DE2636706A1

DE2636706A1 - Automatic component inclination measurement system - has optical system giving total internal reflection of beam off liq. surface

Info

Publication number: DE2636706A1
Application number: DE19762636706
Authority: DE
Inventors: Rene Nuenlist
Original assignee: Kern and Co AG
Current assignee: Leica Aarau AG
Priority date: 1975-10-07
Filing date: 1976-08-14
Publication date: 1977-04-21
Also published as: CH597591A5

Abstract

The device comprises a source of optical radiation, and a receiver, both fixed on the equipment, and a component or liquid (3) which automatically follows the gravity. It deflects the light path between the light source and receiver in different directions according to the inclination of the device. The receiver is a photoelectric receiver and is followed by an electronic evaluation circuit which delivers an output signal corresponding to the magnitude and direction of the ray falling on the receiver deviation. A display and/or a recording device and/or a signal processing stage is connected to the evaluation circuit output.

Description

Neigungsmeßvorri chtung Inclination measuring device

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selbsttätigen Messen der Neigung und/oder Neigungsänderung eines Geräteteiles in bezug auf die Richtung der Schwerkraft, mit einem geratefest angeordneten optischen Strahlerzeuger und einem gerätefest angeordneten optischen Empfänger, sowie mit einem den optischen Strahlengang vom Strahlerzeuger zum Empfänger ablenkenden Bauelement, das sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellt.The invention relates to a device for automatic measurement of the Inclination and / or change in inclination of a device part with respect to the direction of the Gravity, with a fixed optical beam generator and a Optical receiver fixed to the device, as well as with an optical beam path from the beam generator to the receiver deflecting component, which automatically follows the gravity adjusts.

Bei einem bekAnnten derartigen Neigungsmesser, wie er i der Vermessungstechnik Verwendung findet, ist als Sender eine Lichtquelle und als Empfänger eine Skala oder Mattscheibe verwendet0 Als sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellendes und den optischen Strahlengang ablenkendes Bauelement dient eine Flüssigkeitsoberfläche die den Lichtstrahl reflektiert0 Diese bekannten Vorrichtungen sind als Kompensatoren ausgebildet, bei denen durch manuelle Nachsteilung mittels optischer Mikrometer bei visueller Beobachtung der Meßwert ermittelt wird, Mit derartigen Kompensatoren sind zwar recht genaue Messungen möglich, doch ist das Arbeiten mit diesen Geräten relativ zeitraubend und wegen der visuellen Kontrolle feiner Unterschiede ermüdend.With a well-known inclinometer of the kind used in surveying technology Is used is a light source as a transmitter and a scale as a receiver or ground glass used0 As automatically adjusting according to the force of gravity and the component deflecting the optical beam path is a liquid surface which reflects the light beam0 These known devices are called compensators formed in which by manual readjustment using an optical micrometer the measured value is determined upon visual observation, with compensators of this type are quite accurate measurements possible, but working with these devices is relatively time-consuming and tiring because of the visual control of fine differences.

Selbsttätige Neigungsmesser sind ebenfalls bekannt; bei diesen bekannten Vorrichtungen sind weder optische Sender und Empfänger noch ein sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellendes Bauelement vorhanden.Automatic inclinometers are also known; with these well-known Devices are neither optical transmitters and receivers nor self-acting according to the gravity adjusting component available.

