Neigungsmesser - Inclinometer

Dieser Artikel behandelt die statische Messung der Neigung. Für dynamische Messungen siehe Neigungsmesser .
Zeichnung eines Neigungsmessers, Museo Galileo, Florenz
Neigungsmessung mit einem Neigungsmesser

Ein Neigungssensor oder Neigungsmesser ist ein Gerät verwendet , für die Winkel des Messens Steigung , Elevation oder Depression eines Objekts in Bezug auf die Schwerkraft ist Richtung. Es wird auch als eine bekannte Neigungsanzeige , Neigungssensor , Neigungsmesser , Steigung alert , Neigungsmessgerät , Steigung Meter , Gradiometer , Füllstandsmesser , Füllstandsmesser , Neigungsmesser und Pitch Roll - Indikator . Neigungsmesser messen sowohl Steigungen als auch Gefälle mit drei verschiedenen Maßeinheiten: Grad , Prozentpunkte und Topo . Astrolabe ist ein Beispiel für einen Neigungsmesser, der für die Himmelsnavigation und Ortung astronomischer Objekte von der Antike bis zur Renaissance verwendet wurde .

Ein Neigungssensor kann die Verkippung in oft zwei Achsen einer Referenzebene in zwei Achsen messen . Im Gegensatz dazu würde eine vollständige Bewegung mindestens drei Achsen und oft zusätzliche Sensoren verwenden. Eine Möglichkeit, den Neigungswinkel in Bezug auf die Erdungsebene zu messen, ist die Verwendung eines Beschleunigungsmessers . Typische Anwendungen finden sich in der Industrie und bei Gamecontrollern. In Flugzeugen wird der "Ball" in Kurvenkoordinatoren oder Kurven- und Querneigungsindikatoren manchmal als Neigungsmesser bezeichnet.

Geschichte

Neigungsmesser des Brunnens

Neigungsmesser umfassen Beispiele wie den Neigungsmesser von Well, dessen wesentliche Teile eine flache Seite oder ein Sockel sind, auf dem er steht, und eine hohle Scheibe, die nur zur Hälfte mit einer schweren Flüssigkeit gefüllt ist. Die Glasfläche der Scheibe ist von einer graduierten Skala umgeben, die den Winkel markiert, in dem die Flüssigkeitsoberfläche in Bezug auf den flachen Boden steht. Die Nulllinie ist parallel zur Basis, und wenn die Flüssigkeit auf dieser Linie steht, ist die flache Seite horizontal; der 90 Grad ist senkrecht zur Basis, und wenn die Flüssigkeit auf dieser Linie steht, ist die flache Seite senkrecht oder lotrecht. Dazwischenliegende Winkel sind markiert und das Gerät zeigt mit Hilfe einfacher Umrechnungstabellen die Fallgeschwindigkeit pro eingestelltem Abstand der horizontalen Messung und eingestellten Abstand der schrägen Linie an.

Die Abney-Libelle ist ein tragbares Vermessungsinstrument , das in den 1870er Jahren entwickelt wurde und ein Zielrohr und einen Neigungsmesser enthält, die so angeordnet sind, dass der Vermesser das Zielrohr (und sein Fadenkreuz ) auf die Reflexion der Blase in der Wasserwaage des Neigungsmessers ausrichten kann, wenn die Sichtlinie befindet sich in dem am Neigungsmesser eingestellten Winkel.

Eine der berühmtesten Neigungsmesser-Installationen war auf dem Panel des Ryan NYP "The Spirit of St. Louis" - 1927 wählte Charles Lindbergh den leichten Rieker Inc. P-1057 Grad Neigungsmesser, um ihm Steig- und Sinkwinkelinformationen zu geben.

Verwendet

Messen der Entfernung über einen Bach
Messen der Höhe eines Gebäudes

Handheld-Klinometer werden für eine Vielzahl von Vermessungs- und Messaufgaben eingesetzt. Bei der Landvermessung und Kartierung kann ein Neigungsmesser eine schnelle Messung der Neigung eines geografischen Merkmals liefern oder zur Höhlenvermessung verwendet werden . Bei der Erkundung von Mineralien werden Neigungsmesser verwendet, um Streichen und Einfallen geologischer Formationen zu messen . In der Forstwirtschaft kann die Baumhöhenmessung mit einem Neigungsmesser nach standardisierten Methoden einschließlich Triangulation erfolgen . Große Artilleriegeschütze können über einen zugehörigen Neigungsmesser verfügen, der das Zielen von Granaten über große Entfernungen erleichtert.

