DE10052150A1 - Vermessungsinstrument mit einem magnetischen Inkremental-Drehcodierer - Google Patents

Vermessungsinstrument mit einem magnetischen Inkremental-Drehcodierer

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Masami Shirai
Katsuhiko Kenjo
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Asahi Seimitsu KK
Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
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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, ein Paar magnetische Sensoren (54, 55), die beiderseits der Drehtrommel (53) so angeordnet sind, daß sie jeweils der Multipolschicht (53a) zugewandt sind, und mindestens einen Magneten (111), der zur Verringerung eines Erfassungsfehlers des magnetischen Inkremental-Drehcodierers (51) nahe mindestens einem der beiden magnetischen Sensoren (54, 55) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Vermessungsinstrument mit einem magnetischen Inkre­ mental-Drehcodierer, der für Vermessungsinstrumente wie Gesamtstationen, Theodolite u. dgl. bestimmt ist.
Einige herkömmliche Vermessungsinstrumente wie Gesamtstationen, Theodolite u. dgl. haben einen Inkremental-Drehcodierer als Winkelmeßvorrichtung. Dabei wird Weitläufig ein optischer Inkremental-Drehcodierer eingesetzt, da dieser ein hohes Maß an Stabilität und Präzision hat.
Neben einem optischen Inkremental-Drehcodierer ist auch ein magnetischer In­ kremental-Drehcodierer als Winkelmeßvorrichtung bekannt. Ein solcher magneti­ scher Inkremental-Drehcodierer hat im allgemeinen eine magnetische Trommel (Scheibe mit Gradeinteilung) und einen magnetischen Sensor. Der magnetische Inkremental-Drehcodierer hat an der Außenumfangsfläche seiner magnetischen Trommel eine magnetisierte Multipolschicht mit mehreren magnetisierten Teilbe­ reichen, die durch eine Anzahl p von Unterteilungen gleichmäßig unterteilt sind.
p bezeichnet dabei eine positive ganze Zahl. Der magnetische Sensor ist so an­ geordnet, daß er der magnetisierten Multipolschicht zugewandt ist. Auf dem ma­ gnetischen Sensor sind beispielsweise vier magnetfeldabhängige Widerstands­ elemente in gleichen Abständen voneinander vorgesehen, wobei der regelmäßige Abstand der magnetfeldabhängigen Widerstandselemente kleiner als der der ma­ gnetisierten Teilbereiche der magnetisierten Multipolschicht ist. Die magnetfeld­ abhängigen Widerstandselemente dienen der Erfassung einer Veränderung der Widerstandswerte der vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente, die sich in Abhängigkeit der Drehung der magnetischen Trommel ändern, um so den Drehwinkel der magnetischen Trommel mit hoher, dem regelmäßigen Abstand (Teilung) der magnetisierten Teilbereiche der magnetisierten Multipolschicht ent­ sprechenden Genauigkeit zu bestimmen. Ein Winkel, der kleiner als der regelmä­ ßige Abstand ist, wird in einer Interpolationsberechnung ermittelt. Da Vermes­ sungsinstrumente im allgemeinen ein hohes Maß an Funktionsgenauigkeit erfor­ dern, ist es wünschenswert, den regelmäßigen Abstand der magnetisierten Teil­ bereiche der Multipolschicht durch Erhöhen der Anzahl der magnetisierten Teilbe­ reiche zu verringern, so daß die Anzahl an magnetfeldabhängigen Widerstands­ elementen erhöht werden kann.
