DE202007002771U1

DE202007002771U1 - Zweiachsiger optischer Neigungsmesser

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

Zweiachsiger optischer Neigungsmesser mit
• einer Strahlungsquelle (1), insbesondere mit einer LED;
• einem Gehäuse (4) mit einer einen Flüssigkeitshorizont (5a) ausbildenden Flüssigkeit (5);
• einem Sensor (8) mit einem linienförmigen ortsauflösenden Bereich zum Empfang der Strahlung (S) und Umwandlung in Signale;
• optischen Mitteln mit einem Strahlgang zur Abbildung der Strahlung (S) auf den Sensor (8);
• einer Auswerteeinheit (10) zur Bestimmung der Neigung aus den Signalen;
wobei die optischen Mittel eine Marke so vermittels einer Reflexion am Flüssigkeitshorizont (5a) auf den Sensor (8) abbilden, dass
• aus der Lage der Marke auf dem Sensor (8) die Neigung in zwei orthogonalen Achsen bestimmbar ist, und
• die Strahlung bei Reflexion am Flüssigkeitshorizont (5a) kollimiert ist und eine im wesentlichen senkrechte Reflexion erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (4) eine kollimierende Linse (6) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweichachsigen optischen Neigungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten, insbesondere verkleinerten zweiachsigen optischen Neigungsmesser bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Verringerung der Zahl und Komplexität der verwendeten Komponenten.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des Anspruches 1 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. weitergebildet.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Zweiachsiger optischer Neigungsmesser mit • einer Strahlungsquelle (1), insbesondere mit einer LED; • einem Gehäuse (4) mit einer einen Flüssigkeitshorizont (5a) ausbildenden Flüssigkeit (5); • einem Sensor (8) mit einem linienförmigen ortsauflösenden Bereich zum Empfang der Strahlung (S) und Umwandlung in Signale; • optischen Mitteln mit einem Strahlgang zur Abbildung der Strahlung (S) auf den Sensor (8); • einer Auswerteeinheit (10) zur Bestimmung der Neigung aus den Signalen; wobei die optischen Mittel eine Marke so vermittels einer Reflexion am Flüssigkeitshorizont (5a) auf den Sensor (8) abbilden, dass • aus der Lage der Marke auf dem Sensor (8) die Neigung in zwei orthogonalen Achsen bestimmbar ist, und • die Strahlung bei Reflexion am Flüssigkeitshorizont (5a) kollimiert ist und eine im wesentlichen senkrechte Reflexion erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) eine kollimierende Linse (6) aufweist.
Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) topfförmig und mit einem Gehäuseboden ausgebildet ist, wobei die Linse (6) im Gehäuseboden angeordnet ist.
Neigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseboden parallel zu einer gegenüber dem Gehäuse (4) angeordneten und die Auswerteeinheit (10) aufnehmenden Platine (9) orientiert ist.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6) als plankonvexe, bikonvexe oder konvex-konkave Linse ausgebildet ist.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Flüssigkeit (5) in Kontakt stehende Oberfläche der Linse (6) eine Krümmung aufweist.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (6) mit ihrer optischen Achse senkrecht zu einer Null-Lage des Flüssigkeitshorizontes (5a) angeordnet ist.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linse (6) eine Blende (7) vor- oder nachgelagert ist.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlgang durch das Zentrum der Linse (6) geführt wird.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Marke durch eine strukturierte LED oder eine der Strahlungsquelle (1) nachgelagerte Blende (2) erzeugt wird.
Neigungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel einen gemeinsamen teildurchlässigen Spiegel (3) im Strahlgang • zwischen Strahlungsquelle (1) und Gehäuse (4) sowie • zwischen Gehäuse (4) und Sensor (8) aufweisen.