second optical element (1.3) is hidden.
The invention further relates to a device (5) and a method for measuring inclinations and / or displacements.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen.The invention relates to a sensor for measuring inclinations and / or displacements.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen.The invention further relates to a device and a method for measuring inclinations and / or displacements.

Aus dem Stand der Technik sind elektronische Sensoren zu einer automatisierten Messung von physikalischen Messgrößen in der Geotechnik bekannt. Die physikalischen Größen umfassen Neigungswerte und Verschiebungswerte. Die elektronischen Sensoren erzeugen ein elektrisches Signal, welches analog oder digital weiter verarbeitet wird. Zu einer Übertragung eines mittels eines jeweiligen Sensors erzeugten Messsignals zwischen dem Sensor und einer Auswerteeinheit über große Entfernungen von mehr als 500 m sind nach ”Möser, M. u. a.: Handbuch Ingenieurgeodäsie, 3. Auflage; Heidelberg Wichmann, 2000” in Abhängigkeit eines gewählten Schnittstellenformats und einer Übertragungsrate Zwischenverstärker oder Umsetzer erforderlich, da bei den mittels der Sensoren durchgeführten hochgenauen Messungen bei kleinen Änderungen einer Sensoreingangsgröße, d. h. der jeweiligen Messgröße, lediglich schwache elektrische Signale entstehen.From the prior art electronic sensors for automated measurement of physical quantities in geotechnical engineering are known. The physical quantities include slope values and displacement values. The electronic sensors generate an electrical signal, which is further processed analog or digital. For a transmission of a measurement signal generated by a respective sensor between the sensor and an evaluation over long distances of more than 500 m are to "Möser, M. u. a .: Handbook Engineering Geodesy, 3rd edition; Heidelberg Wichmann, 2000 "depending on a selected interface format and a transfer rate repeater or repeater required because in the highly accurate measurements performed by the sensors with small changes in a sensor input, d. H. the respective measured variable, only weak electrical signals are generated.

Aus der DE 601 05 143 T2 ist ein Inklinometer bekannt, welches zur Messung einer Neigungsänderung einer Struktur bestimmt ist.From the DE 601 05 143 T2 An inclinometer is known, which is intended for measuring a change in inclination of a structure.

Weiterhin ist aus der US 2010/0231898 A1 ein Neigungssensor mit einem Messkörper bekannt, bei welchem Licht abhängig von der jeweiligen Neigung in unterschiedliche Richtungen fokussiert wird.Furthermore, from the US 2010/0231898 A1 a tilt sensor with a measuring body is known in which light is focused depending on the respective inclination in different directions.

Ferner beschreibt die DE 198 17 004 A1 einen Raumlagesensor und die DD 69 708 A1 eine Einrichtung zur Messung von Abweichungen von der Vertikalen.Furthermore, the describes DE 198 17 004 A1 a room position sensor and the DD 69 708 A1 a device for measuring deviations from the vertical.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Sensor zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen anzugeben, welche eine einfache und zuverlässige Messung ermöglichen.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved sensor for measuring inclinations and / or displacements and an apparatus and a method for measuring inclinations and / or displacements, which allow a simple and reliable measurement.

Hinsichtlich des Sensors wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der Vorrichtung durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the sensor, the object is achieved by the features specified in claim 1 and in terms of the device by the features specified in claim 7. With regard to the method, the object is achieved by the features specified in claim 9.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Der Sensor zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen umfasst erfindungsgemäß ein erstes optisches Element, mittels welchem Licht in sein elektromagnetisches Spektrum zerlegbar ist, ein zweites optisches Element, mittels welchem das in sein elektromagnetisches Spektrum zerlegte Licht fokussierbar ist und einen zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element angeordneten Messkörper. Der Messkörper ist dabei derart beweglich angeordnet, dass in Abhängigkeit einer Lage des Sensors und einer daraus resultierenden Lage des Messkörpers mittels des Messkörpers ein vorgegebener Anteil des elektromagnetischen Spektrums des Lichts im Bereich zwischen dem Messkörper und dem zweiten optischen Element ausgeblendet ist.According to the invention, the sensor for measuring inclinations and / or displacements comprises a first optical element, by means of which light can be decomposed into its electromagnetic spectrum, a second optical element, by means of which the light decomposed into its electromagnetic spectrum can be focused and one between the first optical element and the second optical element arranged measuring body. In this case, the measuring body is movably arranged in such a way that, depending on a position of the sensor and a position of the measuring body resulting therefrom by means of the measuring body, a predetermined portion of the electromagnetic spectrum of the light is masked out in the area between the measuring body and the second optical element.

Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine parallele Messung von Positionsänderungen des Messkörpers in zwei Messachsen ohne den Einsatz einer externen Stromversorgung am Messort. Mittels des Sensors sind statische und dynamische Neigungen sowie Verschiebungen an geotechnischen Bauwerken in zwei senkrecht zueinander stehenden Messachsen messbar. Aufgrund der optischen Messung mittels des Lichts ist der erfindungsgemäße Sensor unabhängig von Umwelteinflüssen, wie z. B. radioaktiver Strahlung, elektromagnetischen Störfeldern sowie von Blitz- und Explosionsgefahren. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten elektronischen Sensoren zeichnet sich der erfindungsgemäße Sensor aufgrund der optischen Messung weiterhin durch eine hohe Langzeitstabilität und einen minimierten Drift des Nullpunktes aus. Auch ist hierdurch ein Einfluss von wechselnden Umgebungstemperaturen auf das Messergebnis und somit auf die Genauigkeit des Sensors minimiert. Daraus folgend eignet sich der erfindungsgemäße Sensor im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten elektronischen Sensoren insbesondere auch für statische und statisch-dynamische Langzeitbeobachtungen.The sensor according to the invention allows in a particularly advantageous manner a parallel measurement of changes in position of the measuring body in two measuring axes without the use of an external power supply at the measuring location. By means of the sensor, static and dynamic inclinations as well as displacements on geotechnical structures can be measured in two perpendicular measurement axes. Due to the optical measurement by means of light, the sensor according to the invention is independent of environmental influences, such. As radioactive radiation, electromagnetic interference and lightning and explosion hazards. Compared with the electronic sensors known from the prior art, the sensor according to the invention, due to the optical measurement, continues to be characterized by a high long-term stability and a minimized drift of the zero point. This also minimizes the influence of changing ambient temperatures on the measurement result and thus on the accuracy of the sensor. As a result, the sensor according to the invention, in contrast to the known from the prior art electronic sensors in particular for static and static-dynamic long-term observations.

Ferner ist der Messkörper lichtundurchlässig ausgebildet. Daraus folgend wird ein hoher Kontrast zwischen dem ausgeblendeten Anteil des elektromagnetischen Spektrums und den verbleibenden Anteilen erzeugbar, woraus eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messung resultiert.Furthermore, the measuring body is made opaque. As a result, a high contrast between the masked portion of the electromagnetic spectrum and the remaining portions can be generated, resulting in a further increase in the accuracy of the measurement.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors ist der Messkörper ein Seil oder ein beweglich gelagerter Stab, an dessen unterem Ende ein Massekörper aufgehängt ist. Dadurch wird ein Massependel realisiert, mittels welchem die zu messenden Neigungen und/oder Verschiebungen in beiden Messachsen sehr exakt erfassbar sind.According to a development of the sensor according to the invention, the measuring body is a cable or a movably mounted rod, at whose lower end a mass body is suspended. As a result, a mass pendulum is realized by means of which the inclinations and / or displacements to be measured in both measuring axes can be detected very accurately.

Um ein Schwingverhalten des Massekörpers zu dämpfen ist dieser in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors in Öl, insbesondere in einem Ölbad, gelagert. In order to damp a vibration behavior of the mass body of this is stored in a development of the sensor according to the invention in oil, in particular in an oil bath.

In einer alternativen Ausführungsform ist der Messkörper ein Stab, an dessen Unterseite ein in einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit angeordneter Schwimmkörper angeordnet ist. Der Schwimmkörper ist dabei an einem oberen Ende eines Seiles oder eines beweglich gelagerten Stabes befestigt, wobei das untere Ende des Seiles oder Stabes am Boden eines lichtdurchlässigen Behälters zur Aufnahme der Flüssigkeit befestigt ist. Bei der Berechnung der Neigung und/oder Verschiebung mittels der Auswerteeinheit wird eine etwaige, durch den Behälter oder die Flüssigkeit hervorgerufene Brechung des Lichts berücksichtigt. Auch diese Ausgestaltung des Sensors ermöglicht eine sehr exakte Erfassung der zu messenden Neigungen und/oder Verschiebungen in beiden Messachsen.In an alternative embodiment, the measuring body is a rod, on the underside of which a floating body arranged in a light-permeable liquid is arranged. The float is attached to an upper end of a rope or a movably mounted rod, wherein the lower end of the rope or rod is fixed to the bottom of a translucent container for receiving the liquid. When calculating the inclination and / or displacement by means of the evaluation unit, any refraction of the light caused by the container or the fluid is taken into account. Also, this embodiment of the sensor allows a very accurate detection of the inclinations and / or displacements to be measured in both measuring axes.