In magnetischen Inkremental-Drehcodierern tritt Rauschen infolge des Barkhau­ sen-Effektes auf. Dieses Rauschen, im folgenden als Barkhausen-Rauschen be­ zeichnet, ist ein Kleinstamplitudenrauschen in der Magnetisierungskurve (B-H- Kurve), das mit abrupten Änderungen in der Magnetisierung auftritt, die durch die Bewegung der magnetisierten Multipolschicht, d. h. der Drehung der magnetischen Trommel, innerhalb eines Bereichs verursacht wird, in dem eine große Intensität­ sänderung der Magnetisierung in der Magnetisierungskurve auftritt, wenn ein Ma­ gnetfeld auf ein ferromagnetisches Medium einwirkt. Wird der regelmäßige Ab­ stand der magnetisierten Teilbereiche der Multipolschicht verkleinert, um die An­ zahl an magnetfeldabhängigen Widerstandselementen zu erhöhen, so wird das Barkhausen-Rauschen größer und beeinflußt den Codierer stärker.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Vermessungsinstrument mit einem magneti­ schen Inkremental-Drehcodierer anzugeben, bei dem störende, Erfassungsfehler verursachende Einflüsse wie das Barkhausen-Rauschen verringert sind und damit ausreichende Genauigkeit gewährleistet ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Vermessungsinstrument mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei­ gen:
Fig. 1 die Rückansicht einer Gesamtstation in einem Ausführungsbeispiel, das zwei erfindungsgemäße magnetische Inkremental-Drehcodierer enthält, deren Grundelemente im Querschnitt dargestellt sind,
Fig. 2 die Seitenansicht der Gesamtstation nach Fig. 1, wobei die Grundele­ mente der Inkremental-Drehcodierer im Querschnitt dargestellt sind,
Fig. 3 die Draufsicht auf einen in den Fig. 1 und 2 gezeigten magnetischen Inkremental-Drehcodierer,
Fig. 4 den Querschnitt durch einen magnetischen Inkremental-Drehcodierer mit seinen Peripheriekomponenten in Blickrichtung der in Fig. 3 ge­ zeigten Pfeile IV,
Fig. 5 die Darstellung eines grundlegenden Teils des in Fig. 3 gezeigten ma­ gnetischen Inkremental-Drehcodierers zu Erläuterung des Zusammen­ hangs zwischen einem magnetischen Sensor und einer magnetisierten Multipolschicht einer magnetischen Trommel,
Fig. 6 ein schematisches Schaltbild, das die elektrische Verbindung einer elektronischen Schaltung mit magnetfeldabhängigen Widerstandsele­ menten zeigt,
Fig. 7A den Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels des magnetischen Inkremental-Drehcodierers, der für die Vertikalwinkelmessung der Ge­ samtstation nach Fig. 1 bestimmt ist, wobei der Aufbau des Inkremen­ tal-Drehcodierers oberhalb seiner horizontalen Welle dargestellt ist,
Fig. 7B die Darstellung eines Winkelstücks und eines blattförmigen Magnete­ lementes, die als Elemente des magnetischen Inkremental-Dreh­ codierers nach Fig. 7A vorgesehen sind, in Blickrichtung des in Fig. 7A gezeigten Pfeils Y,
Fig. 8A den Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des magnetischen Inkremental-Drehcodierers, der für die Vertikalwinkelmessung der Ge­ samtstation nach Fig. 1 bestimmt ist, wobei der Aufbau des Inkremen­ tal-Drehcodierers oberhalb der Achse seiner horizontalen Welle darge­ stellt ist,
Fig. 8B die Darstellung eines Winkelstücks und zweier blattförmiger Ma­ gnetelemente, die als Elemente des magnetischen Inkremental- Drehcodierers nach Fig. 8A vorgesehen sind, in Blickrichtung des in Fig. 8A gezeigten Pfeils Z,
Fig. 9 den Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des magnetischen Inkremental-Drehcodierers, der für die Vertikalwinkelmessung der Ge­ samtstation nach Fig. 1 bestimmt ist, wobei der Aufbau des Inkremen­ tal-Drehcodierers oberhalb der Achse seiner horizontalen Welle darge­ stellt ist,
Fig. 10 den Querschnitt des vierten Ausführungsbeispiels des magnetischen Inkremental-Drehcodierers, der für die Vertikalwinkelmessung der Ge­ samtstation nach Fig. 1 bestimmt ist, wobei der Aufbau des Inkremen­ tal-Drehcodierers oberhalb der Achse seiner horizontalen Welle darge­ stellt ist, und
Fig. 11 den Querschnitt des fünften Ausführungsbeispiels des magnetischen Inkremental-Drehcodierers, der für die Vertikalwinkelmessung der Ge­ samtstation nach Fig. 1 bestimmt ist, wobei der Aufbau des Inkremen­ tal-Drehcodierers oberhalb der Achse seiner horizontalen Welle darge­ stellt ist.
