CN116261650A - 用于测量仪器的绝对位置编码器 - Google Patents

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CN116261650A CN202180067702.XA CN202180067702A CN116261650A CN 116261650 A CN116261650 A CN 116261650A CN 202180067702 A CN202180067702 A CN 202180067702A CN 116261650 A CN116261650 A CN 116261650A
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Abstract

本发明涉及一种用于测量仪器的绝对位置编码器(10)，该绝对位置编码器包括数字标尺(20)和能够相对于数字标尺移动的读取器(50)。数字标尺20沿着读取器50的行进方向布置。数字标尺包括至少一个绝对位置轨道(30；30a、30b)，其具有通过分离区域(33；33a、33b)彼此明显分离的离散区域(32；32a、32b)的序列。读取器(50)包括第一系列检测器(70a‑77a)和第二系列检测器(70b‑77b)，其被配置成感测离散区域(32；32a、32b)和分离区域(33；33a、33b)以检测第一绝对位置码和第二绝对位置码中的至少一者。离散区域(32；32a、32b)的序列以及第一系列检测器(70a‑77a)和第二系列检测器(70b‑77b)以如下方式设置：在读取器(50)相对于数字标尺(20)的每个可能位置处，所述第一系列检测器和第二系列检测器中的至少一者中没有任何检测器与离散区域(32；32a、32b)和分离区域(33；33a、33b)之间的过渡部分对准。位置编码器(10)被配置成选择由没有检测器与所述过渡部分对准的一系列检测器读取的第一绝对位置码或第二绝对位置码。

Description

用于测量仪器的绝对位置编码器
技术领域
本发明涉及一种用于数字测量仪器及其附件的绝对位置编码器，所述绝对位置编码器特别是用于：手持式测量仪器，例如数字滑动卡尺、数字千分尺和比较器；用于便携式测量仪器，例如高度规、测量探针系统和测地系统；以及用于固定测量仪器及其附件，例如坐标测量机、旋转台、旋转轴、铰接探针头和测量探针。测量仪器可以连接测量装置、检查系统或机床，或者是测量装置、检查系统或机床的一部分。
背景技术
提供两个元件之间的相对位置的编码器是数字测量仪器的关键元件。
例如在EP2378252和EP0872712中已知并公开了依赖于具有间隔开恒定节距(pitch)的周期性标记(periodic mark)的数字标尺(scale)的编码器，以提供读取器与标尺之间的相对位置。这些编码器包括具有感测元件的读取器，这些感测元件沿着测量路径彼此间隔开标记节距的一部分，以便提供亚节距(sub-pitch)测量精度。
然而，这些编码器的主要缺点源于以下事实：最大明确位移范围(即，其中可以提供明确的唯一位置的段)受限于两个相邻标记之间的节距。该限制通常是通过组合具有不同节距的附加轨道和/或通过考虑读取器在沿着标尺从标尺的原点(例如，零位置)移动时已经超过(全部)节距的数量来克服。零位置和节距计数器的设定(例如，在编码器供电时)通常需要读取器在标尺的原点处的位移。
被配置成提供始终沿着读取器的位移范围的明确位置的绝对位置编码器也是公知的。例如，US3820110描述了依赖于具有轨道的标尺的绝对位置编码器，该标尺具有布置在相邻轨道上的标记，可以从所述相邻轨道读取唯一数字码，该唯一数字码指示读取器相对于标尺的离散的绝对位置。然而，该编码器的精度与标尺上的标记的尺寸以及标尺上的标记对准严格相关。
与这些方法互补地，CN201225865Y、US5'886'519、US5'939'879和EP1102040描述了依赖于将粗略绝对位置和精细相对位置进行组合的绝对位置转换器的实施方式。该转换器被配置成感测用于提供读取器的粗略绝对位置的唯一码，而相对精细位置是通过感测标尺上的一个或更多个周期性轨道来提供的。在EP1102040的一个实施方式中，绝对位置转换器依赖于通过耦合感测标记的第一轨道和第二轨道的传感器来读取绝对码。这些轨道包含相同的唯一数字码。第二轨道的标记提供由第一轨道提供的数字的相反的数字(inverteddigit)，以增加读取稳健性。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于需要高精度的应用(诸如，尺寸计量测量)的绝对位置编码器。
另一目的是提供一种绝对位置编码器，该绝对位置编码器对由于读取器相对于标尺的不利定位而导致的不精确标记感测更敏感。
根据本发明，这些目的通过一种用于测量仪器或用于测量仪器的附件的绝对位置编码器来实现，该绝对位置编码器包括数字标尺和能够相对于数字标尺移动的读取器。数字标尺沿着读取器的行进方向布置。数字标尺包括至少一个绝对位置轨道，所述至少一个绝对位置轨道具有通过分离区域彼此明显分离的离散区域的序列(在本文档中也称为记号(mark)或标记(marking))，离散区域能够由检测器检测。读取器包括第一系列检测器和第二系列检测器，所述第一系列检测器和第二系列检测器被配置成感测离散区域，以检测第一绝对位置码和第二绝对位置码中的至少一者，每个绝对码表示读取器相对于数字标尺的绝对位置(即，始终沿着数字标尺的唯一的、非重复性的)。离散区域的序列以及第一系列检测器和第二系列检测器以如下方式设置：在读取器相对于数字标尺的每个可能位置处，所述第一系列检测器和第二系列检测器中的至少一者中没有任何检测器与离散区域和分离区域之间的过渡部分对准。位置编码器被配置成选择由没有检测器与所述过渡部分对准的所述系列检测器读取的第一绝对位置码或第二绝对位置码。根据本发明，码可以是以(电)模拟或数字格式(例如，以一个或更多个模拟或数字信号的形式或数字标志或值的形式)表示的任何信息。
在实施方式中，选择第一绝对码或第二绝对码包括：测试由相应的第一系列检测器和第二系列检测器读取的所述第一绝对位置码和第二绝对位置码是否与读取器的公共假定位置一致。
在实施方式中，数字标尺还包括附加轨道，该附加轨道与所述至少一个绝对位置轨道相邻并且沿着所述至少一个绝对位置轨道延伸，该附加轨道能够由读取器检测。特别地，该附加轨道设有能够由读取器的检测器检测的标记。绝对位置编码器被配置成基于从附加轨道得出的码选择绝对位置码。在这样的实施方式中，所得出的码可以有利地表示附加轨道与所述至少一个绝对位置轨道之间的空间或物理信息或关系。
在实施方式中，附加轨道是提供增量位置码的周期性编码轨道(在本文档中也称为增量轨道)，增量位置码表示读取器相对于数字标尺的周期性(或循环)位置。该绝对位置编码器被配置成：
基于所述增量位置码(例如，基于与所述增量位置码相关的周期性位置)、特别是基于增量位置码的内插的相位来选择所述第一绝对位置码或所述第二绝对位置码；并且
提供精确绝对位置码，该精确绝对位置码包括从所选择的第一绝对位置码或第二绝对位置码得出的最高有效部分(most significant part)和从所述增量位置码(例如，从与所述增量位置码相关的周期性位置)、尤其是从内插的相位得出的最低有效部分(leastsignificant part)。有利地，周期性编码轨道设有沿着数字标尺规则地间隔开(例如，恒定节距)的标记，所述标记能够由读取器的检测器检测。
在实施方式中，第一系列检测器和第二系列检测器沿着读取器的行进方向以相等的间隔设置。
在实施方式中，绝对位置编码器的数字标尺包括第一绝对位置轨道和第二绝对位置轨道，第一绝对位置轨道具有离散区域的第一序列以及在所述离散区域之间的分离区域，第二绝对位置轨道具有离散区域的第二序列以及在所述离散区域之间的分离区域。第二序列是沿着读取器的行进方向移位的第一序列的副本，使得第一绝对位置轨道的离散区域相对于第二绝对位置轨道的对应离散区域偏移恒定节距。第一系列检测器中的每个检测器与第二系列检测器中的对应检测器相对于读取器的行进方向横向对准。第一系列检测器被布置成沿着第一绝对位置轨道移动，而第二系列检测器被布置成沿着第二绝对位置轨道移动。
在实施方式中，绝对位置编码器的数字标尺包括唯一绝对位置轨道，该唯一绝对位置轨道包括离散区域以及在离散区域之间的分离区域。第一系列检测器和第二系列检测器分别沿着第一行和第二行设置以检测所述第一绝对位置码和第二绝对位置码中的至少一者，所述第一行和第二行是沿着读取器的行进方向延伸的。
在实施方式中，第一系列检测器中的各个检测器相对于第二系列检测器中的对应检测器沿着读取器的行进方向偏移恒定节距。
在实施方式中，第一系列检测器中的检测器与第二系列检测器中的检测器交错，以形成相应的第一系列检测器和第二系列检测器的相邻检测器对。
