DE19603179C1 - Interferometrischer Neigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen interferometrischen Neigungsmesser gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs zur Ermittlung der Neigung von Geräten unter Verwendung einer das Licht einer Lichtquelle reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche.

Es ist allgemein üblich, Neigungsmessungen an Geräten, z. B. zur Horizontierung solcher Geräte, Libellen zu verwenden, bei denen die Position einer in einem Flüssigkeitsvolumen vorhandenen Gasblase bestimmt wird. Solche Libellen besitzen jedoch den Nachteil, daß Neigungen nur in einem relativ kleinen Winkelbereich ausreichend genau gemessen werden können.

Aus der DD 2 36 986 ist eine Libelle zur Ermittlung der Winkelposition einer Einrichtung bekannt, bei welcher bei Neigung der Libelle im Bezug auf die horizontale Ebene durch die Gasblase Lichtstrahlen einer Beleuchtungseinrichtung beeinflußt werden. In horizontaler Lage der Libelle passieren die Lichtstrahlen die Einrichtung unbeeinflußt.

In der DE 41 10 858 A1 ist ein zweiachsiger Neigungsmesser mit einem neigungsempfindlichen und strahlenablenkenden Sensor beschrieben, über den eine geometrische Figur mit mindestens einem Winkel auf ein Lineararray von Fotoempfängern projiziert wird. Dabei ist der neigungsempfindliche und strahlenablenkende Sensor als ein Flüssigkeitsprisma ausgebildet. Die Ablenkung des Strahlenbündels erfolgt durch Brechung am geneigten Flüssigkeitshorizont, wobei die Flüssigkeit wie ein optischer Keil wirkt. Als Flüssigkeit ist transparentes Silikonöl vorgesehen.

Es sind weiterhin Anordnungen zur Neigungsmessung bekannt, bei denen die Neigung der Geräte oder von Teile dieser Anordnungen mittels Interferenz von Lichtstrahlen an einer Flüssigkeitsoberfläche ermittelt wird. So ist aus der SU-PS 1 451 541 eine Anordnung bekannt, mit welcher unter Auswertung von Interferenzen gleicher Dicke interferentiell die Neigung von Objekten ermittelt werden kann.

Bei einer weiteren Anordnung zur interferentiellen Neigungsmessung unter der Zurhilfenahme einer Flüssigkeitsoberfläche wird ein Strahl mittels Spiegel und Strahlenteiler in vier Teilstrahlen zerlegt. Zwei der Teilstrahlen werden durch eine Küvette geleitet. Jeder der Teilstrahlen wird mit einem außerhalb der Küvette verlaufenden Teilstrahl zur Interferenz gebracht und die entstehenden Interferenzmuster detektiert. Diese Anordnung ist jedoch kompliziert aufgebaut. So sind zur Realisierung des Interferometerstrahlenganges viele zusätzliche optische Bauelemente im Form von ganz- oder teilverspiegelten Reflektoren notwendig. [XX. Kongreß der Internationalen Vereinigung der Vermessungsingenieure (März 1994) in Melbourne, Commission 6, Bericht SGS 653.2, Zhide L. and Shushou Z., "The newest Development of EDM Trigonometrical Levelling in China"].

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen interferometrischen Neigungsmesser zu schaffen, welcher technisch einfach ohne zusätzliche optische Bauelemente aufgebaut ist und mit welchem eine präzise Ermittlung der Neigung von Geräten und Objekten in einem weiten Meßbereich in der Größenordnung einer Bogensekunde oder Bruchteilen davon durchgeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Neigungsmesser gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruches gelöst. Nähere Einzelheiten und Ausführungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Der erfindungsgemäße Neigungsmesser nach dem ersten Anspruch stellt ein kompaktes, wenige einfache Bauteile umfassendes Meßgerät dar, mit welchem eine präzise Ermittlung der Neigung von Geräten oder Teilen von Geräten vorgenommen werden kann. Eine hohe Stabilität der Messungen in einem großen Temperaturbereich, wie er insbesondere bei geodätischen Messungen im Gelände vorhanden ist, wird vor allem dadurch erreicht, daß alle wesentlichen Elemente innerhalb des Gehäuses des Neigungsmessers untergebracht sind. Da auch der interferometrische Strahlengang (Meß- und Referenzstrahlengang) sowie der Interferenzpunkt, bei dem die Interferenzen entstehen, welche von der Neigung abhängig sind, sich innerhalb des Gehäuses befinden, wird eine weitgehende Unabhängigkeit von Umwelteinflüssen und damit auch eine stabile Messung erreicht.

Zur verlustarmen Einleitung in das und Herausführung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtbündels aus dem Gehäuse heraus ist am lichtdurchlässigen Element jeweils ein Ein- und Auskoppelelement in Form von Prismen vorgesehen. Als Ein- und Auskoppelelemente können auch Lichtleiter eingesetzt werden, die zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element und/oder zwischen dem optischen Element und der Empfängeranordnung eingebaut sind.

