DD227232A1 - Optoelektronischer neigungswinkelmesser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Neigungswinkelmesser zur automatischen Messung von Neigungen beliebiger Richtung mit hoher Genauigkeit. Ohne zusaetzliche Ausgangsinformation kann aus dem Messergebnis sowohl auf den Neigungsbetrag als auch auf die Neigungsrichtung geschlossen werden. Der erfindungsgemaesse optoelektronische Neigungswinkelmesser umfasst eine Lichtquelle, einen konkaven Traeger, eine darauf bewegliche Kugel umschlossen von einer lichtdurchlaessigen Fluessigkeit und einen optoelektronischen Empfaenger, der je nach Aufgabenstellung eine CCD-Matrix oder eine CCD-Zeile ist. Die Kugel wirkt als Sammellinse und bildet das auf sie treffende Licht auf den in der Bildebene angeordneten Empfaenger ab. Die Lage des CCD-Pixels, welches die maximale Lichtintensitaet registriert ist gekennzeichnet fuer den Neigungsbetrag und die Neigungsrichtung.

Description

Optoelektronischer Neigungswinkelmesser Anwendungsgebiet

Der optoelektronische Neigungswinkelmesser ist geeignet für die automatische Messung von Neigungen beliebiger Richtung mit hoher Genauigkeit.

Er ist insbesondere einsetzbar für die Bereitstellung von Steuersignalen für Industrieroboter, die in Abhängigkeit von Neigungsbetrag und Neigungsrichtung gesteuert werden sollen und für Präzisionsgeräte, deren Neigung gegenüber der Horizontalen in ein Korrekturprogramm eingegeben werden muß*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Alle bekannten Neigungswinkelmeßgeräte nutzen gezielt die Gesetze der Schwerkraft aus, indem sie die Neigung eines Objektes gegenüber einem Pendel, einem Kreisel oder einem Trägheitskörper, beweglich auf einer konkaven Oberfläche messen·

Das Prinzip der Bewegung eines Trägheitskörpers auf einer konkaven Oberfläche kommt in der Patentliteratur sehr häufig zur Anwendung. So ist zum Beispiel in der DE OS 3024734 ein einfacher Neigungswinkelmesser beschrieben, bei dem der Neigungswinkel gewonnen wird, durch visuellen Vergleich zwischen der Lage eines auf dem Gehäuse abgebildeten Koordinatensystems und einem auf dem Trägheitskörper abgebildeten Koordinatensystem. Die Meßergebnisse sind durch subjektive Ablesefehler und das geringe Auflösungsvermögen

recht ungenau.

Um den Menschen aus dem direkten Meßprozeß herauszulösen, geht man zu automatischen Neigungsmessern über, die sehr häufig mit optoelektronischen Empfängern arbeiten. In der Schrift, DE 312057» ist ein Neigungsmesser beschrieben, der im wesentlichen aus einer Lichtquelle, einem Trägheitselement und einem Potoempfanger besteht. Das Trägheitselement ist auf einer sich zwischen der Lichtquelle und dem Potoempfanger befindlichen konkaven Fläche, welche ein lichtdurchlässiges PeId aufweist, beweglich. Bei. der Bewegung des Trägheitselements über dieses PeId ändert sich die den Potoempfanger erreichende Lichtmenge. Das vom Fotoempfänger abgegebene Signal ist ein Maß für die Neigung-Die Bestimmung der Neigungsrichtung ist nicht möglich, wenn sich das Trägheitselement uneingeschränkt auf der konkaven Oberfläche bewegt. Wird die Bewegungsmöglichkeit des Trägheitselements so eingeschränkt, daß es nur auf einer konkaven Linie abrollen kann, ist die Neigungsmessung nur eindimensional möglich. Die Verwendung von 2 Trägheits-

körpern deren Bewegungslinien übereinanderliegend, um 90° zueinander versetzt sind, ermöglicht eine zweidimensionale Neigungsmessung, bei der aber im Gegensatz zu dem in der DE 312057 beschriebenen Neigungsmesser bei Kenntnis von bestimmten Ausgangsinformationen die Bestimmung der Neigungsrichtung möglich ist.

Alle Neigungswinkelmesser dieser Art sind auf Grund ihrer geringen Meßgenauigkeit (der Meßwert wird bestimmt durch die von vielen Faktoren abhängige, auf den Fotoempfänger treffende Lichtmenge) vor allem als Schwellwertschalter einsetzbar, zum Beispiel für Tagebaugroßgeräte oder langsam fahrende Baufahrzeuge· Eine zweidimensionale Neigungsmessung mit der auch die Neigungsrichtung bestimmt werden kann erfordert die Kenntnis bestimmter Ausgangsinformationen und das Verarbeiten von mehreren Ausgangssignalen.

- 3 Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es den Ueigungsbetrag und die Heigungsrichtung automatisch, schnell und hochgenau zu messen·

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Beigungswinkelmesser zu entwickeln, aus dessen Meßergebnis ohne zusätzliche Ausgangsinformationen auf den ITeigungsbetrag und die Ueigungsrichtung geschlossen werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem optoelektronischen ITeigungswinkelmesser, bestehend aus einer Lichtquelle, einem konkaven Träger, einer darauf beweglichen Kugel, umschlossen von einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit und einem darunter angeordneten optoelektronischen Sensor dadurch gelöst, daß die Kugel und der konkave Träger aus lichtdurchlässigem Material bestehen, dessen Brechungsindex größer ist, als der der flüssigkeit, und das der optoelektronische Sensor eine Anordnung von Einzelempfängern ist

Als günstig erweist sich, wenn das lichtdurchlässige Material der Kugel und des konkaven Trägers die gleiche Brechzahl besitzen. Je nach der zu erfüllenden Aufgabe, kann die Anordnung von Einzelempfängern eine CCD-Zeile oder CCD-Matrix sein. Als Lichtquelle kann zur Erreichung einer homogenen Ausleuchtung eine flächenhafte Anordnung von LED's verwendet werden.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Ueigungswinkelmessers besteht darin, daß mit jeweils einer Messung hochgenaue Angaben automatisch über den Betrag und die Richtung der Neigung ermittelt werden können.