Vielmehr ist bei diesen bekannten Geräten ein Pendel vorgesehen, das mittels elektronischer Positionsfühler und Regelschaltungen in konstanter Winkellage relativ zum IIegungsmesser gehalten wird. Der hierzu erforderliche Regelstrom ist ein Maß für die Abweichung der Richtung der Schwerkraft von der Pendellängsachse und wird als analoge Meßgröße für den Neigungswert verwendet. Von Nachteil ist bei diesen bekannten Geräten die häufig mangelhafte zeitliche und thermische Stabilität und die damit zwangsläufig verbundene GenauigkeitseinbußeO Alfflgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Vorteile beider bekannten Vorrichtungen unter Vermeidung von deren Nachteilen kombiniert, bei der also sowohl eine selbsttätige Meßwerterfassung als auch gleichzeitig eine gute zeitliche und thermische Stabilität erzielt wird. Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Empfänger ein photoelektrisches Empfangs system ist, daß dem photoelektrischen Empfangs system eine Auswerteelektronik nachgeschaltet ist, daß am Ausgang der Auswerteelektronik ein der Größe und der Richtung der Ablenkung des vom Sender ausgesandten und auf den Empfänger auftreffenden Strahles entsprechendes Signal auftritt, und daß an den Ausgang der Auswerteelektronik eine Anzeige- und/oder eine Registriervorrichtung und/oder eine Signalverarbeitungsstufe angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet sehr rasch, weil jegliche manuelle Meßwerterfassung entfällt. Sie arbeitet mit hoher Genauigkeit und guter Stabilität, weil keine Regelanordnungen verwendet sind0 Schließlich ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein wenig ermüdendes Arbeiten möglich, weil eine Anzeige und/oder Registriervorrichtung vorgesehen und ohne weiteres so gestaltet werden kann, daß sie sehr viel bequemer auszuwertende Informationen liefert als beispielsweise ein optisches Mikrometer, Außerdem können von der Signalverarbeitungsstufe weitere Steuer- oder Meßfunktionen abgeleitet werden, Bevorzugt ist als photoelektrisches Empfängersystem eine Schottizy-Farrier-Diode verwendet, die ich für den vorliegenden Zweck als besonderes geeignet erwiesen hat.Rather, a pendulum is provided in these known devices that by means of electronic position sensors and control circuits in a constant angular position is held relative to the voltage meter. The control current required for this is a measure of the deviation of the direction of gravity from the longitudinal axis of the pendulum and is used as an analog measured variable for the inclination value. The disadvantage is with these known devices often lack the temporal and thermal stability and the inevitably associated loss of accuracy Alfflgabe The present invention is to provide an apparatus that has the advantages both known devices combined while avoiding their disadvantages, In the case of both an automatic measurement value acquisition as well as a simultaneous good temporal and thermal stability is achieved. This task is solved in a device of the type mentioned according to the invention in that the Receiver a photoelectric reception system is that the photoelectric reception system an evaluation electronics is connected downstream that at the output of the evaluation electronics one of the size and direction of the deflection of the emitted by the transmitter and on the receiver incident beam corresponding signal occurs, and that on the output of the evaluation electronics a display and / or a registration device and / or a signal processing stage is connected. The device according to the invention works very quickly because there is no need for manual data acquisition. she works with high accuracy and good stability because no control arrangements are used sind0 Finally, the device according to the invention is a little tiring Work possible because a display and / or registration device is provided and can easily be designed so that they are much more convenient to evaluate Provides information as, for example, an optical micrometer, can also further control or measuring functions can be derived from the signal processing stage, Preferred a Schottizy-Farrier diode is used as the photoelectric receiver system, which I have proven to be particularly suitable for the present purpose.

Als sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellendes Element kann ein Pendel verwendet sein, das zur Ablenkung des Strahlenganges einen Spiegel trägt, Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dagegen als ablenkendes Bauelement eine totalreflektierende Flüssigkeitsoberfläche verwendet. Dies hat einerseits den Vorteil, daß eine empfindliche Spiegeloberfläche nicht nötig ist und daß andererseits eine Schwingungsdämpfung leichter zu verwirklichen ist als bei einem Pendel.As an element that adjusts itself automatically according to the force of gravity a pendulum can be used that carries a mirror to deflect the beam path, In a preferred embodiment of the invention, however, is as a distracting Component uses a totally reflective liquid surface. This has on the one hand the advantage that a sensitive mirror surface is not necessary and that on the other hand vibration damping is easier to achieve than with a pendulum.

Häufig sind derartige Neigungsmeßvorrichtungen so ausgebildet, daß sie eine einachsige Messung ermöglichen, so daß sie in einer Richtung, meist der des Zielazimutes, arbeiten können. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dagegen erfaßt das photoelektrische Empfängersystem die Ablenkung des Strahlenganges nach zwei vorzugsweis e zueinander orthogonalen Koordinatenrichtungen.Often such inclination measuring devices are designed so that they allow a uniaxial measurement, so that they are in one direction, usually the of the target azimuth. In preferred embodiments of the invention on the other hand, the photoelectric receiver system detects the deflection of the beam path after two preferably e mutually orthogonal coordinate directions.

Dies hat den Vorteil, daß zwei Meßwerte gleichzeitig erfaßt werden und daher die Meßzeit erheblich verkürzt wird.This has the advantage that two measured values are recorded at the same time and therefore the measurement time is shortened considerably.