Bevorzugt ist das erste optische Element ein optisches Transmissionsgitter, wobei die Zerlegung des Lichts in sein elektromagnetisches Spektrum mittels des Transmissionsgitters insbesondere nach dem aus ”Pedrotti, L., Bausch, W.; Schmidt, H.: Optik für Ingenieure, Grundlagen; Seite 494, 4. Auflage, Berlin: Springer, 2007” bekannten Verfahren durchgeführt wird.Preferably, the first optical element is an optical transmission grating, wherein the decomposition of the light into its electromagnetic spectrum by means of the transmission grating, in particular according to the "Pedrotti, L., Bausch, W .; Schmidt, H .: optics for engineers, basics; Page 494, 4th edition, Berlin: Springer, 2007 "known method is performed.

Zu einer optimierten Fokussierung des Lichts nach der Ausblendung des vorgegebenen Anteils ist das zweite optische Element eine Sammellinse oder ein Hohlspiegel.For an optimized focusing of the light after the masking of the predetermined proportion, the second optical element is a converging lens or a concave mirror.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen zeichnet sich dadurch aus, dass diese den erfindungsgemäßen Sensor oder Ausführungsbeispiele desselben umfasst, wobei der Sensor eingangsseitig mit einem ersten Lichtwellenleiter gekoppelt ist, mittels welchem dem ersten optischen Element des Sensors kollimiertes Licht zuführbar ist. Der Sensor ist weiterhin ausgangsseitig mit einem mit einer Auswerteeinheit verbundenen zweiten Lichtwellenleiter gekoppelt, mittels welchem der Auswerteeinheit anhand des zweiten optischen Elements fokussiertes Licht zuführbar ist.The inventive device for measuring inclinations and / or displacements is characterized in that it comprises the sensor according to the invention or embodiments thereof, wherein the sensor is coupled on the input side to a first optical waveguide, by means of which collimated light can be supplied to the first optical element of the sensor. The sensor is further coupled on the output side to a second optical waveguide connected to an evaluation unit, by means of which light focused on the evaluation unit based on the second optical element can be fed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise aufgrund der Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen anhand optischer Messwerte die Messung ohne das Erfordernis einer elektrischen Versorgung am Messort. Insbesondere ist eine Messung mit einer hohen Anzahl von Messstellen über große Entfernungen von mehr als 1000 m möglich, woraus die Möglichkeit eines störungsfreien Einsatzes der Vorrichtung in blitz- und explosionsgefährdeten Gebieten, unter extremen Umweltbedingungen und in radioaktiven Bereichen resultiert.The device according to the invention makes it possible, in a particularly advantageous manner due to the measurement of inclinations and / or displacements on the basis of optical measured values, to carry out the measurement without the need for an electrical supply at the measuring location. In particular, a measurement with a high number of measuring points over long distances of more than 1000 m is possible, resulting in the possibility of trouble-free use of the device in lightning and hazardous areas, under extreme environmental conditions and in radioactive areas.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der erste Lichtwellenleiter und der zweite Lichtwellenleiter als gemeinsamer Lichtwellenleiter ausgebildet, wobei mittels des als Hohlspiegel ausgebildeten zweiten optischen Elements das fokussierte Licht in den gemeinsamen Lichtwellenleiter zurückreflektierbar und der Auswerteeinheit zuführbar ist. Dadurch ist es möglich, dass nur ein Lichtwellenleiter zur Leitung des Lichts erforderlich ist. Insbesondere bei großen Entfernungen zwischen der Lichterzeugungseinheit und dem Sensor sowie der Auswerteeinheit und dem Sensor ist daraus folgend ein Material- und Kostenaufwand stark verringerbar.According to a particularly advantageous development of the device according to the invention, the first optical waveguide and the second optical waveguide are designed as a common optical waveguide, wherein the focused light can be fed back into the common optical waveguide and fed to the evaluation unit by means of the second optical element designed as a concave mirror. This makes it possible that only one optical fiber for guiding the light is required. In particular, in the case of large distances between the light-generating unit and the sensor as well as the evaluation unit and the sensor, a material and cost expenditure can be greatly reduced.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen wird einem ersten optischen Element Licht zugeführt, welches mittels des ersten optischen Elements in sein elektromagnetisches Spektrum zerlegt wird. Weiterhin wird mittels eines zweiten optischen Elements das in sein Spektrum zerlegte Licht fokussiert, wobei vor der Fokussierung mittels eines zwischen dem ersten optischen Element und dem zweiten optischen Element angeordneten beweglichen Messkörpers in Abhängigkeit einer Lage des Messkörpers mittels des Messkörpers ein vorgegebener Anteil des elektromagnetischen Spektrums im Bereich zwischen dem Messkörper und dem zweiten optischen Element ausgeblendet. Anhand des ausgeblendeten Anteils des an die Auswerteeinheit übertragenen Spektrums wird mittels dieser die Neigung und/oder Verschiebung ermittelt.In the method according to the invention for measuring inclinations and / or displacements, light is supplied to a first optical element, which light is split into its electromagnetic spectrum by means of the first optical element. Furthermore, the light which has been decomposed into its spectrum is focused by means of a second optical element, whereby a predetermined portion of the electromagnetic spectrum in the light source is measured by means of the measuring body before focusing by means of a movable measuring body arranged between the first optical element and the second optical element Area hidden between the measuring body and the second optical element. On the basis of the hidden portion of the transmitted to the evaluation unit spectrum of the inclination and / or displacement is determined by this.