Fest installierte Neigungsmesser werden bei großen Erdarbeiten wie Dämmen eingesetzt, um die Langzeitstabilität des Bauwerks zu überwachen.

Faktoren, die den Einsatz von Neigungsmessern beeinflussen

(Die Gesamtgenauigkeit variiert je nach Art des Neigungssensors (oder Neigungsmessers) und der verwendeten Technologie.)

  • Schwere
  • Temperatur (Drift), Nullpunktverschiebung, Linearität, Vibration, Schock, Querachsenempfindlichkeit, Beschleunigung/Verzögerung.
  • Es ist eine klare Sichtverbindung zwischen dem Benutzer und dem gemessenen Punkt erforderlich.
  • Um die maximale Präzision zu erreichen, ist ein gut definiertes Objekt erforderlich.
  • Die Genauigkeit und Genauigkeit der Winkelmessung ist auf etwas besser als eine Bogensekunde begrenzt.

Genauigkeit

Bestimmte hochempfindliche elektronische Neigungssensoren können eine Ausgabeauflösung von 0,0001° erreichen; Je nach Technologie und Winkelbereich kann sie auf 0,01° begrenzt sein. Die wahre oder absolute Genauigkeit eines Neigungsmessersensors (der kombinierte Gesamtfehler) ist jedoch eine Kombination aus anfänglichen Sätzen von Sensor-Nullpunktverschiebung und -empfindlichkeit, Sensorlinearität, Hysterese, Wiederholbarkeit und Temperaturabweichungen von Nullpunkt und Empfindlichkeit – Genauigkeit elektronischer Neigungsmesser kann je nach Sensor und Situation typischerweise im Bereich von ±0,01–2° liegen. In der Regel ist die Genauigkeit bei Raumumgebungsbedingungen auf die Linearitätsspezifikation des Sensors beschränkt.

Sensorik

Neigungssensoren und Neigungsmesser erzeugen einen künstlichen Horizont und messen die Winkelneigung gegenüber diesem Horizont. Sie werden in Kameras, Flugsteuerungen von Flugzeugen, Sicherheitssystemen für Kraftfahrzeuge und Spezialschaltern verwendet und werden auch zum Nivellieren der Plattform, zur Anzeige des Auslegerwinkels und in anderen Anwendungen verwendet, die eine Neigungsmessung erfordern.

Wichtige zu beachtende Spezifikationen für Neigungssensoren und Neigungssensoren sind der Neigungswinkelbereich und die Anzahl der Achsen. Die Achsen sind normalerweise, aber nicht immer, orthogonal . Der Neigungswinkelbereich ist der Bereich der gewünschten linearen Ausgabe.

Übliche Implementierungen von Neigungssensoren und Neigungsmessern sind Beschleunigungsmesser, Liquid Capacitive , Elektrolyt, Gasblasen in Flüssigkeit und Pendel.

Die Neigungssensortechnologie wurde auch in Videospielen implementiert. Yoshis Universal Gravitation und Kirby Tilt 'n' Tumble basieren beide auf einem Neigungssensormechanismus, der in die Kartusche eingebaut ist. Die PlayStation 3- und Wii -Gamecontroller verwenden Tilt auch als Mittel zum Spielen von Videospielen.

Neigungsmesser werden auch im Tiefbau eingesetzt , um beispielsweise die Neigung von zu bebauenden Grundstücken zu messen.

Einige Neigungssensoren verfügen über eine elektronische Schnittstelle auf Basis von CAN (Controller Area Network) . Darüber hinaus können diese Neigungssensoren das standardisierte CANopen- Profil (CiA 410) unterstützen. In diesem Fall sind diese Neigungsmesser kompatibel und teilweise austauschbar.

