Heft 27/1988

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie


 
Heft 27/1988

HEISTER, Hansbert

Zur automatischen Kalibrierung geodätischer Längenmeßinstrumente

Habilitationsschrift
210 S.

Auflage:  700

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

 


Vollständiger Abdruck der von der Fakultät Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Feststellung der Lehrbefähigung im Fachgebiet Geodäsie und zur Verleihung des akademischen Grades eines habilitierten Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing. habil.) genehmigten Habilitationsschrift.

Habilitationsausschuß:  
Vorsitzender: Dekan Prof. Dipl.-Ing. K. Kuen
1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. W. Caspary
2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. B. Witte  (TH Aachen)

Tag des Kolloquiums:  11. Dezember 1987
 



Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis 9
 
Tabellenverzeichnis 14
 
1.  Einleitung 15
 
2.  Vorüberlegungen und Grundbegriffe 18
     2.1  Begriffe der Meßtechnik 18
     2.2  Zur Behandlung von Meßunsicherheiten und Toleranzen 21
     2.3  Physikalische Definitionen 26
 
3.  Meßanordnung und Umwelteinflüsse 32
     3.1  Das Komparatorprinzip 32
     3.2  Lagerung des Prüflings 36
     3.3  Linearer Wärmeausdehnungskoeffizient 47
     3.4  Refraktionsindex der Luft 53
     3.5  Minderung des Temperatureinflusses 60
 
4.  Längenkalibrierung und automatisierbare Meßverfahren 63
     4.1  Geodätische Längenmeßinstrumente und ihre
            Genauigkeitsklassifizierung

64
     4.2  Zur digitalen Längenmeßtechnik 66
     4.3  Interferenz des Lichtes 71
     4.4  Interferometer 79
 
5.  Interferenzmeßtechnik 86
     5.1  Funktionsprinzip technischer Interferometer 86
     5.2  Optische Bausteine 90
     5.3  Standardaufbauten zur Linearmessung 102
     5.4  Systematische Abweichungen 109
     5.5  Systemüberprüfung 117
 
6.  Der 30-m-Longitudinalkomparator 123
     6.1  Unterbau mit Führungseinrichtung und Meßschlitten 124
     6.2  Interferometersystem und Meßwerterfassung 136
     6.3  Einrichtungen und Möglichkeiten der Maßübertragung 139
 
7.  Auswertung und Analyse der Linearmessung 149
     7.1  Mathematisches Modell der Schlittenbewegung 150
     7.2  Mathematisches Modell zur Auswertung und Analyse 165
     7.3  Mathematisches Modell zur Bestimmung der photo-
            elektrischen Strichmitte

174
 
8.  Beispiele zur automatischen Kalibrierung und
     Genauigkeitsanalyse

181
     8.1  Nivellierlattenkalibrierung 181
     8.2  Kalibrierung elektrooptischer Distanzmesser 186
 
9.  Zusammenfassung und Ausblick 190
 
Literaturverzeichnis 194
 
Stichwortverzeichnis 205
 

 
Zusammenfassung und Ausblick

Aufgrund der in den letzten Jahrzehnten in allen Zweigen der Geodäsie zu beobachtenden Steigerung der Genauigkeitsanforderungen gewinnt die Kalibrierung von Meßgeräten ständig an Bedeutung. Hierbei geht es häufig nicht nur um die Überprüfung der technischen Spezifikationen, sondern vielmehr auch um die Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Genauigkeit serienmäßiger Instrumente durch die signifikante Bestimmung systematischer Fehleranteile. Wurde wegen zeitaufwendiger und damit unwirtschaftlicher Meßmethoden in der Praxis früher oftmals darauf verzichtet, so ist heute durch den Einsatz der Mikroelektronik nahezu jeder Automatisierungsgrad in den verschiedenen Kalibrierungstechniken erreichbar; das Niveau bei diesen automatischen Kalibriereinrichtungen wird lediglich durch den Instrumentyp und die Anwendungshäufigkeit bestimmt.

Große Bedeutung kommt dabei den geodätischen Längenmeßinstrumenten zu. War es doch schon immer Ziel des Geodäten, den absoluten Längenmaßstab in der Natur zu verifizieren; so versuchte man bereits in den 30er Jahren durch Anwendung der Interferenzmeßtechnik und Streckenmultiplikation eine Basis mit hoher Genauigkeit abzuleiten. (Eine Zusammenfassung hierüber gibt SCHÜLER, 1975). Der VÄISÄLÄ-Interferenzkomparator (VÄISÄLÄ, 1923) stellte dabei die bedeutendste Entwicklung auf diesem Gebiet dar; man erreichte hiermit Basislängen von 864 m, wobei bereits Genauigkeiten von 1·10-7 angegeben wurden.