Auch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine parallele Messung von Positionsänderungen des Messkörpers in zwei Messachsen ohne den Einsatz einer externen Stromversorgung am Messort. Mittels des Verfahrens sind statische und dynamische Neigungen sowie Verschiebungen an geotechnischen Bauwerken in zwei senkrecht zueinander stehenden Messachsen messbar. Aufgrund der optischen Messung mittels des Lichts ist das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von Umwelteinflüssen.The method according to the invention also makes it possible in a particularly advantageous manner to carry out a parallel measurement of changes in position of the measuring body in two measuring axes without the use of an external power supply at the measuring location. By means of the method, static and dynamic inclinations as well as displacements on geotechnical structures can be measured in two perpendicular measurement axes. Due to the optical measurement by means of the light, the method according to the invention is independent of environmental influences.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Darin zeigen:Show:

1 schematisch ein Messprinzip eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen, 1 1 schematically a measuring principle of a sensor according to the invention for measuring inclinations and / or displacements,

2 schematisch ein bei einer bestimmten Lage eines Messkörpers des Sensors gemäß 1 erzeugtes elektromagnetisches Spektrum des Lichts, 2 schematically a at a certain position of a measuring body of the sensor according to 1 generated electromagnetic spectrum of the light,

3 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Sensor gemäß 1, 3 schematically a first embodiment of a device according to the invention with a sensor according to 1 .

4 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einem Sensor gemäß 1, und 4 schematically a second embodiment of the device with a sensor according to 1 , and

5 schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung mit einem Sensor gemäß 1. 5 schematically a third embodiment of the device with a sensor according to 1 ,

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

In 1 ist ein Messprinzip eines erfindungsgemäßen Sensors 1 zur Messung von Neigungen und Verschiebungen dargestellt. Der Sensor 1 ist insbesondere zur Messung der Neigungen und Verschiebungen an geotechnischen Bauwerken ausgebildet.In 1 is a measuring principle of a sensor according to the invention 1 to measure inclinations and displacements. The sensor 1 is designed in particular for measuring inclinations and displacements on geotechnical structures.

Der Sensor 1 umfasst ein als Transmissionsgitter ausgebildetes erstes optisches Element 1.1. Dem ersten optischen Element 1.1 wird mittels eines ersten Lichtwellenleiters 2 ein kollimiertes, d. h. parallelisiertes Lichtbündel zugeführt. Das Licht wird mittels einer in den 3 bis 5 näher dargestellten Lichterzeugungseinheit 6 erzeugt. Der erste Lichtwellenleiter 2 ist aus Glas- und/oder Kunststofffasern gebildet. Mittels des ersten optischen Elements 1.1 wird das Licht in sein elektromagnetisches Spektrum S zerlegt. Die Zerlegung erfolgt dabei insbesondere nach dem aus ”Pedrotti, L., Bausch, W.; Schmidt, H.: Optik für Ingenieure, Grundlagen; Seite 494, 4. Auflage, Berlin: Springer, 2007” bekannten Verfahren.The sensor 1 comprises a first optical element designed as a transmission grating 1.1 , The first optical element 1.1 is by means of a first optical waveguide 2 a collimated, ie parallelized light beam supplied. The light is made by means of a in the 3 to 5 illustrated light generating unit 6 generated. The first fiber optic cable 2 is made of glass and / or plastic fibers. By means of the first optical element 1.1 the light is decomposed into its electromagnetic spectrum S. The decomposition takes place in particular after the "Pedrotti, L., Bausch, W .; Schmidt, H .: optics for engineers, basics; Page 494, 4th edition, Berlin: Springer, 2007 "known method.

Dieses Spektrum S passiert einen zylindrischen und beweglich gelagerten Messkörper 1.2. Der Messkörper 1.2 ist lichtundurchlässig ausgebildet, so dass ein Anteil A des elektromagnetischen Spektrums S im Bereich zwischen dem Messkörper 1.2 und einem zweiten optischen Element 13 ausgeblendet wird.This spectrum S passes through a cylindrical and movably mounted measuring body 1.2 , The measuring body 1.2 is formed opaque, so that a proportion A of the electromagnetic spectrum S in the region between the measuring body 1.2 and a second optical element 13 is hidden.