Zweiachsiger digitaler Neigungsmesser

Zweiachsiger digitaler Neigungsmesser

Herkömmliche Wasserwaagen und pendelbasierte elektronische Nivellierinstrumente sind in der Regel nur durch einachsige und schmale Neigungsmessbereiche eingeschränkt. Die meisten Präzisionsnivellierungs-, Winkelmessungs-, Ausrichtungs- und Oberflächenebenheitsprofilierungsaufgaben beinhalten jedoch im Wesentlichen einen zweidimensionalen Oberflächenebenenwinkel anstelle von zwei unabhängigen orthogonalen einachsigen Objekten. Zweiachsige Neigungsmesser, die mit MEMS- Neigungssensoren gebaut sind, bieten gleichzeitige zweidimensionale Winkelablesungen einer Oberflächenebene, die zum Erdbezugspunkt tangiert.

Typische Vorteile der Verwendung von zweiachsigen MEMS- Neigungsmessern gegenüber herkömmlichen einachsigen "Blasen"- oder mechanischen Nivellierinstrumenten können sein:

  • Die gleichzeitige Messung von zweidimensionalen (XY-Ebene) Neigungswinkeln (z. B. Nick- und Rollbewegungen) kann das mühsame Hin- und Herwechseln bei Verwendung einer einachsigen Wasserwaage vermeiden, beispielsweise um Maschinenfundamente anzupassen, um eine präzise Nivellierungsposition zu erreichen.
  • Digitale Kompensation und präzise Kalibrierung für Nichtlinearität, zum Beispiel für Betriebstemperaturschwankungen, was zu einer höheren Genauigkeit über einen größeren Messbereich führt.
  • Die Beschleunigungsmessersensoren können numerische Daten in Form von Vibrationsprofilen erzeugen, um es einem Maschinenmonteur zu ermöglichen, die Ausrichtungsqualität in Echtzeit zu verfolgen und zu bewerten und die Positionsstabilität einer Struktur durch Vergleichen von Nivellierprofilen vor und nach der Einrichtung zu überprüfen.

Neigungsmesser mit Gyroskop

Da Neigungsmesser den Winkel eines Objekts in Bezug auf die Schwerkraft messen, führen externe Beschleunigungen wie schnelle Bewegungen, Vibrationen oder Stöße zu Fehlern bei den Neigungsmessungen. Um dieses Problem zu überwinden, ist es möglich, zusätzlich zu einem Beschleunigungsmesser ein Gyroskop zu verwenden. Jede der oben genannten Beschleunigungen hat einen großen Einfluss auf den Beschleunigungsmesser, aber einen begrenzten Einfluss auf die gemessenen Drehraten des Gyroskops. Ein Algorithmus kann beide Signale kombinieren, um den besten Wert aus jedem Sensor herauszuholen. Auf diese Weise ist es möglich, den tatsächlichen Neigungswinkel von den durch externe Beschleunigungen verursachten Fehlern zu trennen.

Anwendungen

In geotechnischen Zeichnungen verwendetes Symbol

Neigungsmesser werden verwendet für:

