DE3938848A1 - Neigungssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor der im Oberbe­ griff des Anspruches 1 wiedergegebenen Art.

Solche Neigungssensoren sind beispielsweise der GB-OS 20 22 822 entnehmbar, gemäß derer in etwa die unteren vier Fünftel des die Form eines in der Ruhelage vertikal stehenden Zylinders besitzenden Innenraums des Hohlkörpers mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, während das obere Fünf­ tel von einem Gas eingenommen wird. Statt eines Gases könnte hier auch eine zweite Flüssigkeit verwendet werden, die sich mit der ersten nicht mischt und ein geringeres spezifisches Gewicht als jene besitzt. Wesentlich ist, daß die beiden verwendeten Medien eine stabile Grenzfläche aufweisen, die sich in der Ruhelage quer über den gesamten Querschnitt des Zylinders erstreckt. In der oberen Stirnwand des Zylinders ist eine Lichtquelle angeordnet, die in den Zylinderraum hinein Licht abstrahlt, das die Grenzfläche zwischen den beiden Medien durchdringt und zu einem kleinflächigen Photo­ detektor in der unteren Stirnwand des Zylinders gelangt, der bezüglich der Zylinderachse der Lichtquelle vorzugsweise dia­ metral gegenüberliegt. Beim Durchtritt durch die beiden Medien und die Grenzfläche erfährt das Licht eine Dämpfung aufgrund von Absorptions-, Streu-, Reflexions- und/oder Beugungseffek­ ten, die alle von der Beschaffenheit der Grenzfläche und von ihrer relativen Lage bezüglich des Zylinderraumes abhängen. Wird also die Zylinderachse geneigt, so ändert sich die Helligkeit des vom Photodetektor empfangenen Lichtes und damit auch die Amplitude seines Ausgangssignals. Diese Am­ plitudenänderung wird dann zur Erkennung und Messung der Neigungsänderung weiter ausgewertet.

Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß hier eine absolute Größe, nämlich die Intensität des vom Photodetek­ tor empfangenen Lichtes auf das Auftreten absoluter Ände­ rungen überwacht wird, so daß Alterungserscheinungen der verwendeten photoelektrischen Sende- und Empfangselemente und der dem Empfänger nachgeschalteten Elektronikkomponen­ ten ebenso in das Meßergebnis bzw. die Meßgenauigkeit und das Auflösungsvermögen eingehen wie Trübungserscheinungen, die die Lichtdurchlässigkeit der beiden Medien im Laufe der Zeit verändern. Will man den Einfluß dieser Störfak­ toren eliminieren, muß ein hoher schaltungs- und/oder meß­ technischer Aufwand getrieben werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Neigungssensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der, obwohl er aus einfachen Komponenten aufgebaut ist, eine hohe Meßgenauigkeit und ein hohes Auflösungsvermögen besitzt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im An­ spruch 1 zusammengefaßten Merkmale vor.

Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen es, eine der herkömmlichen Röhren- oder Dosenlibellen zu verwenden, die mit sehr großer Genauigkeit kostengünstig hergestellt werden können. Auf der einen Seite der Libelle ist eine die Bewegungsbahn bzw. die Bewegungsfläche der Libellen­ blase ausleuchtende Lichtquelle angeordnet, die flächig oder punktförmig sein kann, wenn sie nur einen genügend großen Öffnungswinkel besitzt. Weiterhin ist neben der Röhren- oder Dosenlibelle ein ortsauflösendes Photoelement so angeordnet, daß sich seine lichtempfindliche Fläche bzw. Flächen in etwa parallel zur Bewegungsbahn bzw. zur Bewegungs­ fläche der Libellenblase erstrecken. Soll im Durchlichtver­ fahren gearbeitet werden, so befindet sich das Photoelement auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Libelle. Es kann aber auch das von der die Libellenblase umgebenden Grenzfläche ausgehende Streulicht verwendet werden. In diesem Fall wird das Photoelement so neben der Libelle angeordnet, daß es dieses Streulicht empfängt.

Da das die Blase ausfüllende Medium einen ande­ ren Brechungsindex besitzt als das umgebende Medium, wirft die Blase einen Fleck auf die lichtempfindlichen Flächen des photoelektrischen Empfängers, der je nachdem, welche Medien verwendet werden, etwas heller oder etwas dunkler ist, als die ihn umgebenden Bereiche, und der über die lichtempfindliche Fläche bzw. Flächen wandert, wenn sich die Libellenblase aufgrund einer Neigungsänderung verschiebt.

