DE202007002771U1

DE202007002771U1 - Biaxial optical inclinometer for use in e.g. geodetic region, has housing with fluid forming fluid horizon, collimated lens integrated into base of fluid container, and optical unit with beam path for reproduction of radiation on sensor

Info

Publication number: DE202007002771U1
Application number: DE200720002771
Authority: DE
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2017-02-27

Abstract

The inclinometer has a housing (4) with a fluid, which forms a fluid horizon, and a collimated lens (6) integrated into a base of a fluid container. A sensor (8) has a linear spatial region for receiving radiation (S) and converting the radiation into signals. An optical unit has a beam path for reproduction of the radiation on the sensor, and an evaluation unit (10) determines an inclination of the signals. The optical unit reproduces a mark on the sensor based on a reflection at the horizon, and the inclination in two orthogonal axes is determined from a position of the mark on the sensor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweichachsigen optischen Neigungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a bi-axial optical inclinometer according to the preamble of claim 1.

Neigungsmesser verschiedener Bauarten finden seit langem Anwendung in allen Bereichen, in denen die Lage eines Gerätes bezüglich des Horizontes bzw. dem Schwerefeld der Erde bestimmt oder zumindest berücksichtigt werden muss. Dies gilt insbesondere für Messungen im geodätischen Bereich oder im Bauwesen.inclinometer various types have long been used in all areas, in which the location of a device in terms of the horizon or the gravitational field of the earth determines or at least considered must become. This is especially true for measurements in geodesic Field or in construction.

Ein bekannter Ansatz ist hierbei die Abbildung von Licht über einen in einem Gehäuse im Neigungsmesser befindlichen Flüssigkeitshorizont. Hierzu wird das Licht von einer Quelle emittiert und über den Flüssigkeitshorizont auf einen Sensor geführt oder projiziert. Aus der Lage des Abbildes auf dem Sensor kann auf die Neigung des Gerätes geschlossen werden. Eine der möglichen Wechselwirkungen des Lichtes mit dem Flüssigkeitshorizont ist hierbei die Reflexion, wobei jedoch auch refraktive Ansätze bekannt sind.One The familiar approach here is the imaging of light over one in a housing in the inclinometer liquid horizon. For this purpose is the light emitted from a source and over the liquid horizon to a Sensor guided or projected. From the location of the image on the sensor can on the Inclination of the device getting closed. One of the possible Interactions of the light with the liquid horizon is here Reflection, but also refractive approaches are known.

Die Bestimmung der Neigung in zwei Achsen ist durch die Bestimmung der örtlichen Position des Abbildes auf einem Flächensensor möglich. Ein anderer Ansatz verwendet Marken mit einem variablen Querschnitt, z.B. Winkel oder Dreiecksmarken, bei denen aus ihrer Lage auch auf einem Zeilensensor in bekannter Weise die Neigung in zwei orthogonalen Achsen bestimmt werden kann.The Determination of the inclination in two axes is by determining the local Position of the image on a surface sensor possible. One another approach uses variable cross-section marks, e.g. Angle or triangle marks, where from their position also on a line sensor in a known manner, the inclination in two orthogonal axes can be determined.

In den Patentschriften DE 196 10 941 C2 und DE 198 19 610 C1 werden gattungsgemässe optische Neigungsmesser beschrieben, bei denen die Richtungsänderung eines Lichtstrahls durch Reflexion an einer neigungsabhängigen Oberfläche einer Flüssigkeit erfolgt. Dabei wird eine Struktur auf ein- oder zweidimensionale Sensorelemente abgebildet. Aus der Veränderung der Lage des Abbildes dieser Struktur wird auf die Neigung geschlossen.In the patents DE 196 10 941 C2 and DE 198 19 610 C1 generic optical inclinometer are described in which the change in direction of a light beam by reflection takes place on a slope-dependent surface of a liquid. In this case, a structure is imaged onto one-dimensional or two-dimensional sensor elements. From the change of the position of the image of this structure is concluded on the slope.

Für solche Neigungsmesser besteht das Bedürfnis einer Miniaturisierung, welche einen platzsparenden Einbau in Geräte verschiedenen Typs, vor allem aber in geodätische Geräte erlaubt. Ein die Grösse bzw. die Miniaturisierbarkeit bestimmendes Kriterium ist die optische Strahlführung mit den daraus resultierenden Anforderungen an Komponenten und deren gegenseitige Anordnung. Hierbei gibt es zur Strahlführung im Bereich des Flüssigkeitshorizontes zwei grundsätzliche Alternativen.For such Inclinometer exists the need a miniaturization, which differ a space-saving installation in devices Type, but especially in geodesic equipment allowed. One the size or miniaturization determining criterion is the optical beamline with the resulting requirements for components and their mutual arrangement. Here there is the beam guidance in Area of liquid horizon two fundamental Alternatives.

