DE3150349A1

DE3150349A1 - Winkelmessvorrichtung mit einem liniensensor

Info

Publication number: DE3150349A1
Application number: DE19813150349
Authority: DE
Inventors: Shuji Tokyo Hoshika
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1980-12-20
Filing date: 1981-12-18
Publication date: 1982-08-05
Also published as: CH644689A5; US4518859A; JPS57104815A

Description

" " ** 31503A9

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATK N TAN WALTK

DR. ING.E. HOFFMANN (1930-1976J . Dl FL.-I NG. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. H OFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. Lt M N

DIPL.-ING. K.FOCHSLE · DR. RER. NAT. D. HANSEN ARABELIASTRASSE4 · D-8000 MO NCH EN Ol . TELEFON (0B9) 911087 · 1ELEX 05-29419 (PATH E)

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36 122/3 p/hl

Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan

Winkelmeßvorrichtung mit einem Liniensensor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Winkelmeßvorrichtung, wie einen Theodoliten.

Um einen sehr kleinen Winkel mit einem Theodoliten oder dgl.

zu messen, wurde ein auf den Drehumfang der Skalentafel in einem Theodoliten bezogenes elektrisches Signal mit einem Bezugssignal phasenverglichen, oder der sehr kleine Winkel wurde mit Hilfe der Amplitude eines elektrischen Signals bestimmt, welches sich auf den Drehumfang der Skalentafel bezog.

Beispielsweise beschreibt die japanische Offenlegungsschrift 64056/1978 eine Verbesserung der vorgenannten Methode. Mehr spezifisch wird entsprechend dieser Methode das elektrische Signal A sin (ojt + φ..) erfaßt, welches sich auf den Drehumfang der Skalentafel bezieht. Der sehr kleine Winkel wird vom Phasenunterschied φ. zwischen diesem elektrischen Signal und dem Bezugssignal sin tot erzielt. Um diese Methode zu praktizieren, ist ein genauer sinusoidaler Verlauf auf dem Umfang der Skalentafel vorgesehen. Es wer-

den vier rechtwinklige optische Detektionsdioden verwendet, die in 90"-Phasenintervallen in der Periode des sinusoidalen Verlaufs angeordnet sind. Um darüber hinaus einen sehr kleinen Winkel festzustellen, werden 4096 Radial-Schlitzverläufe und optische Detektionsdioden (die ebenso in 90°-Phasenintervallen angeordnet sind) verwendet, wobei die Dioden Masken in Form einer Sinuswelle mit einer Periode von 13 haben. Dementsprechend sind entsprechend diesem Stand der Technik die Verläufe bzw. die Spuren auf der Skalentafel und die Masken kompliziert und müssen mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Die Phasenverhältnisse zwischen diesen Elementen müssen strikt eingestellt werden.

Bei einem Beispiel der letztgenannten Methode werden Moire-Streifen oder Interferenzstreifen durch eine Skala auf der Skalentafel und eine stationäre Skala ausgebildet. Der sehr kleine Winkel wird von der Amplitude einer elektrischen Sinuswelle erzielt, die diesem Streifen entspricht. Diese Methode ist hinsichtlich der Anordnung einfach. Da jedoch die Amplitude des Ausganges in großem Umfang nicht nur vom Drehumfang der Skalentafel sondern ebenso von der Veränderung der Intensität der Lichtquelle abhängt, kann der Wert eines Winkels nur mit geringer Genauigkeit gemessen werden. Es ist daher notwendig, den Wert hinsichtlich der Veränderung der Intensität des illuminierenden Lichtes zu korrigieren.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung zu schaffen, bei der die vorgenannten Nachteile eliminiert sind und mit der eine hohe Meßgenauigkeit erzielbar ist, wobei die verwendeten Komponenten einfach sind und die Einstellung leicht durchgeführt werden kann. Dabei soll die Meßgenauigkeit nicht durch die Veränderung der Lichtintensität der Lichtquelle beeinträchtigt werden, die dazu dient, die Skalentafel zu beleuchten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die sich aus den Patentansprüchen ergebenden Merkmale gelöst.