在实施方式中，绝对位置编码器被配置成线性位置编码器或角度位置编码器。
在实施方式中，至少一个绝对位置轨道的离散区域与分离区域的不同之处在于以下属性中的一项：光学不透明度、光学反射率、电导率、磁化和磁导率。
本发明的另一方面涉及一种测量仪器或用于测量仪器的附件，所述测量仪器或用于测量仪器的附件包括绝对位置编码器。该测量仪器可以是(数字)手持式测量仪器，诸如(数字)滑动卡尺、(数字)千分尺或(数字)比较器。该测量仪器可以是(数字)便携式测量仪器，例如，高度规、测量探针系统、铰接测量装置或测地系统。该测量系统可以是(数字)固定测量仪器，例如，坐标测量机或系统。用于测量仪器的附件具体可以是旋转台、旋转轴、铰接探针头或勘测柱(survey pole)。
在实施方式中，测量仪器被配置成滑动卡尺，该滑动卡尺包括相对于编码器的数字标尺固定的第一钳口和相对于第一钳口能够滑动并且相对于编码器的读取器固定的第二钳口。绝对位置编码器提供指示第一钳口与第二钳口之间的距离的值。
在实施方式中，测量仪器被配置成(尤其是该测量仪器包括附件，该附件被配置成)勘测柱(survey pole)，该勘测柱包括绝对位置编码器、相对于编码器的数字标尺固定的第一段和相对于第一段能够滑动并且相对于编码器的读取器固定的第二段。该绝对位置编码器提供指示勘测柱的高度的值。
本发明的另一方面涉及一种确定读取器相对于数字标尺沿行进方向的位置的方法。数字标尺包括至少一个绝对位置轨道，所述至少一个绝对位置轨道包括由离散区域以及在所述离散区域之间的分离区域构成的模式，所述模式能够由所述读取器中的多个检测器检测。检测器沿着与读取器的行进方向对准的第一行和第二行设置。该方法包括：从第一行中的检测器确定第一绝对位置码，以及从第二行中的检测器确定第二绝对位置码。离散区域和多个检测器以如下方式设置：在读取器相对于数字标尺的每个可能位置处，第一行和第二行中的至少一者中没有检测器与离散区域和分离区域之间的过渡部分对准。该方法还包括：选择由没有检测器与所述过渡部分对准的行提供的绝对位置码。
在实施方式中，选择绝对位置码包括：测试第一绝对码和第二绝对码是否与读取器的公共假定位置一致。
在实施方式中，所述测试包括：将由所述第一绝对位置码给出的位置视为假定位置；使用所述假定位置来确立所述第二行的哪些检测器不面向所述数字标尺的过渡部分；在给定所述假定位置的情况下确定所述第二绝对位置码的位的预期值；以及将所述预期值与能够从不面向过渡部分的检测器得出的所述第二绝对位置码的对应位的值进行比较。
在实施方式中，该方法包括：从数字标尺上的周期性编码轨道确定增量位置码；内插增量位置码的相位值；使用内插的相位来选择绝对位置码；以及提供精确绝对位置码，该精确绝对位置码包括从所选择的绝对位置码得出的最高有效部分和从内插的相位得出的最低有效部分。
附图说明
本发明的示例性实施方式是在说明书中公开的并且由附图例示，其中：
-图1是根据实施方式的绝对位置编码器的示意图；
-图2和图3分别是图1的绝对位置编码器的读取器和数字标尺的示意图；
-图4示意性地示出了用于图3的数字标尺的标尺分度内的精细位置确定的正弦信号生成；
-图5示意性地示出了通过图1的绝对位置编码器的第一绝对位置码与第二绝对位置码之间的选择；
-图6a至图6d示意性地示出了在读取器沿着图1的绝对位置编码器的数字标尺的不同位置处的第一绝对位置轨道和第二绝对位置轨道的感测序列；
-图7是根据另一实施方式的绝对位置编码器的数字标尺的示意图；
-图8和图9分别是根据另一实施方式的绝对位置编码器的读取器和数字标尺的示意图；
-图10和图11分别是根据另一实施方式的绝对位置编码器的读取器和数字标尺的示意图；
-图12是根据另一实施方式的角绝对位置编码器的示意图；
-图13是根据任何上述实施方式的提供读取器相对于绝对位置编码器的轨道的可靠绝对位置的方法的框图；
-图14是根据另一实施方式的绝对位置编码器的示意图；
-图15是根据另一实施方式的绝对位置编码器的读取器的检测器和数字标尺的示意图；
-图16是根据另一实施方式的绝对位置编码器的读取器的检测器和数字标尺的示意图；
-图17是提供读取器相对于绝对编码器的数字标尺的可靠绝对位置的方法的框图；
-图18示出了包括根据本发明的绝对位置编码器的滑动卡尺；以及
-图19和图20示出了绝对位置编码器的其他示例性使用，尤其是用于大地测量或勘测。
具体实施方式
图1至图3示出了用于测量仪器(尤其是用于尺寸计量测量仪)或其附件的绝对位置编码器10，该绝对位置编码器10的线性精度大于(即，不精确度(inaccuracy)小于)50μm，优选大于10μm。绝对位置编码器10包括数字标尺20和读取器50，读取器50能够沿着测量路径2相对于数字标尺20移动。读取器50被配置成通过读取第一绝对位置码和第二绝对位置码来感测第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b，以提供读取器50沿着测量路径2相对于数字标尺20的绝对位置。
数字标尺20还包括增量轨道40，增量轨道40用于提供读取器50沿着第一绝对位置轨道30a在标尺分度(division)34、35、36的分度内的位置，所述第一绝对位置轨道30a是沿着测量路径延伸的。通常，各个标尺分度34、35、36的尺寸是沿着测量路径确定的，以便对应于最大位移范围(例如，节距P)，在该最大位移范围中，增量轨道40可以提供明确(unambiguous)位置38，如图5所示。
标尺分度34、35、36可以沿着测量路径定位，使得每个分度的一个边37a对应于相邻分度的一个边37b，如图3所示。在未例示的变型中，每个标尺分度可以沿着测量路径彼此间隔开，其中在相邻分度之间具有空闲空间。优选地，每个标尺分度34、35、36沿着测量路径延伸相同的空间扩展部分T。空间扩展部分T可以尤其是如图1至图6的实施方式所示的线性的空间扩展部分，或是根据变型的弯曲的或有角度的空间扩展部分。
增量轨道40包括沿着测量路径彼此间隔开的多个周期性标记42、44、46，以用于在这些标尺分度34、35、36中的每一者内提供这样的精确位置38(在本文中也称为周期性位置)。特别地，周期性标记42、44、46可以沿着测量路径以节距P规则地彼此间隔开。节距P基本上对应于第一绝对位置轨道30a的标尺分度的空间扩展部分T、空间扩展部分T的倍数或空间扩展部分T的一部分。节距P可以尤其是线性的、圆弧的或角度的节距。然而，根据变型，周期性标记可以沿着测量路径以非规则节距彼此间隔开。非规则节距可以取决于例如周期性标记沿测量路径的位置，例如递增、递减、对数、指数或多项式节距(polynomial pitch)，或其组合。
标尺分度还可以沿着测量路径延伸非规则空间扩展部分T，该非规则空间扩展部分可以是例如沿着测量路径的标尺分度的节距和/或位置的函数，例如递增、递减、对数、指数或多项式空间扩展部分，或其组合。节距P和空间扩展部分T是根据测量路径的(局部)形状而有利地成形的。
读取器50包括具有多个检测器90-97的增量感测单元80。每个检测器被配置成感测增量轨道40的周期性标记42、44、46，以便得出增量位置码。在图1至图6所示的实施方式中，增量感测单元80的检测器沿着测量路径被相移了节距P的一部分，以便生成具有对应于如图4所示的节距P的周期的正弦信号(ucos,usin)。这些正弦信号之间的关系(通常基于tan-1或arctan-1)可以在节距P内(然后是在对应的标尺分度34、35、36内)提供所述唯一的相对位置38，如本领域所公知的。
有利地，读取器50和数字标尺20可以被配置成使得每个标尺分度34、35、36的边37a、37b与这样的相移正弦信号中的一者的零交叉(zero-cross)对准(参见图4)。
如图所示，检测器90-97被有利地分组为四对感测元件，以用于减少不相关的感测误差，同时补偿公共的感测误差。这些组彼此相移P/4。这导致四个正弦信号(ucos (+),ucos (-),usin (+),usin (-))彼此相移P/4、P/2和3P/4(通常表示为90°-、180°-和270°-相移信号)。这些正弦信号的感测值(即增量位置码)之间的关系确定在节距P内(然后是在对应的标尺分度34、35、36内)的相对位置38。读取器可以被配置成例如通过应用(增量)轨道的线性和多项式校正来校正相对位置。
