WO1997041405A1 - Lasernivellier mit horizontierbarer instrumentenbasis und selbsttätiger feinhorizontierung des laserstrahls - Google Patents

Lasernivellier mit horizontierbarer instrumentenbasis und selbsttätiger feinhorizontierung des laserstrahls Download PDF

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WO1997041405A1
WO1997041405A1 PCT/EP1997/002172 EP9702172W WO9741405A1 WO 1997041405 A1 WO1997041405 A1 WO 1997041405A1 EP 9702172 W EP9702172 W EP 9702172W WO 9741405 A1 WO9741405 A1 WO 9741405A1
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WO
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laser
levelling
inner cylinder
outer cylinder
pendulum
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PCT/EP1997/002172
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wilfried Piske
Gerhard Predl
Heinz Bernhard
Martin KÖPPEL
Original Assignee
Leica Geosystems Ag
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Priority to JP53858397A priority patent/JP3905131B2/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G01C15/004—Reference lines, planes or sectors

Definitions

  • the invention relates to a laser level with the features of the preamble of claim 1.
  • Laser levels are known in a variety of configurations. They are used either to generate a laser beam oriented perpendicular to the plumb line or to generate a horizontal reference plane using a laser beam rotating around the plumb direction a mounting surface of the laser level can be understood, which can be manually honed with a limited accuracy and on which the means deflecting the laser beam into the horizontal are arranged
  • the laser is installed in the laser level in such a way that its optical axis runs in the perpendicular direction.
  • the deflection into the horizontal is carried out by means of mirrors or prisms, in particular by means of pivoted pentapnsms.
  • the mounting surface for the deflection elements is the radiation platform in accordance with the above definition
  • this radiation platform is firmly connected to the housing of the device.
  • the housing has adjusting foils and bubble levels for rough hozoning
  • the pendulum-suspended lens can interact with three light barriers attached to the housing.
  • the light barrier signals can control light-emitting diodes that are attached in a star shape to the instrument housing and thus give the user an assignment for the adjustment of the foot screws for rough hooping. They replace the otherwise usual circular bubble levels.
  • the light barriers must be aligned with the tripod legs. The compensation area is limited by the space available in the compensator tube.
  • the pendulum-suspended lens must not touch the inner surface of the tube during the measurement The above
  • the light barriers mentioned therefore also serve in particular to monitor the free pendulum suspension. An interruption in the light barrier beam with a drop in level up to a predetermined level Threshold leads to the laser diode being switched off. The device can only be put into operation again after rough honing
  • the oscillating lens can also vibrate so strongly due to vibrations that it interrupts the light barrier.To avoid this, magnetic damping is provided, which forces the pendulum oscillation to subside quickly. The damping acts like an eddy current brake.This is due to careful material selection and construction to ensure that magnetic forces do not influence the perpendicular alignment of the pendulum in the rest position.
  • a pendulum compensator is known from DE-OS 2 944 408, in which an oscillatingly suspended inner cylinder oscillates with the compensation sleeves in an outer cylinder.
  • the cylinders are relatively long and point a small gap when changing the distance between the cylinder surfaces, air is displaced, which creates a damping of the pendulum vibration due to the flow resistance
  • the outer cylinder is electrically insulated from the housing.When the inner cylinder comes into contact with the outer cylinder, a wire is grounded and the laser diode is immediately switched off.To start up again, a rough roughing is necessary using bubble levels, which brings the pendulum back into its working area
  • the invention was based on the object of creating a pendulum compensator for a laser leveler which is robust and simple in construction and which generates an actuating signal for rough honing even when the inner cylinder is in contact with the outer cylinder Dependence on the control signals with high accuracy is possible
  • the known pendulum compensator with outer and inner cylinders is designed as a capacitor with capacitance values that can change locally due to the pendulum movement.
  • the geometric relationships of the cylinder system do not change, so that the
  • the system is extremely robust If one of the electrode surfaces is provided with an electrically insulating layer, there can be no short circuit between the electrodes and the capacitance can also be determined when the pendulum is attached to the outer cylinder if the individual capacitor segments or the one acting as the opposite pole
  • Inner cylinder each a fixed larger capacity is connected in series, even a short circuit between the electrode surfaces does not interfere with the measurement.