Bei der Lichtmeßvorrichtung gemäß der Erfindung wird eine in gleichwinkligen Intervallen auf einer Skalentafel ausgebildete Skala auf einen Liniensensor auf solche Weise projiziert, daß die Teilung der Skala im wesentlichen gleich (aber nicht exakt gleich) der Teilung des Linien-.sensors ist. Ein sehr kleiner Winkel wird vom Ausgang des Liniensensors bei dieser Bedingung erhalten. Die Vorrichtung ist daher hinsichtlich ihrer Anordnung und Einstellung wesentlich einfacher als die bekannte Vorrichtung. Bei einer Vorrichtung einer derartigen Konstruktion wird die Messung nicht durch die Veränderung der Intensität des die Skalentafel beleuchtenden Lichtes beeinträchtigt. Die Detektionssignale werden entsprechend einem digitalen Modus behandelt, so daß die Vorrichtung leicht und exakt mit einem Mikroprozessor gekuppelt werden kann. Die Vorrichtung arbeitet sehr zuverlässig.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer grundsätzlichen Anordnung einer Winkelmeßvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2(a) eine schematische Darstellung des Positionsverhältnisses zwischen einem Liniensensor und einer auf den Liniensensor projektierten Skala,

Fig. 2(b) eine graphische Darstellung mit der Anzeige der Ausgänge des Liniensensors unter den in Fig. 2(a)

gezeigten Bedingungen,

Fig. 3(a) ein Blockdiagramm mit der Darstellung eines

Beispiels eines Bearbeitungskreises zum Erfassen einer Winkeldrehung einer Skalentafel,

Fig. 3(b) und 3(c) Zeittafeln mit der Anzeige von Signalen,

die dadurch erzielt werden, daß alternativ die Ausgänge der Lichtaufnahmeabschnitte im Lichtsensor alternativ geprüft und gehalten werden,

Fig. 3(d) eine Zeittafel mit der Darstellung eines Ausganges,

welcher vorgesehen ist, durch Anlegen der Signale gemäß Fig. 3(b) und 3(c) an einen Komparatorkreis,

Fig. 3(e) eine Zeittafel mit der Darstellung des Ausganges

eines impulserzeugenden Kreises, welcher einen Impuls erzeugt, wenn der in Fig. 3(d) gezeigte Ausgang vom hohen Niveau zum niedrigen Niveau wechselt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mit einem absoluten Codierer kombiniert ist,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche mit einer Einrichtung zum Vorsehen von zweiphasigen Impulsausgängen kombiniert ist, welche Ausgänge um 90° phasenr verschoben sind,
30

Fig. 6 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, welche so angeordnet sind, daß sie eine diametral entgegengesetzte Lesmethode, praktizieren und
35

Fig. 7 ein Diagramm zum Erzielen von geraden Rückbildungs-• linien von den Ausgängen des Liniensensors·

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Fig. 1 zeigt die fundamentalste Anordnung einer erfindungsgemäßen Winkelmeßvorrichtung. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Skalentafel, die mit einer Winkelmeßvorrichtung, wie einem Theodoliten, inkorporiert ist.

Die Skala mit gleichwinkliger Teilung, bestehend aus transparenten und opaken Abschnitten, welche in gleichen Intervallen angeordnet sind, wird auf der Skalen-tafel 1 markiert. Bei einem Theodoliten oder dgl. wird ein Kollimatorteleskop um eine Drehachse 2 zusammen mit der Skalentafel 1 gedreht. Die Messung des Winkels zwischen zwei Zielpunkten durch Kollimation mit dem Teleskop wird durch Messen der Winkeldrehung der Skalentafel 1 erzielt. Diesbezüglich wird Licht von einer Lichtquelle 3 durch eine Diffusionsplatte 4 auf die Skalentafel 1 geworfen, so daß das Bild der Gradeinteilung der Skalentafel 1 durch eine Projektionslinse 5 auf einen Liniensensor 6 projiziert wird. In diesem Fall ist die Projektionslinse 5 so angeordnet, daß die Breite jeder Gradeinteilung auf der Skalentafel 1 im wesentlichen gleich der Breite eines Lichtaufnahmeabschnittes im Linien-' sensor ist.