Das zweite optische Element 1.3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Sammellinse ausgebildet und fokussiert das in sein elektromagnetisches Spektrum S zerlegte Licht, wobei im fokussierten der ausgeblendete Anteil A fehlt. Zur Fokussierung ist das zweite optische Element 1.3 in einem in 5 näher dargestellten Ausführungsbeispiel alternativ als Hohlspiegel ausgebildet.The second optical element 1.3 is formed in the illustrated embodiment as a converging lens and focuses the decomposed into its electromagnetic spectrum S light, wherein the focussed the hidden portion A is missing. For focusing is the second optical element 1.3 in an in 5 illustrated embodiment alternatively designed as a concave mirror.

Das fokussierte Licht wird einem mit einer in den 3 bis 5 näher dargestellten Auswerteeinheit 3 verbundenen zweiten Lichtwellenleiter 4 zugeführt. Der zweite Lichtwellenleiter 4 ist ebenfalls aus Glas- und/oder Kunststofffasern gebildet.The focused light becomes one with one in the 3 to 5 evaluation unit shown in detail 3 connected second optical waveguide 4 fed. The second optical fiber 4 is also made of glass and / or plastic fibers.

Mittels der Auswerteeinheit 3, bei welcher es sich insbesondere um ein Spektrometer handelt, wird aus dem empfangenen Licht aufgrund des fehlenden Anteils A ermittelt, welche Lage der Messkörper 1.2 hat. Daraus wird abgeleitet, welche Lage im Raum der Sensor 1 hat und welche Neigungen und Verschiebungen vorhanden sind.By means of the evaluation unit 3 , which is in particular a spectrometer, is determined from the received light due to the missing portion A, which position of the measuring body 1.2 Has. From this it is derived which position in the room the sensor 1 has and what inclinations and shifts exist.

Der Messkörper 1.2 ist dabei derart beweglich angeordnet, dass dieser sich bei Lageveränderungen des Sensors 1 zweidimensional in Längs- und oder Querrichtung bewegt. Somit sind Positionsänderungen des Messkörpers 1.2 und dessen Lage in zwei Messachsen X, Y erfassbar.The measuring body 1.2 is arranged so movable that this is in case of changes in position of the sensor 1 moved two-dimensionally in the longitudinal and or transverse direction. Thus, position changes of the measuring body 1.2 and its position in two measuring axes X, Y detectable.

2 zeigt ein bei einer bestimmten Lage eines Messkörpers 1.2 des Sensors 1 erzeugtes und von der Auswerteeinheit 5 empfangenes elektromagnetisches Spektrum S des Lichts. 2 shows a at a certain position of a measuring body 1.2 of the sensor 1 generated and by the evaluation unit 5 received electromagnetic spectrum S of the light.

Aus einer mittleren Position M des mittels des Messkörpers 1.2 ausgeblendeten spektralen Anteils A im Spektrum S werden die Bewegung des Messkörpers 1.2 und dessen Lage bezüglich der Messachse X, d. h. in Querrichtung bestimmt.From a middle position M of the means of the measuring body 1.2 hidden spectral portion A in the spectrum S are the movement of the measuring body 1.2 and its position with respect to the measuring axis X, that is determined in the transverse direction.

Bei einer Veränderung der Lage des Messkörpers 1.2 in Richtung der Messachse Y, d. h. in Längsrichtung, ändert sich sein Abstand zum ersten optischen Element 1.1 mit der Folge, dass der ausgeblendete Anteil A des Spektrums S sich in seiner Breite b verändert. Dadurch werden die Bewegung des Messkörpers 1.2 und dessen Position in Längsrichtung bestimmt.When changing the position of the measuring body 1.2 in the direction of the measuring axis Y, ie in the longitudinal direction, its distance to the first optical element changes 1.1 with the result that the hidden portion A of the spectrum S changes in width b. This will cause the movement of the measuring body 1.2 and determines its position in the longitudinal direction.

In Abhängigkeit der Breite b des ausgeblendeten Anteils A im Spektrum S sowie der mittleren Position M desselben werden die Neigung und Verschiebung mittels der Auswerteeinheit 3 ermittelt.Depending on the width b of the hidden portion A in the spectrum S and the middle position M thereof, the inclination and displacement by means of the evaluation unit 3 determined.

In 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 5 mit dem Sensor 1 dargestellt. Der Sensor 1 ist dabei als Neigungssensor ausgebildet, wobei der Messkörper 1.2 Bestandteil eines Massependels ist.In 3 is a first embodiment of a device according to the invention 5 with the sensor 1 shown. The sensor 1 is designed as a tilt sensor, wherein the measuring body 1.2 Part of a mass pendulum is.