  • the measurement of the current capacitance values is advantageously carried out in quick succession.
  • the same measurement and evaluation electronics can then be used for all measurements, so that drifting of the capacitances, the amplifier, etc. affect all measurement values in the same way. Because the pendulum changes in comparison to the measurement value query are comparatively sluggish, the measurement value is obtained practically simultaneously
  • FIG. 1 shows a cross section through the capacitor system.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the pendulum compensator
  • Fig. 3 is a block diagram for obtaining the control signals
  • FIG. 1 shows in cross section an outer cylinder 1, on the inner surface of which three electrode segments 2, 3, 4 are attached.
  • the electrode segments are separated from one another by webs 2 ', 3', 4 'running perpendicular to the plane of the drawing.
  • the webs and the adhesive bonds to the outer cylinder 1 are also included filled with an electrically insulating, hardenable adhesive.
  • An inner cylinder 5 holds the electrode segments at a short distance from it.
  • the inner cylinder is made of electrically conductive material and forms the counter electrode to the electrode segments 2, 3, 4
  • Gap 6 between inner cylinder 5 and electrode segments 2 3, 4 represents the maximum pendulum travel of the inner cylinder. Further elements in FIG. 1 are described in connection with FIG. 2 The function of the pendulum compensator can be seen from the longitudinal section in FIG. 2.
  • the outer cylinder 1 is fastened vertically to a radiation platform 7.
  • a lens 8 is inserted into the latter.
  • a laser diode 9 is arranged in the focal point of the lens 8, so that the laser beam bundle 10 emerging from the radiation platform is parallel
  • the beam axis is denoted by 11.
  • the means deflecting the laser beam bundle 10 perpendicular to the beam axis 11 are not shown. They are fastened to the radiation platform 7 in a manner known per se
  • the lens 8 and the diode laser 9 are arranged so that the beam axis 11 forms the axis of symmetry for the capacitor system 1 to 5
  • Inner cylinder 5 is suspended on three wires 12 attached symmetrically to the radiation platform 7. At the lower end of the inner cylinder 5 there is a mounting plate 13 on which the diode laser 9 is also attached. It can be aligned with the aid of adjustment means (not shown) in such a way that it is at a higher level Alignment of the radiation platform 7 is precisely in the focal point of the lens 8.
  • the wires 12 are to be fastened in such a way that the inner cylinder 5 also hangs concentrically with the outer cylinder 1 when the radiation platform 7 is aligned in a focused manner
  • the mounting plate 13 fastened to the inner cylinder 5 and thus also the laser diode 9 can migrate transversely to the beam axis 11 in the small free pendulum path predetermined by the gap 6.
  • the laser diode 9 is still at the focal point of the lens 11, so that the beam direction of the beam bundle 10 emerging from the radiation platform does not change.
  • the inner cylinder 5 strikes the electrode segments 2, 3, 4. The aforementioned directional compensation is then no longer given.
  • the radiation platform 7 with the oscillating capacitor is located in a housing 14 of the laser leveler.
  • the base usually has an adjustable foot (not shown) in the housing 14.
  • the electronics 15 with voltage supply and evaluation circuit is also included in the housing 14. This is described in detail below 16 for the operation of the laser diode 9, reference number 17 for the shading of the electrode segments 2, 3, 4, reference number 18 for the sound reinforcement acting as a counter electrode
  • the radiation platform 7 is adjustably mounted in the housing 14. For this purpose, it first rests on a ball 21 on a housing projection and is additionally carried by spindles 22, 22 'of the servomotors 20, 20'.
  • the arrangement of the servomotors 20, 20 'and the ball 21 are shown in the top view of FIG.
  • the radiation platform 7 tilts about the axis 23.
  • the spindle 22 ' is adjusted, the tilting takes place about the axis 24 and when the two spindles 22, 22' are adjusted, the tilted
  • Fig. 3 a block diagram of the measuring and control electronics is given.
  • the capacitances depending on the pendulum position between the electrode segments 2, 3, 4 and the inner cylinder 5 are shown as variable capacitances Ci, C 2 , C 3.
  • these are Electrode segments basic capacitances CV, C 2 ', C 3 ' connected in series to ensure a measurable capacity even when the inner cylinder is attached to the electrode segments.
