DE19540590A1 - Nivelliersensor für Rotationslaser - Google Patents
Nivelliersensor für RotationslaserInfo
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Description
In der Vermessungstechnik sind zwei verschiedene Gattungen von Empfängern
für Rotationslaser bekannt, die nach folgenden Prinzipien arbeiten:
Bei der ersten Gattung wird zur Ermittlung des Zentrums eines auftreffenden
Laserlichtfleckes eine symmetrische Anordnung zweier Gruppen von
Fotoempfängern verwendet. Hier wird durch Differenz- bzw. Vergleichsverfahren
eine außermittige Position des Fleckzentrums erkannt und z. B. mit
Leuchtanzeigen symbolisiert (Bertold Witte und Hubert Schmidt:
Vermessungskunde und Grundlagen der Statistik für das Bauwesen, Verlag
Konrad Wittwer, 2. Auflage, Stuttgart 1991, Seite 580),
(Hennecke/Müller/Werner: Handbuch Ingenieurvermessung Band 1, Verlag
Wichmann, 2. Auflage, Heidelberg 1994, Seiten 119f und 170f).
Die Empfangseinheit wird nun entweder von Hand (der gesamte Sensor) oder
motorisch (DE 38 33 153 A1) bei feststehendem Außengehäuse soweit nach
oben oder unten verschoben, bis der Laserfleck mittig auf einer gedachten
Trennlinie (Nullinie) zwischen den beiden Fotoempfänger-Gruppen auftrifft. Bei
der motorisierten Ausführung kann zusätzlich der dazu benötigte Verstellweg
numerisch angegeben werden (Fa. Geo-Feinmechanik GmbH Mülheim/Ruhr).
Bei Sensoren der zweiten Gattung wird eine reihenförmige Anordnung einzelner
Fotoempfänger senkrecht zum Bezugshorizont zur Ermittlung des Zentrums des
auftreffenden Laserlichtfleckes benutzt. (Fa. Spektra Physics, Fa. Nestle &
Fischer, Dornstetten).
Die Sensoren der ersten Gattung haben folgende Nachteile:
Mit den Sensoren, die von Hand auf die "Nullinie" verschoben werden müssen,
kann nur eine Höhenübertragung, nicht aber eine direkte, quantitative Messung
der Höhendifferenz zwischen Sensormitte und Bezugshorizont durchgeführt
werden. Außerdem haben sie einen kleinen Meßbereich. Die Sensoren mit
motorischer Verstellung der Empfangseinheit sind aufgrund der benötigten
mechanischen Antriebselemente (Motor/ Spindel/ Zahnstange etc.) in ihrer
Herstellung aufwendig und im Dauerbetrieb verschleißanfällig.
Für die Herstellung von Sensoren der zweiten Gattung ist für jeden dieser
Fotoempfänger (Fotodiode oder -transistor) eine Signalformungsstufe erforder
lich, um eine Auswertung ansteuern zu können. Ferner ist ihre Auflösung
begrenzt durch die Größe der lichtempfindlichen Fläche der einzelnen
Fotoempfänger.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
einen Nivelliersensor für Rotationslaser zu entwickeln, bei dem keine
beweglichen Bauteile benötigt werden, der einen großen Meßbereich hat und
eine numerische Anzeige sowie eine Datenübertragung des
Höhendifferenzwertes zwischen Sensormitte bzw. einem benutzerdefiniertem
Nullpunkt und dem Bezugshorizont des Lasers mit einer hohen Auflösung und
Genauigkeit gestattet.
Dieses Problem wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 2 aufgeführten
Merkmale gelöst, indem die Höhenwerte aus Zeitmessungen abgeleitet werden
und dazu linienförmige optische Empfangseinheiten zum Einsatz kommen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß keine
beweglichen Bauteile benötigt werden und deshalb der Nivelliersensor im
Dauerbetrieb nicht verschleißanfällig ist. Dies ist besonders bei kontinuierlichen
Höhenüberwachungen, z. B. an Bauwerken oder im Tiefbaubereich von
Bedeutung, wo man eine größere Anzahl dieser Sensoren verwenden könnte,
um den Einfluß von Ausschachtungen,Verpressungen, Grundwasserabsenkun
gen, Bergbau etc. auf die Tagesoberfläche erfassen zu können.
Fig. 1 zeigt die prinzipielle Wirkungsweise der Erfindung am Beispiel einer An
ordnung von drei linienförmigen optischen Empfangseinheiten.
Dabei ist die Einheit (2) in einem konstanten Winkel zu den beiden anderen
Empfangseinheiten (1, 3) angeordnet.
