DE3611559C2 - Geodätisches Gerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein geodätisches Gerät mit einem Fernrohr, einem Objektiv mit einer Strichfigur in der Bildebene, einem Neigungsmesser mit optoelektronischen Empfängern und einem lichtemittierenden oder sperrenden Array von optoelektronischen Elementen.

Die Erfindung findet Anwendung in Meßsystemen zur Meßwegübertragung ohne Getriebe und in geodätischen Geräten, insbesondere für die Kompensatornivelliere mittlerer und niedriger Genauigkeit zur Auflösung des kleinsten Meßschrittes.

Es sind eine große Anzahl von Kompensatornivellieren bekannt, die über ein mechanisches Pendel entweder das Zielbild gegenüber einem festen Strichkreuz oder das Strichkreuz gegenüber einem festen Zielbild steuern (F. Deumlich, Instrumentenkunde der Vermessungstechnik, VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1982). Die Kompensatornivelliere haben den Nachteil, daß das Zielbild bei Vibratoren, die durch Windeinfluß oder Bodenerschütterungen vom Stativ verursacht werden, zum Schwingen oder Zittern angeregt wird, was eine Ablesung an der Meßlatte erschwert. Werden gesonderte Kompensationseinrichtungen wie Theodoliten und Tachymetern verwendet, können Höhenmeßfehler dadurch entstehen, daß der Ableseindex des Vertikalkreises über den Neigungskompensator abgebildet wird und bei Stativschwingungen eine Mikrometerablesung des Vertikalkreises ebenfalls erschwert wird. Aus der EP-PS 046 647 ist eine digitale Meßeinrichtung zur Ermittlung von Wegverschiebungen bekannt, die aus den gemessenen Signalen die Wegverschiebung ableitet und in digitale Signale weiterverarbeitet.

Aus der DE-OS 34 28 044 ist eine Anordnung zur Höhenmessung vorzugsweise zum geometrischen Nivellement, mit einem Nivellier bekannt, das ein Fernrohrsystem zum Anzielen eines Meßpunktes, eine Einrichtung zur Stabilisierung der horizontalen Ziellinie zur Lotrichtung und ein sichtbares Licht aussendenden Lichtquelle umfaßt, und mit einer im Zielpunkt angeordneten Meßlatte. Es sind Mittel zur Horizontierung und Orientierung von Instrument und Meßlatte und Mittel zur objektiven lichtelektrischen Ausmessung der Lattenanzeige vorgesehen.

Es ist ferner ein optisches System mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines infraroten oder sichtbaren Lichtstrahlenbündel in der optischen Achse des Zielfernrohres angeordnet, und für die Meßlatte ist eine reflektierende Teilung vorgesehen. Das optische System zum Aussenden des Lichtstrahlenbündels und das Zielfernrohr besitzen eine gemeinsame optische Achse.

