DE10052148A1 - Vermessungsinstrument mit einem magnetischen Inkremental-Drehcodierer - Google Patents
Vermessungsinstrument mit einem magnetischen Inkremental-DrehcodiererInfo
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Abstract
Ein Vermessungsinstrument (11) mit einem magnetischen Inkremental-Drehcodierer (51) enthält eine magnetische Drehtrommel (53), an deren Außenumfangsfläche eine magnetisierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, magnetisierten Teilbereichen ausgebildet ist, und mindestens zwei magnetische Sensoren (54, 55), die jeweils ein von der Multipolschicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfassen. Die magnetischen Sensoren (54, 55) erfassen jeweils eine durch die Drehung der magnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes, um so einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrommel (53) zu messen. Die beiden magnetischen Sensoren (54, 55) sind so zueinander versetzt angeordnet, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der gleich einem ungeradzahligen Teilungswinkel ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Vermessungsinstrument mit einem magnetischen Inkre
mental-Drehcodierer, der für Vermessungsinstrumente wie Gesamtstationen,
Theodolite u. dgl. geeignet ist.
Einige herkömmliche Vermessungsinstrumente wie Gesamtstationen, Theodolite
u. dgl. haben einen Inkremental-Drehcodierer als Winkelmeßvorrichtung. Es wird
häufig ein optischer Inkremental-Drehcodierer eingesetzt, da dieser ein hohes
Maß an Stabilität und Genauigkeit hat.
Neben einem optischen Inkremental-Drehcodierer ist auch ein magnetischer In
kremental-Drehcodierer als Winkelmeßvorrichtung bekannt. Ein magnetischer In
kremental-Drehcodierer hat im allgemeinen eine magnetische Trommel (Scheibe
mit Gradeinteilung) und einen magnetischen Sensor. Der magnetische Inkremen
tal-Drehcodierer hat an der Außenumfangsfläche seiner magnetischen Trommel
eine magnetisierte Multipolschicht mit mehreren magnetisierten Teilbereichen, die
durch eine Anzahl p von Unterteilungen gleichmäßig unterteilt sind, wobei p eine
positive ganze Zahl angibt. Der magnetische Sensor ist so angeordnet, daß er der
magnetisierten Multipolschicht gegenüberliegt. An dem magnetischen Sensor sind
z. B. vier magnetfeldabhängige Widerstandselemente vorgesehen, die beispiels
weise in zwei Gruppen unterteilt sind: Nämlich eine A-Phase und eine B-Phase,
die so angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel von 1/4 oder 3/8
des Teilungswinkels vorhanden ist. Die magnetfeldabhängigen Widerstandsele
mente sind in vorbestimmten Abständen voneinander angeordnet, deren Teilung
kleiner ist als die der magnetisierten Teilbereiche der Multipolschicht, um so eine
Änderung der Widerstandswerte der vier magnetfeldabhängigen Widerstandsele
mente zu erfassen. Die Widerstandswerte variieren dabei entsprechend der
Derehung der magnetischen Trommel. Es werden so die Null-Kreuzungspunkte
der Ausgangssignale der A-Phase und der B-Phase und der Drehwinkel der ma
gnetischen Trommel gemäß einer Interpolationsberechnung "tan-1(Aout/Bout)" be
stimmt, wobei Aout das Ausgangssignal der A-Phase und Bout das Ausgangs
signal der B-Phase angibt.
Bei diesem Typ von magnetfeldabhängige Widerstandselemente einsetzendem
magnetischem Inkremental-Drehcodierer ist die Kurve, welche die Änderung der
magnetischen Reluktanz der magnetfeldabhängigen Widerstandselemente angibt,
idealerweise etwa symmetrisch um den Nullpunkt des Magnetfeldes. In Realität ist
jedoch die Variationskurve wegen der in der Nähe des Nullpunktes des Magnet
feldes auftretenden Hysterese asymmetrisch um den Nullpunkt des Magnetfeldes.
Dies liegt daran, daß die Position, an der eine magnetische Domäne von der ma
gnetisierten Multipolschicht der magnetischen Trommel erzeugt wird, entspre
chend der Richtung des Magnetfeldes variiert, das die Multipolschicht der magne
tischen Trommel erzeugt. Ist die Variationskurve in dieser Weise asymmetrisch
um den Nullpunkt des Magnetfeldes, so tritt ein großer Fehler auf, wenn die ma
gnetische Trommel nur geringfügig um einen kleinen Drehwinkel gedreht wird.