Aus der DE 198 19 610 ist ein optisches System mit bei Einfall auf den Flüssigkeitshorizont kollimiertem Strahl bekannt, bei dem eine Reflexion unter Einhaltung der Brewster-Bedingung erfolgt, d.h. unter einem Winkel zur Oberfläche. Solche Lösungen mit schrägem Strahleinfall führen in baulicher Hinsicht zu breiten Anordnung, welche eine Kompaktheit der gesamten Vorrichtung nur schwer erreichbar macht. Zudem muß bei codiertem Strahl zur Abbildung eine große Linse verwendet werden. Die Führung durch den Randbereich einer Linse erlaubt zudem nicht die Nutzung des optimalen Zentralbereichs, so daß geringere Genauigkeiten resultieren.From the DE 198 19 610 is an optical system with incidence on the liquid horizon collimated beam known in which a reflection takes place in compliance with the Brewster condition, ie at an angle to the surface. Such solutions with oblique beam incidence lead in construction terms to wide arrangement, which makes compactness of the entire device difficult to reach. In addition, a large lens must be used in coded beam for imaging. The guidance through the edge region of a lens also does not allow the use of the optimal central region, so that lower accuracies result.

In der EP 0 507 102 oder der EP 0 802 396 werden Neigungsmesser mit optischen Anordnungen geoffenbart, bei denen der die Marken abbildende Strahlgang im Bereich des Flüssigkeitshorizontes ebenfalls kollimiert ist, jedoch im wesentlichen senkrecht auf die Grenzschicht auftrifft, so dass eine senkrechte Rückreflexion erfolgt. Hierbei werden zur Strahlführung zusammengesetzte Optiken verwendet, die eine Miniaturisierbarkeit von Neigungsmessern mit einem solchen Strahlgang begrenzen.In the EP 0 507 102 or the EP 0 802 396 For example, inclinometers with optical arrangements are disclosed in which the beam imaging the marks in the area of the liquid horizon is also collimated, but impinges substantially perpendicularly on the boundary layer, so that a vertical back reflection takes place. This composite optics are used for beam guidance that limit miniaturization of inclinometers with such a beam path.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten, insbesondere verkleinerten zweiachsigen optischen Neigungsmesser bereitzustellen.A The object of the present invention is to provide an improved in particular, to provide miniaturized biaxial optical inclinometer.

Eine weitere Aufgabe besteht in der Verringerung der Zahl und Komplexität der verwendeten Komponenten.A Another task is to reduce the number and complexity of the components used.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruches 1 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. weitergebildet.These Tasks are solved by the features of claim 1 or the dependent claims further training.

Die erfinderische Lösung basiert auf der Verringerung von Komplexität und Baugrösse eines zweiachsigen optischen Neigungsmessers durch die entsprechende Ausbildung des Strahlgangs mit kollimiertem und senkrechten Einfall auf den Flüssigkeitshorizont. Hierfür wird eine Linse in den Boden des Flüssigkeitsbehälters integriert, so dass ein Teil der optischen Funktionen durch diese einzige Linse bewirkt werden kann.The inventive solution based on reducing the complexity and size of a biaxial optical Inclinometer by the appropriate training of the beam path with collimated and vertical incidence on the liquid horizon. Therefor a lens is integrated into the bottom of the liquid container, so that some of the optical functions are effected by this single lens can be.