Durch die Erfindung sollen die genannten Nachteile beseitigt, eine höhere Meßgenauigkeit erreicht, eine Ablesung an der Meß­ latte erleichtert und Fehlermessungen durch ein zitterndes oder schwingendes Zielbild sowie Hängen oder Kleben des Pendels vermieden und der Fertigungsaufwand durch Einsatz von einfachen Baugruppen reduziert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch den Einsatz von optoelektronischen Bauelementen und Mikroprozessoren die Grund­ lagen für ein automatisiertes Kompensatornivellier zu schaffen und durch Ausschaltung des schwingenden Zielbildes mit einem geodätischen Gerät auch Messungen auf schwingendem Untergrund durchzuführen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine leuchtende Fläche oder Lichtmarke von einem Neigungsmesser gesteuert, von einem optoelektronischen Empfänger in ihrer Lage geortet wird, indem ein elektrisches Signal erzeugt wird, daß im Bildfeld des Fernrohrobjektives die Anzeige eines Teilstriches, eines Zeigers oder dessen Bild auslöst, die Anzeige dabei so zum Objektivhauptpunkt vorgesehen ist, daß die Verbindungsgerade zwischen dem Objektivhauptpunkt und der Anzeige der Lage der Zielachse des Fernrohres darstellt. Es ist vorteilhaft, wenn der Neigungsmesser eine Libelle darstellt, unter der Libelle eine Blendenanordnung so vorzusehen und einzustellen, daß nur die Blase der Libelle das Licht durchläßt, das von der Seite über einen unter der Blende angeordneten Reflektor und Konden­ sator einfällt, wobei das Umfeld der Blase dunkel erscheint. Die Libelle ist dabei vorzugsweise eine Röhrenlibelle und die Blende als schwarzer Stab ausgebildet. Die Libelle ist weiter­ hin mit dem optoelektronischen Empfänger fest verbunden und die Blasenlänge ist auf die Empfängerfläche so abgestimmt, daß jedem Blasenende der Libelle ein optoelektronischer Empfänger zugeordnet ist und diese Empfänger durch das Blenden­ bild voneinander getrennt sind. Stellt der Neigungsmesser eine Flüssigkeitsküvette mit einem Abbildungssystem dar, so wird eine Lichtmarke erzeugt, die durch die Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Küvettenneigung zur Lotrichtung gesteuert wird. Stellt der Neigungsmesser ein Pendel mit einem abbildenden Element dar, das eine von einem gerätefesten Projektor erzeugte Lichtmarke reflektiert, so wird deren Bild von einem optoelek­ tronischen Empfänger in seiner Lage festgelegt. Der opto­ elektronische Empfänger kann als positionsempfindlicher Detektor oder als CCD-Zeilenanordnung vorgesehen sein. Es ist weiterhin von Vorteil, daß im Bildfeld des Fernrohres eine durchsichtige, punkt- oder streifenförmige, strahlende oder lichtsperrende Anordnung von elektronischen Bauelementen vorgesehen ist oder deren Bild eingespiegelt wird, die zu einem gitterförmigen Array ausgebildet sind, in dem die lichtemittierenden Bauele­ mente Luminiszens- oder Elektroluminiszensdioden und die licht­ sperrenden Bauelemente Flüssigkeitskristalle darstellen, die mit Tageslicht oder Kunstlicht durchscheinend beleuchtet werden und beim Anlegen einer Spannung das Licht nur zeilen- oder punktweise durchlassen. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn in dem Fernrohrsehfeld der Zeiger oder das Bild des Zeigers eines Meßinstrumentes erscheint, der durch den Neigungsmesser analog gesteuert wird.

Durch die Erfindung wird ein neuartiges automatisiertes Kompen­ satornivellier geschaffen, dessen Fernrohrbild nicht mehr zittert oder schwingt und bei dem ein Kleben oder Hängen von Pendeln in ihrem Arbeitsbereich vermieden wird, wodurch genauere Messungen im Gelände und auf schwingendem Untergrund erhalten werden.

Außerdem wird durch den Einsatz eines Mikroprozessors gleich­ zeitig nach der Lattenablesung auch die Berechnung des Höhen­ unterschiedes und seine Registrierung bei einem Nivellier­ instrument ermöglicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Aufbau eines elektronischen Kompensatornivelliers,

Fig. 2 das Funktionsschema der Neigungskompensation mit einer Libelle als Neigungsmesser,

Fig. 3 einen Bildfeldausschnitt eines Fernrohres,

Fig. 4 das Funktionsschema der Neigungskompensation mit einem Pendel als Neigungsmesser,