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. 6), 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 zweite Drehcodierer 51 hat an der Außenumfangsfläche seiner magnetischen Trommel 53 eine magnetisierte Multipolschicht 53a mit mehreren magnetisierten Teilbereichen 53a1 bis 53ap, die durch die p Unterteilungen gleichmäßig unterteilt sind, wobei p eine positive ganze Zahl bezeichnet. Die Teilung (Teilungswinkel) der magnetisierten Teilbereiche (d. h. der Abstand zweier benachbarter Grenzen der magnetischen Pole) der Multipolschicht 53a soll im folgenden λ betragen. Der erste magnetische Sensor 54 ist so angeordnet, daß er der Multipolschicht 53a zugewandt ist, wobei zwischen dem ersten magnetischen Sensor 54 und der Mul­ tipolschicht 53a eine kleine Lücke vorhanden ist. Der erste magnetische Sensor 54 ist mit einem ebenen Element 54a (Platte) und acht magnetfeldabhängigen Widerstandselementen 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 (vgl. Fig. 5) ver­ sehen. Die acht magnetfeldabhängigen Widerstandselemente sind so an der der Multipolschicht 53a zugewandten Oberfläche der ebenen Platte 54a angeordnet, daß die gerade Linie, die im wesentlichen senkrecht durch die Mitte jedes ma­ gnetfeldabhängigen Widerstandselementes läuft, durch die Drehachse der ma­ gnetischen Trommel 53 läuft.
Die acht magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 sind so angeordnet, daß die Phase der vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 um λ/4 gegenüber der Phase der üb­ rigen vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 ver­ schoben ist. Rotiert die magnetische Trommel 53, so erfaßt der zweite Drehcodie­ rer 51 die Veränderung der Widerstandswerte der acht magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4, die wiederum in Abhängigkeit der Änderung des durch die magnetisierte Multipolschicht 53a er­ zeugten Magnetfeldes 3 variieren, um so den Drehwinkel der magnetischen Trommel 53 in einem λ/4-Abstand zu erfassen. Ein Winkel, der kleiner als dieser Abstand λ/4 ist, wird in einer Interpolationsberechnung ermittelt.
Wie in Fig. 5 gezeigt, können die acht magnetfeldabhängigen Widerstandsele­ mente 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 in zwei Gruppen unterteilt werden, nämlich eine A-Phase und eine B-Phase, die eine Phasendifferenz von λ/4 oder 3λ/4 zueinander haben. Die vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 der A-Phase sind in λ/2-Abständen und die vier magnetfeld­ abhängigen Widerstandselemente 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 der B-Phase ebenfalls in λ/2-Abständen angeordnet.
Wie in Fig. 6 gezeigt, sind die vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 der A-Phase in einer Brückenschaltung miteinander verbun­ den. Auch die vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 der B-Phase sind in einer Brückenschaltung miteinander verbunden. Eine elektrische Schaltung 61 legt eine, konstante Spannung V zwischen den An­ schlüssen jeder der beiden Brückenschaltungen 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 anliegenden Spannung und der über den Anschlüssen e0' und e1' der B-Phase anliegenden Spannung.
In dem vorgestellten Ausführungsbeispiel variieren die Widerstandswerte a1, a2, a3 und a4 der vier magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 der A-Phase entsprechend der Änderung des durch die Drehung der magneti­ schen Trommel 53 erzeugten Magnetfeldes 3 gemäß den folgenden Gleichungen:
a1 = R0 + Rsin(pω)
a2 = R0 + Rsin(pω + π) = R0 - Rsin(pω)
a3 = R0 + Rsin(pω + 2π) = R0 + Rsin(pω)
a4 = R0 + Rsin(pω + 3π) = 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 Multipolschicht 53a bezeichnet.
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 × 2 × R × V/R0 × sin(pω)
worin Aout das Ausgangssignal der A-Phase und α den Verstärkungsfaktor an­ gibt.