Als Strahlungsquelle findet eine Lampe oder eine LED Verwendung, wobei deren Emission durch eine Strichplatte oder eine direkte Aufbringung eines Codes auf die Quelle zur Bestimmung einer Neigung in zwei Achsen mit einem einzigen Lineararray geformt wird. Die Emission wird über die im Boden des Flüssigkeitstopfes angeordnete Linse auf die Grenzschicht der Flüssigkeit geführt und von dieser wieder reflektiert und auf einen Detektor geführt, der als Zeilen- oder auch als Flächensensor ausgebildet sein kann. Die in den Boiden integrierte Linse vereint die Kollimatorwirkung in einem einzigen, platzsparend angeordneten Element, so dass ein kompakter Aufbau resultiert. Die Führung des Strahlgangs durch das Linsenzentrum erlaubt dabei eine optimale Linsennutzung, so daß bei gleicher Genauigkeit ein größerer Winkelbereich gemessen werden kann. Anordnungen mit einer Strahlführung durch den Randbereich einer Linse nutzen hingegen die gemeinsame Linse in optisch schlechterer Weise. Zur Verringerung oder Unterdrückung von Streulicht kann eine Blende vor der Linse verwendet werden.The radiation source used is a lamp or LED, the emission of which is formed by a reticule or a direct application of a code to the source to determine a tilt in two axes with a single linear array. The emission is guided via the lens arranged in the bottom of the liquid pot on the boundary layer of the liquid and reflected by this again and fed to a detector which may be formed as a line or as a surface sensor. The integrated in the Boiden lens combines the collimator effect in a single, space-saving arranged element, so that a compact design results. The leadership of the beam passage through the lens center allows optimal use of lenses, so that at the same accuracy a grö ßer angular range can be measured. Arrangements with a beam guide through the edge region of a lens, however, use the common lens in a visually worse way. To reduce or suppress stray light, an aperture in front of the lens can be used.

Durch die senkrechte und kollimierte Strahlführung werden die Auswirkungen von Füllstandsänderungen verringert bzw. begrenzt. Systeme mit fokussierter Abbildung auf der Flüssigkeitsoberfläche zeigen das Problem, dass es bei veränderlichem Füllstand zu einem Auseinanderfallen von Brennpunkt und Oberfläche und damit zu unscharfer Abbildung kommt. Ein ähnlicher Effekt entsteht durch das Kriechen des Öls an der Seitenwandung. Hierdurch wird der Füllstand zeitabhängig, so daß sich die Abbildung ständig verschiebt. Bei kollimiertem Strahlgang tritt das Problem naturgemäß nicht auf.By the vertical and collimated beam guidance will be the effects of level changes reduced or limited. Systems with focused picture on show the liquid surface the problem that it is variable level to a breakup of focus and surface and so that comes to blurred figure. A similar effect arises through the creeping of the oil on the side wall. As a result, the level is time-dependent, so that yourself the picture constantly shifts. With collimated blasting the problem does not occur naturally on.

Der Strahlgang mit senkrechte Einfall auf den Flüssigkeitshorizont weist zwar einen geringeren Reflexionsgrad auf, zumindest im Vergleich zur Brewster-Bedingung, führt aber zu gleichen Verschiebungen in beiden Achsen, was eine identische Ausgestaltung der Neigungsmessung in den zwei orthogonalen Achsen erleichtert. Ausserdem kann eine Codierung, z.B. durch eine Dreiecksmarke, besser verwendet und größere Kompaktheit erreicht werden, wobei allerdings ein Strahlteiler benötigt wird.Of the Radiation with vertical incidence on the liquid horizon has indeed a lower reflectance, at least in comparison to the Brewster condition, but leads to equal displacements in both axes, which is an identical design the tilt measurement in the two orthogonal axes easier. In addition, coding, e.g. by a triangle mark, better used and greater compactness can be achieved, although a beam splitter is needed.

Die Integration der Linse in den Boden des Flüssigkeitstopfes wirkt sich zudem günstig auf die Assemblierbarkeit der gesamten Anordnung aus. Die beiden weitgehend ebenen bzw., flächigen Elemente Flüssigkeitstopf und Leiterplatte der Sensorik werden parallel zueinander angeordnet und erlauben somit eine stabile Verbindung zu einem kompakten Bauteil.The Integration of the lens in the bottom of the liquid pot affects also cheap on the assemblability of the whole arrangement. The two largely flat or, flat Elements of liquid pot and circuit board of the sensor are arranged parallel to each other and thus allow a stable connection to a compact component.