第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b中的每一者包括离散区域32a、32b以及限定在两个离散区域之间延伸的区域的分离区域33a、33b。这些可以根据随后描述的不同实施方式而变化的离散区域和分离区域的组合在下文中被称为绝对标记。这些区域与增量轨道40相关联，以用于提供编码器的当前位置的粗略绝对位置，即，唯一地标识或确定读取器50(当前)定位在第一绝对位置轨道30a的标尺分度34、35、36中的哪个标尺分度上。数字标尺20的第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b可以由读取器50的设有感测元件70a-77a的第一绝对感测单元60a和设有感测元件70b-77b的第二绝对感测单元60b来感测。因此，编码器10可以根据通过感测增量轨道40提供的精确相对位置38(图4)以及所感测到的标尺分度34、35、36(与所感测到的标尺分度34、35、36相关联的绝对基准)(即，第一绝对位置)来提供读取器相对于标尺的绝对位置39(图6a至图6b)。有利地，绝对位置39可以通过将精确相对位置38和与第一绝对位置轨道30a中的所感测到的标尺分度34、35、36相关联的绝对基准相加(或从与第一绝对位置轨道30a中的所感测到的标尺分度34、35、36相关联的绝对基准减去精确相对位置38)来提供，即，第一绝对位置优选地对应于标尺分度34-36的相反边37a、37b中的一者。
每个标尺分度34至36功效的确定依赖于布置第一绝对轨道30a的绝对标记，使得读取器50可以沿着测量路径感测第一多个唯一标识符(A50、A51)，每个唯一标识符是不同的并且取决于沿测量路径的读取器与数字标尺之间的位置关系。
可以在沿着测量路径的第一多个唯一标识符内提供唯一标识符，即，每个唯一标识符作为序列的一部分恰好出现一次，每个码的一部分与相邻码的一部分部分地交叠。另选地，第一多个唯一标识符可以在沿着测量路径的一系列并置(即，并排放置而没有交叠)的标识符内提供。
如图所示，第一绝对轨道30a的绝对标记可以沿着测量路径2布置。另选地或补充地，多组绝对标记可以被分组(例如，界定或对准)到相对于测量路径2垂直或倾斜取向的轨道中。
有利地，第一多个唯一标识符可以对应于第一多个数字码，每个数字码是唯一的并且被指派给第一绝对位置轨道30a的标尺分度34至36中的一者。数字码可以是具有离散的、不连续的表示的任何码(尤其是能够由计算机(例如，借助于处理器或控制器)或其等同物(例如，微处理器、FPGA或ASIC)处理的)。优选地，数字码是具有多个数字的二进制码，优选是具有N个数字，其中N＝3、4、5或大于5，以便提供第一绝对位置轨道30a的N2个不同标尺分度的唯一标识。
第一多个数字码可以依赖于格雷编码来限制两个相邻数字码之间的不同位的数量。这种编码在个体码是沿着相对于测量路径的垂直或倾斜(虚拟)轴线(例如，在相对于测量路径垂直或倾斜取向的码的并置的情况下)被感测的情况下是特别有利的。
另选地，第一多个数字码可以依赖于或对应于(完全地或部分地)DeBruijn序列，其中每个可能的码作为序列的一部分恰好出现一次。该编码最佳地使得能够实现沿着测量路径感测(连续的)码序列，该测量路径尤其是线性的、圆形的或甚至是(环形/圆盘形形状的)圆形路径。
在图1至图6所示的实施方式中，第一多个唯一标识符采用连续的数字码的序列的形式，每个数字码AN是唯一的并且被指派给第一绝对位置轨道30a的标尺分度34至36中的一者，如上所述。
如图6a至图6b中所示，第一多个数字码A50、A51可以是具有N个数字的二进制码，N＝9提供多达512个不同标尺分度的唯一标识。每个数字码(A50、A51)中的每个数字有利地由读取器的第一绝对感测单元60a的一个检测器70a-77a提供。
在图1至图6所示的实施方式中，第一多个数字码依赖于DeBruijn序列(的一部分)，以便能够实现沿着测量路径的连续的码序列。每个数字码是取决于读取器50沿着测量路径相对于数字标尺20的相对位置而从这样的序列中提取(感测)的。第一多个数字码同样可以用于线性的以及角测量仪器(参见图12)，即沿着线性测量路径甚至是角测量仪器的(环形/圆盘形形状的)圆形测量路径。
图6a至图6b示意性地示出了当读取器50相对于数字标尺20从第一相对位置相对移动到第二相对位置时的对第一绝对位置码(以作为第一多个数字码的一部分的数字码的形式)的感测。读取器的第一位置处于第一绝对位置轨道30a的第一标尺分度34的中心部分内(即，居中)，并且读取器的第二位置处于第一绝对位置轨道的第二标尺分度35的中心部分内(即，居中)。在该实施方式中，第二标尺分度35与第一标尺分度34相邻。
图6a示意性地示出了当读取器在第一标尺分度34中相对居中时对第一多个数字码中的数字码的感测，读取器的位置由箭头39示意性地指示。在此空间关系中，第一绝对感测单元60a的检测器70a-77a感测位于每个检测器的感测容积中的第一绝对标记32a、33a的子集，以便提供在码A50＝100100001中离散化的(个体)信号。该码A50提供该第一标尺分度34的唯一标识。
因此，读取器50的绝对位置39可以通过将通过感测增量轨道40提供的精确相对位置以及与第一绝对位置轨道30a的第一标尺分度34相关联的绝对基准进行相加或数学组合来确定。绝对基准在该实施方式中对应于所述第一标尺分度34的(较低值)边37a。
图6b示意性地示出了当读取器50相对于该第一标尺分度34的中心稍微移位时对第一多个数字码中的数字码的感测。即使第一绝对位置轨道30a的第一绝对标记的离散区域32a的整个子集没有完全位于每个检测器的感测容积中，但所提供的个体信号仍然提供指派给第一标尺分度34的码A50的离散化。读取器的绝对位置39仍然可以通过将通过感测增量轨道40提供的当前精确相对位置以及与第一标尺分度34相关联的绝对基准(即，第一绝对位置)进行相加来确定。
图6c示意性地示出了当读取器50接近两个相邻标尺分度34、35之间的中间位置时对第一多个数字码中的数字码的感测，即读取器50相对地定位在(第一)标尺分度的(右)周边部分内。换句话说，读取器50的第一系列检测器70a至77a中的一些检测器与分离区域和离散区域32a、33a之间的过渡部分对准。在该周边部分中，随着数字码从第一码变为第二码，绝对标记的一些离散区域32a(基本上)位于第一绝对感测单元的一些检测器(即，检测器70a、76a)的感测容积的一半。所提供的信号的离散化可以导致不可靠的区别数字码AX51，其瞬时数字可能是不确定的甚至被错误地区分。因此，不能可靠地确定读取器的绝对位置39，因为与感测到的标尺分度AX51相关联的绝对基准(即，第一绝对位置)可能是不稳定的甚至是错误的。读取器的该位置是所述不利位置的部分。
图6d示意性地示出了当读取器相对地定位在另一个标尺分度35的中心部分内时对第一多个数字码中的数字码的感测。没有任何检测器70a至77a与分离区域和离散区域32a、33a之间的过渡部分对准。在该空间关系中，绝对标记的新子集完全位于第一绝对感测单元的检测器的每个感测容积中，以便提供每个瞬时数字的(正确的)离散化。这种离散化导致明确标识了第二标尺分度35的新码A51＝001000011。仍然可以通过将当前精确相对位置以及与第二标尺分度35相关联的绝对基准37b进行相加来确定读取器的绝对位置39。
为了在两个相邻标尺分度34、35之间的中间位置提供稳健性，读取器的感测元件和数字标尺还被配置成针对读取器39的同一定位提供第二绝对位置码，该第二绝对位置码尤其表示与第一绝对位置不同的第二绝对位置，以便在读取器的该不利定位中提供可靠的位置。在该实施方式中，数字标尺还被配置成允许读取器感测第二位置码(尤其是以多个唯一标识符B50、B51中的一者的形式)。每个唯一标识符被指派给每个标尺分度的周边部分T2a、T2b(图5)，特别是两个相邻标尺分度的左周边部分和右周边部分。在编码器的这些中间位置中，可以通过将与第二绝对位置轨道30b中的所感测到的交叠的标尺分度34'、35'、36'相关联的绝对基准(即，第二绝对位置)与精确相对位置38进行数学组合(例如，相加或相减)来提供绝对位置39。第二绝对位置优选地对应于所感测到的交叠的标尺分度34'至36'的边37a'、37b'、37c'中的一者(较低者或较高者)，或对应于所感测到的交叠的标尺分度的中心位置。
特别地，第二多个标识符中的每个唯一标识符可以被指派给多个交叠的标尺分度34'至36'中的每一者，所述交叠的标尺分度被指派给增量轨道40和/或第一绝对位置轨道30b的标尺分度34至36。
因此，在沿着测量路径的数字标尺的第二绝对位置轨道30b上提供多个交叠的标尺分度，每个交叠的标尺分度34'在空间上与第一绝对位置轨道30a的两个相邻标尺分度34、35(两者)(参见图1和图3)的(相邻)部分31a、31b交叠。有利地，每个交叠的标尺分度包括两个相邻标尺分度的(两个)相邻周边部分，尤其是标尺分度的(位于右侧的)周边部分和(右边的)相邻标尺分度的(左)周边部分。数字标尺的第二绝对位置轨道30b被配置成使得读取器能够感测第二多个标识符中的唯一标识符B60、B61(尤其是被指派给这些交叠的标尺分度34'-36'中的每一者的)。