Die magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 der B- Phase sind gegenüber den magnetfeldabhängigen Widerstandselementen 4a1, 4a2, 4a3 und 4a4 der A-Phase um π/2 versetzt, so daß das Ausgangssignal der B- Phase durch folgende Gleichung angegeben werden kann:
Bout = α × 2 × 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 ermittelt werden, indem die Null-Kreuzungs­ punkte der Ausgangssignale der A-Phase und der B-Phase erfaßt werden. Der Erfassungsabstand ist demnach viermal kleiner als die Anzahl der Unterteilungen p, d. h. ein Viertel dieser Anzahl, um so eine hohe Auflösung zu realisieren und damit die Erfassungsgenauigkeit auf einen hohen Wert zu bringen. In Vermes­ sungsinstrumenten wird manchman ein Erfassungsabstand benötigt, der kleiner als ein Viertel der Anzahl der Unterteilungen p ist. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Anzahl der Unter­ teilungen (Erfassungsabstand) erhöht, und zwar unter Verwendung der folgenden, auf der A-Phase und der B-Phase basierenden Berechnung:
tan-1(Aout/Bout)
Der Aufbau des zweiten magnetischen Sensors 55 ist identisch mit dem Aufbau des ersten magnetischen Sensors 54. Der erste und der zweite magnetische Sen­ sor 54 und 55 unterscheiden sich jedoch dadurch, daß die Position des zweiten magnetischen Sensors 55 einstellbar ist, um so die Phasendifferenz einzustellen. Dieser Einstellmechanismus wird im folgenden erläutert.
Die Grundplatte 58, an der der zweite magnetische Sensor 55 befestigt ist, hat an ihrem einen Ende (in Fig. 3 das obere Ende) ein kreisförmiges Loch 58a und ist verschiebbar an einem der beiden horizontalen Lager 29 (in Fig. 1 das linke hori­ zontale Lager 29) drehbar um die horizontale Welle 23 angebracht. Die Grund­ platte 58 kann also um eine Achse O23 der horizontalen Welle 23 rotieren, wobei die Innenumfangsfläche des kreisförmigen Lochs 58a eng an der Außenumfangs­ fläche des horizontalen Lagers 29 anliegt. Die Grundplatte 58 hat an ihrem ande­ ren Ende zwei Einstellschlitze 58c sowie einen zwischen diesen beiden Einstell­ schlitzen 58c angeordneten Schlitz 58b. Die beiden Einstellschlitze 58c sind so ausgebildet, daß sie sich längs eines Kreises um die Achse O23 der horizontalen Welle 23 erstrecken. Ein Exzenterstift 59, der einen Drehschaft 59a und eine ex­ zentrisch an diesem befestigte Exzenterscheibe 59b hat, ist um seinen Drehschaft 59a drehbar an dem Sockel 21 befestigt. Die Exzenterscheibe 59b des Exzenter­ stiftes 59 ist in den Schlitz 58b der Grundplatte 58 eingepaßt. Durch die beiden Einstellschlitze 58c sind zwei Setzschrauben 60 in den Sockel 21 geschraubt. In dem Zustand, in dem die beiden Setzschrauben 60 gelockert sind, führt deshalb das Drehen des Exzenterstiftes 59 dazu, daß sich die Grundplatte 58 um die Ach­ se O23 der horizontalen Welle 23 dreht (schwingt), um so den zweiten magneti­ schen Sensor 55 auf einem Kreis um die Achse O23 der horizontalen Welle 23 zu bewegen, wobei die Lücke zwischen dem zweiten magnetischen Sensor 55 und der magnetisierten Multipolschicht 53a konstant bleibt. So kann die Phase der Ausgangsspannung des zweiten magnetischen Sensors 55 eingestellt werden. Beim Einstellen des zweiten magnetischen Sensors 55 werden also die beiden Setzschrauben 60 angezogen und damit die Grundplatte 58 an dem Sockel 21 befestigt, wenn der zweite magnetische Sensor 55 einmal in eine Stellung bewegt ist, in der die gewünschte Phase der Ausgangsspannung des zweiten magneti­ schen Sensors 55 vorliegt. In vorstehend erläuterter Weise kann so die Phase der Ausgangsspannung des zweiten magnetischen Sensors 55 einfach durch Drehen des Exzenterstiftes 59 eingestellt werden.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Fig. 7A bis 10 fünf Ausführungs­ beispiele des erfindungsgemäßen zweiten Drehcodierers 51 beschrieben, der die Funktion hat, das Barkhausen-Rauschen zu verringern. Die Fig. 7A, 8A, 9 und 10 zeigen jeweils eine Darstellung ähnlich der Fig. 4, wobei der Aufbau des zweiten Drehcodierers 51 oberhalb der Achse O23 der horizontalen Welle 23 dargestellt ist.
