用于装置的倾斜传感器和确定装置的倾斜度的方法

专利名称：用于装置的倾斜传感器和确定装置的倾斜度的方法
用于装置的倾斜传感器和确定装置的倾斜度的方法本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于装置的倾斜传感器和根据权利要求7的前序部分的确定装置的倾斜度的方法。倾斜传感器用于广泛的各式各样的测量仪器中，并且与测量仪器结合起来使用，以确定仪器的取向或者确认或达到所需的装置位置。这类传感器尤其用于建筑行业和测地学领域中。为了确保对目标标记的坐标执行正确确定并且确保在这种情况下考虑到了测量装置的位置，除了装置的位置之外，还必须能够精确地记录装置相对于地球重力场的位置。为了这种倾斜度确定的目的，已经已知了各种设计的传感器。US2002/0014590A1呈现了一种以CXD阵列作为检测器的倾斜传感器。这个阵列的传感器位于继而被部分装上液体的容器的壁上。通过读取阵列上的各个CCD传感器的信号并且将信号进行相互比较来确定倾斜度。这个传感器的缺点在于，只可以在一个方向上执行倾斜度测量。为了确定相对于水平面的两个轴上的绝对倾斜度，必须在改变传感器的位置之后执行另一次测量，或者必须使用额外的具有相同设计的第二传感器。特许公开的说明书DE4110858涉及一种双轴倾斜计，其中，凭借对倾斜度敏感和偏转光束的传感器将几何图形投影到线性阵列上。该传感器包含液体，液体相对于装置的位置导致对图形在线性阵列上的投影产生影响或使之偏转。除了由于这种设计的倾斜计的结构复杂导致的缺点之外，由于两个元光束的光束路径的所需的最小长度，造成这种设计的倾斜计只能被小型化到有限程度。EP1511971公开了一种光学倾斜计，其中，由辐射源发出辐射并且该辐射在经过特别是包含液体的容纳元件之后在相机上成像。在这种布置中，可以根据液体水平面相对于倾斜计或相机的位置，推导出倾斜计的倾斜度。此外，通过用相机记录介质的位置允许评估大量特征，特别是边界层的形状、范围和位置。采用这种构造的缺点在于，只可以在一个方向上精确地对被称为纵向倾斜度的倾斜度执行确定，并且通过借助展宽边界层的图像在第二方向上对被称为横向倾斜度的倾斜度执行确定。经证实，对于横向倾斜度的微小变化，该图像宽度的变化可以非常小，因此可以只以有限精度求解并评估该图像宽度的变化。本发明的一个目的在于提供一种倾斜传感器和方法，所述倾斜传感器和方法允许精确确定装置在空间中的绝对倾斜度，同时具有提高的测量精度和尽可能大的立体角测量范围。本发明的另一个目的在于提供一种倾斜传感器，由于所述倾斜传感器的简单和紧凑的实施方式，导致所述倾斜传感器可以被更好地集成到测量装置中。这些目的是通过实现专利的独立权利要求1和7的特征部分来实现的。以另选或有利方式改进本发明的特征可见于从属权利要求中。根据本发明的倾斜传感器包括至少一个辐射源，用辐射源照射容器中的液体，使得通过这种照射在两个或更多个相机上产生液体边界层的图像。为此辐射源可以发射光学上可察觉的波长范围内的光，尽管还可以以发射视觉上不可察觉范围内的辐射的方式构造辐射源。因此，可以在相机上记录分别与当前现有倾斜度对应的图像，液体具有如下属性液体相对于容器取决于倾斜度，同时根据容器的形状和大小的函数而形成基本上平的界面(特别地，水平面)。相机以它们分别记录液体边界层的至少一部分并同时关于它们的视角方向相互成一定角度定位的方式被设置。另外，它们旨在将所记录的图像转换成信号，并且为此目的，它们可以例如被构造为CCD阵列或表面传感器。此外，倾斜传感器包括评估单元，可以利用评估单元通过将相机的信号相互组合并且据此非常精确地确定传感器相对于地球重力场的绝对倾斜度(即，两个方向上的倾斜度)，来根据这些信号确定倾斜度。由于相机的空间设置，导致可以针对两个方向共同地执行该倾斜度确定。例如，由此，可以通过根据本发明的传感器只进行一次测量，确定装置的位置和该位置在两个相互垂直的方向上与地球重力场的偏差。例如，在大地测量领域中，采用根据本发明的倾斜传感器。为了测量地形中的多个点，使用大地测量装置(例如，全站仪)。如果意图确定被用作测量点的目标标记的坐标，则凭借测量光束确定从已知位置开始到该点的距离并同时确定与该点所成的角度。