DD227232A1

DD227232A1 - OPTOELECTRONIC TILTING ANGLE KNIFE

Info

Publication number: DD227232A1
Application number: DD26815684A
Authority: DD
Inventors: Horst Grundmann
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1985-09-11

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.The invention relates to an optoelectronic inclinometer for automatic measurement of inclinations of any direction with high accuracy. Without additional output information can be concluded from the measurement result both on the inclination amount and on the inclination direction. The optoelectronic inclinometer according to the invention comprises a light source, a concave carrier, a ball movable thereon, enclosed by a transparent liquid, and an optoelectronic receiver which, depending on the task, is a CCD matrix or a CCD array. The ball acts as a converging lens and images the light impinging on the receiver arranged in the image plane. The position of the CCD pixel which registers the maximum light intensity is indicated for the inclination amount and the inclination direction.

Description

Optoelektronischer Neigungswinkelmesser Anwendungsgebiet Optoelectronic inclinometer Range of application

Der optoelektronische Neigungswinkelmesser ist geeignet für die automatische Messung von Neigungen beliebiger Richtung mit hoher Genauigkeit.The opto-electronic inclinometer is suitable for the automatic measurement of inclinations of any direction with high accuracy.

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*It is particularly applicable to the provision of control signals for industrial robots which are to be controlled as a function of inclination amount and inclination direction, and for precision devices whose inclination to the horizontal must be entered into a correction program.

Characteristic of the known technical solutions

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·All known tilt angle measuring devices specifically exploit the laws of gravity by measuring the inclination of an object with respect to a pendulum, a gyro or an inertial body, movable on a concave surface.

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 AuflösungsvermögenThe principle of moving an inertial body on a concave surface is very commonly used in the patent literature. Thus, for example, in DE OS 3024734 a simple inclinometer is described in which the inclination angle is obtained by visual comparison between the position of a coordinate system shown on the housing and a coordinate system shown on the inertial body. The measurement results are due to subjective Ablesefehler and low resolution

recht ungenau.quite inaccurate.

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-In order to extract the human from the direct measuring process, one goes over to automatic inclinometers, which work very often with optoelectronic receivers. In the document, DE 312057 »an inclinometer is described, which consists essentially of a light source, an inertia element and a Potoempfanger. The inertia element is movable on a concave surface located between the light source and the photon receiver, which has a light-permeable layer. In. the movement of the inertia element over this peak changes the amount of light reaching the photon receiver. The signal emitted by the photoreceiver is a measure of the inclination-The determination of the inclination direction is not possible when the inertial element moves without restriction on the concave surface. If the possibility of movement of the inertial element is limited so that it can only roll on a concave line, the inclination measurement is possible only one-dimensionally. The use of 2 inertia

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.bodies whose lines of movement are superimposed, offset by 90 ° to each other, allows a two-dimensional inclination measurement, but in contrast to the inclinometer described in DE 312057 with knowledge of certain output information, the determination of the direction of inclination is possible.

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.All inclinometer of this type are due to their low accuracy (the measured value is determined by the many factors, the photoreceptor striking amount of light) mainly used as a threshold, for example, for open pits or slow-moving construction vehicles · A two-dimensional inclination measurement with the Direction of inclination can be determined requires the knowledge of certain output information and the processing of multiple output signals.

- 3 Ziel der Erfindung - 3 object of the invention

Ziel der Erfindung ist es den Ueigungsbetrag und die Heigungsrichtung automatisch, schnell und hochgenau zu messen·The aim of the invention is to automatically and quickly measure the amount of adjustment and the direction of erection ·

Essence of the invention

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 istThe invention has for its object to develop a Beigungswinkelmesser, from the measurement result without additional output information on the ITeigungsbetrag and the Ueigungsrichtung can be concluded. According to the invention this object is achieved with an optoelectronic ITeigungswinkelmesser, consisting of a light source, a concave support, a ball movable thereon, enclosed by a translucent liquid and an optoelectronic sensor disposed thereunder in that the ball and the concave support made of translucent material whose Refractive index is greater than that of the liquid, and that the optoelectronic sensor is an array of individual receivers

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. As low proves to be when the translucent material of the ball and the concave support have the same refractive index. Depending on the task to be performed, the array of individual receivers may be a CCD line or CCD array. As a light source, a planar arrangement of LEDs can be used to achieve a homogeneous illumination.