Der Messkörper 1.2 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als Seil ausgebildet, wobei das Seil aus Kunststoff, Metall oder Textil gebildet ist. Alternativ ist der Messkörper 1.2 in nicht näher dargestellter Weise ein beweglich gelagerter Stab, welcher aus Kunststoff oder Metall gebildet ist.The measuring body 1.2 is formed in the illustrated embodiment as a rope, wherein the rope is made of plastic, metal or textile. Alternatively, the measuring body 1.2 in a manner not shown, a movably mounted rod, which is formed of plastic or metal.

Der Messkörper 1.2 bildet somit einen zylindrischen Körper, wobei am unteren Ende des Messkörpers 1.2 ein Massekörper 1.4 aufgehängt ist. Der Massekörper 1.4 ist zur Dämpfung seines Schwingverhaltens in einem Ölbad 1.5 angeordnet. Mittels der Lichterzeugungseinheit 6 wird in den ersten Lichtwellenleiter 2 Licht eingekoppelt, welches mittels eines ersten Faserkollimators 7 parallelisiert wird. Nach der Fokussierung des Lichts mittels des zweiten optischen Elements 1.3 wird das Licht ohne den Anteil A in den zweiten Lichtwellenleiter 4 eingekoppelt, mittels eines zweiten Faserkollimators 8 parallelisiert und der Auswerteeinheit 3 zugeführt.The measuring body 1.2 thus forms a cylindrical body, wherein at the lower end of the measuring body 1.2 a mass body 1.4 is suspended. The mass body 1.4 is for damping its vibration behavior in an oil bath 1.5 arranged. By means of the light generating unit 6 becomes the first fiber optic cable 2 Light coupled, which by means of a first fiber collimator 7 is parallelized. After focusing the light by means of the second optical element 1.3 the light without the proportion A is in the second optical waveguide 4 coupled by means of a second fiber collimator 8th parallelized and the evaluation unit 3 fed.

In Abhängigkeit von der Position des Messkörpers 1.2 in Bezug zu einem Sensorgehäuse G werden in oben beschriebener Weise die Neigungen in Längs- und Querrichtung ermittelt.Depending on the position of the measuring body 1.2 in relation to a sensor housing G, the inclinations in the longitudinal and transverse directions are determined in the manner described above.

4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 5. Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 5 ist der Messkörper 1.2 ein Stab. 4 shows a second embodiment of the device 5 , Unlike the in 3 illustrated first embodiment of the device 5 is the measuring body 1.2 a staff.

An der Unterseite des als Stab ausgeführten Messkörpers 1.2 ist zur Dämpfung seines Schwingverhaltens ein in einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit F angeordneter Schwimmkörper 1.6 angeordnet. Der Schwimmkörper 1.6 ist wiederum am oberen Ende eines Seiles 1.7 angeordnet. Alternativ zu dem Seil 1.7 ist der Schwimmkörper 1.6 in nicht gezeigter Weise am oberen Ende eines beweglich gelagerten Stabes befestigt.At the bottom of the measuring body designed as a rod 1.2 is to damp its oscillatory behavior in a translucent liquid F arranged float 1.6 arranged. The float 1.6 is again at the top of a rope 1.7 arranged. Alternative to the rope 1.7 is the float 1.6 fastened in a manner not shown at the upper end of a movably mounted rod.

Das Seil 1.7 bzw. der Stab ist am Boden eines lichtdurchlässigen Behälters 1.8 zur Aufnahme der Flüssigkeit F befestigt. Der Behälter 1.8 ist aus Glas oder Kunststoff gebildet.The rope 1.7 or the rod is at the bottom of a translucent container 1.8 attached to receive the liquid F. The container 1.8 is made of glass or plastic.

Der Messkörper 1.2 ”stellt” sich aufgrund der auf den Schwimmkörper 1.6 entgegengesetzt zur Schwerkraft wirkenden Auftriebskraft lotrecht.The measuring body 1.2 "Turns" due to the on the float 1.6 perpendicular to the gravitational lift force.

In Abhängigkeit von der Position des Messkörpers 1.2 in Bezug zum Sensorgehäuse G werden in oben beschriebener Weise die Neigungen in Längs- und Querrichtung ermittelt.Depending on the position of the measuring body 1.2 in relation to the sensor housing G, the inclinations in the longitudinal and transverse directions are determined in the manner described above.

Eine durch den Behälter 1.8 oder die Flüssigkeit F hervorgerufene Brechung des Lichts wird bei der Ermittlung Neigungen in Längs- und Querrichtung berücksichtigt. Alternativ werden der Behälter 1.8 und die Flüssigkeit F derart gewählt, dass es zu keiner Brechung des Lichts kommt.One through the container 1.8 or the refraction of the light caused by the liquid F is taken into account when determining inclinations in the longitudinal and transverse directions. Alternatively, the container 1.8 and the liquid F is selected such that refraction of the light does not occur.