  • the basic capacitances are about 100 times larger than the measuring capacitances C u C 2 , C 3
  • the capacitances can be connected to a charging voltage and an operational amplifier OP1 via controllable switches S 1 t S 2 , S 3 and a resistor R1.
  • the capacitor system can be connected to a common voltage potential ⁇ J via a further controllable switch S 4.
  • This voltage is expediently applied the inner cylinder 5 placed Since this is electrically connected to the housing 14 via its pendulum wires 12, the housing dimensions are selected as the common potential
  • the operational amplifier OP1 which acts as a high-impedance impedance converter, is followed by an AD converter and a microprocessor ⁇ P.
  • the latter controls the switches S ⁇ to S 4 as well as servo drives for the motors 20, 20 'and the measuring sequence
  • the timing of the measurement is shown in FIG. 4.
  • a switch is closed in each case at a signal at logic level "High” and a switch is open in the case of a signal at logic level “Low”.
  • the compensator capacitors are discharged before each measurement.
  • Switches S 1 to S 4 closed for a period of approx. 200 ⁇ s.
  • the capacitors d, C 2 , C 3 discharge.
  • all capacitor connections are at the voltage value U ⁇ , which is usually equal to 0
  • the AD conversion is started after the end of the charging pulse and takes about 100 ⁇ s.
  • the microprocessor ⁇ P calls up the AD-converted voltage values in digital form and saves them.
  • the capacitor system is now discharged by closing switches Si to S 4 Repeatedly, he starts the measurement of the capacitance C 2 and accordingly for C 3 by opening the switches S 1 t S 3 , S 4.
  • the entire measuring cycle lasts about 1 ms.
  • the pendulum position of the inner cylinder can be assumed to be stable due to the steamed suspension
  • the ⁇ P determines the signal processing for the servo unit of the servomotors from the three voltage values of C 1 t C 2 , C 3.
  • the signal processing does not require any electrical adjustment of the measuring elements, but essentially consists in a relative comparison of the measured capacitance values according to the following procedure which electrode segment of the outer cylinder the inner cylinder rests on (maximum capacity) and which has the greatest distance (minimum capacity) In the initial state of the three electrode segments, the inner cylinder will always be in contact with at least one segment and one of them will have a maximum air gap
  • the control signals derived from the capacitor system can of course also be displayed optically and used for manual honing by means of foot adjustment screws. Servomotors that are controlled by the control signals can also be installed in the foot set screws
  • the system described in the exemplary embodiment can also be used for permanent monitoring of the honing. In general, longer time intervals for the measuring cycle are sufficient for monitoring. Only significant changes in the capacitance values must lead to readjustment of the radiation platform

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Abstract

Ein Lasernivellier mit horizontierbarer Strahlenplattform (7) und selbsttätiger Feinhorizontierung des Laserstrahls (10) mit einem in einem Außenzylinder (1) pendelnd aufgehängten, Ausrichtelemente tragenden Innenzylinder (5) zeichnet sich dadurch aus, daß der Außenzylinder (1) und der Innenzylinder (5) ein Kondensatorsystem mit einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen bilden, der Außenzylinder (1) mit der Strahlenplattform (7) zentrisch zur Strahlachse (11) lotrecht verbunden ist und von dem Kondensatorsystem Signale zur Detektion der Pendellage des Innenzylinders (5) ableitbar sind.