Die Fig. 7A und 7B zeigen das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen zweiten Drehcodierers 51. Das erste Ausführungsbeispiel des zweiten Drehcodie­ rers 51 ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehcodierer 51 an einer Flä­ che des Winkelstücks 56 (in Fig. 7A die obere Fläche des Winkelstücks 56), die sich bezüglich des ersten magnetischen Sensors 54 auf der abgewandten Seite des Winkelstücks 56, d. h. bezüglich der magnetisierten Multipolschicht 53a auf der abgewandten Seite des ersten magnetischen Sensors 54 befindet, mit einem blattförmigen Magnetelement (Magnetblech, Magnetfolie, Permanentmagnet) 111 versehen ist. Das blattförmige Magnetelement 111 ist so angeordnet, daß die Hauptlinien der magnetischen Feldstärke 110, d. h. die Magnetfeldlinien im we­ sentlichen parallel zu einer Sensorfläche 54b (vgl. Fig. 5) des ersten magneti­ schen Sensors 54 und orthogonal zu den Linien des Magnetfelds 3 der Multipol­ schicht 53a verlaufen. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist nämlich das blatt­ förmige Magnetelement 111 auf der dem ersten magnetischen Sensor 54 abge­ wandten Seite des Winkelstücks 56 so angeordnet, daß sich das Magnetelement 111 parallel zur Sensorfläche 54b erstreckt und sich seine magnetischen Pole (Nord- und Südpole) entlang der Achse O23 der horizontalen Welle 23 gegenseitig abstoßen. Das Magnetelement 111 ist über Klebstoff o. dgl. an dem Winkelstück 56 befestigt. Die Abmessungen des blattförmigen Magnetelementes 111 sind so festgelegt, daß sich letzteres über alle acht magnetfeldabhängigen Wider­ standselemente 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 erstreckt. Wegen der An­ ordnung und den Abmessungen des Magnetelementes 111 wirken die Hauptlinien der Magnetfeldstärke 110 auf das durch die magnetfeldabhängigen Wider­ standelemente erzeugte Barkhausen-Rauschen so ein, daß letzteres effizient ver­ ringert wird.
Die Fig. 8A und 8B zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä­ ßen zweiten Drehcodierers 51. Das zweite Ausführungsbeispiel des zweiten Drehcodierers 51 ist dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehcodierer 51 an der ebenen Platte 54a des ersten magnetischen Sensors 54 beiderseits der ma­ gnetfeldabhängigen Widerstandselemente 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4b1, 4b2, 4b3 und 4b4 zwei blattförmige Magnetelemente (Magnetblech, Magnetfolie, Permanentma­ gnete) 121 und 122 hat. Die beiden Magnetelemente 121 und 122 sind dabei so angeordnet, daß der Nordpol des einen Magnetelementes dem Südpol des ande­ ren Magnetelementes zugewandt ist, wobei die Hauptlinien der magnetischen Feldstärke 120 im wesentlichen parallel zur Sensorfläche 54b des ersten magne­ tischen Sensors 54 und orthogonal zu den Linien des magnetischen Feldes 3 der Multipolschicht 53a verlaufen. Die beiden blattförmigen Magnetelemente 121 und 122 sind als von dem ersten magnetischen Sensor 54 unabhängige Elemente vorgesehen und mittels Klebstoff o. dgl. an der ebenen Platte 54a befestigt. Die beiden Magnetelemente 121 und 122 können jedoch auch einstückig mit dem magnetischen Sensor 54 ausgebildet sein.