因此，交叠的标尺分度的使用提供了第一绝对位置轨道30a的标尺分度34至36的周边部分中的绝对位置检测，其中，第一多个标识符中的唯一标识符必须从第一值改变为第二值，从而构成第一绝对位置很可能/可能是不可靠的读取器的不利定位。
根据节距P(的形状)和/或第一绝对位置轨道的标尺分度(的形状)和/或测量路径的(局部)形状来使交叠的标尺分度成形。每个交叠的标尺分度尤其可以是沿着测量路径的线性的、曲线的或有角度的形状。
与第一绝对位置轨道的标尺分度类似，第二绝对位置轨道的交叠的标尺分度的唯一标识被布置成使得读取器可以沿着测量路径感测多个唯一标识符B60、B61，根据第二绝对位置轨道30b的标尺分度34'至36'，各个中间的唯一标识符是不同的(即，唯一的)并且取决于沿测量路径的读取器与标尺之间的位置关系。
该实施方式使得，由于离散区域序列32；32a、32b与第一系列检测器70a-77a和第二系列检测器70b-77b之间的特定相对布置结构，使得在读取器50相对于数字标尺的每个可能位置处，第一系列检测器和第二系列检测器中的至少一者中没有任何检测器与离散区域32；32a、32b和分离区域33；33a、33b之间的过渡部分对准。
对第一多个标识符和第二多个标识符的唯一标识符的感测可以依赖于包括离散区域32c以及离散区域之间的分离区域33c的唯一绝对位置轨道30(如在图10至图11的实施方式中所示)，依赖于在第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b上提供的第一绝对标记和第二绝对标记(如根据图1至图6的实施方式)，或依赖于其组合(未示出)。
交叠的标尺分度34'-36'可以沿着测量路径间隔开。另选地，交叠的标尺分度可以(基本上)沿着测量路径一个接一个地(即，没有交叠并且在分度之间没有空闲空间)定位，使得一个交叠的标尺分度的边基本上对应于相邻的交叠的标尺分度的边。
有利地，各个交叠的标尺分度34'-36'可以(基本上)在沿着测量路径的两个相邻的主标尺分度之间居中(即，与两个相邻的主标尺分度之间的中间位置和/或公共边37a、37b对应)，以便在离散区域与分离区域之间的各个过渡部分中提供更稳健的绝对位置检测。
另选地或互补地，每个交叠的标尺分度34'至36'沿着测量路径延伸主标尺分度34-36的相同空间扩展部分T。
编码器10的读取器50可以包括具有多个检测器70b至77b的第二绝对感测单元60b(例如在图1至图2中示出的)，以用于感测离散区域32b以及离散区域之间的分离区域33b。
如上所述，可以与第一多个标识符的唯一标识符类似地在技术上启用第二多个标识符的唯一标识符。
可以沿着测量路径提供第二多个标识符中的唯一标识符，即，所述第二多个标识符中的每个唯一标识符作为序列的一部分恰好出现一次。另选地，唯一标识符是沿着测量路径的一系列并置的标识符(即并排放置而没有交叠)的形式。
第二多个唯一标识符可以对应于第二多个数字码，这些第二多个数字码中的每一者是唯一的并且被指派给所述交叠的标尺分度中的一者。类似地，第二多个数字码中的数字码可以是具有离散的、不连续的表示的任何码(尤其是能够由计算机(例如，通过处理器或控制器)或其等同物(例如，微处理器、FPGA或ASIC)处理的)。优选地，第二多个数字码是具有多个数字的二进制码，优选地具有N个数字，其中N＝3、4、5或大于5，以便提供N2个不同的交叠的标尺分度的唯一标识。更优选地，第二多个数字码具有与第一多个数字码相同的表示。
与第一多个数字码类似地，第二多个数字码可以依赖于格雷编码来限制两个相邻数字码之间的不同位的数量，或者可以(完全或部分地)依赖于或对应于DeBrujin序列。
在图1至图6所示的实施方式中，第二多个唯一标识符采用(连续的)数字码的序列(B60、B61)的形式，第二多个数字码BN中的每一者都是唯一的并且被指派给所述交叠的标尺分度34至36中的一者，如上所述。第二多个数字码是具有N个数字的二进制码，N＝9，从而提供多达512个不同的标尺分度的唯一标识。第二多个数字码依赖于DeBruijn序列(的一部分)，以便能够实现沿着测量路径的连续的码序列，每个数字码是取决于读取器相对于标尺的相对位置而从这样的序列中提取(感测)的。在图1至图6所示的实施方式中，第二多个数字码具有与第一多个数字码相同的数字表示并且依赖于相同的码生成，即，这些码(及其绝对标记)是相关的，如在图3中特别示出的。
另选地，交叠的标尺区域的标识可以依赖于具有其他数字表示的第二多个唯一标识符，所述其他数字表示与第一多个唯一标识符的数字表示相关或不相关。在图7所示的实施方式中，数字标尺20包括第二绝对位置轨道30b，该第二绝对位置轨道设有离散区域32b和分离区域33c，该离散区域和分离区域被布置成对应于第一多个数字码的二进制反码(binary inverse code)。
在图1至图6中，第二绝对位置轨道30b的交叠的标尺分度34'-36'相对于第一绝对位置轨道30a的标尺分度34-36沿着测量路径在空间上移位空间周期T/2(对应于第一标尺分度的空间扩展部分T的一半)。换句话说，第二绝对位置轨道30b的每个标尺分度基本上沿着测量路径相对于第一绝对位置轨道30a的两个相邻标尺分度居中。第二绝对位置轨道30b的标记相对于第一绝对位置轨道30a的标记向左移位，但是根据另一实施方式也可以向右移位。
另选地，如图8至图9所示，数字标尺20可以包括第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b。第一绝对位置轨道30a的绝对标记32a、33a与第二绝对位置的绝对标记32b、33b相同(或根据未示出的变型是反转的)。第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b沿着测量路径对准。在该实施方式中，图8的读取器50包括具有第一系列检测器70a-77a的第一绝对感测单元60a以及具有第二系列检测器70b-70b的第二绝对感测单元60b。第一绝对感测单元60a的每个检测器从第二绝对感测单元60b的对应检测器偏移空间周期T/2。
作为图8至图9的实施方式的另选方案，数字标尺20可以包括单个绝对位置轨道30，该单个绝对位置轨道30具有相同和对准的绝对标记32、33，如图11所示。为了提供第一唯一标识符和第二唯一标识符两者，图10的读取器50包括沿着读取器的行进方向延伸的两个相邻的绝对感测单元60a、60b。对于图8至图9的实施方式，第一绝对感测单元60a的每个检测器从第二绝对感测单元60b的对应检测器偏移空间周期T/2。
上述实施方式能够实现对读取器50在其相对于数字标尺20的每个可能位置处的绝对位置39的稳健检测。这些实施方式依赖于数字标尺20，该数字标尺20包括：增量轨道40，该增量轨道40用于提供读取器50在第一绝对位置轨道30a上的一系列标尺分度34-36的标尺分度内的相对位置38。读取器可以单独读取第一多个唯一标识符A50、A51和第二多个唯一标识符B60、B61中的每一者。第一多个标识符A50、A51中的每一者被指派给第一绝对位置轨道30a的标尺分度的(中心)部分，而第二多个标识符B50、B51中的每一者被指派给标尺分度的另一部分、尤其是标尺分度的(右或左)周边部分。优选地，第二多个标识符中的每一者被指派给交叠的标尺分度，所述交叠的标尺分度(连续地)包括第一绝对位置轨道30a的两个相邻标尺分度的相邻周边部分。
关于图1至图6的实施方式，图6a至图6d示意性地示出了第二绝对位置轨道30b的标尺分度34'-36'在感测读取器50的绝对粗略位置方面的稳健效果。
当读取器50的第一绝对感测单元的检测器70a相对地定位在第一绝对位置轨道30a的两个相邻标尺分度34、35之间的过渡部分区域中(即，在周边部分中)时，读取器50的第二绝对感测单元的检测器70b然后相对地位于第二绝对位置轨道30b的交叠的标尺分度35'(例如，在其中心部分中)的边37b'、37c'内(尤其是居中)，如图6c所示。与不可靠的区别主数字码AX51相反，因为检测器70b-77c中没有任何检测器与离散区域32a和分离区域33a之间的过渡部分对准，所以中间数字码B61可以被可靠地区分并且允许明确标识相关的交叠的标尺分度35'。
根据本发明，第一绝对位置轨道30a或唯一绝对位置轨道30的标尺分度的中心部分是标尺分度的一部分，其中，唯一标识符能够被读取器明确区分，例如，提供唯一标识符的绝对标记(沿着读取器的行进方向)相对地位于读取器的检测器的感测容积中、完全下至感测容积的90％(即，等于或大于90％)、优选下至感测容积的75％(即，等于或大于75％)。
根据本发明，标尺分度的(左和右)周边部分是标尺分度的一部分，其中，第一唯一标识符能够被读取器含糊地区分，例如，提供第一唯一标识符的绝对标记(沿着读取器的行进方向)相对地位于读取器的检测器的感测容积(小于60％，优选地小于75％)中。