Es ist vorteilhaft, wenn das optische Element aus miteinander verbundenen Glasplatten besteht, zwischen denen die strahlenteilende Schicht gelegen ist und wenn dieses optische Element mindestens eine das Referenzstrahlenbündel umlenkende Reflektorfläche besitzt, wobei diese Reflektorfläche auf der der Lichtquelle zugewandten Fläche des optischen Elementes, an der auch das Ein- und Auskoppelelement angeordnet sind, im Bereich zwischen diesen Koppelelementen liegt. Die Glasplatten werden vorteilhaft durch Kleben oder Kitten miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform schließt das optische Element gleichzeitig das Gehäuse nach außen flüssigkeitsdicht ab.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das optische Element eine Glasplatte, auf deren, der Flüssigkeit abgewandten Fläche die strahlenteilende Schicht aufgebracht ist. Parallel zu dieser Schicht und in einem Abstand von ihr ist ein reflektierendes Element in Form eines Spiegels im Innern des Gehäuses vorgesehen, an welchem das Referenzstrahlenbündel zum auf der strahlenteilenden Schicht liegenden Interferenzpunkt umgelenkt wird, um dort mit dem Meßstrahlenbündel zu interferieren.

Ein besonders robuster Neigungsmesser ergibt sich, wenn das Gehäuse aus Metall besteht. Zur Einleitung des von der Lichtquelle, z. B. einem Laser oder einer Laserdiode, ausgehenden Lichtbündels in das Gehäuse hinein und zur Herausführung der Interferenzen aus dem Gehäuse heraus zwecks Abbildung auf die Empfängeranordnung besitzt das Gehäuse an der unteren Seite jeweils ein Lichteintritts- und ein Lichtaustrittsfenster.

Vorteilhaft ist ferner, wenn als Lichtquelle ein Laser zur Anwendung kommt und die Empfängeranordnung ein CCD-Elemente umfassender Zeilenempfänger ist oder eine aus CCD-Elementen zusammengesetzter Matrixempfänger ist, so daß mit der CCD-Zeile einachsige oder mit dem CCD-Array auch zweiachsige Neigungsmessungen durchführbar sind.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Neigungsmesser mit zusammengesetztem optischen Element und

Fig. 2 einen Neigungsmesser mit gesondertem reflektierenden Element.

Der in Fig. 1 im Querschnitt vereinfacht dargestellte interferometrische Neigungsmesser umfaßt ein Gehäuse 1, in welchem eine an ein Luftvolumen 2 grenzende Flüssigkeit 3 enthalten ist, und welches von unten durch ein optisches Element 4 verschlossen ist. Dieses optische Element 4 besteht aus zwei, insbesondere durch Kitten oder Kleben miteinander verbundenen Glasplatten 4.1 und 4.2, zwischen denen sich eine strahlenteilende Schicht 5 befindet. An der äußeren Fläche 4.3 des optischen Elementes 4 sind ein optisches Einkoppelelement 6 und ein Auskoppelelement 7 angeordnet. Der Bereich der Fläche 4.3, welcher zwischen den Koppelelementen 6 und 7 liegt, ist als optische Reflektorfläche ausgebildet.