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.The particular advantage of the invention optoelectronic Ueigungswinkelmessers is that with one measurement each highly accurate information can be determined automatically on the amount and the direction of the inclination.

- 4 Ausführungsbeispiel - 4 embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden·The invention will be explained below with reference to an exemplary embodiment.

In der dazugehörigen Zeichnung zeigt Fig· 1 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Neigungswinkelmessers.In the accompanying drawing, FIG. 1 shows the basic structure of an optoelectronic tilt angle meter according to the invention.

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. ,The optical sensor according to the invention, shown in FIG. 1, comprises an arrangement of LEDs 1, a diffusing screen 2, a sphere 3, a support 4 and a 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.On the bearing 4, which represents a spherical cap of equal wall thickness, the ball 3 rolls off in dependence on the inclination and generates an optical image on the CCD matrix 5. The ball 3 and the carrier 4 are made of an optical glass or plastic with as much as possible the same refractive index · Fluctuations in the temperature lead to no significant dimensional changes. To measure only slowly adjusting inclinations and to achieve a quick adjustment of the rest position of the ball 3, a liquid 6 is chosen for the ball 3 surrounding medium, the refractive index, however, must be smaller than that of the material of the ball 3 · To a homogeneous Illumination of the filled with the liquid 6 tree is used as a light source, a planar arrangement of LSD's, which is arranged downstream of a lens 2.

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 schmalSo that the light falling on the ball 3 is imaged as possible in one point in order to achieve an outstanding intensity maximum, compared with the amount of light passing around the ball 3 through the carrier 4, the LEDs 1 are arranged at a distance from the ball 3, The image plane is then formed near the focal plane, whereby the light passing through the sphere 3 is imaged on a small area, and thus the intensity curve is steep and narrow

verläuft mit einem hohen Maximum.runs with a high 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.In order for the "CCD pixels" to lie in the image plane, the pixels are arranged on a dome-shaped surface with the same radius as the carrier, thus ensuring a sharp image at every inclination! Technologically, the arrangement of the CCD pixels in The position of the plane CCD matrix 5 is chosen favorably so that approximately at half measurable inclination a sharp image comes about. With a lesser or stronger inclination opposite this value, the blurred image leads to widening and flattening of the intensity curve of The exact location of the maximum is then determined by center of gravity calculation, which can also increase the resolution, which is otherwise limited by the pixel grid Storage capacity of a downstream computer Does the task only a one-dimensional inclination angle measurement is sufficient as a receiver CCD line. The ball then moves only on a concave line.

Claims

Erfindungsansprach

1. Optoelectronic Ifeigungswinkelmesser "consisting of a light source, a concave support, a ball movable thereon, enclosed by a translucent liquid and an optoelectronic sensor arranged underneath, characterized in that the ball and the concave support made of translucent material whose refractive index greater is that of the liquid, and that the optoelectronic sensor is an array of individual receivers ·

2. Optoelectronic tilt angle sensor according to point T, characterized in that the translucent material of the ball and the concave support has the same refractive index.

3 · Optoelectronic angle sensor according to item 1 or 2, characterized in that the arrangement of individual receivers is a CCD line ·

4 · Optoelectronic accelerometer according to item 1, 2, 3 or 4, characterized in that the light source to achieve a homogeneous illumination is a planar array of LEDs.

5 · Optoelectronic accelerometer according to item 1 or 2, characterized in that the arrangement of individual receivers is a CCD matrix.

For this a sheet drawing