因此，编码器10可以根据通过感测增量轨道40提供的精确相对位置38和标尺分度34'-36'(与标尺分度34'-36'相关联的绝对基准)来提供读取器50相对于标尺的绝对位置39。与第二绝对位置轨道30b的标尺分度相关联的绝对基准可以对应于第二绝对位置轨道30b的感测的标尺分度34'-36'的(较低值或较高值)边37a'、37b'、37c'。另选地，取决于通过感测增量轨道40提供的精确相对位置38，与标尺分度相关联的绝对基准可以选择性地对应于交叠的标尺分度34-36中的一者的(较低值或较高值)边37a、37b、37c，尤其是对应于交叠的边。
与第一多个数字码类似地，第二多个数字码也受到与码过渡部分(例如，交叠的标尺分度的周边部分)对应的边效应的影响。然而，这些过渡部分与第一多个数字码的过渡部分是不对准的，如图6a和图6d所示(例如，Bx61、Bx62)。
因此，第二绝对位置轨道30b的交叠的标尺分度34'-36'(每个交叠的标尺分度与第一绝对位置轨道30a的两个相邻标尺分度34-35(即，两者)(尤其是其周边部分)中的每一者的一部分31a、31b交叠)的使用提供了标尺分度的关键空间(即，周边)区域中的绝对位置检测，该关键区域对应于(感测到的)第一多个唯一标识符的过渡部分区域。
由于交叠的标尺分度的中间区与第一绝对位置轨道30a的标尺分度的中间区(的边)不对准，即，第一绝对位置轨道30a的标尺分度的周边部分与交叠的标尺分度的周边部分不对准(优选是不交叠)，所以编码器10可以通过使用第一多个唯一标识符和第二多个唯一标识符始终沿着读取器的行进方向提供更稳健的检测，所述第一多个唯一标识符和第二多个唯一标识符是通过读取器50的相应的第一绝对感测单元60a和第二绝对感测单元60b感测第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b两者的标记而获得的。
读取器50被配置成依据(根据)通过感测增量轨道40提供的相对位置(如图5所示)来选择第一唯一标识符和第二唯一标识符中的一者以确定读取器50的绝对位置39，以便使用可靠的(第一或第二)绝对位置。
在获知第一绝对位置轨道30的标尺分度相对于增量轨道40的(过渡)区域的相对位置的情况下，编码器10依赖于第一绝对位置或第二绝对位置的位置(经由第一唯一标识符和/或第二唯一标识符)，这取决于所感测的增量轨道，尤其是通过确定第一绝对位置轨道30a的标尺分度内的相对位置。如果相对位置接近可影响通过感测第一绝对位置轨道而获得的唯一标识符的可靠性的过渡部分的一部分或在该部分内(即，编码器估计检测器70a-77a中的一些检测器与分离区域和离散区域之间的过渡部分可能对准)，则读取器可以决定依赖于第二唯一标识符而非第一唯一标识符。
在图5的示例性图示中，(空间扩展部分T等于节距P的)每个标尺分度可以被分割在四个不同的象限中。每个象限可以由读取器在第一绝对位置轨道30a的标尺分度内的相对位置唯一地标识。另选地或互补地，每个象限可以由读取器的增量感测单元80的一系列检测器90-97通过感测增量轨道40提供的图4的(未偏置)四个正弦信号的符号唯一地标识。因此，可以将第一唯一标识符指派给这些象限的子集(例如，图5的第二象限和第三象限)，而可以将第二唯一标识符指派给剩余子集(例如，图5的第一象限和第四象限)。特别地，第一绝对位置轨道30a的标尺分度的中心部分T1可以被定义为对应于第2象限和第3象限，而(左)周边部分T2a对应于第1象限并且(右)周边部分T2b对应于第4象限。
通过由增量感测单元80(尤其是经由感测的相对位置)感测增量轨道40并且通过获知增量轨道与第一绝对位置轨道和第二绝对位置轨道之间的空间关系(尤其是其过渡部分之间的空间关系)，编码器可以针对读取器的当前位置估计第一系列检测器70a-77a中是否没有任何检测器与离散区域和分离区域之间的过渡部分对准和/或第二系列检测器70b-77b中是否没有任何检测器与离散区域和分离区域之间的过渡部分对准。取决于估计结果，编码器可以分别选择由第一绝对位置轨道和第二绝对位置轨道提供的第一绝对位置码或第二绝对位置码。
有利地，读取器和标记布置结构可以被配置成允许与感测一个或更多个第一唯一标识符分开地感测一个或更多个第二唯一标识符(反之亦然)。这允许读取器选择用于确定标识符的第一唯一标识符或第二唯一标识符，尤其是根据通过感测增量轨道提供的所确定的(或预测的)相对位置。有利地，第一绝对位置和第二绝对位置可以同时(即，同一时间，即在小于0.1s的时间跨度内，优选是小于10ms)提供。
图12的绝对位置编码器10被用于提供读取器50相对于圆形或圆弧轨道的绝对位置。轨道包括增量轨道40、第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b。第二绝对位置轨道可以沿着圆形(圆盘形形状或环形形状的)路径位于(圆盘形形状的)标尺20上，以用于提供读取器的角绝对位置。该角度可以是凹的或凸的。读取器包括：感测相应的第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b的第一绝对位置感测单元60a和第二绝对位置感测单元60b；以及用于感测增量轨道40的增量感测单元80。
因此，绝对位置编码器10能够实现用于提供读取器50相对于数字标尺20的绝对位置的方法。
绝对位置编码器10可以被配置成感应地感测标记布置结构的至少一个子集。绝对标记和/或周期性标记因此可以是传导的和/或可渗透的元件，而读取器50可以包括用于感应地感测绝对标记和/或周期性标记的电感或涡流感测单元60a、60b、80。
另选地或互补地，读取器可以被配置成电容性地和/或磁性地和/或光学地感测标记布置结构和/或周期性标记的至少一个(或另一)子集，所述标记布置结构和/或周期性标记的所述子集能够实现电容性和/或电阻性和/或磁性和/或光学感测。
参考图13，该方法包括第一步骤S1，第一步骤S1涉及由读取器50对数字标尺20的增量轨道40进行感测。
该方法包括第二步骤S2，该第二步骤S2涉及借助于所感测的增量轨道来确定或预测读取器50在至少一个绝对位置轨道30；30a、30b的标尺分度34-36中的一者内(例如，第一绝对位置轨道的标尺分度34-36中的一者内)的相对位置38。换句话说，对于读取器50相对于数字标尺20的当前位置，如果第一系列检测器和/或第二系列检测器中没有任何检测器与离散区域32；32a、32b和分离区域33；33a、33b之间的过渡部分对准，则第二步骤S2涉及基于感测到的增量轨道40(尤其是基于所确定/预测的相对位置)的估计。
第三步骤S3包括选择第一数字码AN(S4)或第二数字码BN(S5)，所述第一数字码AN(S4)或第二数字码BN(S5)是根据所确定或预测的读取器50的相对位置38通过感测第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b两者上的标记来提供的。换句话说，第三步骤S3涉及基于第一系列检测器或第二系列检测器中没有任何检测器与过渡部分对准的估计来选择第一绝对位置码或第二绝对位置码。
确定读取器的相对位置38的步骤可以包括检测第一绝对位置轨道30a的标尺分度的中心部分内和/或(左和/或右)周边部分内的所确定或预测的相对位置38。第一数字码AN或第二数字码BN的选择可以是所检测的第一绝对位置轨道30a的标尺分度的中心和/或周边部分的函数(function)。
步骤S6包括根据所感测的相对位置38和所确定的数字码AN、BN提供读取器的绝对位置39。提供读取器的绝对位置39的步骤还可以包括例如通过应用线性和多项式校正来校正相对位置。
绝对位置编码器10和该方法可以有利地在测量仪器和/或其附件中实现和启用，尤其是用于尺寸计量(即，量化一个或更多个物理大小或距给定对象的距离)。更具体地，绝对位置编码器10和该方法可以有利地在测量仪器和/或其附件中实现和启用，尤其是提供以下度量特征中的一个或更多个：对象的线性尺寸、厚度、半径、内径或外径；或对象的表面的坐标、粗糙度或表面光洁度。测量仪器可以是手持式测量仪器(例如，数字滑动卡尺、数字千分尺)或便携式测量仪器(例如，高度规、测量探针)。测量仪器还可以是固定测量仪器，诸如，坐标测量机(CMM)或测量机器人(其设有花岗岩(或基准)台，在该花岗岩(或基准)台上必须放置对象以进行测量)(例如，桥接CMM)。附件可以是用于取向(非接触式或接触式)探针(特别是相对于测量仪器的移动或固定部分或部件)的旋转台、旋转轴或铰接探头。测量仪器可以连接到测量装置、检查系统或机床，或者是测量装置、检查系统或机床的一部分。
编码器10还可以包括多于一个读取器，即多个读取器，每个读取器能够相对于(同一)标尺单独地移动(尤其是沿着读取器的行进方向)，例如用于提供测量仪器的多个移动部件的位置。
编码器能够在其上移动的标尺的表面不仅可以是(基本上)平面的，而且可以是非平面的，例如弯曲的或圆弧的。