Fig. 9 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen zweiten Dreh­ codierers 51. Fig. 10 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des zweiten Drehcodie­ rers 51. Das dritte Ausführungsbeispiel des zweiten Drehcodierers 51 zeichnet sich dadurch aus, daß ein Permanentmagnet an der Schutzabdeckung 34 befe­ stigt ist. Dagegen zeichnet sich das vierte Ausführungsbeispiel dadurch aus, daß ein Permanentmagnet an dem Sockel 21 befestigt ist. Wie vorstehend erläutert, werden in dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel ein oder mehrere blattförmige Permanentmagnete eingesetzt, die an dem Winkelstück 56 oder dem ersten magnetischen Sensor 54 befestigt sind. In dem dritten und dem vierten Ausführungsbeispiel muß der Permanentmagnet jedoch nicht blattförmig sein. Außerdem ist der Permanentmagnet nicht an dem Winkelstück 56 oder dem er­ sten magnetischen Sensor 54 befestigt, sondern an der Schutzabdeckung 34 oder dem Sockel 21, an dem das Winkelstück 56 oder der erste magnetische Sensor 54 befestigt ist.
In dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist ein Stabmagnet 131 an einer Innenfläche der Schutzabdeckung 34 befestigt. Die Schutzabdeckung 34 kann von dem Sockel 21 gelöst werden, so daß der Stabmagnet 131 in einem Zustand, in dem die Schutzabdeckung 34 korrekt an dem Sockel 21 angebracht ist, so an­ geordnet ist, daß die Hauptlinien der magnetischen Feldstärke 130 im wesentli­ chen parallel zur Sensorfläche 54b des ersten magnetischen Sensors 54 und or­ thogonal zu den Linien des Magnetfeldes 3 der magnetisierten Multipolschicht 53a verlaufen.
In dem vierten Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist ein Stabmagnet 141 eng an­ liegend in eine an dem Sockel 21 ausgebildete Vertiefung eingepaßt. Der Stab­ magnet 141 ist so angeordnet, daß die Hauptlinien der magnetischen Feldstärke 140 im wesentlichen parallel zur Sensorfläche 54b des ersten magnetischen Sen­ sors 54 und orthogonal zu den Linien des Magnetfeldes 3 der magnetisierten Mul­ tipolschicht 53a verlaufen.
In einem in Fig. 11 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel ist ein dem Stabmagnet 131 nach Fig. 9 entsprechender Stabmagnet 131' in ähnlicher Weise wie in dem dritten Ausführungsbeispiel an einer Innenfläche der Schutzabdeckung 34 befe­ stigt. Zugleich ist ein weiterer, dem Stabmagnet 141 nach Fig. 10 entsprechender Stabmagnet 141' in ähnlicher Weise wie in dem vierten Ausführungsbeispiel eng in eine in dem Sockel 21 ausgebildete Vertiefung eingepaßt. In diesem Ausfüh­ rungsbeispiel sind die Stabmagnete 131' und 141' einander auf entgegengesetz­ ten Seiten des ersten magnetischen Sensors 54 zugewandt. Sind die beiden Stabmagnete 131' und 141' so angeordnet, daß der Nordpol des einen Stabma­ gneten dem Südpol des anderen Stabmagneten zugewandt ist, so werden des­ halb die Linien der magnetischen Feldstärke in stabilerer Weise erzeugt, als dies für das dritte oder das vierte Ausführungsbeispiel der Fall ist.
In dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel sind zur Verringerung des Bark­ hausen-Rauschens ein oder zwei Permanentmagnete für lediglich einen der vier in der Gesamtstation 11 angeordneten magnetischen Sensoren 44, 45, 54 und 55 vorgesehen, nämlich für den ersten magnetischen Sensor 54. Der gleiche Perma­ nentmagnet bzw. die gleichen Permanentmagnete können auch für einen anderen der Sensoren 44, 45 und 55 vorgesehen sein. Vorzugsweise sind jedoch der Permanentmagnet bzw. die Permanentmagnete für jeden der übrigen Sensoren 44, 45 und 55 vorgesehen. In diesem Fall ist das erste oder das zweite Ausfüh­ rungsbeispiel besonders für jeden der magnetischen Sensoren 45 und 55 geeig­ net, deren Position einstellbar ist, da sich die magnetischen Sensoren 45 und 55 zusammen mit den magnetischen Sensoren 44 bzw. 54 bewegen.