Fig. 2(a) ist eine schematische Darstellung des Positionsverhältnisses zwischen dem Liniensensor 6 und dem Bild der Gradeinteilungen, die auf den Liniensensor 6 projiziert sind (die Gradeinteilungen bestehen aus transparenten Abschnitten . 1-W und opaken Abschnitten 1-B). Fig. 2(b) ist ein Diagramm mit der Darstellung der korrespondierenden Ausgänge des Liniensensors. In dieser Verbindung wird angenommen, daß beispielsweise der Liniensensor 6 22 Lichtaufnahmeabschnitte 6-1, 6-2, ... und 6-22 hat, von denen jeder eine Lichtaufnahmefläche in Form eines Quadrats von 25 μπι χ 25 μπι hat. Das Bild der Skala wird so auf den Liniensensor 6 projiziert, daß jeder der transparenten und opaken Abschnitte 27,5 μπι beträgt. Weiterhin wird angenommen, daß der Umfang der Skalentafel in 4320 gleiche Segmente aufgeteilt ist (jedes Segment ist eine Kombination eines transparenten Abschnittes und

eines opaken Abschnittes) ". Wenn unter dieser Bedingung die Projektionsvergrößerung (1) ist, muß die Skalentafel einen Durchmesser von ungefähr 27,5 px 4320 χ 2/π = 75,630 mm haben. Solch eine Skalentafelgröße ist für einen Theodoliten oder dgl. geeignet. Wenn die Gradeinteilungen auf dieser Skalentafel auf den Liniensensor projiziert werden (welcher linear ist und eine Breite von 25 μΐη und eine Länge von 25 μΐη χ 22 hat) , dann wird das Bild der Gradeinteilungen gekrümmt auf dem Liniensensor ausgebildet. In diesem Fall werden jedoch die Gradeinteilungen auf einen sehr kleinen Bereich projiziert, welcher zehn Segmenten entspricht (50* = 360° χ 10/4320 in Winkelmaßen). Daher ist, sogar wenn gleich beabstandete Gradeinteilungen linear projiziert ' betrachtet werden, der Fehler sehr klein. Weiterhin ist bei der Projektion keine komplizierte Einstellung erforderlich.

Die fundamentale Anordnung der Winkelmeßvorrichtung der Erfindung wurde mit verschiedenen spezifischen Daten beschrieben, beispielsweise 25 μΐη χ 25 μΐη für jeden L ich tauf nähmebereich des Liniensensors, 22 für die Zahl der Lichtaufnahmeflächen und 4320 für die Zahl der Aufteildngsabschnitte der Skalentafel. Die Erfindung ist jedoch auf diese Daten nicht beschränkt. Vielmehr kann hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Projektionslinse mit anderen Daten gearbeitet werden. So kann die Breite jeder Gradeinteilung auf der Skalentafel im wesentlichen, jedoch nicht exakt gleich mit der Breite jedes Lichtaufnahmeelementes des Liniensensors gemacht werden.

Fig. 2(b) zeigt die Ausgänge des Liniensensors 6, wenn das Bild der Gradeinteilungen der Skalentafel auf dem Liniensensor entsprechend Fig. 2(a) ausgebildet sind. In Fig. 2(b) repräsentieren die vertikale Achse die Ausgangsamplituden und die horizontale Achse die Lichtaufnahmeelementpositionen

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oder die Zeit. Die transparenten Abschnitte 1-W und die opaken Abschnitte 1-B sind in gleicher Teilung auf der Skalentafel angeordnet. Die Lichtaufnahmeabschnitte sind ebenso in gleicher Teilung auf dem Lichtsensor 6 angeordnet. Das Positionsverhältnis zwischen der Skalentafel und dem Lichtsensor wird linear verschoben, wie dies zuvor beschrieben wurde. Daher ändert sich der Ausgang des Lichtsensors 6 entsprechend der Darstellung in Fig. 2(b). Der Liniensensor 6 hat eine sehr kurze elektrische Abtastperiode. Daher ist es ebenso verständlich, daß die Verhältnisse zwischen diesen Ausgängen unverändert bleiben, sogar wenn sich die Leuchtdichte der Lichtquelle mit der Zeit ändert.