Fig. 5 das Blockschaltbild mit einem Anzeigenarray,

Fig. 6 das Blockschaltbild mit einer Analoganzeige.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau eines elektronischen Kompensatornivelliers, teilweise aufgeschnitten zur schematischen Darstellung der Funktionselemente. Ein Oberteil 1 eines Kompensatornivelliers enthält einen Knopf 2 zur seitlichen Feineinstellung, der das Oberteil 1 gegen einen fest­ stehenden Dreifuß 3 mit den Fußschrauben 4 und einer Grundplatte 5 dreht. Im Oberteil 1 ist ein Fernrohr mit der Zielachse ZZ, umfassend ein Objektiv 6, eine Negativlinse 7, die Prismen 8 und 9, wobei das Prisma 9 verschiebbar angeordnet ist zur Fokussierung, einen Teilwürfel 10 mit einer teilver­ spiegelten Fläche 11, eine Bildebene 12, ein Deckglas 13 und ein Okular 14 angeordnet. Über die teilverspiegelte Fläche 11 wird dabei das Bild einer lichtemittierenden elektronischen Bauelementeanordnung 17 mit den Anschlüssen 18 und über einen Spiegel 16 ein Mikroobjektiv 15 in die Bildebene 12 abgebildet. Die Steuersignale erhält die Bauelementeanordnung 17 von einem der übersichtshalber in Bild 1 nicht dargestellten an sich be­ kannten elektronischen System, das seine Steuersignale über einen Ausgang 23 eines positionsempfindlichen Detektors 20, der auf einer Libelle 19 (Neigungsmesser) fest angeordnet ist, erhält. Unter der Libelle 19 ist eine Blendenanordnung 21 und ein Reflektor 22 so vorgesehen, daß von außen kommendes Licht durch die Libelle 19 so reflektiert wird, daß eine Libellenblase 24 aufleuchtet und das Umfeld der Libellen­ flüssigkeit dunkel erscheint. Der Libellenschliffradius ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Das Objektiv 6 und die Negativ­ linse 7 sind in an sich bekannter Weise in der Zeichenebene dargestellt, gerätefest angeordnet und bilden mit den Prismen 8 und 9, der teilverspiegelten Fläche 11 und einem Okular 14 das Fernrohr.

In Fig. 2 ist das Funktionsschema der Neigungskompensation mit einer Libelle als Neigungsmesser dargestellt. Die Zielachse ZZ des elektronischen Kompensatornivelliers 1 ist gegen einen Horizont HH um einen Winkel α geneigt. Da eine Vorhorizontierung des Gerätes mit den Fußschrauben 4 (Fig. 1) nicht sehr genau durchgeführt werden kann, muß die Horizontierung durch eine Kompensationseinrichtung korrigiert werden. Deshalb wird der Winkel α mit der Libelle 19 mittels des positionsempfindlichen Detektors 20 gemessen. Die Libellenblase wandert dabei um einen Weg ΔS und die Libellentangente LT liegt im Horizont HN und bildet den Winkel α mit der Parallelen Z′Z′- zur Zielachse. Der Weg ΔS gibt dabei den Neigungswinkel an und wird in Ein­ heiten der Libellenteilung gemessen (2 mm z. B. 30″ bei einer 30″-Libelle). Der Weg ΔS wird entweder von dem posi­ tionsempfindlichen Detektor 20 in ein Analogsignal oder von einer CCD-Zeilenanordnung in ein Digitalsignal umgewandelt und bestimmt den Abstand ΔS′, wobei eine Leuchtdiodenzeile S in einem Array von der Mitte dieses Arrays aus aufleuchtet. Ein Mikrometerobjektiv 15 bildet dann ΔS′ verkleinert in die Bildebene 12 in der Größe ΔS″ ab, mit

M = Mikroskopvergrößerung
Der Weg ΔS″ steht über die Objektivbrennweite f mit dem Winkel α im Zusammenhang und zeigt dadurch den Horizont S′, den die Libellenblase vorgibt, im Fernrohrsehfeld an. Die Ver­ bindungsgerade zwischen dem Hauptpunkt H des Objektivs 6 und dem Leuchtzeilenbild S′ der Leuchtdiodenzeile S ist die horizontale Ziellinie H′S′ des Fernrohres. Zu dieser hori­ zontalen Ziellinie H′S′ ist der Horizont HH parallel und schneidet die Zielachse ZZ im vorderen Brennpunkt A des Objektivs 6. Führt man die Negativlinse 7 in den Strahlengang ein, so kann der Punkt A hinter das Objektiv 6 und dadurch näher zur Vertikalachse VV angeordnet werden (der Übersicht halber nicht dargestellt). Mit dem Okular 14 liest ein Beobachter mit Hilfe des Leuchtzeilenbildes S′ an der Meßlatte die Anzeige der horizontalen Ziellinie H′S′ ab (Fig. 3).