Description

Lasernivellier mit horizontierbarer Instrumentenbasis und selbsttätiger Feinhorizontierung des Laserstrahls
Die Erfindung betrifft ein Lasernivelher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 Lasernivelliere sind in vielfaltiger Ausgestaltung bekannt Sie dienen entweder der Erzeugung eines senkrecht zum Lot ausgerichteten Laserstrahls oder zur Erzeugung einer horizontalen Referenzebene mit Hilfe eines um die Lotrichtung rotierenden Laserstrahls Als Strahlenplattform soll in diesem Zusammenhang eine Montageflache des Lasernivelhers verstanden werden, die mit einer begrenzten Genauigkeit manuell honzontierbar ist und auf der die den Laserstrahl in die Horizontale umlenkenden Mittel angeordnet sind
Üblicherweise wird der Laser so in das Lasernivelher eingebaut, daß seine optische Achse in Lotrichtung verlauft Die Umlenkung in die Horizontale erfolgt über Spiegel oder Prismen, insbesondere über drehbar gelagerte Pentapnsmen Die Montageflache für die Umlenkelemente ist entsprechend der vorstehenden Definition die Strahlenplattform
Bei bekannten Lasernivelheren ist diese Strahlenplattform fest mit dem Gehäuse des Gerätes verbunden Das Gehäuse weist zur Grobhoπzontierung Stellfufie und Blasenlibellen auf
Es ist auch eine Anordnung zur automatischen Grobhoπzontierung bekannt, bei der das Lasernivelher auf einem elektromechanischen Stativ angeordnet wird Die Stativbeine werden über Spindeln solange in ihrer Hohe verändert, bis durch Quecksilberschalter am Nivelhergehause, die als Neigungssensoren fungieren, dieser Vorgang beendet wird Die Grobhoπzontierung erfolgt mit einer Genauigkeit von etwa 50" und ist relativ langsam
Bei höheren Genauigkeitsanforderungen erfolgt eine Feinhoπzontierung durch einen Kompensator Dabei hat sich insbesondere eine optisch¬ mechanische Kompensation mit gegeneinander verschiebbaren Linsen durchgesetzt Eine der Linsen ist in einem zylindrischen Rohr fest im Gerat eingebaut, die andere an Metallfaden pendelnd in dem Rohr aufgehängt Bei einem justierten Instrument verlauft der vom Laser ausgesandte Strahl in der optischen Achse der fest eingebauten Linse und wird von der pendelnden Linse so abgelenkt, daß er in Lotrichtung auf das Umlenkelement fallt Bei Verwendung von Halbleiterlasem kommt den Linsen auch die Strahlkolhmation zu Dabei ist es auch möglich, die gesamte Linsenkombination pendelnd aufzuhängen, wie aus der weiter unten noch genannten DE-OS 2 944 408 zu entnehmen ist
Die pendelnd aufgehängte Linse kann mit drei am Gehäuse angebrachten Lichtschranken zusammenwirken Die Lichtschrankensignale können Leuchtdioden ansteuern, die sternförmig am Instrumentengehause angebracht sind und dem Benutzer damit eine Zuordnung für die Verstellung der Fußschrauben zur Grobhoπzontierung geben Sie ersetzen die sonst üblichen Dosenlibellen Es ist auch vorgeschlagen worden, die Signale zur Verstellung des bereits genannten elektromechamschen Stativs zu verwenden Dazu müssen allerdings die Lichtschranken fluchtend zu den Stativbeinen ausgerichtet werden Der Kompensationsbereich ist durch den im Kompensatorrohr zur Verfugung stehenden Raum begrenzt Die pendelnd aufgehängte Linse darf wahrend der Messung die Innenflache des Rohres nicht berühren Die vorstehend genannten Lichtschranken dienen daher insbesondere auch der Überwachung der freien Pendelaufhangung Eine Unterbrechung des Lichtschrankenstrahls mit einem Pegelabfall bis zu einer vorgegebenen Schwelle fuhrt zu einer Abschaltung der Laserdiode Erst nach erneuter Grobhonzontierung kann das Gerat wieder in Betrieb genommen werden
