DE1946271C - Verfahren und Vorrichtung zum Bestim men des Horizontal und/oder Vertikalabstan des zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Meßpunkten - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum und einen Winkeldetektor für den Anstellwinkel des

Bestimmen des Horizontal- und/oder Vertikalabstan- optischen Systems und ist dadurch gekennzeichnet,

des zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Meß- daß der Ausgang des Winkeldetektors mit einem

punkten, bei dem vom jeweils ersten Meßpunkt aus Steuereingang des Modulators verbunden ist und die-

ein im Takte eines Modulationssignals modulierter 5 sem ein vom Anstellwinkel des optischen Systems

Lichtstrahl auf den jeweils zweiten Meßpunkt gerich- abhängiges Frequenzsteuersignal zuführt,

tet und der dort reflektierte Lichtstrahl in seiner Ausgestaltungen der Erfindung betreffen konstruk-

Modulationsphase mit dem Modulationssignal ver- tive Einzelheiten des erfindungsgemäßen Meßgerätes,

glichen und aus dem Ergebnis dieses Phassnver- In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise

gleichs unter Berücksichtigung des Anstellwinkels der io veranschaulicht; es zeigt

Sichtlinie zwischen den beiden Meßpunkten der Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsge-

gesuchte Abstand ermittelt wird, sowie auf Vorrich- mäßen Meßgerätes zur Bestimmung einer horizon-

tungen zum Durchführen eines solchen Verfahrens. talen Entfernung in einer Schemadarstellung,

Neben in der deutschen Auslegeschrift 1 022 387, F i g. 2 eine piockschaltbilddarstellung der wichtig-

den USA.-Patentschriften 2 919 350 und 3 315 257 15 sten Stromkreise des Meßgerätes gemäß F i g. 1,

oder auf den Seiten 193 bis 197 der »Jenaer Rund- Fig.3 eine ähnliche Schemadarstellung auf die

schau«. Heft 3/1966, beschriebenen Geräten, die mit Anstellung ansprechender Bauelemente desselben

optisch-elektronischen Mitteln eine reine Entfer- Meßgerätes.

nungsbestimmung zwischen zwei Meßpunkten an Das in Fig. 1 dargestellte Koaxial-Meßgerät beruht

Hand eines Phasenvergleichs zwischen der Modu- »o auf dem Prinzip bekannter Meßgeräte zur Entfer-

lation eines am ersten Meßpunkt ausgesandten Meß- nungsmessung mittels eines modulierten Lichtstrahls.

Strahls und eines am zweiten Meßpunkt reflektierten Es sind deshalb lediglich solche Einzelheiten dar-

Strahls gestatten, ist aus der USA.-Patentschrift gestellt, welche für das Verständnis der erfradungs-

2 497 913 auch ein Gerät bekannt, das eine zusatz- gemäßen Ausgestaltung erforderlich sind,

liehe Berücksichtigung eines durch einen Höhen- «5 Das Meßgerät umfaßt eine anstellbare optische

unterschied zwischen den beiden Meßpunkten beding- Einheit OU mit einem Tubus T, in welchem das

ten Anstellwinkels und damit die Bestimmung der optische System enthalten ist. Am rückwärtigen Ende

Honzontal- und/oder Vertikalprojektion der gemes- des Tubus befindet sich ein Parabolspiegel P. Ein

senen Entfernung ermöglicht. Allerdings bedarf es Planspiegel M ist zentral im Tubus T angeordnet und

dabei zur Verwirklichung dieser Möglichkeit des Ein- 30 nimmt einen Lichtstrahl TB von einer modulierbaren

satzes aufwendiger elektronischer Zusatzeinrichtun- Lichtquelle MLS auf. Der Lichtstrahl TB wird in

gen und fehlerbehafteter Nachführeinrichtungen, so Richtung der optischen Achse OA des Spiegels P

daß das bekannte Gerät den Wünschen der Praxis gegen eben Reflektor ausgesendet, der am anderen

weder hinsichtlich seiner Gestehungskosten noch Ende der zu messenden Entfernungsstrecke ange-

hinsichtlich seber Betriebssicherheit und insbeson- 35 bracht ist. Der reflektierte Lichtstrahl RB wird durch

dere seiner Meßgenauigkeit voll zu entsprechen den Parabolspiegel P gegen das rückwärtige Ende

vermag. des Spiegels M und alsdann zu einer lichtempfind-

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, liehen Einrichtung LSD reflektiert, deren Ausgangs-

das eingangs erwähnte Verfahren so weiter zu ent- größe eine Spannung proportional der Intensität des

wickeln, daß eine unmittelbare Bestimmung der Hon- 40 Lichtstrahles RB ist. Das Modulationssignal wird von

zontal- und/oder Vertikalprojektion einer gemesse- einer Modulationssignalquelle MSS mit einem Steuer-

nen Entfernung ohne wesentlichen elektronischen eingang Cl erhalten, um die Frequenz / des Signals in