In 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 5 dargestellt. Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist das zweite optische Element 1.3 ein Hohlspiegel, mittels welchem das fokussierte Licht ohne den Anteil A zurück in den ersten Lichtwellenleiter 2 reflektiert wird. Somit bildet der erste Lichtwellenleiter 2 gleichzeitig den zweiten Lichtwellenleiter 4, so dass beide Lichtwellenleiter 2, 4 als gemeinsamer Lichtwellenleiter ausgebildet sind.In 5 is a third embodiment of the device 5 shown. Unlike the in 4 illustrated second embodiment, the second optical element 1.3 a concave mirror, by means of which the focused light without the portion A back into the first optical waveguide 2 is reflected. Thus, the first optical waveguide forms 2 at the same time the second optical fiber 4 so that both fiber optic cables 2 . 4 are formed as a common optical waveguide.

Das als Hohlspiegel ausgebildete zweite optische Element 1.3 ist dabei Bestandteil des Behälters 1.8. Hierzu ist ein Abschnitt des Behälters 1.8 reflektierend ausgebildet.The second optical element designed as a concave mirror 1.3 is part of the container 1.8 , This is a section of the container 1.8 reflective trained.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Sensorsensor
1.11.1
erstes optisches Elementfirst optical element
1.21.2
Messkörpermeasuring body
1.31.3
zweites optisches Elementsecond optical element
1.41.4
Massekörpermass body
1.51.5
Ölbadoil bath
1.61.6
Schwimmkörperfloat
1.71.7
Seilrope
1.81.8
Behältercontainer
22
erster Lichtwellenleiterfirst optical fiber
33
Auswerteeinheitevaluation
44
zweiter Lichtwellenleitersecond optical fiber
55
Vorrichtungcontraption
AA
Anteilproportion of
bb
Breitewidth
FF
Flüssigkeitliquid
GG
Sensorgehäusesensor housing
MM
mittlere Positionmiddle position
SS
Spektrumspectrum
XX
Messachsemeasuring axis
YY
Messachsemeasuring axis

Claims (9)