1 erläutert den erfindungsgemässen Neigungsmesser anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch. Der zweiachsige optische Neigungsmesser weist eine Strahlungsquelle 1, insbesondere mit einer LED auf, wobei die emittierte Strahlung S durch einen direkt auf der auf der Strahlungsquelle 1 angebrachten Code oder – wie hier gezeigt – eine der Strahlungsquelle 1 nachgeordneten Blende 2 mit einer Marke versehen wird. Die Strahlung S wird über einen Teilerspiegel 3 in ein Gehäuse 4 mit einer einen Flüssigkeitshorizont 5a ausbildenden Flüssigkeit 5 geführt, wobei eine im wesentlichen senkrechte Reflexion am Flüssigkeitshorizont 5a erfolgt. Die reflektierte Strahlung S wird wiederum über den Teilerspiegel 3 auf einem Sensor 8 mit einem linienförmigen ortsauflösenden Bereich zum Empfang der Strahlung S und Umwandlung in Signale geführt. Der Teilerspiegel 3 wirkt somit als gemeinsamer teildurchlässiger Spiegel im Strahlgang, der zwischen Strahlungsquelle 1 und Gehäuse 4 sowie zwischen Gehäuse 4 und Sensor 8 angeordnet ist. Eine Auswerteeinheit 10 dient zur Bestimmung der Neigung aus den Signalen. 1 explains the inventive inclinometer using an exemplary embodiment schematically. The biaxial optical inclinometer has a radiation source 1 , in particular with an LED, wherein the emitted radiation S through a directly on the on the radiation source 1 attached code or - as shown here - one of the radiation source 1 downstream aperture 2 is provided with a mark. The radiation S is over a splitter mirror 3 in a housing 4 with a fluid horizon 5a forming fluid 5 guided, wherein a substantially vertical reflection at the liquid horizon 5a he follows. The reflected radiation S is in turn via the splitter mirror 3 on a sensor 8th with a line-shaped spatially resolved area for receiving the radiation S and converted into signals. The splitter mirror 3 thus acts as a common semitransparent mirror in the beam path between the radiation source 1 and housing 4 as well as between housings 4 and sensor 8th is arranged. An evaluation unit 10 Used to determine the slope of the signals.

Zu den einen Strahlgang zur Abbildung der Strahlung S auf den Sensor 8 definierenden optischen Mitteln gehört auch die im Gehäuse 4 angeordnete kollimierende Linse 6, der eine Blende 7 vorgeordnet sein kann. Eine solche Blende 7 kann alternativ auch der Linse 6 nachgelagert sein, z.B. indem diese in der Flüssigkeit 5 positioniert ist. Die Linse 6 kann – wie dargestellt – als plankonvexe, aber beispielsweise auch als bikonvexe oder konvex-konkave Linse 6 ausgebildet sein. Die Ausbildung der mit der Flüssigkeit 5 in Kontakt stehenden Oberfläche der Linse 6 mit einer Krümmung führt zur Verringerung der Auswirkung von Reflexen. Weisen nämlich Linse 6 und Flüssigkeit 5 einen unterschiedlichen Brechungsindex auf, so können an der Kontaktfläche bzw. Grenzschicht Reflexe auftreten. Durch die Ausbildung der kontaktierenden Oberfläche als gekrümmte bzw. gewölbte Fläche wird eine scharfe Abbildung der Reflexe auf dem Sensor 8 verhindert, so dass ein verringerter Störeinfluss folgt.To the one beam path for imaging the radiation S on the sensor 8th defining optical means include those in the housing 4 arranged collimating lens 6 who has a visor 7 may be upstream. Such a panel 7 may alternatively also the lens 6 be downstream, for example by adding these in the liquid 5 is positioned. The Lens 6 can - as shown - as a plano-convex, but for example as a biconvex or convex-concave lens 6 be educated. The training of the liquid 5 in contact surface of the lens 6 with a curvature reduces the effect of reflections. We have a lens 6 and liquid 5 a different refractive index, so reflections may occur at the contact surface or boundary layer. The formation of the contacting surface as a curved or convex surface is a sharp reflection of the reflections on the sensor 8th prevented, so that a reduced interference followed.

Durch die optischen Mittel mit Teilerspiegel 3 und Linse 6 wird die Marke der Strahlung S so vermittels der Reflexion am Flüssigkeitshorizont 5a auf den Sensor 8 abgebildet, dass aus der Lage der Marke auf dem Sensor 8 die Neigung in zwei orthogonalen Achsen bestimmbar ist, und die Strahlung S bei Reflexion am Flüssigkeitshorizont 5a kollimiert ist und eine im wesentlichen senkrechte Reflexion erfolgt. Dabei wird der Strahlgang durch das Zentrum der Linse 6 geführt. Die Linse 6 ist mit ihrer optischen Achse senkrecht zu einer Null-Lage des Flüssigkeitshorizontes 5a angeordnet, so dass die zu erwartenden Neigungen zu einer im Mittel für alle Richtungen grundsätzlich gleichen Verkippung des Flüssigkeitshorizontes 5a führen.Through the optical means with splitter mirror 3 and lens 6 becomes the mark of the radiation S by means of reflection at the liquid horizon 5a on the sensor 8th pictured that from the location of the mark on the sensor 8th the slope is determinable in two orthogonal axes, and the radiation S at reflection at the liquid horizon 5a is collimated and a substantially vertical reflection occurs. In this case, the beam path through the center of the lens 6 guided. The Lens 6 is with its optical axis perpendicular to a zero position of the liquid horizon 5a arranged so that the expected inclinations to a mean for all directions basically the same tilt of the liquid horizon 5a to lead.