Bei dem vom Sender ausgesandten Lichtstrahl kann es sich um einen kontinuierlich erzeugten Strahl handeln. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Senderst-rahl gepulst. Dies kann einerseits dazu benutzt werden, um die Lichtimpulsleistung gegenüber der Dauerstrichleistung des Senders zu erhöhem; es kann jedoch sich dazu verwendet werden, um eine taktweise Verarbeitung in der Auswerteelektronik vorzubereiten.The light beam emitted by the transmitter can be a act continuously generated beam. In preferred embodiments of the invention the transmitter beam is pulsed. This can be used on the one hand will, to increase the light pulse power compared to the continuous wave power of the transmitter; however, it can be used to schedule processing in the Prepare evaluation electronics.

Die der Auswerteelektronik nachgeschaltete Anzeige- und/oder Registriervorrichtung kann eine analog arbeitende Anordnung sein. Um jedoch die hohe, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielbare Genauigkeit bequem ausnutzen zu ktinnen mid um zusätzlich eine bequeme Registrierung ohne Genauigkeitsverlust zu ermöglichen umfaßt bevorzugt die Auswerteelektronik einen spannungsgesteuerten Oszillator, rtr von den ggf. vorverstärkten und umgeformten Signalen des Empfängersystemes gesteuert ist; als Anzeige und/oder Registrievorrichtung sind dem spannungsgesteuerten Oszillator Zähler nachgeschaltet.The display and / or registration device connected downstream of the evaluation electronics can be an analog working arrangement. However, to the high, with the invention Device achievable accuracy can be conveniently exploited and in addition Enabling convenient registration without loss of accuracy is preferred the evaluation electronics a voltage-controlled oscillator, rtr of the possibly preamplified and transformed signals of the receiver system is controlled; as a display and / or Recording devices are connected downstream of the voltage-controlled oscillator counter.

Um bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei Erfassung von zwei Koordinatenrichtungen den Aufwand hinsichtlich der Auswerteelektronik zu vermindern ist bevorzugt fiir beide den beiden Koordinatenrichtungen zugeordneten Signalkanäle ein gemeinsamer spannungsgesteuerter Oszillator vorgesehen; dabei sind zwischen dem Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators und den beiden Signalkanälen sowie zwischen dem Aungang des spannungsgesteuerten Uszillatiors und den zwei Zählern je zwei Torschaltungen vorgesehen, die paarweise abwechselnd in Durchlaß- bzw. in Sperrstellung schaltbar sind.To with the device according to the invention also when detecting two Coordinate directions to reduce the effort in terms of the evaluation electronics is preferred for both signal channels assigned to the two coordinate directions a common voltage controlled oscillator is provided; are between the input of the voltage controlled oscillator and the two signal channels as well between the output of the voltage controlled oscillator and the two counters two gate circuits are provided, alternating in pairs in pass-through or in Locked position are switchable.

Die Erfindung wird anschließend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung: 1: Fle 1 deii mechanisch-optischen Teil einer Vorrichtung zur Beigungsmessung und Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik.The invention will then be illustrated with the aid of one in the drawing Embodiment described and explained in more detail. It show in schematic Illustration: 1: Fle 1 of the mechanical-optical part of a device for measuring inclination and FIG. 2 shows a block diagram of evaluation electronics.

Eine Leuchtdiode 1 befindet sich gemäß Fig. 1 im Brennpunkt eines Objektives 2, dem eine totalreflektierende Flüssigkeitsoberfläche 3 mit einem Anpassungskörper 4 nachgeordnet ist. Der an der Oberfläche 3 reflektierte Strahl der Senderdiode 1 wird durch ein zweites Objektiv 5 auf die Empfängerfläche einer zweikoordinatig empfindlichen Schottky-Barrier-Diode 6 fokussiert, so daß der Sender 1 auf den Empfänger 6 abgebildet wird. 1 und 6 sind über Anschlußleitungen 7 bis 13 mit einer Speise-und Auswerteelektronik gemäß Fig. 2 verbunden.According to FIG. 1, a light-emitting diode 1 is located in the focal point of a Objective 2, which has a totally reflecting liquid surface 3 with an adapter body 4 is subordinate. The beam of the transmitter diode reflected on the surface 3 1 is a two-coordinate through a second lens 5 on the receiver surface sensitive Schottky barrier diode 6 focused, so that the transmitter 1 on the receiver 6 is shown. 1 and 6 are via connecting lines 7 to 13 with a feed and Evaluation electronics according to FIG. 2 connected.