Als Photoempfänger findet ein ortsauflösendes differentielles Photoelement Verwendung, dem über einen Eingang ein Gesamt­ strom zugeführt wird, der über zwei oder mehr Ausgänge ab­ fließt. Solange der Schwerpunkt der auf die lichtempfind­ liche Fläche bzw. Flächen auftreffenden Intensitätsverteilung mit dem Symmetriezentrum der lichtempfindlichen Fläche bzw. Flächen zusammenfällt, was vorzugsweise in der Ruhe- bzw. Ausgangslage des Neigungssensors der Fall ist, sind die an den verschiedenen Ausgängen abfließenden Ströme gleich. Ver­ schiebt sich der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung, d. h. der von der Libellenblase erzeugte Fleck gegen das Symmetrie­ zentrum, so nimmt beispielsweise der Strom an dem oder den Ausgängen, zu dem oder denen sich der dunkle Fleck hin ver­ schiebt, ab, während er an den Ausgängen, von denen sich der Fleck entfernt, anwächst. Durch Differenzbildung dieser Aus­ gangsströme läßt sich die Richtung und die Weite der Ver­ schiebung und damit die Richtung und Stärke der aufgetrete­ nen Neigungsänderung sehr genau und mit hoher Auflösung be­ stimmen.

Der dem photoelektrischen Element zugeführte Strom kann auf einfache Weise konstant gehalten werden, so daß bei der Nei­ gungsmessung nur die Differenz bzw. Differenzen der Aus­ gangsströme eine Rolle spielen. Dadurch wird die Anordnung von Alterungserscheinungen sowohl der optoelektrischen als auch der elektronischen Komponenten als auch von Änderungen in der Transparenz der beiden Medien und des sie umgebenden Gehäuses völlig unabhängig.

Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß die opto­ elektrischen Bestandteile auf der Außenseite der Libelle angebracht werden können, ohne daß in deren Gehäuse einge­ griffen werden muß. Zur Verarbeitung der Ausgangssignale des photoelektrischen Empfängers genügen einfache Impedanzwand­ ler und Differenzverstärker, die eine getaktete oder eine kontinuierliche Messung ermöglichen. Eine Wechselspannungs­ verarbeitung ist nicht zwingend erforderlich.

Um bei großen Bewegungsbereichen für die Libellenblase keine allzu großen lichtempfindlichen Flächen für das photoelektrische Empfängerelement zu benötigen, kann zwischen der Libelle und dem photoelektrischen Empfänger eine Abbildungsoptik vor­ gesehen werden.

ung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht den mechanischen Aufbau eines Neigungssensors zur Erfassung von Neigungsände­ rungen um eine Achse,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Neigungssensor aus Fig. 1, wobei die Libelle weggelassen ist und die die Ausgangssignale verarbeitenden elektronischen Schaltungen schematisch angedeutet sind, und

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines Neigungssensors zur Erfassung von Neigungsände­ rungen gegenüber einer Ebene.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Neigungssensor 1 wiedergegeben, der geeignet ist, Neigungsänderungen bzw. Verkippungen um die in Fig. 2 sichtbare Achse 3 mit hoher Genauigkeit und großem Auflösungsvermögen messend zu erfassen. Zu diesem Zweck umfaßt der Neigungssensor eine herkömmliche Röhren­ libelle 5, deren Gehäuse aus einem für Licht durchlässigen Material besteht und deren Innenraum 6 mit einer Flüssigkeit 7 gefüllt ist, die eine Gasblase 8 umschließt. Die Längs­ achse der Röhrenlibelle 5 erstreckt sich in horizontaler Richtung senkrecht zur Neigungsachse 3. Die Innenraum-Wand­ fläche 9, an der die Gasblase 8 aufgrund des Auftriebes, den sie in der Flüssigkeit 7 erfährt, anliegt, ist in Längs­ richtung der Röhrenlibelle 5 mit einem in der Fig. 1 sehr großen Krümmungsradius so gekrümmt, daß sich für jeden Nei­ gungswinkel, mit dem die Längsachse der Röhrenlibelle 5 um die Achse 3 verkippt wird, eine stabile Lage für die Gas­ blase 8 ergibt, in der sie dann allerdings gegen die in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Ausgangslage nach links bzw. rechts verschoben ist. Über der Röhrenlibelle 5 ist eine Lichtquelle 10 angeordnet, die beispielsweise von einer Leuchtdiode gebildet werden kann und die die gesamte Länge der Röhrenlibelle 5 ausleuchtet. Das von der Lichtquelle 10 ausgehende Licht tritt durch das transparente Gehäuse der Röhrenlibelle 5 und durch die ebenfalls transparente Flüssigkeit 7 ebenso hindurch wie durch die Gasblase 8. An der Grenzfläche 11 zwischen der Gasblase 8 und der Flüs­ sigkeit 7 treten jedoch Reflexions- und Streueffekte auf, so daß in der unmittelbaren Umgebung der Verbindungslinie zwischen der Lichtquelle 10 und dem Zentrum der Gasblase 8 auf der Unterseite des Libellengehäuses etwas weniger Licht austritt als in den von dieser Verbindungslinie weiter ent­ fernten Bereichen. Man erhält also auf der der Lichtquelle 10 gegenüberliegenden Seite der Röhrenlibelle, auf der der Photodetektor 12 angeordnet ist, eine ungleichförmige In­ tensitätsverteilung, die in Fig. 2 durch einen ovalen, in seiner Form in etwa an die Form der Gasblase 8 angepaßten Fleck 14 wiedergegeben ist, in dessen Bereich etwas weniger Licht auf den Photodetektor 12 auffällt, als in den den Fleck 14 umgebenden Bereichen.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Nullpunkts- bzw. Ausgangslage des Neigungssensors 1 fällt das Zentrum der eben beschriebenen Intensitätsverteilung mit dem Symmetrie­ zentrum X des Photodetektors 12 zusammen.