为了能够确保确定所述点的精确坐标，在确定角度时，在这种情况下，必须共同考虑测量装置相对于地球重力场的倾角。为此，根据本发明的倾斜传感器可以被集成到测量装置中。在这种情况下，有利的是，可以容易地将传感器安装在所述装置中并且传感器可以同时精确地确定所述装置在两个方向(即，所述装置的两个轴)上的倾斜度。即使是对于高架测量的情况，这个倾斜传感器的功能也得以保持，因此使得可以针对此类任务使用测量装置。这可以通过根据本发明将相机设置成例如垂直于三 角形底面来进行，相机的视角方向相交于容器内部并且由此可记录所需的信号。通过采用三角形容器底面，此外，安装传感器所必需的空间要求可保持为小。将这个传感器的测量数据与全站仪的角度和距离测量数据相组合，并且据此确定目标标记的精确空间坐标。倾斜传感器的另选应用领域是具有关节杆的坐标测量机的领域。这些装置被用于以高精度执行的物体表面的测量，特别是用于对工件表面的测量和检查非常重要的制造行业中。在这种情况下，以移动方式相互连接的多个构件或臂部分被设置在关节杆的两端之间，使得关节杆的包括取样构件的测量端在空间部分内能自由移动，关节杆的另一端连接到底座。此外，关节杆的关节被分配位置测量仪，使得可以分别测量构件相对于彼此的放置或取向(S卩，分别在构件之间的相对位置)。为此，例如，使用将长度、旋转或摆角确定为测量变量的测角器和/或测长器。此外，为了精确测量物体，必须知道底座的位置。为了进行这种位置确定，可以在底座上设置根据本发明的倾斜传感器，进而将所述倾斜传感器的测量数据与坐标测量机的测角器和/或测长器的数据组合并且由此能推导出取样构件在空间中的精确位置。除了前述的三角形底面，传感器的容器还可以具有多边形或甚至椭圆形形状(特别是圆形形状)，在这种情况下，容器壁以及相机可同样地设置为垂直于这个底面。通过采用这些实施方式，可以根据意图使用传感器的领域，进一步优化传感器的必要空间要求。在这两个实施方式中，用于记录液体界面的图像或投影的相机可以直接集成到容器壁中或者另选地平行于容器壁设置，特别地，所述容器壁是透明的。在这种椭圆形或其它多边形容器实施方式的情况下产生的图像可以导致投影的边界层的轮廓与直线不同。例如，这类容器可以是简单的金属盒或由丙烯酸玻璃制成的多边形小隔室。除了容器的形状和尺寸，在确定倾斜度时，相机相对于容器壁的位置也是相关的。为此，特别地以相机的视角方向被对准为平行于容器的底面、并且因此可以执行精确记录图像并附随地确定倾斜度的方式来设置相机。为此，相机可以被构造为具有广泛的各式各样设计的检测器。例如，线传感器或表面传感器提供的优点是，对于各个检测器大小，可以按逐点分解方式检测并记录对应区域。表面传感器可以额外地被构造成在表面传感器的各自的大小以及它们的形状方面对应于容器壁，从而提供最大的记录表面。特别地，为此，可以选择相机使其具有覆盖容器的尺寸。因此，可以记录并评估更大量的数据，并且实现倾斜度确定精度的增加，可以在必要的两个相机之外添加一个或更多个另外的相机。这个第三相机的视角方向可以位于其它两个相机的视角方向所形成的平面中。作为对以上的另选，第三相机的视角方向可以被取向成与所形成的平面成一定角度。为了记录界面的一部分(特别地，公共部分)，可以按以下方式设置相机相机的视角方向或者穿过传感器中心的表面法线相交于一点，这个点具体位于容器内部并且位于底面上方的限定高度处。特别地，这个相交点垂直地位于容器底面的表面质心上方。因此，在具有三角形底面和垂直壁的容器的情况下，例如，检测器可以被分别装配在壁的中心并且平行于壁，然后具有处于底面的表面质心上方的公共相交点。因为硅酮油通常具有低粘度并且由于其低惰性而允许进行快速测量，所以特别地采用硅酮油作为根据本发明的倾斜传感器中的合适液体。由此可以抑制液体可能的移动(例如在液面形成波纹或者湍流)，并且与其它液体相比，可以用高精度快速连续地执行测量。通过使用根据本发明的方法执行倾斜度的确定。在相机上已产生液面的图像之后，将图像转换成信号，所述相机被设置成关于它们的视角方向相互成一定角度，使得可以从不同方向记录边界线。然后将信号相互组合并且以已经可以根据组合推导出用于确定倾斜度所需的信息的方式进一步处理。