Die pendelnde Linse kann auch aufgrund von Erschütterungen so stark schwingen, daß sie die Lichtschranke unterbricht Um das zu vermeiden, ist eine magnetische Dampfung vorgesehen, die ein rasches Abklingen der Pendelschwingung erzwingt Die Dampfung wirkt nach Art einer Wirbelstrombremse Dabei ist durch sorgfaltige Materialauswahl und Konstruktion darauf zu achten, daß Magnetkräfte die Lotausrichtung des Pendels in der Ruhelage nicht beeinflussen Eine zusammenfassende Darstellung des vorgenannten Standes der Technik findet sich in der Dissertation von H Wuller, D 82 Diss TH Aachen, (1988), ISSN 0515-0574, Entwicklung und Untersuchung eines Rotationsnivelheπnstruments und einer photoelektrischen Nivelherlatte zur Automatisierung des geometrischen Nivellements Aus der DE-OS 2 944 408 ist ein Pendelkompensator bekannt, bei dem ein pendelnd aufgehängter innerer Zylinder mit den Kompensationshnsen in einem äußeren Zylinder schwingt Die Zylinder sind verhältnismäßig lang und weisen einen geringen Zwischenraum auf Bei Veränderung des Abstandes der Zylmderflachen wird Luft verdrangt, die aufgrund des Stromungswiderstandes eine Dampfung der Pendelschwingung erzeugt
Der äußere Zylinder ist gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert Bei Kontakt des inneren Zylinders mit dem äußeren Zylinder wird ein Draht geerdet und dadurch die Laserdiode sofort abgeschaltet Für die Wiederinbetriebnahme ist eine erneute Grobhonzontierung unter Benutzung von Dosenlibellen erforderlich, die das Pendel wieder in seinen Arbeitsbereich bringt
Anstelle von Kompensationshnsen ist es auch möglich, die Laserdiode am Pendel anzubringen Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für ein Lasernivelher einen Pendelkompensator zu schaffen, der robust und einfach aufgebaut ist und ein Stellsignal für die Grobhonzontierung auch bei am Außenzylinder anliegendem Innenzylinder erzeugt Insbesondere sollte der Pendelkompensator so mit der Strahlenplattform verbunden sein, daß eine motorische Hoπzontierung in Abhangkeit von den Stellsignalen mit hoher Genauigkeit möglich ist
Diese Aufgabe wird bei einem Lasernivelher der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelost Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteranspruche
Gemäß der Erfindung wird der an sich bekannte Pendelkompensator mit Außen- und Innenzylinder als Kondensator mit durch die Pendelbewegung lokal veränderlichen Kapazitatswerten ausgebildet Die geometrischen Verhaltnisse des Zylindersystems andern sich dabei nicht, so daß die
Dampfungseigenschaften erhalten bleiben Die Segmentierung einer der Elektrodenflachen erlaubt eine eindeutige Richtungszuordnung für den Pendelausschlag Grundsatzlich sind dazu zwei Kondensatorsegmente ausreichend Als zweckmäßiger hat sich jedoch eine Aufteilung in drei oder vier Segmente erwiesen.
Das System ist äußerst robust Wenn eine der Elektrodenflachen mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen wird, kann es nicht zu einem Kurzschluß zwischen den Elektroden kommen und die Kapazität kann auch bei Anlage des Pendels am Außenzylinder bestimmt werden Wenn den einzelnen Kondensatorsegmenten oder dem als Gegenpol wirkenden
Innenzylinder jeweils eine feste größere Kapazität in Serie zugeschaltet wird, stört sogar ein Kurzschluß zwischen den Elektrodenflachen die Messung nicht Für die notwendige elektronische Beschaltung der Elektrodensegmente ist es zweckmäßig, wenn diese in dem feststehenden Außenzylinder angeordnet sind Die Messung der aktuellen Kapazitatswerte erfolgt mit Vorteil in schneller Folge nacheinander Es kann dann für alle Messungen dieselbe Meß- und Auswerteelektronik verwendet werden, so daß Driften der Kapazitäten, der Verstarker usw sich auf alle Meßwerte in gleicher Weise auswirken Da die Pendelveranderungen im Vergleich zur Meßwertabfrage vergleichsweise trage sind, erfolgt die Meßwertgewinnung praktisch gleichzeitig
Ein besonders vorteilhafter Einsatz des erfindungsgemaßen Pendelkompensators ergibt sich, wenn die Strahlenplattform innerhalb des Lasernivelhers hoπzontierbar gelagert und über Stellmotoren in Abhängigkeit von den Signalen des Kondensatorsystems solange verstellbar ist, bis das Pendel frei schwingt