Dieser Photodetektor 12 ist ein ortsauflösendes Photoelement, das von einer Lateralphotodiode, einer Differentialphotodiode oder einem CCD-Element gebildet werden kann. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt der Photodetektor 12 einen Eingangsanschluß 15, über den ihm ein Eingangsstrom I_EIN zugeführt wird. Solange, wie in Fig. 2 gezeigt, der Schwer­ punkt der auf die lichtempfindliche Oberfläche des Photode­ tektors 12 auffallenden Intensitätsverteilung mit dem Symme­ triezentrum X zusammenfällt, teilt sich dieser Eingangsstrom I_EIN gleichmäßig nach beiden Seiten hin auf, so daß die über die beiden Ausgangsanschlüsse 16, 17 abfließenden Ströme I₁ und I₂ gleich groß sind. Diese beiden Ströme werden über Im­ pedanzwandler 18, 19 einem Differenzverstärker 20 zugeführt, der an seinem Ausgang 21 ein die Differenz der beiden Ströme I₁-I₂ wiedergebendes Signal abgibt. In der gezeigten Aus­ gangslage des Neigungssensors ist dieses Signal gleich Null. Wird der Sensor geneigt, so bewegt sich die Gasblase 8 ent­ lang der Wandfläche 9 in Fig. 1 entweder nach links oder nach rechts und in entsprechender Weise verschiebt sich der Fleck 14 in Fig. 2 aus der wiedergegebenen Zentrallage her­ aus näher zum linken oder zum rechten Ausgangsanschluß 17 bzw. 16 hin. Dadurch nimmt der über den betreffenden Aus­ gangsanschluß abfließende Strom I₂ bzw. I₁ ab, während der am jeweils gegenüberliegenden Ausgang abfließende Strom I₁ bzw. I₂ in gleicher Weise zunimmt. In entsprechender Weise weicht das vom Differenzverstärker 20 erzeugte Ausgangs­ signal vom Null-Wert ab, wobei das Vorzeichen dieses Sig­ nals die Richtung angibt, mit der der Fleck 14 aus der Zen­ trallage ausgewandert ist.

Für den dieses Auswandern verursachenden Neigungswinkel α gilt

da I₁+I₂=I_EIN auf einfache Weise konstant gehalten werden kann, hängt das den Winkel α beschreibende Signal nur von der Differenz der beiden Ströme I₁ und I₂ ab, so daß alle absoluten Änderungen keine Rolle spielen.