特别地，可以据此确定被记录在相机上的液体的位置并且进而关于相机的位置设置液体的位置，并且可以根据这些相对位置推导出传感器的绝对位置或倾斜度、或与传感器连接的装置的绝对位置或倾斜度。为了确定单个轴的倾斜度，只存在一个相机就足够了，该相机的信号用于推导倾斜度。为了确定相机相对于液面的前述相对位置，可以从相机所记录的图像推导出表面，这个表面进而表示记录图像的位置处的液体边界层的至少部分，相机在记录期间从不同视角指向界面。为了推导出表面，图像被记录在相机上，并且特别地，图像被分解成相机上的各个图像点。在这种情况下，相机的可能分辨率越高，即，每单位面积能记录的图像点的数量越多，则可以基于其执行对表面的推导的精度越高。然后，以如下方式将经分解的图像转换成信号信号分别将记录的边界线呈现为二维点云，并且每个信号包含使能够针对每个相机重构之前记录的液体边界线的图像的信息。对此可以通过使用各种拟合计算方法例如，采用“最小二乘”法，例如，通过针对产生的每个点云计算拟合曲线并且进而根据这些曲线中的至少两个曲线推导出对应表面。这里可用于推导曲线的每个单位面积的图像点越多，计算可以越精确，这是因为对于每个图像点，可以借助于每个图像点在相机上的坐标，计算每个图像点的位置与虚拟曲线的平方误差。随后可以改变曲线的位置，直到所有图像点的平方误差之和达到最小值。在这个位置，曲线最精确地表示点云或边界线的轮廓，并且由此进一步计算出的表面非常好地表示出液体的表面轮廓。为了精确计算这个表面，为此使用的曲线数量是相关的，只要可以通过每个额外曲线根据所述过程进一步拟合表面。表面确定的另选方法可以是在不为此采用之前曲线计算的情况下，根据至少两个或更多个相机的点云一同样地通过拟合计算一对表面进行直接推导。为此，直接使用由两个或更多个相机提供的点云并且表面针对所有这些点而改变。针对计算的精度，这里再次应用了计算的精度随着引入到计算中的信息量增加而增加。还可以通过计算多个基本曲线或者基本表面并且将这些元素逐步组合以形成整体曲线或表面和/或使用这些元素用于其取向，来执行曲线或表面的确定。此外，在不清晰成像的情况下，液面的边界线可以不是由基本上对应于线的点序列来表示，而是由离散图像点的延展表面来表示，该延展表面没有清晰的轮廓。根据可能例如在相机记录期间造成的这种不清晰成像，可以借助于点云的分解图像点的统计分布，推导出边界线轮廓，并且因此可以执行对曲线和表面的计算。在这个意义上，图像不一定必须意味着产生光学上清晰的图像，而是检测器能记录和评估的投影。另外，在液面上出现扰动(例如泡沫、形成气泡、杂质或者振动的结果)可能妨碍边界线的光学清晰成像。结果，边界线的轮廓可以不再被唯一地确定，而是仅扩散表面在相机上成像，据此同样地可以通过点云的分解图像点的统计分布推导出边界线轮廓，因此可以执行曲线和表面的计算。特别地，这种泡沫形成可能有助于补偿边界线轮廓中的不规则处或弯曲处，例如，在这种情况下，液体轮廓中的波纹形成或润湿效应可能已经至少被部分地补偿，或者可以通过边界线的这种延展覆盖液体中的杂质。随着倾斜传感器的日益小型化，可能同时在液体容器边缘出现的润湿效应对所记录的边界线轮廓的部分产生更大影响，并且对于非常小的传感器的实施方式，这种影响可能是显著的，并且特别地完全防止形成至少部分笔直的边界线轮廓。虽然相机所记录的图像示出对于大容器的液面的几乎平的水平轮廓，但在这种情况下，将投影曲线而非直线。为了确定正确的表面和倾斜度，因此必须共同考虑到由于这些效应导致的液面的弯曲。为此，另选地，可以通过使用计算模型执行曲线和/或表面确定，所述计算模型描述了液面的轮廓和液体在表面上的润湿行为，特别是在容器表面上形成的弯月面轮廓。以此方式，可以按如下方式确定表示液面的轮廓的曲线或表面考虑所出现的润湿效应并且用曲线轮廓表示特别是在边缘区域中可能出现的弯曲。此外，对应模型可以用于以如下方式直接根据表示弯曲的曲线或表面的点云来确定曲线轮廓或表面轮廓这个轮廓对应于直线或平面，使得为了从计算上消除至少边缘区域中的弯月面造成的弯曲影响而执行弯月面校正。为此，例如，以通过基于模型进行计算来弄直现有弯曲从而剔除润湿效应的方式来执行在曲线或表面的边缘处的曲线或表面的拟合，或者因此将计算出的曲线或表面的轮廓调整成直线或平面轮廓。