Die Erfindung betrifft einen zweiachsigen Neigungsmesser, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
An Messinstrumenten, bei denen ein Drehwinkel erfasst werden muss, sind u.a. Winkelencoder bekannt, die nach dem Phasenmessprinzip arbeiten. Ein solcher Encoder besitzt z.B. einen Stator und einen Rotor mit je einer Lichtschranke oder je einem Paar diametral gegenüberliegender Lichtschranken, zur Abtastung getrennter Codespuren auf einem rotierenden Kreis. Die Codespuren bestehen aus aufeinanderfolgenden Hell-Dunkel-Feldern. Beide Lichtschranken bzw. -Paare erzeugen dabei Signalfolgen gleicher Frequenz, wobei die Frequenz von der Drehzahl des Kreises und der Rasterkonstante der Codespur abhängt. Je nach dem Winkel, den Stator und Rotor einschliessen, weisen beide Signalfolgen eine Phasenverschiebung auf, die gemessen und ausgewertet wird. Zusätzlich wird festgestellt, wie viele vollständige Code-Perioden in dem zu messenden Winkel enthalten sind.
Dazu können die Codespuren besondere Markierungen aufweisen, die beim Durchgang durch die Lichtschranken Signalformen erzeugen, die von den ande ren abweichen und welche als Start- bzw. Stop-Signal für eine Zählschaltung dienen. Die Start-/Stop-Impulse können aber auch von zusätzlichen Lichtschranken gewonnen werden, welche Markierungen abtasten, die auf anderen Radien liegen als die Codespuren.
Werden die Phasendifferenzen über den ganzen Kreis summiert, so wird das Ergebnis unabhängig von eventuellen Ungenauigkeiten der Teilung. Dies ist der grosse Vorteil dieser Klasse von Winkel-Encodern. Encoder dieser Art werden deshalb u.a. bei Theodoliten hoher Genauigkeit eingesetzt.
Die korrekte Messung des Horizontal-Winkels (Hz) und Vertikal-Winkels (V) mit einem Theodoliten setzt voraus, dass entweder die Stehachse desselben genau lotrecht eingestellt wird, oder aber, dass der Einfluss einer eventuellen Abweichung der Stehachse vom Lot durch besondere Einrichtungen, z.B. einen Kompensator, eliminiert wird. Üblicherweise werden hierzu die Komponenten der Stehachsenneigung in Fernrohrrichtung (L) und quer dazu (Q) gemessen und die entsprechenden Korrekturen des V-Winkels und des Hz-Winkels berechnet.
Dazu ist es bekannt, ein System in den Theodolit zu integrieren, das beide Neigungskomponenten misst und einem internen Rechner zuführt, welcher die Berechnung vornimmt. Nachteilig an den bisher bekannten Lösungen ist, dass sie mit einem erheblichen Aufwand verbunden sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Systeme zur Neigungskompensation dahingehend weiter zu entwickeln, dass ihre Herstellung ökonomisch tragbar ist, wobei sie eine dem Instrument angepasste Genauigkeitsklasse erfüllen und wenig störanfällig sein sollen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Einrichtung erreicht, welche die im Patentanspruch 1 definierten Merkmale aufweist.
Der Vorteil dieser Lösung liegt in dem besonders geringen Aufwand an Bauteilen für eine zweikanalige Messsignal-Gewinnung und -Verarbeitung. Das gewählte Codier-Prinzip erlaubt in der beschriebenen Anwendung eine besonders sichere Signalverarbeitung bei hoher Repetiergenauigkeit, so dass trotz des bescheidenen Bauaufwandes eine sehr hohe Messgenauigkeit eingehalten werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines in einen Theodoliten integrierten Winkel-Encoder-Systems,
Fig. 2 einen Teilkreis mit Codespuren
Fig. 3 das Beispiel eines Code-Muster auf der im Strahlengang gemäss Fig. 1 liegenden Blende, mit überlagertem Bild der Codeträgerscheibe, in Normalposition,
Fig. 4 das auf die Blende abgebildete Codemuster bei einer Längsneigung des Instruments,
Fig. 5 das auf die Blende abgebildete Codemuster bei einer Querneigung des Instruments,
Fig. 6 das auf die Blende abgebildete Codemuster bei einer kombinierten Längs- und Querneigung des Instruments,
Fig. 7 A-E Signalverläufe an der Auswerteinrichtung für die verschiedenen Fälle nach den Fig. 4 bis 6.