Heute geht man ausschließlich den Weg der Längenübertragung; dabei werden möglichst genau kalibrierte elektromagnetische Distanzmesser zur direkten Messung langer Strecken eingesetzt.

Für die labormäßige Überprüfung ist der Einsatz von Laserinterferometern als digitales Meßsystem nicht mehr wegzudenken (SCHÜSSLER, 1985). In der vorliegenden Arbeit wurde versucht, das breite Spektrum an Kenntnissen über Aufbau und automatisierten Betrieb von Längenmeßkomparatoren zusammenzustellen. Da jede Kalibrierung eine Sonderaufgabe darstellt, geht es einerseits darum, eine realistische Bestimmung und Abschätzung systematischer und zufälliger Abweichungen durchzuführen, andererseits Wege für eine universelle Kalibriereinrichtung zu entwickeln, so wie sie mit dem 30-m-Longitudinalkomparator des Instituts für Geodäsie an der Universität der Bundeswehr verwirklicht wurden. Ein von äußeren Störeinflüssen möglichst isolierter Unterbau, eine hochgenaue kontinuierliche Führungseinrichtung, wie sie die Luftlagertechnik heute bietet, und ein klimatisiertes Umfeld sind wesentliche Voraussetzungen zur Erzielung reproduzierbarer Meßwerte. Verschiedene Adaptionseinrichtungen, Positionier- und Justierelemente ermöglichen erst große Vielseitigkeiten und zuverlässige Funktionsfähigkeit über längere Zeiträume. Modulare Elektronik mit genormten Schnittstellen, umfassende Software in Standardsprachen helfen, durch eine problemorientierte Verknüpfung die individuellen Kalibrieraufgaben rationell zu lösen.

Schwierigkeiten bestehen nach wie vor bei der Maßübertragung, insbesondere bei der Strichabtastung, aber auch bei der Bestimmung des integralen Refraktionsindexes. Für eine Verbesserung erscheinen zukünftig die bereits in der Robotik bewährten Systeme der digitalen Bildverarbeitung geeignet zu sein; CCD-Sensoren erfassen dabei - mit wesentlich mehr Informationsgehalt als das photoelektrische Mikroskop - in (1.024 x 1.024) Rasterelementen (Pixels) mit 256 Graustufen das Bild des Skalenstriches (HANTKE et al., 1985). Prozessoren mit speziellen Programmen zur Kantendetektion können dann in Echtzeit die Strichmittenfestlegung durchführen. Oder es besteht - falls pathologische Striche vorliegen - die Möglichkeit, das gesamte Strichbild abzuspeichern und in einem interaktiven Arbeitsgang nach Beendigung des dynamischen Kalibrierprozesses einer endgültigen Auswertung und Beurteilung zu unterziehen.

Multicolor Interferometrie zur absoluten Distanzmessung (GILLARD/BUHOLZ, 1983) wird zu einer Verbesserung der Vergleichsgenauigkeit beitragen. Aber auch Vorschläge, wie sie von SCHWARZ, W. (1985) zur Erfassung der integralen Temperatur der Atmosphäre mit Ultraschall gemacht wurden, sind gerade bei Laborräumen mit nicht so aufwendiger Klimatisierung zur repräsentativeren Bestimmung der Luftwellenlänge des Laserstrahls verfolgenswert.

Sind solche Meßeinrichtungen bis heute nur wenigen Hochschulinstituten (TILLE, 1984) und Forschungslabors der Industrie (ERNST, 1980; SCHÜSSLER, 1983; HOFFROGGE/LEBOWSKY, 1969) zugänglich, so dürfte die Entwicklung von miniaturisierten Halbleiterlaser-Interferometern (BÖHNEL/HÖFLER, 1985) und der Einsatz von PCs als Controller eine preisgünstigere Lösung und damit weitere Verbreitung ermöglichen.