- 4 Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden·

In der dazugehörigen Zeichnung zeigt Fig· 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Neigungswinkelmessers.

Der in Fig. 1 dargestellte .erfindungsgemäße optoelektronische Heigungswinkelmesser umfaßt eine Anordnung von LED's 1, eine Streuscheibe 2, eine Kugel 3, einen Träger 4 und eine CCD-Matrix 5. ,

Auf dem !rager 4, welcher eine Kugelkalotte gleicher Wandstärke darstellt, rollt in Abhängigkeit von der Ueigung die Kugel 3 ab und erzeugt auf der CCD-Matrix 5 eine optische Abbildung. Die Kugel 3 und der Träger 4 bestehen aus einem optischen Glas oder Plast mit möglichst dem gleichen Brechungsindex· Schwankungen der Temperatur führen zu keinen wesentlichen Dimensionsänderungen. Um nur sich langsam einstellende Neigungen zu messen und eine schnelle Einstellung der Ruhelage der Kugel 3 zu erreichen, wird für das die Kugel 3 umschließende Medium eine Flüssigkeit 6 gewählt, deren Brechungsindex jedoch kleiner sein muß als der des Materials der Kugel 3· Um eine homogene Ausleuchtung des mit der Flüssigkeit 6 gefüllten Baumes zu erzielen wird als Lichtquelle eine flächenhafte Anordnung von LSD's verwendet, der eine Streuscheibe 2 nachgeordnet ist.

Damit das auf die Kugel 3 fallende Licht möglichst in einem Punkt abgebildet wird, um ein herausragendes Intenaitätsmaximum zu erreichen, gegenüber der Lichtmenge die um die Kugel 3 herum durch den Träger 4 tritt, sind die LED's 1 in einer Entfernung von der Kugel 3 angeordnet, die größer ist als die doppelte Brennweite der Kugel 3· Die Bildebene entsteht dann nahe der Brennebene, wodurch das durch die Kugel 3 tretende Licht auf einer kleinen Fläche abgebildet wird, und somit die Intensitätskurve steil und schmal

verläuft mit einem hohen Maximum.

Damit "bei geder neigung die CCD-Pixel in der Bildebene liegen, sind die Pixel auf einer kalottenförmigen Fläche mit gleichem Radius wie der Träger angeordnet. Dadurch wird bei jeder neigung eine scharfe Abbildung gewährleistet. !Technologisch einfacher ist die Anordnung der CCD-Pixel in einer Ebene. Die Lage der ebenen CCD-Matrix 5 wählt man günstigerweise so, daß ca. bei halber meßbarer neigung eine scharfe Abbildung zustande kommt. Bei geringerer bzw. stärkerer neigung gegenüber diesem Wert führt die unscharfe Abbildung zur Verbreiterung und Abflachung der Intensitätskurve des über die Kugel 3 abgebildeten Lichtes. Die genaue Lage des Maximums wird dann durch Schwerpunktberechnung bestimmt. Damit kann auch das Auflösungsvermögen erhöht werden, was ansonsten durch das Pixelraster begrenzt ist. Der Meßbereich iat begrenzt durch die technologische Beherrschbarkeit der CCD-Technik, vertretbaren Auslesezeiten und der Speicherkapazität eines nachgeordneten Rechners. Erfordert die Aufgabe nur eine eindimensionale Neigungswinkelmessung genügt als Empfänger eine CCD-Zeile. Die Kugel bewegt sich dann lediglich auf einer konkaven Linie.

Claims (5)

Erfindungsansprach

1. Optoelektronischer Ifeigungswinkelmesser, "bestehend aus einer Lichtquelle, einem konkaven Träger, einer darauf beweglichen Kugel, umschlossen von einer lichtdurchlässigen Flüssigkeit und einem darunter angeordneten optoelektronischen Sensor, gekennzeichnet dadurch, daß die Kugel und der konkave Träger aus lichtdurchlässigem Material bestehen"dessen Brechungsindex größer ist, als der der Flüssigkeit, und daß der optoelektronische Sensor eine Anordnung von Einzelempfängern ist·

2. Optoelektronischer Neigungswinkelgeber nach Punkt T, gekennzeichnet dadurch, daß das lichtdurchlässige Material der Kugel und des konkaven Trägers die gleiche Brechzahl aufweist.

3· Optoelektronischer Ueigungswinkelgeber nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung von Einzelempfängern eine CCD-Zeile ist·

4· Optoelektronischer Heigungswinkelgeber nach Punkt 1, 2, 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Lichtquelle zur Erreichung einer homogenen Ausleuchtung eine flächenhafte Anordnung von LED's ist.

5· Optoelektronischer Heigungswinkelgeber nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Anordnung von Einzelempfängern eine CCD-Matrix ist.

Hierzu ein Blatt Zeichnung