Unter diesen Ausgahgsbedingungen soll einer der Lichtaufnahmeabschnitte, der ein bestimmtes Ausgangsniveau hat, betrachtet werden. Es wird angenommen, daß das bestimmte Ausgangsniveau die Hälfte der Summe des maximalen Ausgangsniveaus und des minimalen Ausgangsniveaus ist, beispielsweine das Ausgangsniveau dos LichtaufnahmoabschniLts 6-0. Wenn die Skalentafel beispielsweise ein wenig nach rechts bewegt wird, dann wird dieses bestimmte Ausgangsniveau durch einen anderen Lichtaufnahmeabschnitt abgegeben. Wenn die Skalentafel über einen Winkel gedreht wird, weleher einem Teilungsabschnitt entspricht, wird das bestimmte Ausgangsniveau wieder durch den Lichtaufnahmeabschnitt 6-6 vorgesehen. Daher kann durch Erfassen des Lichtaufnahmeabschnittes, welches ein vorbestimmtes Ausgangsniveau vorsieht, die Winkelmessung mit einer Genauigkeit eines Winkels vorgenommen werden, welcher viel kleiner ist als der Winkel entsprechend eines Teilungsabschnittes der Skalentafel. Der kleinere Winkel beträgt ungefähr 14" mit den vorgenannten numerischen Daten. (360°/4320 = 5' - 300" wird geteilt durch 22 und das Resultat ist ungefähr 14".)

Fig. 3(a) zeigt ein Beispiel eines Behandlungskreises zum Erfassen einer Winkeldrehung der Skalentafel. Der Liniensensor 6 wird durch einen Liniensensorantriebskreis 31 angetrieben und schafft Ausgänge entsprechend der Darstellung in Fig. 2(b), wenn das Bild der Gradeinteilungen entsprechend Fig. 2(a) der zuvor beschriebenen Art ausgebildet ist. Die so vorgesehenen Ausgänge werden durch einen Prüf- und Haltekreis 32, welcher jeden anderen Ausgang prüft und hält, in zwei Prüf- und Halteausgänge umgewandelt.

Diese beiden Ausgänge sind in Fig. 3(b) bzw. 3(c) dargestellt, in denen die strichpunktierte Linie die originalen Ausgänge des Lichtsensors 6 anzeigt. Durch Anlegen dieser beiden Ausgänge an einen Komparatorkreis 33 kann ein logisches Signal entsprechend Fig. 3(d) erzielt werden. Da die Verhältnisse zwischen den Ausgängen des Liniensensors 6 von der Veränderung der Leuchtdichte der Lichtquelle mit der Zeit unabhängig sind, ist das logische Signal ebenso unabhängig von der Veränderung der Leuchtdichte. Beim logischen Signal entspricht die Lage, wo beispielsweise der Hochniveauausgang zum Niedrigniveauausgang wechselt, der Winkeldrehung der Skalentafel, welcher der zuvor genannte kleinere Winkel ist (hierin bezeichnet als "ein extrem kleiner Winkel") Der Ausgang des Komparators 33 wird an einen impulserzeugenden Kreis 34 angelegt, so daß dieser einen Impulsausgang (hierin bezeichnet als "ein Zwischenausgang") entsprechend der Darstellung in Fig. 3(e) an der Lage erzeugt, wo.der Hochniveauausgang zum Niedrigniveauausgang wechselt.

Ein Gatterkreis 35 ist dahingehend tätig, das Anlegen eines Liniensensorantriebs-Taktimpuls zu steuern, welcher von einem Liniensensorantriebskreis 31 an einen Taktimpulszähler 36 abgegeben wird. Dieser Taktimpuls wird dazu verwendet, jeden Lichtaufnahmeabschnitt des Lichtsensors 6 zu betätigen. Die Lichtaufnahmeabschnitte können durch Zählen der Zahl der Taktimpulse lokalisiert werden. In anderen Worten

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bedeutet dies_r daß nach dem Erfassen der Tatsache, daß der Liniensensorantriebskreis 31 den ersten Lichtaufnahmeabschnitt angetrieben hat, ein Mikroprozessor 37 den Gatterkreis 35 öffnet, um die genannte Liniensensorantriebs-Taktimpulse dem Taktimpulszähler 36 einzugeben. Wenn der Mikroprozessor 37 den Zwischenausgang mit Hilfe des Prüf- und Haltekreises 32, welcher den Ausgang jedes anderen Lichtaufnahmeabschnittes prüft und hält, des Komparatorkreises 33 und des impulserzeugenden Kreises 34 erfaßt, schließt der Mikroprozessor 37 den Gatterkreis 35 und stellt den Zähler 36 nach dem Lesen des Inhaltes desselben zurück. Die Zahl der Taktimpulse, die vom Zähler 36 ausgelesen wurden, entspricht der Lage des Lichtaufnahmeabschnittes, welcher den Zwischenausgang vorgesehen hat. Daher kann der Mikroprozessor 37 die genaue präsente Lage der Skalentafel durch Lagern der Anzahl der so gelesenen Taktimpulse erfassen.