Für jedes der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele gilt, daß das Vorsehen eines oder mehrerer Permanentmagnete den Effekt hat, das Barkhausen- Rauschen zu verringern. In jedem dieser Ausführungsbeispiele gibt es noch einen weiteren Effekt, wobei ein Magnetfeld an den magnetischen Sensor (44, 45, 54 oder 55) angelegt wird. Die Rundheit der Lessajou-Figur, die aus den Ausgangs­ signalen der A-Phase und der B-Phase auf einem Kathodenstrahl-Oszilloskop er­ sichtlich ist, verbessert sich nämlich. Je mehr sich die Form der Lessajou-Figur ei­ nem wirklichen Kreis annähert, desto zuverlässiger ist die Interpolationsoperation. Wird jedoch ein starkes Magnetfeld an den magnetischen Sensor angelegt, so wird letzterer manchmal empfindlich auf Rauschen, da die Werte der Ausgangs­ signale der A-Phase und der B-Phase klein werden. Vorzugsweise wird deshalb ein Magnetfeld von etwa 0,5 bis 10 Gauss an dem magnetischen Sensor ange­ legt.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen wurden ein oder mehrere Permanentmagnete verwendet, um ein magnetisches Feld an dem magnetischen Sensor anzulegen. Anstelle der Permanentmagnete können auch ein oder mehre­ re Elektromagnete eingesetzt werden. In diesem Fall ist es möglich, den Elektro­ magnet bzw. die Elektromagnete nur zu der Zeit mit Energie zu versorgen, zu der der Horizontal- oder der Vertikalwinkel gemessen wird.
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf Gesamtstationen angewendet wer­ den, wie dies für die oben erläuterten Ausführungsbeispiele gilt. Sie kann auch auf andere Vermessungsinstrumente, z. B. Nivellierer, Theodolite, Theodolite mit durchschlagbarem Fernrohr, Tachymetertheodolite u. dgl. angewendet werden.
Wie aus dem vorstehend Erläuterten hervorgeht, ist bei einem Vermessungsin­ strument, das einen magnetischen Inkremental-Drehcodierer nach der Erfindung einsetzt, mindestens ein Magnet in der Nähe mindestens eines von zwei magneti­ schen Sensoren angeordnet, um einen Erfassungsfehler des magnetischen In­ kremental-Drehcodierers zu verringern. Aus diesem Grund kann selbst ein winzi­ ger Drehwinkel der magnetischen Trommel mit einem hohen Maß an Genauigkeit erfaßt werden, selbst wenn sich das Vermessungsinstrument in einem externen Magnetfeld befindet.
Wird der jeweilige Magnet als blattförmiges Magnetelement ausgebildet und be­ züglich der magnetisierten Multipolschicht fest auf der entgegengesetzten Seite des entsprechenden magnetischen Sensors oder an der Sensorfläche des ent­ sprechenden magnetischen Sensors angeordnet, so wird der Magnet in dem Vermessungsinstrument zusammen mit dem entsprechenden magnetischen Sen­ sor installiert, wodurch die Zeit verringert wird, die benötigt wird, um die Stellung des Magneten bezüglich des entsprechenden magnetischen Sensors einzustellen.
Wird der jeweilige Magnet an dem Sockel (Körper) des Vermessungsinstrumen­ tes, an dem mindestens ein Lager zum Halten der rotierenden magnetischen Trommel befestigt ist, oder an einer an dem Körper des Vermessungsinstrumen­ tes angebrachten Abdeckung befestigt, so erhöht sich der Freiheitsgrad des Ma­ gneten hinsichtlich Größe und Form. Dadurch ist es möglich, einen großen Ma­ gneten mit hoher magnetischer Feldstärke zu verwenden, so daß ein vorbestimmt schwaches Magnetfeld von einer entfernten Stelle aus an dem magnetischen Sensor angelegt werden kann, um so das Barkhausen-Rauschen noch effizienter zu verringern.