Darüber hinaus variiert in einem magnetischen Inkremental-Drehcodierer der Wi
derstand des jeweiligen magnetfeldabhängigen Widerstandselementes, wenn der
Codierer einem externen Magnetfeld ausgesetzt ist. Dies verursacht einen Meß
wertfehler. Ein Vermessungsinstrument, das einen magnetischen Inkremental-
Drehcodierer mit magnetfeldabhängigen Widerstandselementen enthält, muß
deshalb so ausgebildet sein, daß es von externen Magnetfeldern unbeeinflußt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vermessungsinstrument mit einem magneti
schen Inkremental-Drehcodierer anzugeben, das von Hysterese und externen
Magnetfeldern unbeeinflußt ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen An
sprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläu
tert. Darin zeigen:
Fig. 1 die Rückansicht einer Gesamtstation mit zwei erfindungsgemäßen ma
gnetischen Inkremental-Drehcodierern, wobei die Grundelemente jedes
Inkremental-Drehcodierers im Querschnitt dargestellt sind,
Fig. 2 die Seitenansicht der Gesamtstation nach Fig. 1 mit den im Querschnitt
dargestellten Grundelementen jedes Inkremental-Drehcodierers,
Fig. 3 die Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des in den Fig. 1 und 2 ge
zeigten magnetischen Inkremental-Drehcodierers,
Fig. 4 die Darstellung eines Teils einer magnetischen Trommel und eines ent
sprechenden magnetischen Sensors des Inkremental-Drehcodierers
nach Fig. 3 mit der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehe
nen Anordnung von magnetfeldabhängigen Widerstandselementen des
magnetischen Sensors,
Fig. 5 das Schaltbild der elektrischen Verbindung einer elektrischen Schal
tung mit den magnetfeldabhängigen Widerstandselementen nach
Fig. 4,
Fig. 6 die Darstellung eines Teils einer magnetischen Trommel und eines ent
sprechenden magnetischen Sensors des Inkremental-Drehcodierers
nach Fig. 3 mit der gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgese
henen Anordnung von magnetfeldabhängigen Widerstandselementen
des magnetischen Sensors, und
Fig. 7 die Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des in den Fig. 1
und 2 dargestellten Inkremental-Drehcodierers.
Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Gesamtstation, die zwei
magnetische Inkremental-Drehcodierer nach der Erfindung enthält.
Eine Gesamtstation 11 hat eine Grundplatte 13, ein Nivellierelement 17 (Nivellier
platte), einen Sockel (Körper/stationäres Element) 21 und ein Kollimationsfernrohr
25. Die Grundplatte 13 ist mit einem nicht dargestellten Dreibein verbunden, wenn
die Gesamtstation 11 darauf montiert ist. An der Grundplatte 13 sind drei Nivel
lierschrauben 15 vorgesehen, auf die die Nivellierplatte 17 montiert ist. Der Sockel
21 ist so über eine vertikale Welle 19 auf der Nivellierplatte 17 montiert, daß er um
die vertikale Welle 19 drehbar ist. Der Sockel 21 hat im wesentlichen U-förmigen
Querschnitt. Er hat ein Paar Halterungen 21a, von denen eine in Fig. 1 links und
die andere rechts angeordnet ist. Das Kollimationsfernrohr 25 ist zwischen den
beiden Halterungen 21a so gehalten, daß es um die Achse zweier koaxialer, hori
zontaler Wellen drehbar ist, die in Fig. 1 an der rechten bzw. der linken Seite des
Kollimationsfernrohrs 25 befestigt sind. Die beiden koaxialen, horizontalen Wellen
23 sind durch die beiden Halterungen 21a jeweils so gehalten, daß sie um ihre
Achse drehbar sind. In Fig. 1 ist nur eine der beiden koaxialen, horizontalen Wel
len im Querschnitt gezeigt, nämlich die linke Welle 23.
Die vertikale Welle 19 ist drehbar in ein vertikales Lager 27 eingepaßt und dort
gehalten. Das Lager 27 ist an der Nivellierplatte 17 befestigt. Die Basis des Soc
kels 21, welche die beiden Halterungen 21a miteinander verbindet, ist an dem
oberen Ende der vertikalen Welle 19 befestigt. Jede horizontale Welle 23 ist an
einem entsprechenden horizontalen Lager 29 drehbar gehalten, das an der ent
sprechenden Halterung 21a befestigt ist. Das Kollimationsfernrohr 25 ist so über
die beiden horizontalen Wellen 23 und die beiden horizontalen Lager 29 an dem
Sockel 21 gehalten und um die vertikale Welle 19 und die beiden horizontalen
Wellen 23 drehbar, wobei die vertikale Welle 19 und die beiden horizontalen
Wellen 23 senkrecht zueinander verlaufen.