Ein von einer Lichtquelle 8, vorzugsweise einem Laser, ausgehendes Lichtbündel wird durch das Einkoppelelement 6 in das optische Element 4 eingeleitet und in einem auf der strahlenteilenden Schicht 5 liegenden Punkt A in ein Meßstrahlenbündel ABC und ein Referenzstrahlenbündel ADC aufgespalten, welche beide nach Durchlaufen unterschiedlicher optischer Wege (Strecke ABC ≠ Strecke ADC) im ebenfalls auf der Schicht 5 liegenden Punkt C zur Interferenz gebracht. Das Referenzstrahlenbündel ADC wird dabei an der reflektierenden äußeren Fläche 4.3 des Elementes 4 reflektiert und durchläuft stets einen konstanten, von der Neigung unabhängigen optischen Weg. Das Meßstrahlenbündel ABC, dessen optische Weglänge von der Neigung des Neigungsmessers abhängig ist, wird nach Durchlaufen der Flüssigkeit 3 am an das Luftvolumen 2 grenzenden Flüssigkeitshorizont im Punkt B total reflektiert und zum Interferenzpunkt C gelenkt. Die hier entstehenden Interferenzen werden durch das Auskoppelelement 7 und ein nachgeordnetes Abbildungssystem 9 auf eine fotoelektrische Empfängeranordnung 10 abgebildet, welche für Messungen in nur einer Richtung ein CCD- Reihenempfänger oder für Messungen in zwei Koordinaten eine CCD-Matrix ist. Diese Empfängeranordnung 10 erzeugt neigungsabhängige elektrische Signale, die einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung 11 zur Ermittlung der Neigung des untersuchten Objektes zugeführt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen interfero­ metrischen Neigungsmessers umfaßt ein durch einen Deckel 12 abgeschlossenes Gehäuse 13, welches an seiner der Lichtquelle 8 zugewandten Fläche ein Licht­ eintrittsfenster 14 und ein Lichtaustrittsfenster 15 besitzt. In Innern des Gehäuses 13 ist eine an ein Luftvolumen 2 grenzende Flüssigkeit 3 vorgesehen. Diese Flüs­ sigkeit ist auf einem als Glasplatte ausgebildeten optischen Element 16 ange­ ordnet, welches an seiner, der Flüssigkeit 3 abgewandten Fläche mit einer strahlenteilenden Schicht 17 zur Aufspaltung des von der Lichtquelle 8 ausge­ henden Strahlenbündels in ein Meßstrahlenbündel A′B′D′ und ein Referenz­ strahlenbündel A′D′C′ belegt ist. Parallel zu und in einem Abstand von dieser Schicht 17 ist ein das Referenzstrahlenbündel A′D′C′ reflektierendes Element 18 im Gehäuse 1 angeordnet. Auch bei dieser Anordnung durchläuft das Referenz­ strahlenbündel A′D′C einen neigungsinvarianten optischen Weg, während der optische Weg des Meßstrahlenbündels ABC von der Neigung der Anordnung abhängig ist. Meß- und Referenzstrahlengang interferieren im auf der strahlen­ teilenden Schicht 17 liegenden Punkt C′. Zur Abbildung der Interferenzen auf die Empfängeranordnung 10 ist das Abbildungssystem 9 vorgesehen. Die Verar­ beitung der durch die Empfängeranordnung 10 erzeugten elektrischen, der Neigung der Anordnung proportionalen Signale erfolgt analog wie bereits oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben.

Claims (10)

1. Interferometrischer Neigungsmesser, umfassend

• - ein Gehäuse, in welchem eine an ein Gasvolumen grenzende Flüssigkeit vorgesehen ist und welches in seinem unteren Bereich durch mindestens ein lichtdurchlässiges Element verschlossen ist,
• - eine insbesondere monochromatisches Licht durch dieses mindestens eine lichtdurchlässige Element in das Gehäuse aussendende Lichtquelle
• - und eine fotoelektrische Empfängeranordnung zur Erzeugung neigungs­ abhängiger Signale,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß im Gehäuse (1) ein optisches Element (4; 16) mit einer strahlenteilenden Schicht (5; 17) zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgesandten Strahlen­ bündels in ein Meß- (ABC; A′B′C′) und ein Referenzstrahlenbündel (ADC; A′D′C′), wobei das Meßstrahlenbündel (ABC; A′B′C′) nach Durchlaufen der Flüs­ sigkeit (3) und totaler Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche mit dem, einen neigungsinvarianten optischen Weg durchlaufenden Referenzstrahlenbündel (ADC; A′D′C′) zur Interferenz gebracht wird
• - und daß ein optisches Abbildungssystem (9) zur Abbildung der Interferenzen auf die fotoelektrische Empfängeranordnung (10) vorgesehen ist.

2. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Lichtein- und Lichtauskopplung jeweils ein optisches Ein- (6) und Aus­ koppelelement (7) am optischen Element (4) angeordnet ist.

3. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Element (4) mindestens eine das Referenzstrahlenbündel (ADC) reflektierende äußere Fläche (4.3) besitzt.

4. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Element (4) aus miteinander verbundenen Glasplatten (4.1; 4.2) besteht, zwischen denen die strahlenteilende Schicht (5) angeordnet ist.

5. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net,

• - daß das optische Element (16) eine Glasplatte ist, auf deren, der Flüssigkeit (3) abgewandten Fläche die strahlenteilende Schicht (17) aufgebracht ist
• - und daß parallel zu und in einem festen Abstand von dieser Schicht (17) ein das Referenzstrahlenbündel (A′D′C′) reflektierendes Element (18) im Gehäuse (13) angeordnet ist.

6. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der der Lichtquelle (8) und der Empfängeranordnung (10) zugewandten Fläche des Gehäuses (13) jeweils ein Lichteintritts- (14) und ein Lichtaustrittsfen­ ster (15) vorgesehen ist.

7. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (1) an seiner der Lichtquelle (8) und der Empfängeranordnung (10) zugewandten Seite durch das optische Element (4) flüssigkeitsdicht abge­ schlossen ist.

8. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Lichtquelle (8) ein Laser vorgesehen ist.

9. Interferometrischer Neigungsmesser nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Empfängeranordnung (10) eine CCD-Zeile oder eine CCD-Matrix vorgesehen ist.