Sensor (1) zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen, gekennzeichnet durch – ein erstes optisches Element (1.1), mittels welchem Licht in sein elektromagnetisches Spektrum (S) zerlegbar ist, – ein zweites optisches Element (1.3), mittels welchem das in sein elektromagnetisches Spektrum (S) zerlegte Licht fokussierbar ist, und – einen zwischen dem ersten optischen Element (1.1) und dem zweiten optischen Element (1.3) angeordneten Messkörper (1.2), welcher derart beweglich angeordnet ist, dass in Abhängigkeit einer Lage des Sensors (1) und einer daraus resultierenden Lage des Messkörpers (1.2) mittels des Messkörpers (1.2) ein vorgegebener Anteil (A) des elektromagnetischen Spektrums (S) des Lichts im Bereich zwischen dem Messkörper (1.2) und dem zweiten optischen Element (1.3) ausgeblendet ist, wobei der Messkörper (1.2) lichtundurchlässig ausgebildet ist.Sensor ( 1 ) for measuring inclinations and / or displacements, characterized by - a first optical element ( 1.1 ), by means of which light into its electromagnetic spectrum (S) can be dismantled, - a second optical element ( 1.3 ), by means of which the light decomposed into its electromagnetic spectrum (S) can be focused, and - one between the first optical element ( 1.1 ) and the second optical element ( 1.3 ) arranged measuring body ( 1.2 ), which is arranged such that, depending on a position of the sensor ( 1 ) and a resulting position of the measuring body ( 1.2 ) by means of the measuring body ( 1.2 ) a predetermined proportion (A) of the electromagnetic spectrum (S) of the light in the region between the measuring body ( 1.2 ) and the second optical element ( 1.3 ) is hidden, wherein the measuring body ( 1.2 ) is formed opaque. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (1.2) ein Seil oder ein beweglich gelagerter Stab ist, an dessen unterem Ende ein Massekörper (1.4) aufgehängt ist.Sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the measuring body ( 1.2 ) a rope or a movably mounted rod is, at whose lower end a mass body ( 1.4 ) is suspended. Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (1.4) in Öl gelagert ist.Sensor ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the mass body ( 1.4 ) is stored in oil. Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkörper (1.2) ein Stab ist, an dessen Unterseite ein in einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit (F) angeordneter Schwimmkörper (1.6) angeordnet ist, wobei der Schwimmkörper (1.6) an einem oberen Ende eines Seiles (1.7) oder eines beweglich gelagerten Stabes befestigt ist, wobei das untere Ende des Seiles (1.7) oder Stabes am Boden eines lichtdurchlässigen Behälters (1.8) zur Aufnahme der Flüssigkeit (F) befestigt ist.Sensor ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the measuring body ( 1.2 ) is a rod, on the underside of which a floating body (F) is arranged ( 1.6 ), wherein the floating body ( 1.6 ) at an upper end of a rope ( 1.7 ) or a movably mounted rod, wherein the lower end of the cable ( 1.7 ) or rod at the bottom of a translucent container ( 1.8 ) is attached to receive the liquid (F). Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (1.1) ein optisches Transmissionsgitter ist.Sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first optical element ( 1.1 ) is an optical transmission grating. Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element (1.3) eine Sammellinse oder ein Hohlspiegel ist.Sensor ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the second optical element ( 1.3 ) is a converging lens or a concave mirror. Vorrichtung (5) zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen, gekennzeichnet durch einen Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1) eingangsseitig mit einem ersten Lichtwellenleiter (2) gekoppelt ist, mittels welchem dem ersten optischen Element (1.1) des Sensors (1) kollimiertes Licht zuführbar ist und wobei der Sensor (1) ausgangsseitig mit einem mit einer Auswerteeinheit (3) verbundenen zweiten Lichtwellenleiter (4) gekoppelt ist, mittels welchem der Auswerteeinheit (3) anhand des zweiten optischen Elements (1.3) fokussiertes Licht zuführbar ist.Contraption ( 5 ) for measuring inclinations and / or displacements, characterized by a sensor ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the sensor ( 1 ) on the input side with a first optical waveguide ( 2 ) is coupled, by means of which the first optical element ( 1.1 ) of the sensor ( 1 ) collimated light can be supplied and wherein the sensor ( 1 ) on the output side with one with an evaluation unit ( 3 ) connected second optical waveguide ( 4 ), by means of which the evaluation unit ( 3 ) based on the second optical element ( 1.3 ) focused light can be supplied. Vorrichtung (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtwellenleiter (2) und der zweite Lichtwellenleiter (4) als gemeinsamer Lichtwellenleiter ausgebildet sind, wobei mittels des als Hohlspiegel ausgebildeten zweiten optischen Elements (1.3) das fokussierte Licht in den gemeinsamen Lichtwellenleiter zurückreflektierbar und der Auswerteeinheit (3) zuführbar ist.Contraption ( 5 ) according to claim 7, characterized in that the first optical waveguide ( 2 ) and the second optical fiber ( 4 ) are formed as a common optical waveguide, wherein by means of the concave mirror formed as a second optical element ( 1.3 ) the focused light can be reflected back into the common optical waveguide and the evaluation unit ( 3 ) can be fed. Verfahren zur Messung von Neigungen und/oder Verschiebungen, dadurch gekennzeichnet, dass – einem ersten optischen Element (1.1) Licht zugeführt wird, welches mittels des ersten optischen Elements (1.1) in sein elektromagnetisches Spektrum (S) zerlegt wird, und dass – mittels eines zweiten optischen Elements (1.3) das in sein Spektrum (S) zerlegte Licht fokussiert wird, – wobei vor der Fokussierung mittels eines zwischen dem ersten optischen Element (1.1) und dem zweiten optischen Element (1.3) angeordneten beweglichen Messkörpers (1.2) in Abhängigkeit einer Lage des Messkörpers (1.2) mittels des Messkörpers (1.2) ein vorgegebener Anteil (A) des elektromagnetischen Spektrums (S) im Bereich zwischen dem Messkörper (1.2) und dem zweiten optischen Element (1.3) ausgeblendet wird und – anhand des ausgeblendeten Anteils (A) des an die Auswerteeinheit (3) übertragenen Spektrums (S) mittels dieser die Neigung und/oder Verschiebung ermittelt wird.Method for measuring inclinations and / or displacements, characterized in that - a first optical element ( 1.1 ) Light is supplied, which by means of the first optical element ( 1.1 ) is decomposed into its electromagnetic spectrum (S), and that - by means of a second optical element ( 1.3 ) the light decomposed into its spectrum (S) is focused, - whereby, before the focusing, by means of a light emitted between the first optical element ( 1.1 ) and the second optical element ( 1.3 ) arranged movable measuring body ( 1.2 ) as a function of a position of the measuring body ( 1.2 ) by means of the measuring body ( 1.2 ) a predetermined proportion (A) of the electromagnetic spectrum (S) in the region between the measuring body ( 1.2 ) and the second optical element ( 1.3 ) and - based on the hidden portion (A) of the report to the evaluation unit ( 3 ) transmitted spectrum (S) by means of this the inclination and / or displacement is determined.
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