有利地，绝对位置编码器可以包括电子电路140(参见图18)，电子电路被配置成提供读取器沿着测量路径相对于标尺的位置39，尤其是提供其数字表示。电子电路140可以是读取器的一部分。
电子电路可以包括可编程电子电路(诸如，微型计算机、微控制器或FPGA)或专用电子电路(例如，ASIC或离散元件电路)。
图14示出了针对不太准确的应用的绝对位置编码器10的另一实施方式。绝对位置编码器10包括具有第一感测单元60a和第二感测单元60b的读取器50，该第一感测单元和第二感测单元被配置成感测数字标尺20的相应的第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b的相应的离散区域32a、32b和分离区域33a、33b。第一绝对位置轨道30a和第二绝对位置轨道30b沿着读取器50的行进方向彼此相邻地延伸，以便提供第一绝对位置和第二绝对位置。该绝对位置编码器10没有任何增量轨道，因为它被设计用于不太精确的应用。
因此，即使读取器处于不利位置中，图14的绝对位置编码器10也能够提供读取器50(图6a至图6d)的位置39，因为它总是可以支配由第一绝对位置轨道30a和/或第二绝对位置轨道30b提供的至少一个稳健的绝对位置。
在图15中示意性地示出的另一实施方式中，绝对位置编码器包括数字标尺20，该数字标尺20具有由离散区域32和离散区域32之间的分离区域33构成的单个标记。读取器包括第一系列检测器70a-77a和第二系列检测器70b-77b。第一系列检测器和第二系列检测器沿着读取器的行进方向延伸并且彼此相邻。第一系列检测器70a-77a中的每个检测器的位置相对于第二系列检测器70a-77a中的对应检测器沿着读取器的行进方向偏移。该偏移可以例如对应于感测区域沿行进方向的一半。位置编码器被配置成选择由一系列检测器读取的第一绝对位置码或第二绝对位置码，在所述一系列检测器中没有检测器与数字标尺20的离散区域32与分离区域33之间的过渡部分对准。
在图16中示意性示出的另一实施方式中，绝对位置编码器包括数字标尺20，该数字标尺20具有由离散区域32和离散区域32之间的过渡部分区域33构成的单个标记。读取器包括第一系列检测器70a-77a和第二系列检测器70b-77b。第一系列检测器70a-77a中的检测器与第二系列检测器70b-77b中的检测器交错，以形成相邻检测器对70a-70b、71a-71b、72a-72b、73a-73b、74a-74b、75a-75b、76a-76b、77a-77b。位置编码器被配置成选择由一系列检测器读取的第一绝对位置码或第二绝对位置码，在所述一系列检测器中没有检测器与数字标尺20的离散区域32和分离区域33之间的过渡部分对准。
有利地，绝对位置编码器10可以被配置成分别估计或确定第一绝对位置和/或第二绝对位置的可靠性和/或不可靠性，以便确保读取器的更可靠的位置。可靠性和/或不可靠性的估计或确定可以基于(例如，以下的验证)：第一绝对位置与第二绝对位置之间的给定空间关系。实际上，如果第一绝对位置和第二绝对位置与相邻的绝对位置相关，则第一绝对位置(甚至第二绝对位置)可以被估计为可靠的。绝对位置编码器10因此可以估计/确定读取器可能位于两个分度的中心之间的中间区中。因此，读取器位置39可以依赖于第一绝对位置。另选地或互补地，读取器位置39可以依赖于第二绝对位置。
另选地或互补地，绝对位置编码器10可以被配置成基于(例如，以下的验证)：数字表示的给定数字模式或与第一绝对位置和/或第二绝对位置相关的数字表示(例如，第一唯一数字标识符和第二唯一数字标识符)之间的关系来估计或确定可靠性和/或不可靠性。
如图17所示，在上述估计/确定失败的情况下，绝对位置编码器10可以被配置成估计或确定读取器是否相对于第二绝对位置是不利位置，即(感测到的)第二绝对位置是不正确的(因为其一个或更多个检测器与过渡部分对准)。这种情况类似于图6a所示的情况。可以通过检查第二位置所依赖的数字表示是否呈现给定模式来验证该空间情况。该模式可以对应于在空间上与第一绝对位置相关的两个相邻的唯一数字标识符(即，其交叠的标尺分度与由第一绝对位置指示/链接的主标尺分度交叠)的公共数字(或不变模式，即，非瞬态数字)。因此，公共数字对应于可从第二系列检测器70b-77b的不面向过渡部分的检测器得出的第二绝对位置码的位。使用图6a所示的示例性情况，考虑到第一绝对位置37a，编码器可以通过验证第二位置所依赖的数字表示(B)是否包括分度34'和35'的公共数字(即，Bx61)来验证该第一绝对位置37a的可靠性。
在该数字表示包括模式的情况下，绝对位置编码器因此可以估计/确定读取器可能被定位在第一绝对位置轨道的标尺分度的中心区中，该中心区域对应于交叠的标尺分度的过渡部分区(即，不利定位)。因此，读取器位置39可以依赖于与第二绝对位置相反被认为是可靠的第一绝对位置。
互补地或另选地，尤其是在上述估计/确定失败的情况下，绝对位置编码器可以被配置成估计或确定读取器是否相对于第一绝对位置是不利的位置，即(感测到的)第一绝对位置是不正确的(因为其一个或更多个检测器与过渡部分对准)。
这种情况类似于图6c所示的情况。与上述进行的过程类似，可以通过验证第一位置所依赖的数字表示(例如，第一多个标识符的标识符)是否呈现给定模式来验证该空间情况。该模式可以对应于在空间上与第二绝对位置相关(即，其标尺分度与由第二绝对位置指示/链接的交叠的标尺分度交叠)的两个相邻的唯一数字标识符的公共数字(即，非瞬态数字)。在这种情况下，公共数字对应于可从第一系列检测器70a-77a的不面向过渡部分的检测器得出的第一绝对位置码的位。使用图6c所示的示例性情况，考虑到第一绝对位置37a，编码器可以通过验证第一位置所依赖的数字表示(A)是否包括第一绝对位置轨道的标尺分度34和35的公共数字(即，AX51)来验证该第二绝对位置的可靠性。
在该数字表示包括模式的情况下，绝对位置编码器因此可以估计/确定读取器可能被定位在离散区域和与第一绝对位置相关的过渡部分区域(即，不利定位)之间的接合处。因此，读取器位置39可以依赖于与第一绝对位置相反被认为是可靠的第二绝对位置。
另选地，绝对位置编码器可以通过验证其数字表示的给定数字属性(例如，其唯一数字标识符)来估计/确定第一绝对位置和/或第二绝对位置的可靠性。数字属性可以是：数字签名、冗余码、循环或块冗余校验(例如，CRC)。
绝对位置编码器因此可以提供依赖于以下项的位置39(图6a至图6d)：
如果第一绝对位置的相关数字属性已被验证，则依赖于该第一绝对位置；和/或
如果第二绝对位置的相关数字属性已被验证，则依赖于该第二绝对位置。
图18示出了用于尺寸计量(特别是用于滑动卡尺)的绝对位置编码器的示例性使用。
滑动卡尺100包括上述绝对位置编码器中的一个，优选地依赖于如图1至图6的示例性实施方式中所示的周期位置的绝对位置编码器。滑动卡尺100包括固定到卡尺外壳103的第一钳口102和连接到数字标尺120并且能够相对于第一钳口102滑动的第二钳口104。滑动卡尺100还包括显示器106，以用于优选借助于电子电路140显示由绝对位置编码器提供的第一钳口102与第二钳口104之间的距离。
图19和图20示出了本发明的许多可能的用途或应用，示例性用途是用于大地测量或勘测。如大地测量的领域中已知的，通过在测地目标点277处放置具体实施的便携式目标对象(例如，勘测柱270、270'、270”)来勘测目标点。为了测量和/或放样地形点，通用勘测柱系统可以被用作与地面定位系统(TPS)176(诸如，全站仪或协作或独立的全球导航卫星系统(GNSS)设备)协作的设备。术语勘测柱系统至少指勘测柱以及具有外包(但连接的)处理单元的勘测柱。
也就是说，所述目标对象包括例如具有用于限定测量部分或测量点的回射器274的铅垂柱270。所描绘的另一柱270'具有例如能够使用勘测仪器的摄像头测量的目标板274'。另选地，柱270”可以具有GNSS天线274”。它们的组合也是已知的。
测量或放样目标点277的位置测量是间接式测量：利用如图20中所示的TPS 276，例如通过使用反射器并且测量从TPS 276到反射器的距离和方向来测量勘测柱270上的基准点。这样的基准点例如是回射器274的中心点，或者在GNSS柱的情况下是安装在柱170”上的GPS天线。由于勘测柱270、270'、270”的尖端275、275'、275”被放置在地形中的实际目标点77上，所以可以由于基准点与柱270的尖端275、275'、275”之间的可确定空间关系而得出该目标点277的位置。该方法特别地允许测量或放样由于障碍物(诸如，图20中所示的在TPS276或GNSS与点277之间的壁)而不能直接测量或放样的点277。
这种间接测量可能需要主传感器(例如，TPS 276的基于激光器的光学测距仪)与反射器/天线之间的自由视线。另外，反射器或目标板或天线274、274'、274”的测量中心与柱尖端275、275'、275”之间的空间关系需要是已知的。