Der in Fig. 3 perspektivisch dargestellte Neigungssensor 1 umfaßt eine in einer horizontalen Ebene angeordnete Dosen­ libelle 25, über der wieder eine Lichtquelle 10 angeordnet ist, die den Bewegungsbereich der Gasblase 8 ausleuchtet. Unterhalb der Dosenlibelle 25 befindet sich ein photoelek­ trischer Empfänger 12, der hier von einer 4-Quadranten- Photodiode gebildet wird, deren lichtempfindliche Flächen 26, 27, 28, 29 durch zwei einander im rechten Winkel über­ kreuzende Trennspalte 30, 31 voneinander getrennt sind, die in Fig. 3 der Deutlichkeit halber im Verhältnis zur Größe der lichtempfindlichen Flächen 26 bis 29 stark ver­ größert wiedergegeben sind. Der Kreuzungspunkt der beiden Trennspalte 30, 31 bildet hier das Symmetriezentrum X des Photoempfängers, das mit dem Eingangsanschluß 15 verbunden ist, über den den vier Quadranten ein gemeinsamer Eingangs­ strom I_EIN zugeführt wird. Jeder der vier Quadranten be­ sitzt einen Ausgangsanschluß 32 bis 35, über den der jeweilige Ausgangsstrom I₁, I₂, I₃ bzw. I₄ abfließt. Befindet sich, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, der von der Gasblase 8 erzeugte Fleck 14 mit seiner Mitte genau über dem Symmetrie­ zentrum X, so sind diese vier Ausgangsströme gleich groß. Wird die Anordnung geneigt, so verschiebt sich der Fleck 14 aus dieser Ausgangslage heraus und nähert sich dabei einem oder zweien der Ausgangsanschlüsse 32 bis 35 an. Dadurch ändern sich die aus den Ausgangsanschlüssen heraus­ fließenden Ströme in entsprechender Weise, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 bereits beschrie­ ben wurde. Durch entsprechende Auswertung dieser Änderun­ gen der Ausgangsströme I₁ bis I₄ läßt sich erkennen, um welche durch die horizontale Ebene verlaufende Achse die Anordnung geneigt wurde und wie stark diese Neigung ist.

Statt der in Fig. 1 gezeigten geradlinigen Röhrenlibelle kann auch eine zur Lichtquelle 10 hin konvex gekrümmte Röhrenlibelle verwendet werden, wodurch sich der Neigungs­ winkel-Meßbereich vergrößern läßt. Zwischen dem photo­ elektrischen Empfänger 12 und der Unterseite der zugehöri­ gen Libelle kann eine Sammellinse angeordnet werden, wodurch bei gleichbleibender lichtempfindlicher Fläche des Photo­ detektors 12 der Bewegungsbereich der Gasblase 8 vergrößert werden kann.

Claims (3)

1. Neigungssensor mit einem geschlossenen Hohlkörper, dessen Innenraum mit zwei Medien gefüllt ist, die verschiedene spezifische Gewichte und unterschiedliche optische Eigen­ schaften besitzen und durch eine stabile Grenzfläche von­ einander getrennt sind, und mit einer Lichtquelle und einem Photoempfänger, der das durch die Grenzfläche be­ einflußte Licht der Lichtquelle empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt, das zur Erkennung und Messung von Neigungsänderungen ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das eine der beiden Medien von einer Wandfläche (9) des Innenraums (6) des Hohlkörpers (5) und dem anderen der beiden Medien in Form einer Blase (8) umschlossen wird, die sich beim Auftreten einer Neigungsänderung ausgehend von einer vorgegebenen Ruhelage an der Wandfläche (9) entlang be­ wegt, daß die Lichtquelle (10) den Bewegungsbereich der Blase (8) lampenartig ausleuchtet, daß der photo­ elektrische Empfänger (12) von einem ortsauflösenden photoelektrischen Element gebildet wird, dessen Ausgangs­ signale sich mit der geometrischen Verschiebung des Schwerpunktes der auf das photoelektrische Element auf­ treffenden Intensitätsverteilung differentiell ändern, und daß die Lichtquelle (10) und das photoelektrische Element (12) an der Bewegungsbahn der Blase (8) so angeordnet sind, daß sich der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung des von der Lichtquelle (10) auf das photoelektrische Element (12) fallenden Lichtes ent­ sprechend den Bewegungen der Blase (8) über die licht­ empfindlichen Flächen des photoelektrischen Elements (12) verschiebt.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wandfläche (9), an der sich die Blase (8) beim Auftreten einer um eine Neigungsachse (3) erfolgenden Neigungsänderung entlang bewegt, zumin­ dest in der zu der Neigungsachse (3) senkrechten Rich­ tung einen sehr großen Krümmungsradius besitzt.

3. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) und das photoelektrische Element (12) so angeordnet sind, daß in der Ruhelage der Schwerpunkt der Inten­ sitätsverteilung des auf das photoelektrische Element (12) auftreffenden Lichts mit dem Symmetriezentrum (X) der lichtempfindlichen Flächen zusammenfällt.