还可以通过计算点或点群(特别地，存在曲线的那些区域中的点)的斜率，例如通过用“最小二乘”法计算拟合线的确定并且借助于斜率校正点的位置，来统计地执行轮廓的直线计算。此外，例如，可以通过确定点群的基本直线、使得借助于基本直线的斜率可以执行将边界线轮廓校正成直线或者可以组合基本直线并且可以进而采用这些直线的斜率来校正边界线轮廓，来执行边界线轮廓的分片线性逼近。对于这些计算并且为了形成点群，可以额外地针对直线的斜率差考虑阈值。通过借助于模型或者通过统计计算对线或表面轮廓进行直线计算，可以根据所记录的点云来直接计算平面，或者可以通过借助据此计算出的直线来计算平面，由此为了确定倾斜度，可以执行平面其它步骤，特别是计算平面法向矢量。另一方面，如果直接根据点云计算表面或者根据从点云推导出的曲线计算表面而不对弯曲进行进一步校正，则为了进一步确定倾斜度，可以执行对表面的逼近切平面的计算，基于此，可以进而执行其它计算步骤。为了确定切平面，可以使用各种方法。特别地，可以搜索表面轮廓中的极值，特别是搜索取决于传感器取向的最小值或最大值，并且在找到的极值的位置，可以构造接触表面(即相切于表面)的平面。此外，可以计算一平面，使得该平面具有与之前计算出的表面的最大数量的接触点，并且因此，对于在整个表面上弯曲明显具有不同程度的表面轮廓，可能产生水平取向的平面。此外，还可以直接根据点云计算出切平面，而不必采用已为此计算出的表面或曲线。例如，可以考虑点云的图像点的分布，并且根据这个分布，可以按通过对各个点的位置进行加权或校正来实现水平化的方式来调整平面。为此，可以进而针对点对或者针对点云的多个点来计算拟合线，并且借助于这些直线的斜率，可特别地在成像的边界线没有笔直延伸的区域中以如下方式校正点的位置在校正之后，点描述点云的切平面。精确地，此外，这类模型可以用于直接根据点云确定法向矢量，所述法向矢量平行指向重力场。还可以借助于前述统计方法(特别地通过针对每个点和/或点云的点群确定方向贡献，特别地通过斜率确定)来执行对法向矢量的这种直接推导，并且这种直接推导被分配给矢量。为此，与具有相对少量的点的区域相比，可以更强地考虑具有额外点累积的区域。作为另选方式，可以基于之前确定的切平面通过数学方法确定法向矢量，所述法向矢量因此总是垂直于该平面。如果计算出的切平面是可用的并因此满足这个平面具有水平取向的条件，则法向矢量指向地球重力场的方向。在这个计算步骤之后，矢量相对于相机或检测器的相对位置可以被视为已知的或者能通过数学方法被精确地确定。通过推导矢量的坐标并且相对于各个检测器设置，可以确定所述检测器相对于水平面的位置。通过针对至少两个检测器采用这个公共过程，倾斜传感器或集成有该传感器的装置的取向可以针对两个轴共同地确定并因此绝对地被确定。可以通过使用单个检测器只针对一个轴根据该过程来执行对倾斜度的确定。除了这种类型的倾斜度确定，作为其另选方式或者补充方式，可以通过比较两个矢量推导倾斜度。为此，可以针对处于水平取向的传感器或者包括这个传感器的装置，定义同样表示液体法向的参考矢量的坐标。为了确定倾斜度，进而可以采用如上推导的法向矢量，将计算出的法向矢量的方向与参考矢量的方向进行比较。根据可能由此导致的方向差异，可以直接确定传感器在任何期望空间方向上的倾斜度。对于计算出的曲线、表面、直线或平面，可以额外确定质量值，例如，质量值指示已执行计算的精度和这个精度可能的误差有多大。可以使用这个量，使得能将所执行的测量的精度或准确度传达至包括倾斜传感器的装置的用户。此外，可以使用计算出的质量值来自动或手动调整倾斜传感器的各个控制参数。例如，可基于差的质量值改变介质的照明强度或检测器的灵敏度，使得在后续测量中可以例如用更丰富的对比度记录检测器上的投影。另外，可以通过连续地执行记录和转换信号并且特别地在评估单元中累积信号，来增加倾斜度确定的精度。然后，进而可以按上述方式根据累积的信号推导曲线、表面、直线、平面和法向矢量。如果包括根据本发明的倾斜传感器的测量装置例如保持在限定位置，则通过累积信号，可以确定信号的平均值，或者可以限定属于信号的点云中的区域，这些区域例如包括点的集中。通过使用平均值或者通过将点的集中加权，随后可以连续且以增大的精度推导曲线、表面、直线或平面。