Die Linse 6 ist hierbei Bestandteil des Gehäuses 4 und steht im direkten Kontakt mit der Flüssigkeit 5. Insofern verschliesst die Linse 6 zwar eine Öffnung im Gehäuse 4 in mechanischer Hinsicht, bildet aber ein optisches Fenster, über das die Strahlung S geführt und in ihrer Divergenz beeinflusst wird, d.h. bei Eintritt in die Flüssigkeit 5 kollimiert und schliesslich nach Reflexion am Flüssigkeitshorizont 5a wieder fokussiert.The Lens 6 is part of the housing 4 and is in direct contact with the liquid 5 , In that sense, the lens closes 6 although an opening in the housing 4 in mechanical terms, but forms an optical window over which the radiation S is guided and influenced in their divergence, ie upon entry into the liquid 5 collimated and finally after reflection at the liquid horizon 5a focused again.

Das Gehäuse 4 kann vorzugsweise topfförmig mit einem Gehäuseboden ausgebildet sein, wobei die Linse 6 im Gehäuseboden angeordnet ist. Der Gehäuseboden kann hierbei parallel zu einer gegenüber dem Gehäuse 4 angeordneten und die Auswerteeinheit 10 aufnehmenden Platine 9 orientiert sein, so dass eine kompakte Gesamtanordnung folgt. Hierbei können auch in einem anderen Ausführungsbeispiel Strahlungsquelle 1 und Sensor 8 in ihrer Anordnung vertauscht werden, d.h. die Strahlungsquelle 1 wird auf der Platine 9 angeordnet, während der Sensor 8 eine seitliche Aufnahme findet.The housing 4 may preferably be cup-shaped with a housing bottom, wherein the lens 6 is arranged in the housing bottom. The housing bottom can in this case parallel to a relative to the housing 4 arranged and the evaluation 10 receiving board 9 be oriented so that a compact overall arrangement follows. In this case, radiation source can also be used in another exemplary embodiment 1 and sensor 8th be reversed in their arrangement, ie the Strahlungsquel le 1 will be on the board 9 arranged while the sensor 8th a lateral recording finds.

Claims

Two-axis optical inclinometer with • one radiation source ( 1 ), in particular with an LED; A housing ( 4 ) with a liquid horizon ( 5a ) forming liquid ( 5 ); • a sensor ( 8th ) having a linear spatial resolution region for receiving the radiation (S) and converting it into signals; Optical means with a beam path for imaging the radiation (S) on the sensor ( 8th ); • an evaluation unit ( 10 ) for determining the slope from the signals; wherein the optical means a mark so by means of a reflection at the liquid horizon ( 5a ) on the sensor ( 8th ) show that • the position of the mark on the sensor ( 8th ) the inclination in two orthogonal axes can be determined, and • the radiation at reflection at the liquid horizon ( 5a ) is collimated and a substantially vertical reflection, characterized in that the housing ( 4 ) a collimating lens ( 6 ) having.

Inclinometer according to claim 1, characterized in that the housing ( 4 ) cup-shaped and formed with a housing bottom, wherein the lens ( 6 ) is arranged in the housing bottom.

Inclinometer according to claim 1 or 2, characterized in that the housing bottom parallel to a relative to the housing ( 4 ) and the evaluation unit ( 10 ) receiving board ( 9 ) is oriented.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the lens ( 6 ) is designed as a plano-convex, biconvex or convex-concave lens.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid ( 5 ) in contact surface of the lens ( 6 ) has a curvature.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the lens ( 6 ) with its optical axis perpendicular to a zero position of the liquid horizon ( 5a ) is arranged.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the lens ( 6 ) an aperture ( 7 ) upstream or downstream.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the beam path through the center of the lens ( 6 ) to be led.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the mark is formed by a structured LED or one of the radiation sources ( 1 ) downstream aperture ( 2 ) is produced.

Inclinometer according to one of the preceding claims, characterized in that the optical means comprise a common semitransparent mirror ( 3 ) in the beam path • between the radiation source ( 1 ) and housing ( 4 ) as well as between housing ( 4 ) and sensor ( 8th ) exhibit.