Die Gesamtstation 11 hat an ihrer vertikalen Welle 19 einen ersten magnetischen
Inkremental-Drehcodierer (erster Drehcodierer/Horizontalwinkel-Meßvorrichtung)
41, der zum Messen des Drehwinkels (Horizontalwinkel) der vertikalen Welle 19
(Sockel 21 und Kollimationsfernrohr 25) bezüglich der Nivellierplatte 17 bestimmt
ist. Die Gesamtstation 11 hat weiterhin an ihrer horizontalen Welle 23 einen
zweiten magnetischen Inkremental-Drehcodierer (zweiter Drehcodierer/Vertikal
winkel-Meßvorrichtung) 51, der zum Messen des Drehwinkels (Vertikalwinkel) der
horizontalen Welle 23 (Kollimationsfernrohr 25) bezüglich des Sockels 21 be
stimmt ist. Der erste Drehcodierer 41 hat eine an der vertikalen Welle 19 befe
stigte magnetische Trommel 43 (Scheibe mit Gradeinteilung). Die magnetische
Trommel 43 hat an ihrer Außenumfangsfläche eine nicht gezeigte magnetisierte
Multipolschicht. Der erste Drehcodierer 41 ist mit zwei magnetischen Sensoren 44
und 45 versehen, die so angeordnet sind, daß sie der magnetisierten Multipol
schicht zugewandt sind, wobei zwischen jedem magnetischen Sensor und der
Multipolschicht bezüglich der vertikale Welle 19 auf entgegengesetzten Seiten der
magnetischen Trommel (in Fig. 1 rechts und links der magnetischen Trommel 43)
eine kleine Lücke ausgebildet ist. Die beiden magnetischen Sensoren 44 und 45
sind um die vertikale Welle 19 um etwa 180° zueinander versetzt. Entsprechend
ist der zweite Drehcodierer 51 mit einer magnetischen Trommel (Scheibe mit
Gradeinteilung/magnetische Drehtrommel) 53 versehen, die an der horizontalen
Welle 23 befestigt ist. Die magnetische Trommel 53 hat an ihrer Außenumfangs
fläche eine magnetisierte Multipolschicht 53a (vgl. Fig. 3), die mit der Multipol
schicht der magnetischen Trommel 43 identisch ist. Der zweite Drehcodierer 51 ist
weiterhin mit zwei magnetischen Sensoren 54 und 55 versehen, die so angeord
net sind, daß sie der Multipolschicht 53a zugewandt sind, wobei zwischen jedem
magnetischen Sensor und der Multipolschicht 53a bezüglich der horizontalen
Welle 23 auf entgegengesetzten Seiten der magnetischen Trommel 53 (in Fig. 1
ober- und unterhalb der magnetischen Trommel 53) eine kleine Lücke ausgebildet
ist. Die beiden magnetischen Sensoren 54 und 55 sind um die horizontale Welle
23 um etwa 180° zueinander versetzt.
Die Gesamtstation 11 hat in der Basis des Sockels 21 eine elektronische Schal
tung 61 (vgl. Fig. 5), die eine Funktionsvorrichtung enthält, mit der der Drehwinkel
des ersten und des zweiten Drehcodierers 41 und 51, d. h. der Horizontal- und der
Vertikalwinkel, bestimmt werden können, indem die Ausgangsspannung jedes der
magnetischen Sensoren 44, 45, 54 und 55 erfaßt wird. Die Gesamtstation 11 hat
an der Vorder- bzw. Rückfläche des Sockels 21 ein Bedienfeld 31 bzw. 32 (vgl.
Fig. 2). An jedem Bedienfeld 31 und 32 ist eine Tastatur ausgebildet, die ein Be
nutzer von Hand betätigen kann, um die Gesamtstation 11 zu bedienen und zu
steuern. Weiterhin sind an den Bedienfeldern 31 und 32 jeweils eine Anzeige, z. B.
ein LCD-Feld vorgesehen, um die mit der Tastatur eingegebenen Daten, die ge
messenen Winkel etc. anzuzeigen.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, hat die Gesamtstation 11 weiterhin einen Griff 33
zum Tragen der Gesamtstation 11 und eine Schutzabdeckung 34, die an dem
Sockel 21 angebracht wird, um diesen abzudecken und damit den ersten Drehco
dierer 41 und eine nicht gezeigte Batterie vor Staub zu schützen. Das Kollimati
onsfernrohr 25 hat eine Objektivlinse 36 (vgl. Fig. 2) und ein Okular 35.
Der Aufbau des ersten Drehcodierers 41 und des zweiten Drehcodierers 51 wird
im folgenden im Detail unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 5 erläutert. Der
Grundaufbau des ersten Drehcodierers 41 ist mit dem des zweiten Drehcodierers
51 identisch, so daß nur der Aufbau des zweiten Drehcodierers 51 im folgenden
im Detail erläutert wird. Fig. 3 ist eine vergrößerte Draufsicht des in den Fig. 1 und
2 gezeigten zweiten Drehcodierers 51. Fig. 4 ist ein vergrößerter Querschnitt des
zweiten Drehcodierers 51 und seiner in Fig. 1 gezeigten Peripheriekomponenten.