Mehraufwand und ohne Meßfehler durch Geräteteile Abhängigkeit von der Anstellung des Meßgerätes

erzielbar wird. gemäß der Formel / = F cos « zu verändern.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß da- 45 Die Ausgangsgröße der Signalquelle MSS liegt an

durch gelöst, daß die Frequenz des Modulations- der Lichtquelle MLS, um den Lichtstrahl TB zu

signals in Abhängigkeit vom Anstellwinkel variiert modulieren. Diese Ausgangsgröße liegt auch an einem

wird. einstellbaren Phasenschieber APS, wo sie einer ein-

Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu stellbaren Phasenverschiebung unterworfen wird. Die einer selbsttätigen Veränderung der Wellenlänge des 5" Ausgangsgröße des Phasenschiebers APS liegt an Modulationssignals als Funktion des Anstellwinkels, einem Phasenvergleicher PC, dem auch das Ausbeispielsweise umgekehrt proportional zu dessen gangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung LSD Cosinus, so daß sich als Meßergebnis unmittelbar der zugeführt wird. Die Abstandsmessung wird in an sich gewünschte Horizontal- und/oder Vertikalabstand bekannter Weise durch Justierung des Phasenschiezwischen den beiden Meßpunkten erhalten läßt. 55 bers APS durchgeführt, bis sich am Phasenvergleicher

Eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen PC eine Nullablesung ergibt. Diese Art der Messung Verfahrens bevorzugte Vorrichtung besitzt eine ist an sich bekannt und erfordert keine weiteren ErLichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, einen läuterungen.

Modulator zum Modulieren dieses Lichtstrahls im Der Tubus T ist an einem Zapfen AX festgelegt,

Takte eines Steuersignals, ein anstellbares optisches ^6o der in einem Lagerbock SU drehbar gelagert ist, wie

System zum Anvisieren des jeweils zweiten Meßpunk- es in der schematischen Darstellung durch einen

tes mit dem modulierten Lichtstrahl, einen Empfän- Doppelpfeil angedeutet ist. Am Tubus T ist ein auf

gcr zum Empfangen des am zweiten Meßpunkt die Anstellung ansprechendes Bauelement ERM an-

reflektierten Lichtstrahls, einen zum einen mit diesem gebracht, welches entsprechend der Anstellung einen

Empfänger und zum anderen mit dem Modulator ⁶5 Ausgangsstrom / (λ) erzeugt, der dem Steuereingang

verbundenen Phasendiskriminator zum Vergleichen Cl zugeführt wird, um die Frequenz / zwecks Erhalt

der Modulationsphase des reflektierten Lichtstrahls des Wertes Fco? λ einzustellen, wobei \ der Anstell-

einerseits und des Modulationssignals andererseits winkel ist.

^{3 4}

In Fig. 1 sind die Bedingungen für verschiedene ler Cl ein Ausgangsimpuls geliefert und erreichf den

Anstellwerte schematisch angegeben. Wenn A und F Frsqueiizdetektor FD sowie das Betätigungselement

die Werte der Wellenlänge des Modulationssignals AM, welches durch diesen Impuls zurückgestellt wird,

bzw. der Frequenz für die Anstellung null sind, so Auf Grund dieses Vorganges weist die Periode T₀ des

betragendieentsprechendenWerteAcosabzw.Fcos«, 5 Ausgangssignals des ZählersC2 folgenden Wert auf:

wenn der Wert der Anstellung gleich α ist. Dies be- τ =( - λτ+ IT (ΐ\

dingt, daß die horizontale Projektion der Modula- . ° ^⁰ . '

tionssignal-W-ellenlänge stets gleich ist, d.h. den Wert λ wobei T die Periode der Ausgangsgröße des Oszilla-

^aufweist· tors COS ist.