Fig. 3 zeigt das in einem Fernrohrsehfeld 25 erscheinende Lattenbild 26. Ein Beobachter zielt mit einem Vertikalstrich 27 den Rand einer Teilung 29 an. Durch das Bild 28 der Leucht­ zeile S′ kann er in einem 1 cm Intervall 27 z. B. den Restwert 30 (in zehntel des Intervalls 27), d. h. in Millimetern ab­ schätzen. Auf diesen Millimeterschätzwert ist dann das Raster des Leuchtzeilenarrays 17, d. h. der Zeilenabstand proportional zur Mikroskopvergrößerung M abgestimmt.

In Fig. 4 ist das Funktionsschema der Neigungskompensation mit einem Pendel als Neigungsmesser dargestellt. In einem Rahmen 31 hängt ein mechanisches Pendel 40 mit einem abbildenden Element, z. B. einem Spiegel 32 und den Fenstern 33. Durch diese Fenster 33 fällt ein Strahlenbündel eines Kollimators 34 mit einer Lampe 35, von der eine Meßmarke 57 im Strahlengang des Kollimators 34 ange­ ordnet ist. Das Strahlenbündel des Kollimators 34 wird von dem Spiegel 32 reflektiert und das reflektierte Strahlenbündel gelangt dann zum Objektiv 36, das die Meßmarke 57 auf einen optoelektronischen Empfänger 37 abbildet. Das Pendel 40 wird dabei durch einen Luftdämpfer 38 gedämpft und durch die An­ schläge 39 in seinem Funktionsbereich begrenzt. Tritt eine Neigung der Unterlage mit dem Rahmen 31 ein, so wird diese Neigung durch die Auswanderung des Bildes der Meßmarke 57 am optoelektronischen Empfänger 37 registriert und in ein analoges Signal umgewandelt, das zur Steuerung der Anzeige 17 dient.

In Fig. 5 ist das Blockschaltbild eines elektronischen Kom­ pensatornivelliers dargestellt. Ein positionsempfindlicher Empfänger 41 dient zur Aufnahme der Meßwerte. Er erhält eine stabilisierte Batteriespannung, die in einer Stromversorgungs­ einheit 47 erzeugt wird. Die beiden Ausgangsspannungen U_A und U_B des Empfängers 41 werden mittels eines Differenzver­ stärkers 42 weiter verarbeitet, um Helligkeits- und Beleuchtungs­ schwankungen und Schwankungen der Empfindlichkeiten auf der Empfängerfläche 41 zu kompensieren. Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 42 dient als Steuerspannung für eine LED- Ansteuereinheit 45. Diese LED-Ansteuereinheit 45 treibt eine LED-Anzeigeeinheit 46 derart an, daß nur eine Leuchtdiode ange­ steuert wird, die der beleuchteten Position des Empfängers 41 äquivalent ist. Dabei kann ein Anzeigeelement auch aus einer Reihenschaltung von mehreren lichtemittierenden Elementen bestehen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, mittels eines Empfängerelementes 48 z. B. Fotodioden in einer Helligkeits­ einheit 49 über die Ansteuereinheit 45 die Helligkeit der Anzeige­ elemente 49 dem Umgebungslicht anzupassen. Eine Batterieüberwachungs­ einheit 50 realisiert durch die Anzeigeelemente 46 die Batterieunterspannung. Der Meßvorgang wird über einen Taster 51 ausgelöst. Dieser startet dann eine Zeitgebereinheit 52, mit der über einen elektronischen Schalter 53 die gesamte Ein­ richtung mit der Spannung einer Batterie 54 versorgt wird und nach einer durch den Zeitgeber 52 bestimmten Zeit wieder ausge­ schaltet wird.

In Fig. 6 ist das Blockschaltbild für eine Analoganzeige darge­ stellt, in der die Anzeige durch ein Anzeigeinstrument 56 er­ setzt ist und die Spannung des Differenzverstärkers 42 direkt über einen Widerstand 55 in dem Anzeigeinstrument 56 zur Anzeige gelangt. Die anderen Baueinheiten, wie die Batterieüberwachungs­ einheit 50 und die Helligkeitsregeleinheit 49 können ent­ fallen.

Die in Fig. 5 beschriebenen Anzeigeinstrumente können auch Flüssigkeitskristallanzeigen oder Elektroluminiszenzstrukturen darstellen, die spezielle Ansteuereinheiten erfordern.