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels naher beschrieben Im einzelnen zeigen
Fig 1 einen Querschnitt durch das Kondensatorsystem Fig 2 einen Längsschnitt durch den Pendelkompensator
Fig 3 ein Blockschaltbild zur Gewinnung der Stellsignale
Fig 4 eine Darstellung des zeitlichen Ablaufs der Kapazitatsmessung
Fig 1 zeigt im Querschnitt einen Außenzylinder 1 , auf dessen Innenflache drei Elektrodensegmente 2, 3, 4 angebracht sind Die Elektrodensegmente sind durch senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Stege 2', 3', 4' voneinander getrennt Die Stege und die Haftbrucke zum Außenzylinder 1 sind mit einem elektrisch isolierenden, aushartbaren Kleber ausgefüllt Ein Innenzylinder 5 hegt den Elektrodensegmenten mit einem geringen Abstand gegenüber Der Innenzyhnder ist aus elektrisch leitendem Material gefertigt und bildet die Gegenelektrode zu den Elektrodensegmenten 2, 3, 4 Der
Spalt 6 zwischen Innenzylinder 5 und Elektrodensegmenten 2 3, 4 stellt den maximalen Pendelweg des Innenzylinders dar Weitere Elemente in Fig 1 werden im Zusammenhang mit Fig 2 beschrieben Aus dem Längsschnitt der Fig 2 ist die Funktion des Pendelkompensators ersichtlich Der Außenzylinder 1 ist lotrecht an einer Strahlenplattform 7 befestigt In diese ist eine Linse 8 eingesetzt Im Brennpunkt der Linse 8 ist eine Laserdiode 9 angeordnet, so daß das aus der Strahlenplattform austretende Laserstrahlenbundel 10 parallel ist Die Strahlachse ist mit 11 bezeichnet Die das Laserstrahlenbundel 10 senkrecht zur Strahlachse 11 umlenkenden Mittel sind nicht dargestellt Sie sind in an sich bekannter Weise auf der Strahlenplattform 7 befestigt
Die Linse 8 und der Diodenlaser 9 sind so angeordnet, daß die Strahlachse 11 die Symmetrieachse für das Kondensatorsystem 1 bis 5 bildet Der
Innenzylinder 5 ist an drei symmetrisch an der Strahlenplattform 7 befestigten Drahten 12 aufgehängt Dazu befindet sich am unteren Ende des Innenzylinders 5 eine Montageplatte 13, auf der auch der Diodenlaser 9 befestigt ist Er kann mit Hilfe nicht dargestellter Justiermittel so ausgerichtet werden, daß er bei hoπzontierter Ausrichtung der Strahlenplattform 7 genau im Brennpunkt der Linse 8 hegt Die Drahte 12 sind so zu befestigen, daß ebenfalls bei hoπzontierter Ausrichtung der Strahlenplattform 7 der Innenzylinder 5 konzentrisch zum Außenzylinder 1 hangt
Bei einer geringen Neigung der Strahlenplattform 7 können die am Innenzylinder 5 befestigte Montageplatte 13 und damit auch die Laserdiode 9 in dem durch den Spalt 6 vorgegebenen geringen freien Pendelweg quer zur Strahlachse 11 auswandern Dabei befindet sich die Laserdiode 9 aber weiterhin im Brennpunkt der Linse 11 , so daß sich die Strahlrichtung des aus der Strahlenplattform austretenden Strahlenbundels 10 nicht ändert Bei größerer Neigung der Strahlenplattform 7 schlagt der Innenzylinder 5 an die Elektrodensegmente 2, 3, 4 an Die vorgenannte Richtungskompensation ist dann nicht mehr gegeben Um einen elektrischen Kurzschluß des Innenzylinders mit den Elektrodensegmenten zu vermeiden, sind entweder mindestens eine der Elektrodenflachen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen oder die weiter unten beschriebenen schaltungstechnischen Maßnahmen zu ergreifen, damit die erfindungsgemaße Kapazitatsmessung in allen Pendellagen wirksam bleibt
Die Strahlenplattform 7 mit dem Pendelkondensator befindet sich in einem Gehäuse 14 des Lasernivelhers Üblicherweise besitzt dieses an seiner Grundflache nicht dargestellte Stellfuße In dem Gehäuse 14 ist auch die Elektronik 15 mit Spannungsversorgung und Auswerteschaltung enthalten Diese wird weiter unten im Detail beschrieben Die dargestellten Anschlußleitungen mit den Bezugsziffern 16 für den Betrieb der Laserdiode 9, Bezugsziffer 17 für die Beschattung der Elektrodensegmente 2, 3, 4, Bezugsziffer 18 für die Beschallung des als Gegenelektrode wirkenden