Fig. 2 zeigt em Ausführungsbeispiel der Modu- io I_n der ModulationssignalquelleMSS ist auch eine

lationssignalquells MSS einschließlich Schaltungen erste Mischstufe MXl vorgesehen, die die Ausgangs--

zur Erleichterung der Eichung des auf die Anstellung größen des Hauptoszillators MO und des frequenzge-

ansprechenden Bauelementes ERM ausführlicher, steuerten Oszillators COS aufnimmt. Eine zweite

wobei vorausgesetzt ist, daß diese Einrichtung mit Mischstufe MXl nimmt die Ausgangsgröße der

zwei Einstellknöpfen Kl und Kl zur Eichung des 15 Mischstufe MA'1 und die Ausgangsgröße einer Stufe

Alisgangssignals für zwei Werte der Anstellung «j und des Zählers Cl auf, in welcher die Frequenz F im

«₂ versehen ist. Verhältnis F/32 heruntergeteilt ist. Die Ausgangs-

Die ModulationssignalquelleMSS umfaßt als we- größen der Mischstufen MXl und MAT 2 werden sentliches Element einen frequenzgesteuerten Oszilla- einem Paar von Anschlüssen Tl und Tl zugeführt, tor COS gemäß der schwedischen Patentschrift 220 951. ao die mit einer Frequenzmeßeinrichtung FMD mittels Grundsätzlich wird die Genauigkeit des Oszillators eines Schalters SW verbunden werden können.
COS durch einen Vergleich von dessen Ausgangsfre- Am Tubus T ist ein, Paar von Libellen Ll und L 2 quenz/ mit der FrequenzF eines Hauptoszillators angebracht, welche die bestimmten AnstellwinkelOt₁ MO mit Hilfe von Zählern C1 und C 2 in nachstehend bzw. «₂ ge.mäß F i g. 2 anzeigen,
noch näher beschriebener Weise erzielt. Der Oszilla- «5 Aus der Gleichung (2) ergibt sich, daß die Austor MO ist als Quarzoszillator hoher Präzision ausge- gangsfrequenz des Zählers C 2 den Wert //(n₀ + n) bildet, dessen Ausgangsgröße dem ersten Zähler Cl aufweist. Der Frequenzdetektor FD vergleicht diese zugeführt wird. Die Kapazität des Zählers C1 beträgt Frequenz mit der Frequenz F/2 n₀ des Zählers C1 und 2n₀, so daß dessen Ausgangsgröße aus einer Schwin- erzeugt ein eine Differenz darstellendes Ausgangsgung der Frequenz F/2 M₀ besteht, die einem Fre- 30 signal, welches den Oszillator COS so lange einstellt, quenzdetektor FD zugeführt wird. bis beide Frequenzen gleich sind. Dies bedeutet, daß

Die Frequenz/ des Oszillators COS wird einem

Schalter SWC zugeführt, der zur Erzeugung eines _n+_n

Ausgangssignals der Frequenz / oder f/2 dient, und f = F —-—* (3)

zwar in Abhängigkeit von der Betätigung des Schal- 35 "o

ters SWC durch ein Betätigungselement AM. Die ist.

Ausgangsgröße des Schalters SWC wird dem zweiten Der gewünschte Wert von / beträgt

Zähler C2 mit der Kapazität n₀ zugeführt, welcher / = Fcosa (4)

mit einem Speicher SD verbunden ist, in. dem eine '

Zahl η gespeichert wird, die irgendeinen Wert von 0 40 Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich, daß

bis n₀ aufweisen kann. Der Wert η wird von dem auf der Wert n, der dem Speicher SD zugeführt wird, sich

die Anstellung ansprechenden Bauelement ERM in in Übereinstimmung mit der Gleichung (1) befin-

einem Analog-Digital-Wandler ADC abgenommen, den soll.

der in bekannter Weise ausgebildet sein kann, und Das auf die Anstellung ansprechende Bauelement

zwar gemäß der Formel ■ 45 ERM sowie der Analog-Digital-Wandler ADC spre-

n = η (2 cos α — 1). (1) ^c^^{en au}^ die Neigung an bzw. bewirken eine Signal-

⁰ umwandlung, wobei der Wandler ADC eine Aus-

Das Betätigungselement AM spricht auf den Aus- gangsgröße η gemäß der Gleichung (1) erzeugt,
gangsimpuls des Zählers C 2 und auf einen Aus- Auf diese Weise ändert sich die Frequenz des der gangsimpuls des Speichers SD an, was dann der Fall 5° Lichtquelle MLS zugeführten Modulationssignals geist, wenn die Zählung des Zählers C 2 den im Spei- maß der Gleichung (4), was bedeutet, daß die Welcher SD gespeicherten Wert η erreicht hat. lenlänge des Modulationssignals umgekshrt propor-