Claims (13)

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,
mindestens einem magnetischen Sensor (54, 55), der der magnetisierten Multipolschicht (53a) zugewandt ist, und
mindestens einem Magneten (111), der zur Verringerung eines Erfassungs­ fehlers des magnetischen Inkremental-Drehcodierers (51) nahe dem ma­ gnetischen Sensor (54, 55) angeordnet ist.
2. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Sensor (54, 55) mehrere magnetfeldabhängige Wider­ standselemente (4a1 bis 4a4, 4b1 bis 4b4) hat, die in gleichmäßigen Abstän­ den voneinander angeordnet sind, wobei der Teilungsabstand der Wider­ standselemente (4a1 bis 4a4, 4b1 bis 4b4) kleiner als der der gleichmäßig unterteilten, magnetisierten Teilbereiche ist.
3. Vermessungsinstrument (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Vermessungsinstrument (11) zur Verringerung eines Er­ fassungsfehlers ausgebildet ist, der durch ein Rauschen infolge des Bark­ hausen-Effektes verursacht wird.
4. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (111) ein Permanentmagnet ist.
5. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet so ausgebildet und angeordnet ist, daß die Hauptlinien der magnetischen Feldstärke im wesentlichen paral­ lel zur Sensorfläche (54b) des entsprechenden magnetischen Sensors (54) und im wesentlichen orthogonal zu den Linien des Magnetfeldes der Multi­ polschicht (53a) verlaufen.
6. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (111) ein blattförmiges Magnet­ element enthält, das auf der der Multipolschicht (53a) abgewandten Seite des entsprechenden magnetischen Sensors (54) angeordnet ist.
7. Vermessungsinstrument (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet ein Paar blattförmige Magnetelemente (121, 122) enthält, die auf der Sensorfläche (54b) des magnetischen Sen­ sors (54) beiderseits der magnetfeldabhängigen Widerstandselemente (4a1 bis 4a4, 4b1 bis 4b4) angeordnet sind.
8. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet an einem stationären Element (21) befestigt ist, an das mindestens ein Lager zum Halten der magnetischen Drehtrommel befestigt ist.
9. Vermessungsinstrument (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet an einer Abdeckung befestigt ist, die an einem stationären Element angebracht ist, an das mindestens ein Lager (29) zum Halten der magnetischen Drehtrommel (53) befestigt ist.
10. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen ersten Magneten (141'), der an einem stationären Element (21) befe­ stigt ist, an das mindestens ein Lager (29) zum Halten der magnetischen Drehtrommel (53) befestigt ist, und
einen zweiten Magneten (131'), der an einer an dem stationären Element (21) angebrachten Abdeckung (34) befestigt ist,
wobei die beiden Magneten (131', 141') auf entgegengesetzten Seiten des magnetischen Sensors angeordnet sind.
11. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gesamtstation ist.
12. Vermessungsinstrument (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster magnetischer Sensor (54) und ein zweiter magnetischer Sensor (55) vorgesehen sind, die so in dem magneti­ schen Inkremental-Drehcodierer (51) angeordnet sind, daß eine Phasendif­ ferenz des ersten magnetischen Sensors (54) gegenüber dem zweiten ma­ gnetischen Sensor (55) einstellbar ist.
13. Vermessungsinstrument (11) mit
einer Nivellierplatte (17),
einem Sockel (21), der so an die Nivellierplatte (17) gekoppelt ist, daß er um eine vertikale Achse relativ zu der Nivellierplatte (17) drehbar ist,
einem Kollimationsfernrohr (25), das so an den Sockel (21) gekoppelt ist, daß es um eine horizontale Achse relativ zu dem Sockel (21) 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, mit mindestens einem magnetischen Sensor (54, 55) und mit mindestens einem Magneten (111) zur Verringerung eines Erfassungsfehlers des magnetischen Inkremental-Drehcodierers (51), der magnetische Sensor (54, 55) mehrere magnetfeldabhängige Wider­ standselemente (4a1 bis 4a4, 4b1 bis 4b4) enthält und der magnetisierten Multipolschicht (43a) gegenüberliegt, und
der Magnet (111) nahe dem magnetischen Sensor (54, 55) angeordnet ist.
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