Innenzylinders 5, und Bezugsziffer 19 für die Versorgung und Steuerung von Stellmotoren 20, 20' sind lediglich schematisch zu verstehen
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlenplattform 7 verstellbar in dem Gehäuse 14 gelagert Sie hegt dazu zunächst auf einer Kugel 21 auf einem Gehausevorsprung auf und wird zusätzlich von Spindeln 22, 22' der Stellmotoren 20, 20' getragen Die Anordnung der Stellmotoren 20, 20' und der Kugel 21 sind in der Draufsicht der Fig 1 mit dargestellt
Bei einer Verstellung der Spindel 22 kippt die Strahlenplattform 7 um die Achse 23 Bei einer Verstellung der Spindel 22' erfolgt die Kippung um die Achse 24 und bei Verstellung beider Spindeln 22, 22' kippt die
Strahlenplattform 7 um die Achse 25 Die Spindeln können über die Motoren solange verstellt werden, bis der Innenzylinder 5 frei schwingt
In Fig 3 ist ein Blockschaltbild der Meß- und Steuerelektronik angegeben Die von der Pendellage abhangigen Kapazitäten zwischen den Elektrodensegmenten 2, 3, 4 und dem Innenzylinder 5 sind als veränderliche Kapazitäten Ci, C2, C3 dargestellt Wie bereits weiter oben erwähnt, sind den Elektrodensegmenten Grundkapazitaten CV, C2', C3' in Serie zugeschaltet, um auch bei Anlage des Innenzylinders an den Elektrodensegmenten eine meßbare Kapazität zu gewährleisten Die Grundkapazitaten sind in ihren Werten etwa 100-fach großer als die Meßkapazitaten Cu C2, C3 Über steuerbare Schalter S1 t S2, S3 und einen Widerstand R1 sind die Kapazitäten mit einer Ladespannung und einem Operationsverstärker OP1 verbindbar Über einen weiteren steuerbaren Schalter S4 kann das Kondensatorsystem auf ein gemeinsames Spannungspotential \J, gelegt werden Zweckmaßigerweise wird diese Spannung an den Innenzylinder 5 gelegt Da dieser über seine Pendeldrahte 12 elektrisch mit dem Gehäuse 14 verbunden ist, wird als gemeinsames Potential die Gehausemasse gewählt
Dem als hochohmiger Impedanzwandler wirkenden Operationsverstärker OP1 sind ein AD-Wandler und ein Mikroprozessor μP nachgeschaltet Letzterer steuert sowohl die Schalter SΪ bis S4, als auch Servoantriebe für die Motoren 20, 20' und den Meßablauf
Der zeitliche Ablauf der Messung ist in Fig 4 dargestellt Bei einem Signal auf Logikpegel „High" ist jeweils ein Schalter geschlossen und bei einem Signal auf Logikpegel „Low" ist ein Schalter offen Vor jeder Messung werden die Kompensatorkapazitaten entladen Dazu werden die Schalter Si bis S4 für die Dauer von ca 200 μs geschlossen Wahrend dieser Zeit entladen sich die Kondensatoren d, C2, C3 Danach hegen alle Kondensatoranschlusse auf dem Spannungswert U^ der üblicherweise gleich 0 ist
Danach werden die Schalter S2, S3, S4 geöffnet und nur der Schalter Si bleibt geschlossen Über den Widerstand R1 wird ein Ladepuls von etwa 2 μs
(Low-Pegel) generiert In diesen 2 μs sinkt in Abhängigkeit von der Kapazität C, und dem Widerstand R1 die Ladespannung am Kondensator C-i gegenüber U1 nach einer e-Funktion stetig gegen ein negatives Potential Sobald jedoch der Ladepuls beendet wird, bleibt die Spannung über C, auf einem stabilen Wert Über die hochohmige Impedanzwandlerschaltung OP1 wird die Spannung von C-i dem AD-Wandler zugeführt
Die AD-Wandlung wird nach Beendigung des Ladepulses gestartet und dauert etwa 100 μs Der Mikroprozessor μP ruft die AD-gewandelten Spannungswerte in digitaler Form ab und speichert sie Nun wird die Entladung des Kondensator-Systems durch Schließen der Schalter Si bis S4 wiederholt Danach startet er durch Offnen der Schalter S1 t S3, S4 die Messung der Kapazität C2 und entsprechend für C3 Der gesamte Meßzyklus dauert etwa 1 ms In dieser Zeit kann die Pendellage des Innenzylinders wegen der gedampften Aufhangung als stabil angenommen werden Aus den drei Spannungswerten von C1 t C2, C3 ermittelt der μP die Signalaufbereitung für die Servoeinheit der Stellmotoren Die Signalaufbereitung erfordert