Das Prinzip der Erfindung liegt im wesentlichen in der Erkenntnis, dass bei zweckmässiger Form und geeigneter Abstimmung zwischen den Codemustern auf den bewegten Codeträgern im Rotor- bzw. Statorteil des Messinstrumentes einerseits und den Codemustern auf Blenden im Abtast-Strahlengang andererseits eine einfache Auswertung der so gewonnenen Abtastsignale möglich ist. Der zeitliche Versatz, also die Phasenverschiebung der ansteigenden und der abfallenden Flanke des kombinierten Abtastsignals, enthält die gewünschten Informationen über die Längsneigung L bzw. über die Querneigung Q des Instruments.
In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 sind als Bestandteile eines Theodoliten ein Motor 1 und ein von diesem angetriebener transparenter Teilkreis 2 vorgesehen. Auf dem Teilkreis befindet sich eine äussere Codespur A, wie dies im einzelnen aus Fig. 2 hervorgeht. Die Codespur ist im gezeigten Beispiel aus in Drehrichtung äquidistanten dunklen Dreiecksfiguren zusammengesetzt.
Die Codespur A wird einerseits über eine Optik 11, 12, 5, 13 und 14 auf eine Blende 3 in einem Referenzkanal abgebildet. Von einem im Strahlengang liegenden Strahlenteiler 5 wird andererseits ein Teil der Strahlen in einen Messkanal geleitet, in welchem die Codespur A zunächst über einen Flüssigkeitshorizont 6 und danach wiederum über optische Glieder 15, 16 auf eine Blende 4 abgebildet wird. Den Blenden 3 bzw. 4 sind Empfangsdioden 7 bzw. 8 nachgeordnet.
Die Blenden bestehen aus ähnlichen, aber kleineren Dreiecksmarken B als das auf ihnen abgebildete Bild der Codespur A. Im Gegensatz zur Codespur A sind die Dreiecksmarken B als Fenster in einem dunklen Umfeld ausgebildet. Fig. 3 zeigt die Blende 4 mit den transparenten Marken B. Ferner werden die dunklen Marken A auf der Blende abgebildet.
Wird der Theodolit geneigt, bewirkt die Spiegelung des Messstrahlenganges am Flüssigkeitshorizont 6 eine Verschiebung der Bildlage der Marken A auf der Blende 4. Je nach Richtung der Neigung erfolgt die Verschiebung in Längsneigung L und/oder in Querneigung Q. Unbeeinflusst von der Instru mentenneigung bleibt dagegen die Lage des Bildes der Marken A auf der Referenzkanal-Blende 3. Die den Blenden 3 bzw. 4 nachgeordneten Empfangsdioden 7 und 8 liefern daher Messsignale, deren Phasenlage zueinander ein Mass für die Instrumentenneigung ist.
Anhand der Fig. 3 bis 6 sind die verschiedenen möglichen Fälle bei Neigungen des Instrumentes dargestellt. Fig. 3 zeigt ein Bild auf der Referenzkanalblende 3. Dieses Bild ist identisch mit dem Bild, das zum gleichen Zeitpunkt auf der Masskanalblende entsteht, wenn weder eine Längsneigung L noch eine Querneigung Q angenommen ist.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen weitere Bilder auf der Messkanalblende. Dabei gelten folgende Annahmen: Fig. 4 zeigt die Verhältnisse bei einer Längsneigung des Instruments, Fig. 5 bei einer Querneigung, und Fig. 6 bei einer kombinierten Längs- und Querneigung des Instruments.
In entsprechender Folge ist in Fig. 7 der Signalverlauf dargestellt: In Zeile A das Referenzsignal, also der Ausgang der Empfangsdiode 7; in Zeile B das Messsignal an der zweiten Empfangsdiode 8, wenn keine Längsneigung und keine Querneigung vorhanden sind; Zeile C das Signal der Diode 8, wenn nur Längsneigung vorhanden ist; Zeile D das Signal der Diode 8 bei Querneigung; Zeile E schliesslich das Signal der Diode 8 bei kombinierter Längs- und Querneigung.
Bei Auftreten einer Längsneigung verschieben sich gemäss Fig. 7 C sowohl die ansteigende wie auch die abfallende Signalflanke um den gleichen Betrag tL. Tritt nur Querneigung auf, verschiebt sich nur die ansteigende Flanke des Messsignals um tQ. Bei Vorliegen einer kombinierten Längs- und Querneigung verschiebt sich die ansteigende Flanke um tL+Q und die abfallende Flanke um tL. Somit enthält das Messsignal sowohl eine Information über die Längs- als auch über die Querneigung. Aus beiden Werten kann durch einfache automatisch verlaufende Rechenoperationen sowohl die Längsneigung L als auch die Querneigung Q bestimmt werden.