Unter der Voraussetzung, daß in dem auf die An- tional cos \ ist und die Entfernung in Einheiten der

stellung ansprechenden Bauelement ERM das Paar Horizontalprojektion der Wellenlänge des Modula-Einstellknöpfe Kl und Kl zur Justierung des Aus- 55 tionssignals, d. h. unabhängig von der Anstellung des

gangssignals des Bauelementes für zwei bestimmte Instrumentes als horizontale Entfernung erhalten

Werte α, bzw. <*., des Anstellwinkels vorgesehen ist, wi'd.

sind im dargestellten Ausführungsbeispiel λ, = 0 und Die Eichung des auf die Anstellung ansprechenden

ix₂ = arc cos (31/32). Bauelementes ERM erfolgt folgendermaßen:

Der Zähler C 2 beginnt die Zählung bei der Fre- ^6o Der Tubus T wird zuerst bei <* = 0 mit Hilfe der quenz f/2 des Schalters SWC, bis die Zählung den Libelle LI eingestellt. Dabei befindet sich der Schal-Wert« erreicht hat. In diesem Augenblick liefert der terSW^ in der Stellung Tl und verbindet die Misch-Speicher SD einen Ausgangsimpuls zum Betätigungs- stufe MXl mit der Frequenzmeßeinrichfung FMD. element/IM, was bewirkt, daß dieses den Schalter Der Einstellknopf K 1 wird alsdann so justiert, daß SWC in seine andere Stellung bringt, in welcher die ⁶5 die Frequenzmeßeinrichtung FMD eine Nullablesung Frequenz/ dem Zähler C2 zugeführt wird. Die Zäh- bietet, was anzeigt, daß die Ausganjisfrequenz / = F lung setzt sich daraufhin bei dieser Geschwindigkeit ist. Alsdann wird der Tubus 7" mit Hilfe der Libelle bis zum Wert /I₁₁ fort. Alsdann wird durch den Zäh- Ll auf den Winkel ,v, eingestellt und der Schalter SIP

in die Stellung T1 gebracht, wodurch die Mischstufe MX 2 mit der Frequenzmeßeinrichtung FMD verbunden wird.

Der Einstellknopf Kl wird alsdann so justiert, daß die Frequenzmeßeinrichtung FMD wiederum eine Nullablesung ergibt, was anzeigt, daß die beiden der Mischstufe MX 2 zugeführten Frequenzen gleich sind. Eine dieser Frequenzen ist die Frequenz F/32, während die andere Frequenz die Schwebungsfrequenz der Mischstufe MX 1 ist, welche nunmehr ebenfalls den Wert F/32 haben muß, da cos »_t = 31/32 ist und damit f den Wert 31 F/32 haben muß.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das auf die Anstellung ansprechende Bauelement ERM in Form eines Beschleunigungsmessers, der mit einer Feder SP versehen ist, die durch den Einstellknopf Kl justierbar ist und zur Kompensation der auf ein Pendel PE ausgeübten Schwerkraft dient, wenn dieses sich in Horizontalstellung befindet. Da solche Beschleunigungsmesser bekannt sind, genügt nachstehend eine kurze Erläuterung des Beschleunigungsmessers im Zusammenhang mit der Beschreibung seiner Anwendung.

Das Pendel PE ist auf einer Welle SH in einem Gehäuse HO gelagert und zusätzlich zur Schwerkraft der entgegenwirkenden Zugkraft der Feder SP sowie einer Ausgleichskraft unterworfen, die durch eine Magnetwicklung CL ausgeübt wird. Ein durch die Magnetwicklung CL verlaufender Strom / wird von einer steuerbaren Stromquelle CCS geliefert. Diese Stromquelle ist der Steuerung einer Steuereinheit CU unterworfen, welche auf die unsymmetrische Einstellung des Pendels PE gegenüber einer ausgeglichenen magnetischen Schaltung BC in an sich bekannter Weise anspricht, um ein Steuersignal zu liefern, welches den Strom steigert oder vermindert, bis wieder der Ausgleich des Pendels PE hergestellt und dessen Lage gegenüber der magnetischen Schaltung BC symmetrisch ist. Die Neigung beträgt α. Das Gewicht des Pendels PE wirkt der Kraft A entgegen, die durch die Feder SP ausgeübt wird, wobei die Kraft A cos beträgt; die durch die Magnetwicklung CL auszuübende verbleibende Kraft ist somit proportional A—Acosa. Dies bedeutet, daß der der Magnetwicklung CL zuzuführende Strom zur Wiederherstellung der symmetrischen Lage des Pendels PE ebenfalls proportional 1—cos α ist, d.h.