Wenn eine hardwaremäßige Trennung der Aufgaben bei der Laborautomation bis vor wenigen Jahren aus Kostengründen kaum möglich war, so scheint eine Segmentierung zukünftig doch finanziell tragbar; so ist heute mit einer durchdachten Hardware-Struktur ein wesentlich größerer Aufgabenbereich - auch unter Berücksichtigung automatischer Prüfvorgänge - abzudecken. Geht man, wie in BEST (1985) dargelegt, von verschiedenen Leitebenen aus, denen wohldefinierte Aufgaben zugewiesen werden, dann läßt sich hieraus ebenfalls eine generelle Hardwarestruktur ableiten (s. Abb. 9.1).

Abb. 9.1  Hardware-Strukturierung in den verschiedenen Leitebenen

Auch in geodätischen Laboren wird diese Strukturierung infolge der Vielzahl von Gerätetypen sowie dem steigenden Automatisierungsgrad grundsätzlich von Bedeutung sein. Zukünftig wird es nicht nur um die automatische Längenkalibrierung von Strichmaßen und EDM-Geräten gehen, sondern auch um Winkelmeßsysteme wie elektronische Theodolite, digitale Neigungsmesser u. a.; zusätzlich werden auch eine Vielzahl von Sonderinstrumenten, an die oft hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, für den Feldeinsatz zu kalibrieren sein. Generell wird aber der Umstand von großer Bedeutung sein, daß sowohl Hardware als auch Software schnell veralten und im Abstand von wenigen Jahren durch leistungsfähigere Computersysteme, aber auch intelligentere Sensoren ersetzt werden können.
 



Quellen:

BEST, Roland (1985): Wege zur automatisierten Meßtechnik im Labor. In: Technisches Messen (tm), 52. Jhrg., S. 434-446  -  ISSN:  0171-8096.

BÖHNEL, H.-J. / HÖFLER, H. (1985): Miniaturisiertes Halbleiterlaser-Interferometer für die industrielle Wegmessung. In: Technisches Messen (tm), 52. Jhrg., S. 321-326  -  ISSN:  0171-8096.

ERNST, Andreas (1980): Luftgelagerte Meßeinrichtungen für die Kontrolle von Längen- und Winkelmeßsystemen. In: Feinwerktechnik & Meßtechnik, 88. Jhrg., S. 339-342  -  ISSN:  0340-1952.

GILLARD, Calvin W. / BUHOLZ, Neal E. (1983): Progress in Absolute Distance Interferometry. In: Optical Engineering, Vol. 22, Issue 3, S. 348-353  -  ISSN:  0091-3286.

HANTKE, D. / PHILIPP, H. / SPARRER, G. / TSCHIMICH, J. (1985): CCD-Zeilen sind Präzisionsmaßstäbe. In: Feingerätetechnik, 34. Jhrg., S. 290-292  -  ISSN:  0014-9683.

HOFFROGGE, Christian / LEBOWSKY, Fritz (1969): Ein neuer Interferenz-Komparator zum Prüfen von Strichmaßen. In: PTB-Mitteilungen, 79. Jhrg., S. 3-9  -  ISSN:  0030-834x.

SCHÜLER, Rudi (1975): Die Verfahren der geodätischen Interferenzlängenmessung. In: Vermessungstechnik, 23. Jhrg., Heft 1, S. 1-4  -  ISSN:  0042-4102.

SCHÜSSLER, Hans-H. (1983): Absolute Kalibrierung von Stufenendmaßen mit einem zweiachsigen Laserinterferometer-Komparator. In: Technisches Mussen (tm), 50. Jhrg., S. 191-196  -  ISSN:  0171-8096.

SCHÜSSLER. Hans-H. (1985): Laserinterferometrische Längenmeßtechnik. In: Technisches Messen (tm), 52. Jhrg., S. 225-231  -  ISSN:  0171-8096.

TILLE, Roland (1984): Einige moderne Verfahren zur Kalibrierung von Nivellierlatten. In: CASPARY, Wilhelm / SCHÖDLBAUER, Albert / WELSCH, Walter (Hrsg.): 10 Jahre Hochschule der Bundeswehr München. Beiträge aus dem Institut für Geodäsie. Schriftenreihe Wissenschaftlicher Studiengang Vermessungswesen, Hochschule der Bundeswehr München, Heft 10, S. 221-241  -  ISSN:  0173-1009.

VÄISÄLÄ, Yrjö (1923): Die Anwendung der Lichtinterferenz zu Längenmessungen auf größeren Distanzen. Veröffentlichungen des Finnischen Geodätischen Instituts, Nr. 2, 22 S.  -  ISSN:  0085-6932.
 


 
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