Als Auswerteschaltung genügt es deshalb, für jede Empfängerdiode 7 bzw. 8 eine einzige Analogschaltung zur Verstärkung und Triggerung der Signale vorzusehen. Es können also beide Phasendifferenzen tL und tL+Q simultan mit nur je einem Empfänger für Referenz- und Messsignal detektiert werden.
Erst nach Durchlaufen der gemeinsamen Analogschaltung werden die beiden Flankensignale getrennten Zählschaltungen zugeführt, welche die beiden Phasendifferenzen ermitteln. Die Ergebnisse werden in einem Rechner weiterverarbeitet. Der Rechenalgorithmus berücksichtigt dabei Parameter wie z.B. die Form des Codemusters, Geometrie und Vergrösserung der Abbildungsoptik, Umrechnungsfaktoren usw., so dass schliesslich Längs- und Querneigung in der gewünschten Dimension zur Verfügung stehen.
Durch diese Art der Signalverarbeitung und Berechnung wird der erforderliche Aufwand auf ein Minimum begrenzt. Doppelt ausgeführt sind nur die relativ preiswerten Zählschaltungen, während Analogschaltungen sowie Rechner nur einfach eingesetzt werden müssen. Auch der optische Bauaufwand ist minimal, da sowohl die L- wie auch die Q-Information durch denselben Strahlengang übertragen wird.
Anstelle der als Beispiel erwähnten Dreieckfiguren können auch andere geometrische Muster auf dem Teilerkreis und mathematisch ähnliche Muster auf den Blenden 3 und 4 verwendet werden, deren kombinierte Phasenverschiebungssignale sich nach dem beschriebenen Verfahren auswerten lassen.
The invention relates to a biaxial inclinometer, according to the preamble of claim 1.
On measuring instruments where an angle of rotation has to be recorded, Angle encoders known that work on the phase measurement principle. Such an encoder has e.g. a stator and a rotor, each with a light barrier or a pair of diametrically opposed light barriers, for scanning separate code tracks on a rotating circle. The code tracks consist of successive light-dark fields. Both light barriers or pairs generate signal sequences of the same frequency, the frequency depending on the speed of the circle and the raster constant of the code track. Depending on the angle that the stator and rotor enclose, both signal sequences have a phase shift that is measured and evaluated. In addition, it is determined how many complete code periods are contained in the angle to be measured.
For this purpose, the code tracks can have special markings which, when passing through the light barriers, generate signal shapes which differ from the others and which serve as a start or stop signal for a counting circuit. The start / stop impulses can, however, also be obtained from additional light barriers which scan markings which lie on different radii than the code tracks.
If the phase differences are summed over the whole circle, the result is independent of any inaccuracies in the division. This is the big advantage of this class of angle encoders. Encoders of this type are therefore used, among other things. used with high accuracy theodolites.
The correct measurement of the horizontal angle (Hz) and vertical angle (V) with a theodolite presupposes that either the standing axis of the same is set exactly perpendicular, or that the influence of a possible deviation of the standing axis from the plumb line by special devices, e.g. a compensator is eliminated. Usually, the components of the standing axis inclination in the telescope direction (L) and transverse to it (Q) are measured and the corresponding corrections of the V-angle and the Hz-angle are calculated.
For this purpose, it is known to integrate a system in the theodolite that measures both inclination components and feeds them to an internal computer that performs the calculation. A disadvantage of the previously known solutions is that they involve considerable effort.
It is an object of the present invention to further develop such systems for tilt compensation in such a way that their manufacture is economically viable, and they should meet an accuracy class adapted to the instrument and should be less prone to failure.
This object is achieved according to the invention by a device which has the features defined in claim 1.
The advantage of this solution is the particularly low cost of components for two-channel measurement signal acquisition and processing. In the application described, the selected coding principle allows particularly reliable signal processing with high repetition accuracy, so that a very high measurement accuracy can be maintained despite the modest construction effort.
The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with the aid of the drawings.
