Sensorik I at Leibniz Universität Hannover

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Allgemeine Grundsätze für Strahlengänge

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Optische Grundlagen

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Das Messfernrohr

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Grundformel (2) geometr. Niv.

Bedingungen damit die geomtr. Bedingungen gelten:

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Wege zur Automatisierung

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Allgemeines zu Libellen

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Aufgaben und Ziele der elektronischen Messverfahren

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Röhrenlibellen

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Grenzen elektronischer Messverfahren

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Ziele der Automatisierung sind

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Definitionen:

Das Messfernrohr

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Fernrohrvergrößerung:

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Sensorik I

Allgemeine Grundsätze für Strahlengänge

- Strahlen entlang der optischen Achse einer Linse werden
nicht gebrochen; bei schrägem Durchgang durch den Mittel-
punkt der Linse werden sie parallel verschoben


- Parallel zur optischen Achse einfallende Strahlen vereinigen
sich im vorderen oder hinteren Brennpunkt der Linse und
erzeugen ein Bild des Gegenstandes

Sensorik I

Optische Grundlagen

- Linsen sind von zwei Kugelflächen oder einer Kugelfläche und
einer Ebene begrenzte Glaskörper (sphärische Linsen)
- Die optische Achse verbindet die beiden Kugelmittelpunkte
- Der optische Mittelpunkt der Linse befindet sich in der
Mitte der optischen Achse
- Man unterscheidet Sammellinsen und Zerstreuungslinsen

Sensorik I

Das Messfernrohr

Die optische Achse des Fernrohrs ist die Verbindungsgerade
zwischen den optischen Mittelpunkten der Linsensysteme.
Die Zielachse ist die Verbindungsgerade zwischen einem im
Unendlichen liegenden Punkt der auf die Zielkreuzmitte
eingestellt ist und der Strichkreuzmitte selbst
oder gleichbedeutend
zwischen dem Hauptpunkt des Objektivs und der Strichkreuz-
mitte
Optische Achse und Zielachse zeigen nicht exakt in die selbe
Richtung, da eine 100%-ige Justierung der optischen Achse,
auch bei Fokussierung auf unendlich, häufig nicht gelingt.
Die verschiedenen Linsensysteme sind nicht exakt zentriert und/
oder die Strichkreuzmitte liegt nicht in der optischen Achse.

Bei Gegenstandsweiten < ∞ wird durch die Zer-
streuungslinse die effektive Brennweite des Objektivs ver-
ändert. In der Folge verschiebt sich der Strahlengang im
Fernrohr.
Die Zielachse kann nur bei einer Fokussierung auf unendlich
als unveränderlich angesehen werden.
Die Ziellinie ist die von der Fokussierung abhängige Abbildung
des Strichkreuzes in den Gegenstandsraum. Es handelt sich
nicht um eine Gerade, sondern um eine sehr schwach ge-
krümmte Hyperbel. Die Krümmung ist nur im Nahbereich zu
erkennen.

Sensorik I

Grundformel (2) geometr. Niv.

Bedingungen damit die geomtr. Bedingungen gelten:

Bezugsfläche horizontal

gleiche Maßstäbe für die eingesetzten Latten

Latten stehen senkrecht zur ebene Fläche

Zielachse des Nivelliers muss horizontal verlaufen

Sensorik I

Wege zur Automatisierung

Der Einsatz klassischer geodätischer Instrumentierung ist für diese Aufgaben
teilweise zu unwirtschaftlich. Manchmal ist diese zu schwerfällig oder zu ungenau. Möglichkeiten sind:
▪ Modifizierung der klassischen Systeme (registrierende, motorisierte Tachymeter, Digitalnivelliere usw.)
▪ Entwicklung neuer Geräte und Messverfahren basierend auf der Anwendung elektrischer Messwertumformer (hydrostatische Mess-Systeme, Lot- und Aligniersysteme, Laserscanner usw.)
▪ Anpassung existierender Messsysteme aus anderen Fachrichtungen an geodätische Aufgaben (Elektrotechnik, Bauwesen usw.)