Die drei linienförmigen optischen Empfangseinheiten (1, 2, 3) können jeweils be
stehen aus:
- - aneinandergereihten, handelsüblichen optoelektronischen Sensoren (Fotodioden, Fototransistoren) in Parallelschaltung, oder
- - einem Bündel aus optisch leitenden Glas- oder Kunststoffasern, das auf der Empfangsseite einen linienförmigen Querschnitt und auf der Austrittsseite einen runden Querschnitt aufweist, wo die empfangene Laserstrahlung von einem optoelektronischen Sensor registriert wird, oder
- - einem speziell bearbeiteten Stab aus optisch leitendem Material entsprechender Länge, der in der Lage ist, Anteile der rechtwinklig auftreffenden Laserstrahlung zu absorbieren und achsparallel zu einem der beiden Stabenden zu leiten, wo die empfangene Laserstrahlung von einem optoelektronischen Sensor registriert wird.
Alle o.g. Ausführungen von linienförmigen optischen Empfangseinheiten sind
nicht positionsempfindlich. Das Laserlicht, welches in einer beliebigen Höhe eine
linienförmige optische Empfangseinheit trifft, bewirkt nur die Erzeugung eines
elektrischen Impulses, welcher als Start- bzw. Stopsignal benutzt wird.
Durch die Rotation des Laserstrahles im Uhrzeigersinn werden nacheinander die
drei linienförmigen optischen Empfangseinheiten in den Punkten A, B und C
(Fig. 1) getroffen. Dabei werden die beiden Zeiten gemessen, die proportional zu
den Strecken z1 und z0 sind. Die gesuchte Höhe h, die den Abstand zwischen
der Sensormitte bzw. dem benutzerdefinierten Nullpunkt und dem
Bezugshorizont des Rotationslasers angibt, wird nach der Formel
mit Hg : Maß zwischen den beiden gedachten Schnittpunkten S in (Fig. 1)
und Hm : Maß zwischen dem unteren Schnittpunkt S und der Sensormitte bzw. dem benutzerdefinierten Nullpunkt berechnet.
und Hm : Maß zwischen dem unteren Schnittpunkt S und der Sensormitte bzw. dem benutzerdefinierten Nullpunkt berechnet.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung dreier linienförmiger optischer Empfangseinhei
ten hat den Vorteil, daß Änderungen der Umdrehungsgeschwindigkeit des
Rotationslasers sowie systematische Meßfehler bei der Bestimmung von z0 und
z1 keinen Einfluß auf das Meßergebnis h haben, weil mit Hilfe des Wertes z0,
der den unveränderlichen Abstand zwischen den äußeren beiden, senkrecht
angeordneten Empfängern repräsentiert, eine Normierung des maßgebenden
Quotienten z1/z0 erfolgt.
Wenn man allerdings von ausreichender Stabilität der Laser-Rotationsge
schwindigkeit sowie der Zeitbestimmung ausgehen kann, ist auch der Bau eines
Nivelliersensors für Rotationslaser mit nur zwei linienförmigen optischen
Empfangseinheiten möglich, bei dem die beiden Empfangseinheiten in einem
definierten Winkel zueinander angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt in Frontansicht ein Ausführungsbeispiel eines Nivelliersensors für
Rotationslaser. Die hinter einer Filterscheibe im Gehäuse (1) montierten
linienförmigen optischen Empfangseinheiten (2, 3, 4) bestehen jeweils aus
aneinandergereihten, handelsüblichen Fotodioden in Parallelschaltung. Der
Abstand der lichtempfindlichen Flächen der Fotodioden untereinander beträgt
ca. 2 mm, so daß auch ein scharf gebündelter Laserstrahl von mindestens einer
Fotodiode erfaßt wird. Ausführungsbeispiele mit einem größeren Abstand
zwischen den Fotodioden bzw. verringerter Anzahl sind denkbar, wenn
Rotationslaser mit größerem Strahldurchmesser zum Einsatz kommen.
Der Taster (5) dient zum Ein-/Ausschalten des Nivelliersensors. Durch
Betätigung des Tasters "FUNKTION" (6) wird die Möglichkeit zur Wahl der
verwendeten Maßeinheit sowie zur Definition eines neuen Nullpunktes gegeben.
Mit dem Taster "SET" (7) wird die jeweilige Auswahl aktiviert. Die Zweifarben-
Leuchtdiode (8) dient zur Visualisierung des Betriebszustandes des
Nivelliersensors. Leuchtet sie rot, liegt eine Störung vor; leuchtet sie grün, läuft
ein normaler Meßzyklus ab. Der Meßwert h wird in der gewählten Maßeinheit auf
der LCD-Anzeige (9) angezeigt und an den Datenausgang (11) geleitet, von wo
aus der Wert von einem Personal-Computer oder einem Datensammler
eingelesen werden oder an einen weiteren Nivelliersensor gleicher Bauart
gesendet werden kann, um auf diese Weise ein Feldbussystem zu betreiben,
welches mehrere Nivelliersensoren miteinander verbindet. Zu diesem Zweck ist
der Dateneingang (10) vorgesehen.