根据本发明的另一个实施方式考虑本发明的额外方面一容器边缘处的液体的润湿效应。为此，用于装置的倾斜传感器具有容纳可流动介质的容器，介质相对于容器的位置取决于倾斜度，并且容器能够具有多边形(特别地，三角形)或椭圆形(特别地，圆形)的底面。此外，提供用于产生介质的界面的至少一部分的投影的电磁辐射源和用于分别记录投影中的一个并且用于转换成信号的至少两个检测器，所述检测器分别具有记录方向并且检测器的记录方向被设置成相互成一定角度。另外，存在评估单元，所述评估单元用于根据所述至少两个检测器的信号确定两个轴上的倾斜度。针对两个轴、根据信号的组合来共同地确定倾斜度，从点云推导出表面(特别地，曲面)。一种确定装置的倾斜度的对应方法，所述装置具有可流动介质，所述可流动介质相对于容纳所述可流动介质的容器的相对位置取决于倾斜度，所述方法包括以下步骤产生所述介质的界面的至少一部分(特别地，公共部分)的至少两个投影。此外，提供以下步骤通过至少两个检测器中的分别分配的一个来记录各个投影并且将分别记录的投影转换成信号，从相互成一定角度的两个记录方向记录所述界面，以及根据所述信号，确定所述倾斜度。根据所述信号的组合，共同地确定两个轴上的倾斜度；在确定所述倾斜度期间，以根据所述信号确定表面(特别地，曲面)的方式组合所述信号，所述表面表示所述介质的所述界面，并且特别地逼近所述界面的轮廓。以下，将借助于附图中示意性呈现的特定示例性实施方式只以举例的方式更详细地描述根据本发明的方法和根据本发明的设备，还讨论本发明的其它优点。详细地

图1示出具有三角形底面的根据本发明的倾斜传感器的第一实施方式；图2以侧视图示出倾斜传感器的第二实施方式；图3以侧视图示出具有倾斜容器壁的倾斜传感器的第三实施方式；图4a示出倾斜状态下的根据本发明的倾斜传感器的第四实施方式的立体图；图4b示出具有计算的表面的根据本发明的倾斜传感器的检测器；图4c示出具有相关法向矢量的推导出的表面；图5a至图5b示出倾斜状态下的根据本发明的倾斜传感器的第五实施方式的侧视图；图6a至图6b示出根据本发明的倾斜传感器的具有检测器的容器的四个实施方式；图7a示出根据本发明的倾斜传感器的第六实施方式的平面图；图7b以平面图示出具有圆形底面的根据本发明的倾斜传感器的第七实施方式；图7c示出具有五边形底面的根据本发明的倾斜传感器的第八实施方式的平面图；图8a至图8b示出根据本发明的具有倾斜传感器的被形成为全站仪的大地测量装置；图9示出根据本发明的具有倾斜传感器的坐标测量机。图1示出用于确定装置在两个轴上的倾斜度的根据本发明的倾斜传感器I。倾斜传感器I具有容器3，容器3具有三角形底面，容器壁垂直于底面，用于分别记录投影并且转换成信号的检测器5a、5b和5c被设置在这些壁上。容器3在这种情况下部分装有可流动介质4，可流动介质4相对于容器3取决于倾斜度，使得处于水平取向的检测器5a、5b、5c至少部分被介质4覆盖并且可以记录在这种情况下介质4的界面的一部分所产生的投影。评估单元12被设置用于根据检测器5a、5b、5c的信号确定传感器I在两个轴上的倾斜度，检测器5a、5b、5c被设置成关于它们的记录方向相互成角度，能根据信号的组合针对这两个轴来共同确定所述倾斜度。图2以侧视图示出倾斜传感器I的第二实施方式。两个检测器5a、5b被设置在各自容器壁13的中心，同时被介质4部分覆盖。另外，以使得电磁辐射源2a、2b、2c在检测器5a、5b上产生介质4的界面的至少一部分的投影的方式来设置电磁辐射源2a、2b、2c。图3以侧视图示出倾斜传感器I的第三实施方式。检测器5a、5b、5c被设置在各自容器壁13的中心，同时被介质4部分覆盖。相比于之前的实施方式，在这种情况下，容器壁13没有垂直于容器的底面，而是被设置成与底面成角度φ。图4a示出倾斜状态下的倾斜传感器I的第四实施方式的立体图。在这种情况下，容器3具有三角形底面和两个检测器5a、5b，检测器5a、5b分别设置在容器壁上，可流动介质的界面8以分别在检测器上产生的介质的投影9a、9b可以被记录的方式存在于容器3中。在图4b中，同样以上述倾斜状态呈现被构造为表面传感器的图4a的检测器5a、5b。介质的界面上形成的投影9a、9b分别呈现在检测器5a、5b上并且被转换成信号。