Show it:
1 shows the basic illustration of an angle encoder system integrated in a theodolite,
Fig. 2 shows a pitch circle with code traces
3 shows the example of a code pattern on the aperture located in the beam path according to FIG. 1, with a superimposed image of the code carrier disc, in the normal position,
4 shows the code pattern depicted on the panel with a longitudinal inclination of the instrument,
5 shows the code pattern depicted on the diaphragm with a bank of the instrument,
6 shows the code pattern depicted on the diaphragm with a combined longitudinal and transverse inclination of the instrument,
7 A-E waveforms on the evaluation device for the different cases according to FIGS. 4 to 6.
The principle of the invention lies essentially in the knowledge that, with a suitable form and suitable coordination between the code patterns on the moving code carriers in the rotor or stator part of the measuring instrument, on the one hand, and the code patterns on diaphragms in the scanning beam path, on the other hand, simple evaluation of the thus obtained Sampling signals is possible. The time offset, that is to say the phase shift of the rising and falling edge of the combined scanning signal, contains the desired information about the longitudinal inclination L or about the transverse inclination Q of the instrument.
In the exemplary embodiment according to FIG. 1, a motor 1 and a transparent pitch circle 2 driven by it are provided as components of a theodolite. An outer code track A is located on the pitch circle, as can be seen in detail from FIG. 2. In the example shown, the code track is composed of dark triangular figures which are equidistant in the direction of rotation.
The code track A is imaged on the one hand via an optical system 11, 12, 5, 13 and 14 on an aperture 3 in a reference channel. On the other hand, a part of the beams is directed from a beam splitter 5 in the beam path into a measuring channel, in which the code track A is first mapped onto an aperture 4 via a liquid horizon 6 and then again via optical elements 15, 16. The diaphragms 3 and 4 are followed by receiving diodes 7 and 8 respectively.
The diaphragms consist of similar but smaller triangle marks B than the image of code track A depicted on them. In contrast to code track A, triangle marks B are designed as windows in a dark environment. Fig. 3 shows the aperture 4 with the transparent marks B. Furthermore, the dark marks A are shown on the aperture.
If the theodolite is inclined, the reflection of the measuring beam path on the liquid horizon 6 causes a shift in the image position of the marks A on the aperture 4. Depending on the direction of the inclination, the displacement takes place in the longitudinal inclination L and / or in the transverse inclination Q. By contrast, the inclination of the instrument remains unaffected the position of the image of the marks A on the reference channel diaphragm 3. The receiving diodes 7 and 8 arranged downstream of the diaphragms 3 and 4 therefore supply measurement signals whose phase relationship to one another is a measure of the inclination of the instrument.
3 to 6, the different possible cases with inclinations of the instrument are shown. FIG. 3 shows an image on the reference channel diaphragm 3. This image is identical to the image that arises on the mass channel diaphragm at the same time if neither a longitudinal inclination L nor a transverse inclination Q is assumed.
4 to 6 show further images on the measuring channel diaphragm. The following assumptions apply here: FIG. 4 shows the relationships with a longitudinal inclination of the instrument, FIG. 5 with a transverse inclination, and FIG. 6 with a combined longitudinal and transverse inclination of the instrument.
The signal sequence is shown in a corresponding sequence in FIG. 7: In line A the reference signal, that is to say the output of the receiving diode 7; in line B the measurement signal at the second receiving diode 8 if there is no longitudinal inclination and no transverse inclination; Line C the signal of the diode 8 if there is only longitudinal slope; Line D the signal of the diode 8 at bank; Line E finally the signal of the diode 8 with combined longitudinal and transverse inclination.
If a longitudinal inclination occurs, according to FIG. 7 C, both the rising and the falling signal edge are shifted by the same amount tL. If only a cross slope occurs, only the rising edge of the measurement signal shifts by tQ. If there is a combined longitudinal and transverse slope, the rising flank shifts by tL + Q and the falling flank by tL. The measurement signal thus contains information about both the longitudinal and the transverse inclination. From both values, both the longitudinal pitch L and the transverse pitch Q can be determined by simple, automatic computing operations.
It is therefore sufficient as an evaluation circuit to provide a single analog circuit for amplifying and triggering the signals for each receiver diode 7 or 8. Both phase differences tL and tL + Q can thus be detected simultaneously with only one receiver each for the reference and measurement signal.
Only after passing through the common analog circuit are the two edge signals fed to separate counting circuits which determine the two phase differences. The results are processed in a computer. The calculation algorithm takes into account parameters such as the shape of the code pattern, geometry and magnification of the imaging optics, conversion factors, etc., so that finally longitudinal and transverse inclinations are available in the desired dimension.
This type of signal processing and calculation reduces the effort required to a minimum. Only the relatively inexpensive counter circuits are designed in duplicate, while analog circuits and computers only have to be used once. The optical construction effort is also minimal, since both the L and the Q information are transmitted through the same beam path.
Instead of the triangular figures mentioned as an example, other geometric patterns on the divider circle and mathematically similar patterns on the diaphragms 3 and 4 can be used, the combined phase shift signals of which can be evaluated according to the described method.