Das Blockschaltbild (Fig. 3) dient zur weiteren Erläuterung der Funktionsweise:
Die erzeugten elektrischen Impulse der optoelektronischen Sensoren werden
von drei Signalanpassungsstufen in TTL-kompatible Start-/Stop-Signale ge
wandelt. Sobald der Startimpuls A (Fig. 1) erscheint, welcher eine
Interruptanforderung im Microcontroller auslöst, werden im Zähler die
Zählerstände Z0 und Z1 mit jedem Takt des Taktgenerators, jeweils beginnend
beim Startwert 65535, dekrementiert. Durch das Auftreffen des Laserstrahls auf
die schräg angeordnete Empfangseinheit im Punkt B (Fig. 1) wird der
Zählvorgang Z1 gestoppt; das Auftreffen des Strahls auf Punkt C (Fig. 1) stoppt
den Zählvorgang Z0 und leitet die Auswertung durch das Microcontrollersystem
ein:
Zunächst werden die Zählerstände Z0 und Z1 des Zählers eingelesen und die
Differenzen z0 = 65535-Z0 und z1 = 65535-Z1 gebildet. Nach einer
Plausibilitätsprüfung der Werte z0 und z1 wird der Wert h nach der o.g. Formel
berechnet und auf der LCD-Anzeige ausgegeben sowie an den Datenausgang
geleitet. Die Zweifarben-Leuchtdiode, die in der Betriebsart "grün" angesteuert
wird, signalisiert eine korrekt verlaufene Messung. Nach der Ausgabe des
Wertes h ist eine Messung abgeschlossen. Das Mikrocontrollersystem setzt
daraufhin den Zähler zurück und leitet die nächste Messung ein.
Folgende Umstände können bei der Plausibilitätsprüfung bzw. durch interne In
terruptanforderungen dem Mikrocontroller die Ungültigkeit oder Unmöglichkeit
einer Messung signalisieren:
- - Fall A: Der Wert z1 ist größer als der Wert z0
- - Fall B: Innerhalb eines definierten Zeitfensters wird kein Signal empfangen
- - Fall C: Der Zählerstand Z0 oder der Zählerstand Z1 erreicht Null.
Der Fall A tritt auf, wenn die Drehung des Rotationslasers nicht im Uhrzeigersinn
erfolgt. In der LCD-Anzeige wird dann der Text "Falsche Drehrichtung !" ausge
geben. Im Fall B hat entweder ein Hindernis den NivelIiersensor völlig
abgeschattet oder der Rotationslaser arbeitet nicht. In der LCD-Anzeige wird
dann der Text "Hindernis/ Laser ausgefallen !" ausgegeben. Im Fall C ist der
Abstand zum Rotationslaser und/oder die Rotationsgeschwindigkeit zu gering
oder die Verbindung zum Laser wurde kurzzeitig unterbrochen. In der LCD-
Anzeige wird dann der Text "Zu langsam - zu nah / Unterbr. !" ausgegeben.
In allen o.g. Fällen wird durch die Anschaltung der Zweifarben-LED in der Be
triebsart "rot" eine Störung signalisiert und die jeweiligen Meldetexte auch an
den Datenausgang ausgegeben.
Durch Betätigung des Tasters "FUNKTION" wird der laufende Meßzyklus
unterbrochen und die Möglichkeit zur Wahl der verwendeten Maßeinheit ([mm]
oder [inch] für den Wert h) sowie zur Definition eines neuen Nullpunktes
gegeben. Mit dem Taster "SET" wird die jeweilige Auswahl aktiviert und ein
Rücksprung in den Meßzyklus veranlaßt.
Claims (2)
1. Nivelliersensor für Rotationslaser zur Erfassung und numeri
schen Anzeige von Höhenveränderungen gegenüber einem von
einem rotierenden Laserstrahl erzeugten Bezugshorizont, dadurch
gekennzeichnet, daß die Höhendifferenz zwischen Sensormitte oder
einem benutzerdefinierten Nullpunkt und dem Bezugshorizont des
Lasers durch Zeitmessungen bestimmt wird.
2. Nivelliersensor für Rotationslaser nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß auftreffendes Laserlicht nacheinander auf
mindestens zwei linienförmige optische Empfangseinheiten geleitet
und nach Umformung als elektrische Signale einer Auswertestufe
zugeführt wird, wobei mindestens eine dieser Empfangseinheiten in
einem konstanten Winkel schräg zu der (den) anderen
Empfangseinheit(en) angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995140590 DE19540590A1 (de) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | Nivelliersensor für Rotationslaser |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995140590 DE19540590A1 (de) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | Nivelliersensor für Rotationslaser |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19540590A1 true DE19540590A1 (de) | 1996-04-18 |
Family
ID=7776291
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995140590 Withdrawn DE19540590A1 (de) | 1995-10-31 | 1995-10-31 | Nivelliersensor für Rotationslaser |
Country Status (1)
Country | Link |
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