此外，可以通过根据信号确定表面15来组合这些信号，表面15继而表示介质的界面并且特别地逼近界面的轮廓。此外，各个检测器5a、5b将投影分解成图像点，使得信号将界面表示为二维点云。特别地，可以通过拟合计算，直接根据检测器5a、5b的点云推导出表面15。除了确定表面15之外，还可以根据点云分别推导出曲线，在这种情况下，可以同样地通过拟合计算来执行这种推导。此外，可以确定用于表面15和/或曲线的计算的质量值，并且特别地，可以根据点云调整产生至少两个投影的参数(例如，照明强度)。此外，图4c示出在确定倾斜度期间计算出的推导的表面15的法向矢量16。借助于这个矢量16,可以通过法向矢量16相对于检测器5a、5b的相对位置，即，通过将矢量16的位置与检测器5a、5b的位置进行比较，来确定传感器I在两个轴上的倾斜度。此外，可通过定义传感器I的水平取向的参考矢量并通过将计算出的法向矢量相对于参考矢量进行比较而推导倾斜度，来确定传感器I的倾斜度。为了说明，图5a至图5b示出倾斜状态下的与图2的传感器类似但没有电磁辐射源的传感器。介质4具有 与传感器I的倾斜度对应的水平取向，并因此具有相对于容器3和检测器5a、5b的更改取向。在所不状态下，检测器5a、5b被介质4覆盖不同程度,并因此记录与水平状态相比不同的投影。图5b表示介质4的界面8和相关的法向矢量16。这里清楚看到的是，这个矢量16相对于检测器5b的相对位置发生变化，即，这种状态下矢量的方向不再平行于检测器5b，即，不再垂直于检测器5b的记录方向。通过将矢量16的方向与检测器5b的位置进行比较，由此可以推导出传感器I在一个轴上的倾斜度。这个比较可以共同地针对其它传感器并因此针对至少第二轴执行，并且可以由此共同地确定对于两个轴的倾斜度。此外，可以连续地(特别地，利用所记录信号的累积)执行记录投影并且将投影转换成信号并且确定倾斜度。图6a不出倾斜传感器的容器3、3a的两个实施方式,容器3、3a在它们的大小方面相互非常不同。介质4的界面8在容器3、3a的边缘处呈现出弯曲轮廓，这是由于介质4润湿容器3、3a导致的。随着容器3日益小型化，这种效果增大了对界面8的轮廓的影响，并且对于小容器3a的实施方式，这种效果可能相对显著，并且特别地，完全防止形成介质4的至少部分笔直边界线轮廓。因此，对于恒定的检测器大小，投影到检测器5a上的弯曲边界线轮廓的比例同样增大，并且在确定倾斜度时必须被考虑到。如图6b中所示，可以 调整检测器5a、5b的尺寸。为了提高确定倾斜度期间的精度，可调整检测器5a的大小以适于容器3的尺寸，从而可以优化检测器5a的视野。以此方式，例如，可以记录界面8的具有平面轮廓的相对大的区域。另一方面，对于容器3a，可以设置大小减小的检测器5b，以例如能够排除边缘区域中严重弯曲的边界线的投影。图7a至图7c分别示出垂直于传感器的底面的根据本发明的倾斜传感器I的平面图。在图7a中，倾斜传感器I的实施方式包括具有三角形底面并具有垂直于这个底面的容器壁13的容器，介质4占据容器容积的一部分。在这种情况下，三个检测器5d、5e、5f以如下方式被构造使得它们的尺寸对应于容器壁3并且覆盖容器壁3的整个区域，并且使得每个检测器5d、5e、5f限定相交于点P的记录方向6d、6e、6f，点P具体地在容器内部，位于底面的表面质心上方的限定高度处。此外，检测器5d、5e、5f被设置成关于它们的记录方向6d、6e、6f相互成角度α ,使得检测器5f的记录方向6f位于记录方向6d、6e所跨越的平面内。图7b示出根据本发明的倾斜传感器I的另一个实施方式，该倾斜传感器I被构造成具有圆形底面和同样垂直于这个底面的容器壁13。在这个实施方式中，同样地，容器被部分装有介质4并且检测器5a、5b、5c以它们的记录方向6a、6b、6c相交于一点的方式被设置在容器壁13上。此外,检测器5a、5b、5c分别具有与容器壁的形状(这里，具体地，弯曲)对应的形状。结果，在该设置中，可以记录介质4的界面在检测器5a、5b、5c上精确且良好的投影。在这个示例性实施方式中的检测器5a、5b,5c以不同的角距分布在容器壁上。这样造成记录方向6a、6b、6c之间的不同角度α和β，尽管这个传感器I的其它另选实施方式可以在记录方向6a、6b、6c之间具有相等的大角度α、β。