/ = Jt(I- cos *).

Um eine Möglichkeit zur Justierung des Wertes des Skalenfaktors k zu schaffen, ist die Energiebeaufschlagung der Stromquelle CCS durch ein justierbares Potentiometer steuerbar, welches gemäß F i g. 3 durch den Einstellknopf K2 justiert wird.

In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, von dem auf die Anstellung ansprechenden Bauelement ERM ein Signal in Abhängigkeit vom Sinus anstatt vom Cosinus der Anstellung abzuleiten. Der in F i g. 3 dargestellte Beschleunigungsmesser kann zu diesem Zweck leicht abgewandelt werden, indem er rechtwinklig zur dargestellten Stellung angeordnet wird, so daß der Beschleunigungsmesser normalerweise vertikal steht. Die Ausglcichsfeder SP ist dann nicht erforderlich, und die notwendige Kompensationskraft, die durch den Strom / zu bilden ist, wird dann proportional sin ix. Im allgemeinen ist es allerdings nicht zweckmäßig, die Kntfcrnungsmessung mit einer Frequenz durchzuführen, die gleich F sin α ist, da dies normalerweise eine unpraktisch niedrige Frequenz darstellt. Es ist zweckmäßiger, beispielsweise eine Frequenz F(I —sin <x) zu verwenden. S

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des Horizontal- und/oder Vertikalabstandes zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Meßpunkten, bei dem

ίο vom jeweils ersten Meßpunkt aus ein im Takte eines Modulationssignals modulierter Lichtstrahl auf den jeweils zweiten Meßpunkt gerichtet und der dort reflektierte Lichtstrahl in seiner Modulationsphase mit dem Modulationssignal vergli- chen und aus dem Ergebnis dieses Phasenvergleichs unter Berücksichtigung des Anstellwinkels der Sichtlinie zwischen den beiden Meßpunkten der gesuchte Abstand ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz(J) des

«ο Modulationssignals in Abhängigkeit vom Anstellwinkel («) variiert wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, einem Modulator

»5 zum Modulieren dieses Lichtstrahls im Takte eines Steuersignals, einem anstellbaren optischen System zum Anvisieren des jeweils zweiten Meßpunktes mit dem modulierten Lichtstrahl, einem Empfänger zum Empfangen des am zweiten Meßpunkt

reflektierten Lichtstrahls, einem zum einen mit diesem Empfänger und zum anderen mit dem Modulator verbundenen Phasendiskriminator zum Vergleichen der Modulationsphase des reflektierten Lichtstrahls einerseits und des Modulations- signals andererseits und einem Winkeldetektor für den Anstellwinkel des optischen Systems, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Winkeldetektors (ERM) mit einem Steuereingang (C/) des Modulators (MSS) verbunden ist und diesem ein vom Anstellwinkel (<*) des optischen Systems (OCO abhängiges Frequenzsteuersignal zuführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkeldetektor (ERM) zwei Einstellknöpfe (JCl und K 2) zum Justieren . des Steuersignals für ein Paar bestimmter Anstellwinkel («4, Oc_x) aufweist und daß das optische System (OU) mit einem Paar von Libellen (Ll und Ll) versehen ist, von denen jeweils eine bei dem entsprechenden Anstellwinkel horizontal liegt (F ig. 2).

41 Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator (MSS) einen Hauptoszillator (MO), einen frequenzgesteuerten Oszillator (COS) und Bauelemente zum Abneh men von Bezugsfrequenzen vom HauptoszÜlator entsprechend den vorgegebenen Anstellwinkeln sowie zum Vergleichen der abgenommenen Frequenzen mit der Frequenz des frequenzgesteuerten Oszillators aufweist (Fig. 2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Frequenzvergleich dienenden Bauelemente Mischstufen (MXl, MXS) aufweisen, an denen die Bezugsfrequenz und eine vom frequenzgesteuerten Oszillator (COS) abge-

nommene Frequenz liegen, und daß an den Ausgang der Mischstufen eine Frcquenzmeßeinrichtung (FMD) anschließbar ist (F i g. 2).

Hierzu 1 Blau Zeichnungen

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