Fig. 5 ist eine Darstellung des magnetischen Sensors 54 und seiner in Fig. 3 ge
zeigten Peripheriekomponenten zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen
der magnetisierten Multipolschicht 53a und dem magnetischen Sensor 54. Der er
ste magnetische Sensor 54 ist an einem Winkelstück 56 und der zweite magneti
sche Sensor 55 an einem Winkelstück 57 befestigt. Der erste magnetische Sen
sor 54 ist über das Winkelstück 56 an dem Sockel 21 befestigt, während der
zweite magnetische Sensor 55 über das Winkelstück 57 an der Grundplatte 58
befestigt ist. Der erste und der zweite magnetische Sensor 54, 55 sind auf entge
gengesetzten Seiten der magnetischen Trommel 53 so angeordnet, daß sie um
etwa 180° um die Achse der magnetischen Trommel 53 zueinander versetzt sind.
Da der Aufbau des zweiten magnetischen Sensors 55 identisch mit dem Aufbau
des ersten magnetischen Sensors 54 ist, wird im folgenden nur der Aufbau des
ersten magnetischen Sensors 54 im Detail erläutert.
Der zweite Drehcodierer 51 hat an der Außenumfangsfläche seiner magnetischen
Trommel 53 die magnetisierte Multipolschicht 53a mit mehreren magnetisierten
Teilbereichen, die durch p Unterteilungen gleichmäßig unterteilt sind, wobei p eine
positive ganze Zahl angibt. Die Teilung (Teilungswinkel) der magnetisierten Teil
bereiche (d. h. der Abstand zweier benachbarter Grenzen der magnetischen Pole)
der Multipolschicht 53a soll im folgenden λ betragen. Der erste magnetische Sen
sor 54 ist so angeordnet, daß er der Multipolschicht 53a zugewandt ist, wobei zwi
schen dem ersten magnetischen Sensor 54 und der Multipolschicht 53a eine klei
ne Lücke vorhanden ist. Der erste magnetische Sensor 54 ist mit einem ebenen
Element 54a (Platte) und sechzehn magnetfeldabhängigen Widerstandselemen
ten 4a11, 4a12, 4a21, 4a22, 4a31, 4a32, 4a41, 4a42, 4b11, 4b12, 4b21, 4b22, 4b31, 4b32,
4b41 und 4b42 versehen. Insbesondere hat der erste magnetische Sensor 54 acht
Paare magnetfeldabhängiger Widerstandselemente, die in zwei Gruppen unterteilt
sind, nämlich in eine erste Gruppe und in eine zweite Gruppe. Die erste Gruppe
enthält ein erstes Paar Widerstandselemente 4a11 und 4a12, ein zweites Paar Wi
derstandselemente 4a21 und 4a22, ein dritten Paar Widerstandselemente 4a31 und
4a32 sowie ein viertes Paar Widerstandselemente 4a41 und 4a42. Die zweite
Gruppe enthält ein erstes Paar Widerstandselemente 4b11, und 4b12, ein zweites
Paar Widerstandselemente 4b21 und 4b22, ein drittes Paar Widerstandselemente
4b31 und 4b32 sowie ein viertes Paar Widerstandselemente 4b41 und 4b42. Sowohl
in der ersten als auch in der zweiten Gruppe sind die Widerstandselemente je
weils eines Paares so zueinander versetzt, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel
von 1λ vorhanden ist, während jeweils zwei benachbarte Paare so zueinander
versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel von λ/2 vorhanden. Weiterhin
sind die erste und die zweite Gruppe so angeordnet, daß zwischen ihnen ein Pha
senwinkel von 3λ/4 gegeben ist. Auf jedes Paar Widerstandselemente wirken ver
schiedene magnetische Pole der Multipolschicht 53a ein, so daß die jeweiligen
beiden Widerstandselemente infolge der Stärke der magnetischen Kraft der in der
Multipolschicht 53a vorhandenen verschiedenen magnetischen Pole wechselseitig
die zwischen ihnen vorhandene Differenz in der Variation der Widerstandswerte
kompensieren. Werden also die Widerstandswerte des jeweiligen Paars Wider
standselemente, welche die zwischen ihnen vorhandene Differenz in der Variation
der Widerstandswerte kompensieren, erfaßt, so erhält man Widerstandswerte, die
von Hysterese und/oder externen Magnetfeldern unbeeinflußt sind.
Sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die sechzehn magnetfeldabhängi
gen Widerstandselemente in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in eine A-Phase
(erste Gruppe), die aus den acht Widerstandselementen 4a11, 4a12, 4a21, 4a22,
4a31, 4a32, 4a41 und 4a42 besteht, und in eine B-Phase (zweite Gruppe), die aus
den übrigen acht Widerstandselementen 4b11, 4b12, 4b21, 4b22, 4b31, 4b32, 4b41
und 4b42 besteht, so sind die acht Widerstandselemente der A-Phase in einer
Brückenschaltung und auch die acht Widerstandselemente der B-Phase in einer
Brückenschaltung miteinander verbunden, wie in Fig. 5 gezeigt ist.
