DE19540590A1

DE19540590A1 - Nivelliersensor für Rotationslaser

Info

Publication number: DE19540590A1
Application number: DE1995140590
Authority: DE
Inventors: Detlev Dipl Ing Waschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-31
Filing date: 1995-10-31
Publication date: 1996-04-18

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.

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

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.