为了为这样的障碍物解决方案提供进一步的灵活性，如图所示，勘测柱270、270'、270”为柱270、270'、270”提供了长度可调节性，这实现了连续可变的柱长度或若干不同的柱长度(后者例如通过多个锁定位置)。为此目的，具有能够相对于彼此移动的至少两个元件272、272'、272”和273、273'、273”的柱270、270'、270”的伸缩结构不仅提供长度可调节性，而且还涉及根据本发明的编码器10，以用于绝对长度测量和实际柱长度的确定并且可选地还用于测量单元或标准之间的转换。
如图19所示，勘测柱的长度调节可以以若干方式实现。例如，勘测柱270、270'、270”具有两个伸缩段，由此如在具有反射器274的示例性柱270上示出的那样，勘测杆271的上伸缩柱段272可以如通过摆动箭头(swung arrow)所指示地拧到下杆段273上(反之亦然)。另选地，并且如在具有GNSS天线274”的柱270”上所示，上管(段)272”可以更薄，以便能够滑动到下管273”中，或如柱272'所示的另一方式，其中下部273'可以滑动到上杆部272'中。
具有连续可变的柱高度h的柱270、270'、270”具有内置的测量单元，其允许确定两个伸缩段的每个位置处的柱高度h。即，长度可调节的勘测柱270、270'、270”使用根据本发明的绝对位置编码器10提供了其当前长度，即，长度基准点(例如，反射棱镜274或目标板274'的中心)与指示尖端275、275'、275”之间的距离。由此，如上述原理，读取器50读取标尺20，从而允许在任何位置确定实际杆长度和实际柱高度h。勘测柱270、270'、270”可以集成多于一个编码器10，例如，如果存在多于两个伸缩段。
在具有回射器274或目标板274'的柱270、270'中，绝对标尺20至少在杆271的下部273、273'的一部分上方延伸。标尺20至少沿着整个可能的长度变化延伸，并且由位于上部272、272'中的读取器50读取。在示例性GNSS柱270”中，该配置是不同的，因为编码器10的标尺20在中空下部273”的内表面上(由此在图19中没有示出)。当然，也可以将读取器50放置在下部273、273'、273”中或放置在下部273、273'、273”处，并将标尺20放置在上部272、272'、272”中或放置在上部272、272'、272”上。
标尺20在另一个方向(标尺宽度，例如垂直于长度变化/测量路径)上的延伸可以例如是取决于该方向上的可能的移动自由度来选择的。如果例如上部272、272'、272”和下部273、273'、273”能够相对于彼此完全旋转(可以360°旋转)，则标尺20可以是完整的环结构，从而对杆长度进行编码并且因此能够在整个360°圆周上的任何位置中读取。附加地或另选地，读取器50以如下方式设计：例如，是环形的，使得标尺20可以在两个段272、272'、272”和273、273'、273”相对于彼此的任何旋转位置中读取。
在一些实施方式中，标尺20被嵌入在柱杆271中。也就是说，标尺20可以被(例如机械地或在杆271的装配过程期间已经)集成或结合到段272、272'、272”和273、273'、273”中的一者的结构中。
作为另外的选项，一些或所有部分被实施为单独的模块。例如，完整编码器10可以作为附加模块来提供以对常规柱进行升级。因此，标尺20可以例如卡在段272、272'、272”或273、273'、273”上，并且读取器50被夹持或紧固到另一段273、273'、273”或20、272'、172”上，从而编码器10优选地提供自校准功能。作为另一示例，优选地，如果标尺20是下部273、273'、273”的一部分，在一些实施方式中，下部273、273'、273”可以是可更换的，使得柱270、270'、270”可以配备有包括不同标尺的不同下部273、273'、273”。类似地，读取器50或整个编码器10可以是可更换的，例如由在现场的用户分别进行更换。作为其他选项，诸如通信设备、电力单元或倾斜传感器之类的单元被实施为(附加)模块，其可以是可更换的。
编码器10允许连续确定柱高度h。在一些实施方式中，杆271、271'、271”以如下方式来设计：提供若干固定的锁定位置，以用于不同柱长度的安全固定。在这种情况下，编码器10可以被用于控制或验证这些锁定位置。例如，基于编码器测量结果，检查锁定位置是否确实被安装，并且如果锁定位置没有被安装，例如如果安装的柱长度仅是接近锁定位置但实际上并不是锁定位置，则可以向用户发出警告。此原理也可以用于验证锁定位置本身是否为正确位置，即，实际锁定位置是否对应于其标称位置。例如，由于环境或老化效应(这在伸缩结构的情况下特别关键)，锁定位置可以改变，然而，可以使用编码器10来注意锁定位置。在以上情况下，编码器测量可以用于校准这样的不同的锁定位置，由此，可以补偿例如杆老化效应。通常，可以有利地防止由根据锁定位置使用柱长度(实际上不是柱长度时)的错误假设引起的测量误差。
如图20所示，使用集成绝对位置编码器10测量的实际柱高度h可以有利地自动发送到测量单元276。例如，如所描绘的，诸如柱270与TPS 276之间的无线或移动网络的无线通信278用于与基准点的测量瞬时地和/或同时地将实际高度值传送到仪器276。由此，可以用唯一标识符对该值进行签名，以便将其与相应GNSS或距离测量安全地和明确地链接。作为另一选项，可以将测量的高度h或任何其他测量结构或处理数据发送到其他外部仪器或控制设备，诸如现场控制器或智能电话或通信网络。附加地或另选地，如在图19中的示例性柱270”的右侧所示，柱可以包括显示器279，并且将诸如柱高度h的操作数据或测量数据在显示器上示出给用户。
此外，相应通信设备(未示出)可以被配置用于接收触发(a)通信设备发送信号和/或(b)读取器50读取码的请求/需求。作为另一选项，如果检测到位置的显著改变，则自动执行触发。另外或作为另选方案，操作或动作可以由柱270、270'、270”的操作者例如通过推动在杆273、273'、273”处提供的按钮来触发。这样的动作例如是命令“存储点”或“开始目标搜索”，其由通信设备发送到TPS 276，使得TPS 276是以该方式远程控制的。
发送到勘测仪器276或任何其它外部控制设备的信号还可以可选地基于布置在基准点处的设备的相应类型。例如，信号还可以包括关于目标类型是棱镜的信息、目标的某些参数(诸如存在另外附接的柱长度延伸量)和/或特定目标的某些可指派参数。
为了可选地进一步考虑勘测柱270、270'、270”的倾斜和/或取向，勘测柱270、270'、270”可以包括倾斜传感器和/或取向传感器(未示出)。发送到全站仪276的信号还可以基于所确定的倾斜和/或取向。可选的倾斜传感器和取向传感器中的任一者可以示例性地包括加速度传感器、陀螺仪和地磁传感器中的至少一者。关于柱的六自由度状态的额外信息例如在柱抵靠天花板或侧壁倾斜的情况下是有用的。因此，从柱270、270'、270”发送的信号不仅可以包括关于长度或高度h的信息，而且还可以包括关于相对于重力场的上下取向的信息、倾斜信息、柱移动期间的差量(delta)位置和差量取向信息和/或柱270、270'、270”的绝对位置。
柱270、270'、270”可以具有用于向读取器50和其他单元(诸如上述具有电力的可选通信设备)供电的电力单元。在勘测柱270、270'、270”还具有处理单元的特定情况下，该处理单元这也可以由电力单元供应。电力单元可以包括可再充电或不可再充电电池以及可选地用于从外部源获得电力的电力线缆中的至少一者。
在可再充电电池的情况下，柱270、270'、270”可以包括或用于无线或感应充电的装置。这样的装置可以例如包括磁线圈或NFC单元。另选地或附加地，柱270、270'、270”至少部分地自供电，因为电力单元包括发电机，例如后者被配置用于从柱270、270'、270”的移动(例如，当在田地中运输或移动时)或所述长度调节“收集”电能。这种收集可以基于感应来转换长度调节的动力。
附图标记列表
2 测量路径
10 编码器
20 标尺
30；30a、30b 绝对位置轨道
32；32a、32b 离散区域
33；33a、33b 分离区域
37a，37b、37c 标记/过渡部分的边
38 相对/周期性位置
39 绝对位置
40 增量轨道/周期性编码轨道
42、44、46 标记
50 读取器
60a、60b 绝对感测单元
70a-77a，70b-77b 检测器
80 增量感测单元
90-97 检测器
100 滑动卡尺
102 钳口
104 钳口
270、270'、270” 勘测柱
271、271'、271” 勘测杆
272、272'、272” 上杆段
273、273'、273” 下杆段
274、274'、274” 回射器、目标板、GNSS天线
275、275'、275” 柱尖端