Eine elektrische Schaltung 61 legt eine konstante Spannung +V zwischen den
Anschlüssen der jeweiligen Brückenschaltung an. Die elektrische Schaltung 61
erfaßt eine Änderung des Magnetfeldes, d. h. eine Änderung des Drehwinkels der
magnetischen Trommel 53 in Abhängigkeit der über den Anschlüssen e0 und e1
der A-Phase und der über den Anschlüssen e0' und e1' der B-Phase anliegenden
Spannung. Dreht sich die magnetische Trommel 53, so erfaßt der zweite Drehco
dierer 51 Spannungen der Erfassungssignale, die über den Anschlüssen e0 und
e1 und den Anschlüssen e0' und e1' vorhanden sind, über die elektrische Schal
tung 61 infolge der Änderung der Widerstandswerte der acht Widerstandsele
mente 4a11, 4a12, 4a21, 4a22, 4a31, 4a32, 4a41 und 4a42 der A-Phase bzw. der acht
Widerstandselemente Widerstandselementen 4b11, 4b12, 4b21, 4b22, 4b31, 4b32,
4b41 und 4b42 der B-Phase, die entsprechend der Änderung des von der magneti
sierten Multipolschicht 53a erzeugten Magnetfeldes 3 variieren, um so den Dreh
winkel der magnetischen Trommel 53 in einem λ/4-Abstand, d. h. einer λ/4-Teilung
zu ermitteln. Ein Winkel, der kleiner als die Teilung (λ/4) ist, wird in einer Interpo
lationsberechnung ermittelt.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel ändern sich die jeweiligen Widerstands
werte a11, a12, a21, a22, a31, a32, a41 und a42 der magnetfeldabhängigen Wi
derstandselemente 4a11, 4a12, 4a21, 4a22, 4a31, 4a32, 4a41 und 4a42 der A-Phase in
Abhängigkeit der Variation des durch die Drehung der magnetischen Trommel 53
erzeugten Magnetfeldes 3 gemäß den folgenden Gleichungen:
a11 = R0 + Rsin(pω)
a12 = R0 + Rsin(pω + 2π) = R0 + Rsin(pω)
a21 = R0 + Rsin(pω + 3π) = R0 - Rsin(pω)
a22 = R0 + Rsin(pω + 5π) = R0 - Rsin(pω)
a31 = R0 + Rsin(pω + 6π) = R0 + Rsin(pω)
a32 = R0 + Rsin(pω + 8π) = R0 + Rsin(pω)
a41 = R0 + Rsin(pω + 9π) = R0 - Rsin(pω)
a42 = R0 + Rsin(pω + 11π) = R0 - Rsin(pω)
worin ω den Drehwinkel der magnetischen Trommel 53, R0 den Widerstandswert
ohne Magnetfeld, R das Widerstandsverhältnis (Koeffizient) und p die Anzahl der
magnetisierten Teilbereiche der magnetisierten Multipolschicht 53a angibt.
Wird die Differenz im Ausgangssignal zwischen den Anschlüssen e0 und e1 ver
stärkt, so kann das Ausgangssignal der A-Phase durch folgende Gleichung dar
gestellt werden:
Aout = α × 4 × R × V/R0 × sin(pω)
worin Aout das Ausgangssignal der A-Phase und α den Verstärkungsfaktor an
gibt.
Die magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4b11, 4b12, 4b21, 4b22, 4b31, 4b32,
4b41 und 4b42 der B-Phase sind gegenüber den magnetfeldabhängigen Wider
standselementen 4a11, 4a12, 4a21, 4a22, 4a31, 4a32, 4a41 und 4a42 der A-Phase um
3π/4 versetzt, so daß das Ausgangssignal der B-Phase durch folgende Gleichung
angegeben werden kann:
Bout = α × 4 × R × V/R0 × cos(pω)
worin Bout das Ausgangssignal der B-Phase angibt.
Der Drehwinkel der magnetischen Trommel 53 kann in einem regelmäßigen Ab
stand, d. h. einer Teilung von p/4 erfaßt werden, indem die Null-Kreuzungspunkte
der Ausgangssignale der A-Phase und der B-Phase erfaßt werden. Der Erfas
sungsabstand ist also viermal kleiner als die Anzahl p der Unterteilungen, d. h. ein
Viertel dieser Anzahl, um so eine hohe Auflösung zu realisieren und damit die Er
fassungsgenauigkeit auf einen hohen Wert zu bringen. In Vermessungsinstru
menten wird manchmal ein Erfassungsabstand benötigt, der kleiner als ein Viertel
der Anzahl p der Unterteilungen ist. Um dieser Anforderung gerecht zu werden,
wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anzahl der Unterteilungen (Er
fassungsabstand) erhöht, und zwar unter Verwendung der folgenden, auf der A-
Phase und der B-Phase basierenden Berechnung.
tan-1(Aout/Bout)
Bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel des in einem Vermessungsinstrument
enthaltenen, magnetfeldabhängige Widerstandselemente verwendenden magne
tischen Inkremental-Drehcodierers sind die magnetfeldabhängigen Widerstand
selemente so angeordnet, daß Hysterese und/oder externe Magnetfelder kom
pensiert sind. Der Fehler, der durch die Hysterese verursacht wird, wird dadurch
beseitigt, während der Horizontal- oder der Vertikalwinkel selbst an Orten gemes
sen werden kann, an denen der Codierer von externen Magnetfeldern nicht abge
schirmt werden kann.