  • Bestimmung des Breitengrades mit Polaris (auf der Nordhalbkugel) oder den beiden Sternen des Sternbildes Crux (auf der Südhalbkugel).
  • Bestimmung des Winkels des Erdmagnetfeldes in Bezug auf die horizontale Ebene.
  • Zeigt eine Abweichung von der wahren Vertikalen oder Horizontalen an.
  • Vermessung , um einen Neigungs- oder Höhenwinkel zu messen.
  • Warnen eines Gerätebedieners, dass es umkippen könnte.
  • Messen von Höhen-, Neigungs- oder Neigungswinkeln, zB einer Böschung.
  • Messung von leichten Neigungsunterschieden, insbesondere für die Geophysik . Solche Neigungsmesser werden beispielsweise zur Überwachung von Vulkanen oder zur Messung der Tiefe und Geschwindigkeit von Erdrutschbewegungen verwendet.
  • Messen von Bewegungen in Wänden oder im Erdreich bei Tiefbauprojekten.
  • Bestimmung der Neigung von Schichten oder Schichten oder der Neigung einer Böschung oder eines Einschnitts; eine Art Lotwaage.
  • Einige Sicherheitssysteme für Kraftfahrzeuge .
  • Anzeige von Nick- und Rollbewegungen von Fahrzeugen, Wasserfahrzeugen und Flugzeugen. Siehe Abbiegekoordinator und Schlupfanzeige .
  • Überwachung des Auslegerwinkels von Kränen und Umschlagbaggern.
  • Messung des "Blickwinkels" einer Satellitenantenne auf einen Satelliten.
  • Einstellen eines Sonnenkollektors auf den optimalen Winkel, um seine Leistung zu maximieren.
  • Messen des Neigungswinkels eines Bandes oder einer Kette während der Distanzmessung.
  • Messen der Höhe eines Gebäudes, Baums oder anderen Merkmals unter Verwendung eines vertikalen Winkels und einer Entfernung (bestimmt durch Taping oder Pacing) mithilfe von Trigonometrie .
  • Messen des Winkels der in das Bohren Bohrlochmessungen .
  • Messen der Schlagseite eines Schiffes in stillem Wasser und der Rolle in rauem Wasser.
  • Steilheit einer Skipiste messen .
  • Messung der Orientierung von Ebenen und Lineationen in Gesteinen, in Kombination mit einem Kompass , in der strukturellen Geologie .
  • Bewegungsumfang in den Gelenken des Körpers messen
  • Messung des Neigungswinkels des Beckens . Zahlreiche Nacken- und Rückenmessungen erfordern den gleichzeitigen Einsatz von zwei Neigungsmessern.
  • es misst den Höhenwinkel und berechnet schließlich die Höhen vieler Dinge, die sonst für eine direkte Messung unzugänglich wären.
  • Messen und Feinabstimmen des Winkels von Line-Array- Lautsprechern. Bestätigung des erreichten Winkels durch Verwendung eines Lasers, der in den entfernten Neigungsmesser eingebaut ist .
  • Einstellen der korrekten Ausrichtung der Sonnenkollektoren während der Installation
  • Einstellen des Schusswinkels einer Kanone oder Waffe (bestimmt die Reichweite des Projektils)
  • Elektronische Spiele
  • Helfen Sie mit, unsichere Arbeitsbedingungen zu vermeiden.
  • Der USDA Forest Service verwendet Neigungssensoren (oder Neigungsmesser), um die Baumhöhe in seinem Programm zur Waldinventur und -analyse zu messen .

Neigungsindikatoren sind Einwegsensoren, wenn auch wiederverwendbare Sensoren, die während des Versands als Teil der Verpackung an den Waren angebracht werden.

Spiele

Nintendo hat in fünf Spielen für seine Game Boy- Reihe von Handheld -Spielsystemen die Neigungssensor-Technologie verwendet. Der Neigungssensor ermöglicht es den Spielern, Aspekte des Spiels durch Drehen des Spielsystems zu steuern. Spiele, die diese Funktion verwenden:

Neigungssensoren finden sich auch in Gamecontrollern wie dem Microsoft Sidewinder Freestyle Pro und dem PlayStation 3- Controller von Sony .

Im Gegensatz zu diesen anderen Controllern, bei denen der Neigungssensor als Ergänzung zu normalen Steuerungsmethoden dient, dient er jedoch als eines der zentralen Features von Nintendos Wii-Fernbedienung und dem Nunchuk-Aufsatz . Neben Beschleunigungsmessern sind die Neigungssensoren in den meisten Wii- Spielen eine Hauptsteuerungsmethode .

Es wird jetzt in vielen verschiedenen Aspekten verwendet, anstatt nur in Spielen wie Motocross und Flugsimulatoren. Es kann für Sportspiele, Ego-Shooter und andere ungewöhnliche Anwendungen wie in WarioWare: Smooth Moves verwendet werden

Ein weiteres Beispiel ist eine virtuelle Version eines hölzernen Labyrinths mit Hindernissen, in dem Sie einen Ball durch Kippen des Labyrinths manövrieren müssen. Für den Palm (PDA) wurde ein Homebrew-Neigungssensor-Interface entwickelt .

Siehe auch

Verweise

Externe Links