Sensorik I

Allgemeines zu Libellen

- Ausrichtung rechtwinklig zur Lotrichtung

- Alle so ausgerichteten Messinstrumente sind auf das Geoid
bezogen

- Libellen sind kugelförmige oder zylindrische Glasgefäße, die
mit Äther oder Alkohol gefüllt sind. In der Flüssigkeit schwimmt
eine Gasblase, die sich aufgrund ihres geringeren spezifischen
Gewichts immer an der höchsten Stelle des ausgeschliffenen
Gefäßes befindet. Die Glasgefäße sind in Metall eingefasst.

Sensorik I

Aufgaben und Ziele der elektronischen Messverfahren

- Online Datenverarbeitung (Automatisierung von Messprozessen)
- Erfassung von Messgrößen mit höherer Geschwindigkeit und Genauigkeit
(Effizienzsteigerung und Genauigkeitssteigerungen)
- Autarke Erfassung der Daten (Effizienzsteigerung)
- Erschließung neuer Aufgabenfelder (Potentiale von Messverfahren nutzen)

Sensorik I

Röhrenlibellen

- Tonnenförmig ausgeschliffenes zylindrisches Glasgefäß;
der Längsschnitt stellt somit einen Kreisbogen dar

- Markierung in Längsrichtung: Strichteilung; die einzelnen
Striche sind 1 pars [2mm] voneinander entfernt
- Das Einspielen der Gasblase ist bei zentrischer Lage der-
selben zur Mitte der Teilung erreicht
- Einsatz zur Feinhorizontierung von Messgeräten

Sensorik I

Grenzen elektronischer Messverfahren

- Automatische Verifikation (Überprüfung) der Messgrößen nur bedingt möglich
- Tlw. anfällig gegenüber Änderungen von äußeren Einflüssen
(z. B. durch Temperatur, Magnetfelder, Erschütterungen)
- Tlw. zusätzliche Bestimmung von Abweichungen notwendig → Kalibrierung

Sensorik I

Ziele der Automatisierung sind

▪ Online Datenverarbeitung statt Feldbuch usw.
▪ Erfassung von Objektpunkt-Bewegungen mit höherer Geschwindigkeit und Genauigkeit
▪ Erfassung der Bewegung vieler Objektpunkte gleichzeitig
(Verformungszustände)
▪ Erfassung vieler Verformungszustände gleichzeitig (Filmsequenz)

Sensorik I

Definitionen:

Das Messfernrohr

Die Hauptpunkte einer Linse oder eines Linsensystems sind den Mittelpunkten
extrem dünner Linsen gleichzusetzen. Durch die Hauptpunkte verlaufende
Strahlen werden nicht gebrochen und nur parallel verschoben. Die rechtwinklig
zur optischen Achse stehende und einen Hauptpunkt enthaltene Ebene ist die
Hauptebene. In ihr werden die Strahlen effektiv gebrochen.

Sensorik I

Fernrohrvergrößerung:

Probleme:

▪ Abbildungsfehler - Objektiv und Okular sind keine einzelnen Linsen. Beide
bestehen aus Linsenkombinationen, die Abbildungsfehler eliminieren oder
zumindest reduzieren. Die jeweiligen Linsensysteme werden dann als
Okular bzw. Objektiv bezeichnet.

▪ Variable Gegenstands- und in der Folge auch Bildweite. Das Bild des
Objektivs muss in die Brennebene des Okulars fallen. Dieses ist nur mit
Hilfe eines beweglichen Fernrohrs möglich. In geodätischen
Instrumenten wird meist mit einer leicht konkaven Zwischenlinse
gearbeitet. Diese ermöglicht die Fokussierung auf verschiedene
Gegenstandsweiten. Die Zwischenlinse wird zum Objektiv gerechnet.
▪ Umgekehrtes Bild - Beseitigung durch eine sogenannte Umkehrlinse
odereine das Bild umkehrende Prismenkonstruktion im Okular.

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