此外，多个检测器5c中的一个的记录方向6c可以被设置成与其它两个检测器5a、5b所跨越的平面成一定角度。因为液面在检测器5a、5b、5c的图像传感器上的投影形成曲线的分段，所以图7b中表示的实施方式这里是特殊情况。图7c示出传感器的第三实施方式。在几何学上，这个变型与前述的实施方式的不同之处在于其五边形底面。容器壁13这里又垂直于底面并且介质4部分填充容器。另外，两个检测器5a、5b以它们的记录方向6a、6b在容器内部的点P处以角度α相交的方式被设置。检测器中的一个或两个这里可以被构造为线检测器，在这种情况下，它们的记录方向6a、6b可以平行于底面取向。此外，容器的壁13被构造成透明的，两个检测器5a、5b位于容器壁13的外部上，使得在所形成的投影已穿过透明壁13之后对投影执行记录。图8a和图Sb分别示出形成为全站仪的大地测量装置20，大地测量装置20用于测量水平角度、垂直角度和与远侧目标物体的距离。全站仪被设置在支架上，全站仪的底座21直接且坚固地连接到支架。全站仪的主体(也被称为上部22)可以相对于底座21绕着垂直直立轴V旋转。上部22具有例如通过两个柱体形成的支承件23，还具有瞄准装置24和电子显示/控制单元25，瞄准装置24安装在所述柱体之间，能绕着水平倾斜轴H旋转。为了控制测量装置20以及为了处理、显示和存储测量数据，可以用已知方式形成显示/控制单元25。为了确定全站仪的取向，额外地在全站仪上设置根据本发明的倾斜传感器I。在图8a所示的实施方式中，传感器I例如装配在支承件23的侧面。在图Sb中呈现具有倾斜传感器I的全站仪的另一个示例性实施方式。这种情况下的倾斜传感器I位于测量装置20的底座21的下面。在这两个实施方式中，倾斜传感器I提供的数据与全站仪的角度和距离测量数据可被组合并且被进一步处理。这些记录的测量数据被传递到显示/控制单元25并且被显示/控制单元25处理，使得可以由显示/控制单元25确定、光学地显示和存储目标点相对于全站仪的位置。图9示出具有底座31和根据本发明的倾斜传感器I的坐标测量机30，倾斜传感器I用于测量这个底座31相对于重力矢量GV的倾斜度。上面放置测量机30的支承表面32相对于水平面倾斜，使得所述测量机没有以水平方式取向。通过根据本发明确定底座31相对于重力矢量GV或相对于水平面的精确倾斜度，可以将这个倾斜度引入继而被设置在关节杆34的端部的取样构件33所测量的点的坐标的计算过程中并且被用于计算过程中的位置校正。
权利要求
1.一种用于装置的倾斜传感器(1)，所述倾斜传感器(I)具有 容器(3)，其容纳可流动介质(4)，所述介质(4)相对于所述容器(3)的位置取决于倾斜度，所述容器(3)具有多边形或椭圆形底面，该多边形特别是三角形，该椭圆形特别是圆形， 电磁辐射源(2a、2b、2c)，其用于产生所述介质(4)的界面(8)的至少一部分的投影(9a、9b), 至少两个检测器(5a、5b、5d、5e)，其用于分别记录所述投影(9a、9b)中的一个并且转换成信号，所述检测器(5a、5b、5d、5e)分别具有记录方向(6a、6b、6d、6e)，并且所述检测器(5a、5b、5d、5e)的所述记录方向(6a、6b、6d、6e)被设置为相互成一定角度，以及 评估单元(12)，其用于根据所述至少两个检测器(5a、5b、5d、5e)的所述信号，确定两个轴上的倾斜度， 所述倾斜传感器(I)的特征在于，针对所述两个轴的所述倾斜度是根据所述信号的组合共同地确定的。
2.根据权利要求1所述的倾斜传感器， 其特征在于，所述检测器(5a、5b、5c、5d、5e、5f)被设置成所述检测器(5a、5b、5c、5d、5e、5f)的记录方向(6a、6b、6c、6d、6e、6f)平行于所述底面。
3.根据之前权利要求中的任一项所述的倾斜传感器， 其特征在于，所述检测器(5a、5b、5C、5d、5e、5f)被配置为线传感器或表面传感器，特别地具有覆盖所述容器(3)的尺寸。
4.根据之前权利要求中的任一项所述的倾斜传感器， 其特征在于，第三检测器(5f)，所述第三检测器(5f)的记录方向(6f)位于由所述至少两个检测器(5d、5e)的记录方向(6d、6e)形成的平面中。