Die Funktion der soweit beschriebenen Einrichtung ist leicht einzusehen: Bei einer Verkippung der zueinander fest angeordneten Elemente 1, 2, 4, 5, 6, sowie des Behälters der Flüssigkeitsoberfläche 3 im Raum bewegt sich das Bild von 1 auf 6 um eine durch die Verkippung nach Richtung und Größe festgelegte Strecke. Diese Bewegung hat eine entsprechende Anderung der Ausgangssignale der Diode 6 zur Folge, welche elektronisch ausgewertet, angezeigt und/oder registriert wird.The function of the device described so far is easy to see: If the elements 1, 2, 4, 5, 6, and also fixedly arranged relative to one another are tilted of the container of the liquid surface 3 in space, the image of FIG. 1 moves to 6 by a distance determined by the tilt according to direction and size. These Movement results in a corresponding change in the output signals of diode 6, which is electronically evaluated, displayed and / or registered.

Fig. 2 zeigt einen 1 kHz-Generator 14 zum Betrieb der Leuchtdiode 1 über eine Leitung 12, sowie zur Signalverarbeitung. Die Ausgangssignale der Schottky-Barrier-Diode 6 sind für die x-Winkelkoordinate über Anschlüsse 7, 8 und für die y-Winkelkoordinate über Anschlüsse 9, 10 einem Vorverstärker 15 zugeführt. Diesem folgen über einen Tiefpaß 16 Je ein Differenzverstärker 17, 18 für die x- bzw. y-Eoordinate, deren Ausgangssignale, sowie ihnen zugeordnete, mit Phasenumkehrern 19, 20 erzeugte gegenphasige Signale Toren 21, 22, 23, 24 zugeführt sind.Fig. 2 shows a 1 kHz generator 14 for operating the light emitting diode 1 via a line 12, as well as for signal processing. The Schottky Barrier Diode output signals 6 are for the x-angle coordinate via connections 7, 8 and for the y-angle coordinate A preamplifier 15 is supplied via connections 9, 10. Follow this over one Low-pass filter 16 Each one differential amplifier 17, 18 for the x and y coordinate, their Output signals, as well as associated with them, generated with phase inverters 19, 20 anti-phase Signals gates 21, 22, 23, 24 are fed.

Die Tore 21, 22 für den x-Winkel und 23, 24 für den y-Winkel werden von in einem Trigger 25 erzeugten Gegentaktsignalen wechselweise auf- und zugesteuert. Diese Steuersignale entstehen im Trigger 25 mit einstellbarer Phase und regelbarem Tastverhältnis mittels zweier Monoflop 26, 27 aus dem 1-kHz-Taktsignal des Generators 14.The gates 21, 22 for the x-angle and 23, 24 for the y-angle will be alternately opened and closed by push-pull signals generated in a trigger 25. These control signals arise in the trigger 25 with an adjustable phase and controllable Duty cycle by means of two monoflop 26, 27 from the 1 kHz clock signal of the generator 14th

Die Ausgangssignale der Tore 21, 22 owie 23, 24 werden paarweise summiert, mit einer konstanten Spannung überlagert, in Integratoren 28, 29 von ihren Wechselanteilen befreit und über weitere Tore 30, 31 einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 32 zugeführt. Die Frequenzen der Oszillatorsignale werden für die Winkelabweichung in x mit einem Zähler mit Anzeige 33 und in y entsprechend mit 34 gezählt und angezeigt, wobei die Zähler 33, 34 ihre Eingangssignale über Tore 35, 36 erhalten. DieTorpaare 30, 35 und 31, 36 werden über Taktsignale L, L wechselweise geöffnet bzw. geschlossen, so daß der VCO 32 im Duplexbetrieb arbeitet.The output signals of gates 21, 22 and 23, 24 are summed in pairs, superimposed with a constant voltage, in integrators 28, 29 of their alternating components freed and via further gates 30, 31 a voltage controlled oscillator (VCO) 32 supplied. The frequencies of the oscillator signals are used for the angular deviation counted and displayed in x with a counter with display 33 and in y correspondingly with 34, the counters 33, 34 receiving their input signals via gates 35, 36. The pair of goals 30, 35 and 31, 36 are alternately opened and closed via clock signals L, L, so that the VCO 32 operates in duplex mode.