Claims (14)

1. Geodätisches Gerät mit einem Fernrohr, einem Objektiv mit einer Strichfigur in der Bildebene, einem Neigungs­ messer, mit optoelektronischen Empfängern und einem licht­ emittierenden oder sperrenden Array von optoelektronischen Elementen, gekennzeichnet dadurch, daß eine leuchtende Fläche oder Lichtmarke von einem Neigungsmesser gesteuert, von einem optoelektronischen Empfänger in ihrer Lage geortet wird und ein elektrisches Signal erzeugt, das im Bildfeld des Fernrohrobjektivs die Anzeige eines Teil­ striches, eines Zeigers oder dessen Bild auslöst, die so zum Objektivhauptpunkt vorgesehen ist, daß die Verbindungs­ gerade zwischen dem Objektivhauptpunkt und der Anzeige die Lage der Zielachse des Fernrohres darstellt.

2. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das vom Neigungsmesser und dem optoelektronischen Empfänger erzeugte Signal im Bildfeld des Fernrohrobjektivs bei Nivellierinstrumenten einen horizontalen Teilstrich anzeigt.

3. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Neigungsmesser eine Libelle vorgesehen ist, unter der eine Blendenanordnung so angeordnet ist, daß nur die Blase der Libelle Licht durchläßt, das über einen unter der Blende angeordneten Reflektor und Kondensor einfällt, wobei das Umfeld der Blase dunkel bleibt.

4. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Neigungsmesser eine Flüssigkeitsküvette mit einem Abbildungssystem vorgesehen ist, das eine Lichtmarke erzeugt, die durch die Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Küvetten­ neigung zur Lotrichtung gesteuert wird.

5. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Neigungsmesser ein Pendel mit einem abbildenden Element vorgesehen ist, das eine von einem gerätefesten Projektor erzeugte Lichtmarke reflektiert und deren Bild ein optoelektronischer Empfänger in seiner Lage festlegt.

6. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Libelle vorzugsweise eine Röhrenlibelle ist und die Blende als schwarzer Stab ausgebildet ist.

7. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, 3 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Libelle mit dem optoelektronischen Empfänger fest verbunden ist und die Blasenlänge der Libelle auf die Empfängerfläche so abgestimmt ist, daß jedem Blasen­ ende der Libelle eine optoelektronischer Empfänger zugeordnet ist, wobei die Empfänger durch das Blendenbild voneinander getrennt sind.

8. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Empfänger ein positionsempfindlicher Detektor oder eine CCD-Zeilenanordnung vorgesehen ist.

9. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Bildfeld des Fernrohres eine emittierende oder durch­ fallendes Licht sperrende elektronische Bauelementenanordnung vorgesehen ist oder ihr Bild einspiegelt.

10. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß die elektronische Bauelementeanordnung zeilen- oder punktweise zu einem gitterförmigen Array ausgebildet ist.

11. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, 9 und 10, gekenn­ zeichnet dadurch, daß als lichtemittierendes Bauelement des Arrays eine Luminiszenz- oder Elektroluminiszenzdiode vorgesehen ist.

12. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, 9 und 10, gekenn­ zeichnet dadurch, daß als lichtsperrendes Bauelement des Arrays Flüssigkeitskristalle vorgesehen sind, die mit Tages- oder Kunstlicht beleuchtet beim Anlegen einer Spannung das Licht nur zeilen-, spalten- oder punktweise durchlaufen.

13. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß im Bildfeld des Fernrohrobjektivs der Zeiger eines von dem Neigungsmesser analog gesteuerten Meßinstruments angeordnet ist, oder dessen Bild eingespiegelt wird.

14. Geodätisches Gerät nach Anspruch 1, 9, 10 und 11, gekenn­ zeichnet dadurch, daß die lichtemittierenden Bauelemente, die am Rande des Arrays angeordnet sind, andersfarbiges Licht aussenden als die in der Mitte angeordneten Bau­ elemente und für die eine getrennte Ansteuerung vorge­ sehen ist, um Grenz- oder Sonderbereiche mit zu markieren.