keinen elektrischen Abgleich der Meßelemente, sondern besteht im wesentlichen in einem relativen Vergleich der gemessenen Kapazitatswerte nach folgender Vorgehensweise Der μP stellt fest, an welchem Elektrodensegment des Außenzylinders der Innenzylinder anliegt (maximale Kapazität) und welches den größten Abstand hat (minimale Kapazität) Bei den drei Elektrodensegmenten wird im Ausgangszustand der Innenzylinder immer mindestens an einem Segment anliegen und zu einem wird er einen maximalen Luftabstand haben Die Motoren 20, 20' werden nacheinander oder gemeinsam so angesteuert, daß eine Kippung der Strahlenplattform erzeugt wird, die das Elektrodensegment mit der größten gemessenen Kapazität jeweils von dem pendelnden Innenzylinder wegbewegt Je nachdem, wie weit der Pendelkompensator von der optimalen, frei schwingenden Lage entfernt ist, kann die Stellgeschwindigkeit der Motoren geregelt werden
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Meßzyklus in festen Zeitabstanden von etwa 200 ms jeweils wiederholt wird In der Zeit dazwischen können die Motoren an der Hoπzontierung der Strahlenplattform arbeiten Ein typischer Hoπzontierungsvorgang dauert etwa 30 s, so daß durch mehrere Messungen der Stellvorgang überprüft und korrigiert werden kann Die ideale Hoπzontierungslage ist erreicht, wenn alle drei Kondensatoren innerhalb eines gewünschten Toleranzbereichs den gleichen Kapazitatswert haben Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die vom Kondensatorsystem abgeleiteten Stellsignale natürlich auch optisch angezeigt werden und zur manuellen Honzontierung über Fußstellschrauben genutzt werden. Ebenso können in die Fußstellschrauben Servomotoren eingebaut werden, die von den Stellsignalen gesteuert werden
Nach erreichter Honzontierung kann das in dem Ausführungsbeispiel beschriebene System auch zur permanenten Überwachung der Honzontierung eingesetzt werden Im allgemeinen reichen für die Überwachung längere Zeitabstande für den Meßzyklus aus Nur signifikante Änderungen der Kapazitatswerte müssen zu einer Nachstellung der Strahlenplattform fuhren

Claims

Patentansprüche
1) Lasernivelher mit horizontierbarer Strahlenplattform (7) und selbsttätiger Feinhoπzontierung des Laserstrahls (10) mit einem in einem Außenzylinder (1) pendelnd aufgehängten, Ausrichtelemente tragenden Innenzylinder (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Außenzylinder (1) und der Innenzylinder (5) ein Kondensatorsystem mit einander gegenüberliegenden Elektrodenflachen bilden, eine der Elektrodenflachen segmentiert ist, wobei die Trennung (2', 3', 4') der Segmente (2, 3, 4) in Richtung der
Strahlenachse (11) verlauft der Außenzylinder (1) mit der Strahlenplattform (7) zentrisch zur Strahlachse (11) lotrecht verbunden ist und von dem Kondensatorsystem Signale zur Detektion der Pendellage des Innenzylinders (5) ableitbar sind
2) Lasernivelher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei gleiche Segmente (2, 3, 4) vorgesehen sind
3) Lasernivelher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflache des Außenzylinders (1) segmentiert ist 4) Lasernivelher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflachen zumindest eines der Zylinder mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sind 5) Lasernivelher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Elektrodensegmente (2, 3, 4) eine feste Grundkapazitat (Ci', C2', C3') in Serie zugeschaltet ist
6) Lasernivelher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Meßkanal für eine serielle Messung der Kapazitäten {Ch C2, C3) vorgesehen ist
7) Lasernivelher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenplattform (7) innerhalb des Lasernivelher-Gehauses (14) hoπzontierbar gelagert (21) und über Stellmotore (20, 20') in Abhängigkeit von den Signalen des Kondensatorsystems verstellbar ist
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