Die beschriebene Schaltung hat folgende Funktion: Da die Leuchtdiode 1 mit einem stabilisierten 1 kHz-Signal von 14 betrieben wird, haben die 8ignale der Schottky Barrier-Diode 6 auf den Leitungen 7 bis 10 alle die gleiche Frequenz und Phase, aber von der Lage des Beleuchtungsstrahles abhängige, meistens unterschiedliche Amplituden. Der Tiefpaß 16 zusammen mit dem üblichen Vorverstärker 15 dient der Vermeidung von hoohfrequenten 8törsignalen. Die in den Differenzverstärkern 17, 18 für die x- bzw. y-Soordinate gebildete Signal differenz stellt nach Größe und Vorzeichen ihrer Amplitude den Betrag und die Richtung der Neigung des Gerätes dar. Der Monoflop 26 kippt durch jede positive Flanke des 1 kHs-Signales vom Generator 14 für eine einstellbare Zeit von 0 - 1 ms, am Invert-Ausgang von 26 erscheinen daher die positiven Flanken für den Monoflop 27 phasenverschoben. 27 wird so eingestellt, daß seine Ausgangssignale ein Tastverhältnis 1 : 1 haben. Mit diesen zueinander komplementären Signalen 4, Q werden die Tore 21 bzw. 22 und 23 bzw. 24 für die Gegentaktsignale der x- und y-Koordinate wechselweise derart geöffnet, daß entweder nur positive oder nur negative Halbwellen an den Ausgängen von 21, 22 oder 23, 24 summiert werden. Dementsprechend wird die konstante Vorspannung durch die Integratoren vermehrt oder vermindert und über die vom Takt L bzw. L gesteuerten Tore 30 bzw. 31 vom VCO 32 abwechselnd in Signale entsprechender Frequenz umgesetzt. Die Signale sind über die synchron gesteuerten Tore 35, 36 abwechselnd den Zählern 33 bzw. 34 zugeführt, welche die Frequenzen periodisch derart zählen und anzeigen, daß sich die Anzeige der Neigungswinkel αx und αy vorzeichenrichtig in Minuten (c) und Sekunden (cc) ergibt. L e e r s e i t eThe circuit described has the following function: As the light-emitting diode 1 is operated with a stabilized 1 kHz signal of 14, the 8 signals the Schottky Barrier Diode 6 on lines 7 to 10 all have the same frequency and phase, but mostly different depending on the position of the illuminating beam Amplitudes. The low-pass filter 16 together with the usual preamplifier 15 is used Avoidance of high-frequency interfering signals. The in the differential amplifiers 17, 18 for the x or y coordinate signal formed difference represents according to size and The sign of its amplitude represents the amount and direction of the inclination of the device. The monoflop 26 toggles with every positive edge of the 1 kHs signal from the generator 14 for an adjustable time of 0 - 1 ms, appear at the invert output of 26 therefore the positive edges for the monoflop 27 are out of phase. 27 is set so that that its output signals have a duty cycle of 1: 1. With these to each other complementary signals 4, Q are the gates 21 and 22 and 23 and 24 for the push-pull signals the x- and y-coordinate alternately opened in such a way that either only positive or only negative half-waves are summed at the outputs of 21, 22 or 23, 24. Accordingly, the constant bias is increased or increased by the integrators and via the gates 30 and 31 controlled by the clock L and L from the VCO 32 alternately converted into signals of the corresponding frequency. The signals are over the synchronously controlled gates 35, 36 alternately fed to the counters 33 and 34, respectively, which count and display the frequencies periodically in such a way that the display the angle of inclination αx and αy with the correct sign in minutes (c) and seconds (cc) gives. L e r s e i t e

Claims

Claims 1. Device for automatically measuring the inclination and / or a change in the inclination of a device part in relation to the direction of gravity, with an optical beam generator fixed to the device and a fixed device arranged optical receiver, as well as with one of the optical beam path from Beam generator to the receiver deflecting component, thin automatically after the Adjusts gravity, characterized in that the receiver is a photoelectric Receiving system (6) st 'that the photoelectric receiving system has evaluation electronics downstream is that at the output of the evaluation electronics one of the size and direction signal corresponding to the deflection of the beam striking the receiver occurs, and that at the output of the evaluation electronics a display and / or a Registration device (32; 34) and / or a signal processing stage connected is.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the photoelectric Receiver system is a Schottky barrier diode (6).

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that as the component deflecting the beam path, a totally reflecting liquid surface (3) provided pl :.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the photoelectric receiver system (6) the deflection of the beam path after two coordinate directions, preferably mutually orthogonal, are detected.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that the transmitter beam is pulsed: 1;

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation electronics have a voltage-controlled oscillator (32) includes that of the possibly amplified and transformed signals of the receiver system (6) is controlled, and that the voltage controlled oscillator (32) counters (33 and 34) are connected downstream.

7. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that that for both of the signal channels assigned to the two coordinate directions a common one voltage controlled oscillator (32) is provided, and that between the input of the voltage controlled oscillator and the two signal channels as well as between the output of the voltage controlled oscillator and the two counters (33 and 34) two gate circuits (30 and 35 or 31 and 36) are provided, in pairs are alternately switchable in the open or in the blocked position.