In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Paare benachbarter, in
Reihe verbundener Widerstandselemente (z. B. die beiden Paare mit den Wider
standselementen 4a11, 4a12 und 4a21, 4a22) so angeordnet, daß sie Phasenwinkel
λ, λ/2 und λ haben, und zwar in dieser Reihenfolge. Die magnetfeldabhängigen
Widerstandselemente können jedoch auch in gleichen Abständen λ/2 voneinan
der angeordnet werden, wobei die Reihenfolge der Widerstandselemente durch
4a11, 4a21, 4a12 und 4a22 gegeben ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, während sowohl die
A-Phase als auch die B-Phase in Form einer Brückenschaltung nach Fig. 5 zu
sammengeschaltet sein können. Obgleich in diesem Fall die Widerstandsele
mente eines jeden Paars so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein
Phasenwinkel von λ/2 vorhanden ist, ist ein ähnlicher Effekt wie in dem Ausfüh
rungsbeispiel nach Fig. 4 zu erwarten, da zum ersten die beiden Widerstandsele
mente 4a11 und 4a12 so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Pha
senwinkel von λ vorhanden ist, zum zweiten die Widerstandselemente 4a21 und
4a22 so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel von λ
vorhanden ist, und zum dritten das Paar Widerstandselemente 4a11 und 4a12 ge
genüber dem Paar Widerstandselemente 4a21 und 4a22 so versetzt ist, daß zwi
schen diesen beiden Paaren ein Phasenwinkel von λ/2 vorhanden ist.
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Sensoren 54 und
55 jeweils als Kombination mehrerer Paare magnetfeldabhängiger Widerstand
selemente ausgebildet, wobei die Widerstandselemente eines Paars jeweils so
zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel von 1λ vorhan
den ist. Die Erfindung ist jedoch auf dieses Ausführungsbeispiel nicht beschränkt.
Für den Fall, daß zwei magnetische Sensoren verwendet werden, die jeweils nicht
als eine solche Kombination von mehreren Paaren magnetfeldabhängiger Wider
standselemente ausgebildet sind, können die beiden magnetischen Sensoren auf
entgegengesetzten Seiten der magnetischen Trommel 53 so angeordnet sein,
daß sie um etwa 180° um die Achse der Trommel zueinander versetzt sind, wobei
die beiden Sensoren so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein unge
radzahliger Phasenwinkel λ, z. B. 1λ, 3λ oder 5λ, vorhanden ist, während die Aus
gangsspannung des einen Sensors in Phase mit der des anderen Sensors ist.
In diesem Fall kann ein ähnlicher Effekt wie in dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
4 erwartet werden, indem ein Mittelwert der Erfassungssignale der beiden Senso
ren oder der Drehwinkel der magnetischen Trommel genommen wird, wobei die
eben genannten Größen über die beiden Sensoren in einer Interpolationsberech
nung bestimmt werden.
Ein zusätzlicher magnetischer Sensor, der identisch mit jedem der Sensoren 54'
und 55' ist, kann entweder nahe dem Sensor 54 oder dem Sensor 55 so angeord
net sein, daß zwischen den beiden entsprechenden Sensoren ein ungeradzahliger
Phasenwinkel λ ((2n + 1)λ) vorhanden ist, wobei sich die Ausgangsspannung des
zusätzlichen magnetischen Sensors in Phase mit dem des Sensors 54' bzw. 55'
befindet (vgl. Fig. 7). In diesem Fall ist ein ähnlicher Effekt wie in dem Ausfüh
rungsbeispiel nach Fig. 4 zu erwarten, indem ein Mittelwert der Erfassungssignale
der drei Sensoren oder der Drehwinkel der magnetischen Trommel genommen
wird, wobei, die eben genannten Größen über die drei Sensoren in einer Interpola
tionsberechnung bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht nur auf eine Gesamtstation anwendbar, wie
dies für die oben erläuterten Ausführungsbeispiele dargestellt wurde. Sie ist auch
auf andere Vermessungsinstrumente, z. B. Nivellierer, Theodolite, Theodolite mit
durchschlagbarem Fernrohr, Tachymetertheodolite u. dgl. anwendbar.