5.根据之前权利要求1至3中的任一项所述的倾斜传感器， 其特征在于，第三检测器(5c)，所述第三检测器(5c)的记录方向(6c)取向成与由所述至少两个检测器(5a、5b)的记录方向(6a、6b)形成的平面成一定角度。
6.根据之前权利要求中的任一项所述的倾斜传感器， 其特征在于，所述检测器(5a、5b、5c、5d、5e、5f)以如下方式设置它们的记录方向(6&、6以6(、6(1、66、60相交于点(？)，特别地相交于所述容器(3)内部、所述容器(3)的所述底面的表面质心上方的限定高度处。
7.一种确定装置的倾斜度的方法，所述装置具有可流动介质(4)，所述可流动介质(4)相对于容纳所述可流动介质(4)的容器(3)的相对位置取决于倾斜度，所述方法包括 产生所述介质(4)的界面(8)的至少一部分的至少两个投影(9a、9b),所述至少一部分特别是公共部分， 通过至少两个检测器(5a、5b、5d、5e)中的分别分配的一个来记录各个投影(9a、9b)并且将分别记录的投影(9a、9b)转换成信号，所述界面(8)是从相互成一定角度的两个记录方向(6a、6b、6d、6e)记录的，以及 根据所述信号确定倾斜度， 其特征在于，针对两个轴的倾斜度是根据所述信号的组合共同地确定的。
8.根据权利要求7所述的方法， 其特征在于，在确定所述倾斜度的过程中，通过根据所述信号确定表面(15)、特别是平面来组合所述信号，所述表面(15)表示所述介质(4)的所述界面(8)，并且特别地逼近所述界面(8)的轮廓。
9.根据权利要求8所述的方法， 其特征在于，在确定所述倾斜度的过程中，计算所述表面(15)的法向矢量(16)，并且借助于所述法向矢量(16)相对于所述检测器(5a、5b、5c、5d、5e、5f)的位置确定两个轴上的倾斜度。
10.根据权利要求7至9中的任一项所述的方法， 其特征在于，由各个检测器(5&、513、5(3、5(1、56、50将所述投影(9&、％)分解成图像点，使得所述信号将所述界面(8)表示为二维点云。
11.根据权利要求10所述的方法， 其特征在于，根据所述点云、特别地利用弯月面校正、并且特别地通过拟合计算，来分别推导直线。
12.根据权利要求10所述的方法， 其特征在于，根据所述至少两个检测器(5&、513、5(3、5(1、56、50的点云、特别地通过拟合计算，来直接推导公共表面(15)。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的方法， 其特征在于，根据所述点云确定用于所述表面(15)和/或所述直线的计算的质量值，并且特别地，根据所述质量值的函数调整用于产生所述至少两个投影(9a、9b)的参数，所述参数优选地是照明强度。
14.根据权利要求7至13中的任一项所述的方法， 其特征在于，定义用于所述装置的水平取向的参考矢量，并且通过将计算出的法向矢量(16)的位置与所述参考矢量进行比较来确定所述倾斜度。
15.根据权利要求7至14中的任一项所述的方法， 其特征在于，连续地执行记录所述投影(9a、9b)、将所述投影(9a、9b)转换成信号和确定所述倾斜度，特别地利用所记录信号的累积连续地执行。
全文摘要
本发明涉及用于装置的倾斜传感器(1)，包括容器，容纳可流动介质(4)，其中介质(4)相对于容器(3)的位置取决于倾斜度，容器(3)包括多边形或椭圆形底面，多边形特别是三角形，椭圆形特别是圆形；电磁辐射源，用于产生介质(4)的边界的至少一部分的投影；至少两个检测器(5a、5b、5c)，用于分别检测投影中的一个并且将其转换成信号，其中检测器(5a、5b、5c)均包括检测方向，检测器(5a、5b、5c)的检测方向设置成相互成一定角度，倾斜传感器还包括分析单元(12)，用于根据该至少两个检测器(5a、5b、5c)的信号确定两个轴上的倾斜度，其特征在于，倾斜度是根据信号的组合针对两个轴共同地确定的。
文档编号G01C9/20GK103069252SQ201180040682
公开日2013年4月24日 申请日期2011年8月22日 优先权日2010年8月23日
发明者海因茨·利普纳, 伯恩哈德·麦茨勒, W·阿曼 申请人:赫克斯冈技术中心