276 地面定位系统TPS
277 测地目标点
278 无线通信
279 显示器
h 勘测柱高度
P 节距
AN 唯一标识符/唯一数字码
BN 唯一标识符/唯一数字码
AXN 瞬时唯一标识符/唯一数字码
BXN 瞬时唯一标识符/唯一数字码
T 空间扩展部分

Claims (16)

1.一种用于测量仪器或用于测量仪器的附件的绝对位置编码器(10)，所述绝对位置编码器(10)包括数字标尺(20)和能够相对于所述数字标尺移动的读取器(50)，所述数字标尺(20)沿着所述读取器(50)的行进方向(2)布置，所述数字标尺包括至少一个绝对位置轨道(30；30a、30b)，所述绝对位置轨道具有通过分离区域(33；33a、33b)彼此明显分离的离散区域(32；32a、32b)的序列，并且其中，所述读取器(50)包括第一系列检测器(70a-77a)和第二系列检测器(70b-77b)，所述第一系列检测器和所述第二系列检测器被配置成感测所述离散区域(32；32a、32b)和所述分离区域(33；33a、33b)，以检测第一绝对位置码和第二绝对位置码中的至少一者，其特征在于，所述离散区域(32；32a、32b)的序列以及所述第一系列检测器(70a-77a)和所述第二系列检测器(70b-77b)以如下方式设置：在所述读取器(50)相对于所述数字标尺(20)的任何可能位置处，所述第一系列检测器和所述第二系列检测器中的至少一者中没有任何检测器与离散区域(32；32a、32b)和分离区域(33；33a、33b)之间的过渡部分对准，并且其中，所述位置编码器(10)被配置成选择由没有检测器与所述过渡部分对准的系列检测器读取的所述第一绝对位置码或所述第二绝对位置码。
2.根据权利要求1所述的绝对位置编码器(10)，其中，选择所述第一绝对码或所述第二绝对码包括：测试由相应的第一系列检测器(70a-77a)和第二系列检测器(70b-77b)读取的所述第一绝对位置码和所述第二绝对位置码是否与所述读取器(50)的公共假定位置一致。
3.根据权利要求1或2所述的绝对位置编码器(10)，其中，所述数字标尺(20)还包括附加轨道(40)，所述附加轨道(40)与所述至少一个绝对位置轨道(30；30a、30b)相邻并且沿着所述至少一个绝对位置轨道(30；30a、30b)延伸，所述绝对位置编码器(10)被配置成基于从所述附加轨道(40)得出的码选择所述绝对位置码。
4.根据前一权利要求所述的绝对位置编码器，其中，所述附加轨道(40)是提供增量位置码的周期性编码轨道，所述绝对位置编码器(10)被配置成：
基于所述增量位置码、尤其是基于所述增量位置码的内插的相位来选择所述第一绝对位置码或所述第二绝对位置码；并且
提供精确绝对位置码，所述精确绝对位置码包括从所选择的第一绝对位置码或第二绝对位置码得出的最高有效部分和从所述增量位置码、尤其是从所述内插的相位得出的最低有效部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的绝对位置编码器(10)，其中，所述第一系列检测器(70a-77a)和所述第二系列检测器(70b-77b)沿着所述读取器(50)的行进方向以相等的间隔设置。
6.根据前述权利要求中任一项所述的绝对位置编码器(10)，其中，所述数字标尺(20)包括第一绝对位置轨道(30a)和第二绝对位置轨道(30b)，所述第一绝对位置轨道(30a)具有离散区域(32a)的第一序列以及所述离散区域(32a)之间的分离区域(33a)，所述第二绝对位置轨道(30b)具有离散区域(32b)的第二序列以及所述离散区域(32b)之间的分离区域(33a)，所述第二序列是沿着所述读取器(50)的所述行进方向移位的所述第一序列的副本，使得所述第一绝对位置轨道(30a)的所述离散区域(32a)相对于所述第二绝对位置轨道(30b)的对应离散区域(32b)偏移恒定节距(P)，其中，所述第一系列检测器(70a-77a)中的每个检测器与所述第二系列检测器(70b-77b)中的对应检测器相对于所述行进方向横向对准，并且其中，所述第一系列检测器被布置成沿着所述第一绝对位置轨道(30a)移动，而所述第二系列检测器(10)被布置成沿着所述第二绝对位置轨道(30b)移动。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的绝对位置编码器(10)，其中，所述数字标尺(20)包括唯一绝对位置轨道(30)，所述唯一绝对位置轨道包括离散区域(32)和所述离散区域(32)之间的分离区域(33)，其中，所述第一系列检测器(70a-77a)和所述第二系列检测器(70b-77b)分别沿着第一行和第二行设置以检测所述第一绝对位置码和所述第二绝对位置码中的至少一者，所述第一行和所述第二行沿着所述读取器(50)的所述行进方向延伸，其中，
所述第一系列检测器(70a-77a)中的各个检测器相对于所述第二系列检测器(70b-77b)中的对应检测器沿着所述行进方向偏移恒定节距(P)，或者
所述第一系列检测器(70a-77a)中的检测器与所述第二系列检测器(70b-77b)中的检测器交错，以形成相应的所述第一系列检测器和所述第二系列检测器的相邻检测器对。
8.根据前述权利要求中任一项所述的绝对位置编码器(10)，所述绝对位置编码器(10)被配置成线性位置编码器或角度位置编码器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的绝对位置编码器(10)，其中，所述至少一个绝对位置轨道(30、30a、30b)的所述离散区域(32；32a、32b)与所述分离区域(33；33a、33b)的不同之处在于以下属性中的一项：光学不透明度、光学反射率、电导率、磁化和磁导率。
10.一种测量仪器或用于测量仪器的附件，所述测量仪器或用于测量仪器的附件包括前述权利要求中任一项所述的绝对位置编码器(10)。
11.根据前一权利要求所述的测量仪器，所述测量仪器被配置成滑动卡尺(100)，所述滑动卡尺(100)包括相对于所述数字标尺(20)固定的第一钳口(102)以及能够相对于所述第一钳口滑动并且相对于所述读取器(20)固定的第二钳口(104)，由此所述绝对位置编码器(10)提供指示所述第一钳口(102)与所述第二钳口(104)之间的距离的值。
12.一种勘测柱(200)，所述勘测柱(200)包括根据权利要求1至9中任一项所述的绝对位置编码器、相对于数字标尺固定的第一段以及能够相对于所述第一段滑动并且相对于所述读取器固定的第二段，由此所述绝对位置编码器提供指示所述勘测柱的高度的值。
13.一种确定读取器(50)沿行进方向相对于数字标尺(20)的位置的方法，其中，所述数字标尺(20)包括至少一个绝对位置轨道(30；30a、30b)，所述至少一个绝对位置轨道(30；30a、30b)包括由离散区域(32；32a、32b)以及所述离散区域(32；32a、32b)之间的分离区域(33；33a、33b)构成的模式；所述模式能够由所述读取器(50)中的多个检测器(70a-77a、70b-77b)检测，其中，所述检测器沿着与所述读取器(50)的所述行进方向对准的第一行和第二行设置，所述方法包括：从所述第一行中的检测器确定第一绝对位置码，并且从所述第二行中的检测器确定第二绝对位置码，其特征在于，所述离散区域(32；32a、32b)和所述多个检测器(70a-77a、70b-77b)以如下方式设置：在所述读取器(50)相对于所述数字标尺(20)的每个可能位置处，所述第一行和所述第二行中的至少一者中没有检测器与离散区域(32；32a、32b)和分离区域(33；33a、33b)之间的过渡部分对准，并且所述方法包括：选择由没有检测器与所述过渡部分对准的行提供的所述绝对位置码。
14.根据前一权利要求所述的方法，其中，选择所述绝对位置码包括：测试所述第一绝对码和所述第二绝对码是否与所述读取器(50)的公共假定位置一致。
15.根据前一权利要求所述的方法，所述测试包括：i)将由所述第一绝对位置码给定的位置视为假定位置，ii)使用所述假定位置来确立所述第二行的哪些检测器不面向所述数字标尺的过渡部分，iii)在给定所述假定位置的情况下确定所述第二绝对位置码的位的预期值，以及iv)将所述预期值与能够从不面向所述过渡部分的所述检测器得出的所述第二绝对位置码的对应位的值进行比较。
16.根据权利要求13所述的方法，所述方法包括：i)从所述数字标尺上的周期性编码轨道确定增量位置码，ii)内插所述增量位置码的相位值，iii)使用所述内插的相位来选择所述绝对位置码，iv)提供精确绝对位置码，所述精确绝对位置码包括从所选择的绝对位置码得出的最高有效部分和从所述内插的相位得出的最低有效部分。
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