Da bei dem erfindungsgemäßen Vermessungsinstrument die magnetfeldabhängi
gen Widerstandselemente des in dem Instrument enthaltenen magnetischen In
kremental-Drehcodierers so angeordnet sind, daß Hysterese und/oder externe
Magnetfelder kompensiert sind, wird der durch die Hysterese verursachte Fehler
beseitigt, so daß der Drehwinkel der magnetischen Trommel mit einem hohen
Maß an Genauigkeit erfaßt werden kann. Dies gilt auch dann, wenn das Vermes
sungsinstrument an einem Ort eingesetzt wird, an dem ein externes Magnetfeld
vorhanden ist, da die magnetischen Sensoren von externen Magnetfeldern unbe
einflußt bleiben.
Claims (9)
1. Vermessungsinstrument (11) mit einem magnetischen Inkremental-Dreh
codierer (51), mit
einer magnetischen Drehtrommel (53), die an ihrer Außenfläche eine ma gnetisierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, ma gnetisierten Teilbereichen hat, und
mindestens zwei magnetischen Sensoren (54, 55), die jeweils ein von der magnetisierten Multipolschicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfassen, wobei die magnetischen Sensoren (54, 55) jeweils eine durch die Drehung der ma gnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes er fassen, um einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrommel (53) zu erfas sen, und
die magnetischen Sensoren (54, 55) so angeordnet sind, daß zwei von ihnen so zueinander versetzt sind, daß zwischen diesen Sensoren ein Phasenwin kel vorhanden ist, der gleich einem ungeradzahligen Teilungswinkel ist.
einer magnetischen Drehtrommel (53), die an ihrer Außenfläche eine ma gnetisierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, ma gnetisierten Teilbereichen hat, und
mindestens zwei magnetischen Sensoren (54, 55), die jeweils ein von der magnetisierten Multipolschicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfassen, wobei die magnetischen Sensoren (54, 55) jeweils eine durch die Drehung der ma gnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes er fassen, um einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrommel (53) zu erfas sen, und
die magnetischen Sensoren (54, 55) so angeordnet sind, daß zwei von ihnen so zueinander versetzt sind, daß zwischen diesen Sensoren ein Phasenwin kel vorhanden ist, der gleich einem ungeradzahligen Teilungswinkel ist.
2. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß von den magnetischen Sensoren (54, 55) zwei Sensoren in enger räum
licher Nähe zueinander angeordnet sind.
3. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß von den magnetischen Sensoren (54, 55) zwei Sensoren so auf entge
gengesetzten Seiten der magnetischen Drehtrommel (53) angeordnet sind,
daß sie um etwa 180° um die Trommelachse versetzt zueinander angeord
net sind.
4. Vermessungsinstrument (11) mit einem magnetischen Inkremental-Dreh
codierer (51), mit
einer magnetischen Drehtrommel (53), die an ihrer Außenfläche eine ma gnetisierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, ma gnetisierten Teilbereichen hat, und
einem magnetischen Sensor (54), der ein von der magnetisierten Multipol schicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfaßt und mehrere Paare magnetfeld abhängiger Widerstandselemente enthält, wobei
der magnetische Sensor (54) eine durch die Drehung der magnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes erfaßt, um einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrommel (53) zu messen, und
jedes Paar magnetfeldabhängiger Widerstandselemente so angeordnet ist, daß die Widerstandselemente dieses Paars so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der gleich einem ungerad zahligen Teilungswinkel ist.
einer magnetischen Drehtrommel (53), die an ihrer Außenfläche eine ma gnetisierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, ma gnetisierten Teilbereichen hat, und
einem magnetischen Sensor (54), der ein von der magnetisierten Multipol schicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfaßt und mehrere Paare magnetfeld abhängiger Widerstandselemente enthält, wobei
der magnetische Sensor (54) eine durch die Drehung der magnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes erfaßt, um einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrommel (53) zu messen, und
jedes Paar magnetfeldabhängiger Widerstandselemente so angeordnet ist, daß die Widerstandselemente dieses Paars so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der gleich einem ungerad zahligen Teilungswinkel ist.
5. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ei
nen weiteren magnetischen Sensor (55), der so an der magnetischen Dreh
trommel (53) angeordnet ist, daß er gegenüber dem anderen magnetischen
Sensor (54) um die Trommelachse versetzt ist.
6. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der magnetische Sensor (54) vier Paare magnetfeldabhängi
ger Widerstandselemente enthält, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei
benachbarte Paare so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein
Phasenwinkel vorhanden ist, der 1/2 des Teilungswinkels beträgt.
7. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der magnetische Sensor (54) versehen ist mit
einer ersten Gruppe von vier Paaren magnetfeldabhängiger Widerstand selemente, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Paare so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der 1/2 des Teilungswinkels beträgt, und
einer zweiten Gruppe von vier Paaren magnetfeldabhängiger Widerstand selemente, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Paare so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der 1/2 des Teilungswinkels beträgt,
wobei die erste und die zweite Gruppe so angeordnet sind, daß zwischen ih nen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der 3/4 des Teilungswinkels beträgt.
einer ersten Gruppe von vier Paaren magnetfeldabhängiger Widerstand selemente, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Paare so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der 1/2 des Teilungswinkels beträgt, und
einer zweiten Gruppe von vier Paaren magnetfeldabhängiger Widerstand selemente, die so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Paare so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der 1/2 des Teilungswinkels beträgt,
wobei die erste und die zweite Gruppe so angeordnet sind, daß zwischen ih nen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der 3/4 des Teilungswinkels beträgt.
8. Vermessungsinstrument (11) mit
einer Nivellierplatte (17),
einem Sockel (21), der so an die Nivellierplatte (17) gekoppelt ist, daß er re lativ zu dieser um eine vertikale Achse drehbar ist,
einem Kollimationsfernrohr (25), das so an den Sockel (21) gekoppelt ist, daß es relativ zu diesem um eine horizontale Achse drehbar ist,
einer Horizontalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels des Sockels (21) relativ zu der Nivellierplatte (17), und
einer Vertikalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels des Kol limationsfernrohrs (25) relativ zu dem Sockel (21), wobei
von der Horizontalwinkel-Meßvorrichtung und der Vertikalwinkel-Meßvor richtung mindestens eine Meßvorrichtung einen magnetischen Inkremental- Drehcodierer (51) enthält,
der magnetische Inkremental-Drehcodierer (51) versehen ist mit einer ma gnetischen Drehtrommel (53), an deren Außenumfangsfläche eine magneti sierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, magneti sierten Teilbereichen ausgebildet ist, einem ersten magnetischen Sensor (54) und einem zweiten magnetischen Sensor (55),
der erste und der zweite magnetische Sensor (54, 55) jeweils mehrere Paare magnetfeldabhängiger Widerstandselemente enthalten und so auf entge gengesetzten Seiten der magnetischen Drehtrommel (53) angeordnet sind, daß sie jeweils der magnetisierten Multipolschicht (53a) zugewandt sind,
der erste und der zweite magnetische Sensor (54, 55) jeweils ein von der magnetisierten Multipolschicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfassen,
der erste und der zweite magnetische Sensor (54, 55) jeweils eine durch ei ne Drehung der magnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes erfassen, um einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrom mel (53) zu messen, und
jedes Paar magnetfeldabhängiger Widerstandselemente so angeordnet ist, daß die Widerstandselemente dieses Paars so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der gleich einem ungerad zahligen Teilungswinkel ist.
einer Nivellierplatte (17),
einem Sockel (21), der so an die Nivellierplatte (17) gekoppelt ist, daß er re lativ zu dieser um eine vertikale Achse drehbar ist,
einem Kollimationsfernrohr (25), das so an den Sockel (21) gekoppelt ist, daß es relativ zu diesem um eine horizontale Achse drehbar ist,
einer Horizontalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels des Sockels (21) relativ zu der Nivellierplatte (17), und
einer Vertikalwinkel-Meßvorrichtung zum Messen des Drehwinkels des Kol limationsfernrohrs (25) relativ zu dem Sockel (21), wobei
von der Horizontalwinkel-Meßvorrichtung und der Vertikalwinkel-Meßvor richtung mindestens eine Meßvorrichtung einen magnetischen Inkremental- Drehcodierer (51) enthält,
der magnetische Inkremental-Drehcodierer (51) versehen ist mit einer ma gnetischen Drehtrommel (53), an deren Außenumfangsfläche eine magneti sierte Multipolschicht (53a) mit mehreren gleichmäßig unterteilten, magneti sierten Teilbereichen ausgebildet ist, einem ersten magnetischen Sensor (54) und einem zweiten magnetischen Sensor (55),
der erste und der zweite magnetische Sensor (54, 55) jeweils mehrere Paare magnetfeldabhängiger Widerstandselemente enthalten und so auf entge gengesetzten Seiten der magnetischen Drehtrommel (53) angeordnet sind, daß sie jeweils der magnetisierten Multipolschicht (53a) zugewandt sind,
der erste und der zweite magnetische Sensor (54, 55) jeweils ein von der magnetisierten Multipolschicht (53a) erzeugtes Magnetfeld erfassen,
der erste und der zweite magnetische Sensor (54, 55) jeweils eine durch ei ne Drehung der magnetischen Drehtrommel (53) verursachte Änderung des Magnetfeldes erfassen, um einen Drehwinkel der magnetischen Drehtrom mel (53) zu messen, und
jedes Paar magnetfeldabhängiger Widerstandselemente so angeordnet ist, daß die Widerstandselemente dieses Paars so zueinander versetzt sind, daß zwischen ihnen ein Phasenwinkel vorhanden ist, der gleich einem ungerad zahligen Teilungswinkel ist.
9. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gesamtstation ist.
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Effective date: 20110502 |