Eine anfängliche Winkeleinstellung wird durchgeführt, indem mittels einer Tastatur 40 ein erforderlicher Winkel im Mikroprozessor 37 eingegeben wird. Die Tastatur 40 wird dazu verwendet, verschiedenen Instruktionen in den Mikroprozessor 37 einzugeben (wie eine Grad-zu-Grad^Einteilung-UmwandlungsInstruktion und eine Gradeinteilungs-zu-Grad-Umwandlungsinstruktion).

Wenn die Skalentafel gedreht wird, wird der den Zwischenausgang anzeigende Lichtaufnahmeabschnitt durch einen anderen ersetzt und die Zahl der Taktimpulse, welche dem Zähler 36 zugeführt werden können, bevor der Zwischenausgang erfaßt wird, wird ebenso geändert. Der Mikroprozessor 37 liest den Inhalt des Taktimpulszählers 36 jederzeit und der Mikroprozessor 37 ist so programmiert, daß er erkennt, daß die Skalentafel im Uhrzeigersinn gedreht wird, wenn die Anzahl der im Zähler gespeicherten Taktimpuise zunimmt und daß die Skalentafel im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, wenn die Zahl der Taktimpulse abnimmt (beispielsweise). Der Mikro-

prozessor speichert, wie oft der Zwischenabschnitt durch einen besonderen Lichtaufnahmeabschnitt in einer vorbestimmten Lage gewandert ist (oder wie oft der besondere Lichtaufnahmeabschnitt den Zwischenausgang erzeugt hat) und speichert die Bewegungsrichtung des Zwischenabschnittes, so daß ein Winkel größer als der Maximalwert (5¹ bei den vorgenannten Daten) des extrem kleinen Winkels, welcher durch den Liniensensor erfaßt werden kann, mit dem Maximalwert als eine Minimumeinheit gemessen wird. Dies bedeutet, daß eine grobe Winkelmessung durchgeführt wird durch Zählen der Anzahl der kompletten Teilungen der Drehung, wie durch den Zwischenausgang von einem bespnderen Sensor. Wenn die Skalentafel angehalten wird, wird der extrem kleine Winkel erneut von der Lage des Zwischenausganges berechnet und der gesamte Drehwinkel wird durch Zusammenaddieren der groben und der feinen Winkelmessung berechnet. Das berechnete Resultat wird an einem Anzeigeabschnitt 38 angezeigt.

Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein extrem kleiner Winkel, kleiner als der Winkel entsprechend einem Segment der Skalentafel, von dem Lichtaufnahmeabschnitt erfaßt, der im Liniensensor den Zwischenausgang erzeugt. Ein Winkel größer als der Winkel entsprechend dem einen Segment der Skala wird erfaßt, indem gespeichert wird, wie oft der Zwischenausgang den besonderen Lichtaufnahmeabschnitt an der vorbestimmten Position und in der Bewegungsrichtung passiert hat. Jedoch kann ein Winkel größer als der Winkel entsprechend dem einen Segment der Skala (oder ein Winkel größer als 5¹, welches die Minimum-Winkeleinheit beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel· ist) mit anderen bekannten Mitteln gemessen werden. Ein Beispiel dieser Einrichtung wird beschrieben.

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Es soll der Fall betrachtet werden, bei dem eine Skalentafel verwendet wird, deren Umfang in 4320 gleiche Teile aufgeteilt ist, ebenso wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. In diesem Fall beträgt der Winkel ent- sprechend einem Segment 5 min (5¹). Um die absoluten Werte der Winkel mit 5¹ als Minimumwinkeleinheit zu erhalten, sollte eine Skalentafel als ein 13-bit (2¹³ = 8192)-Absolutcodierer ausgebildet sein. Ein Beispiel ein Winkelmeßvorrichtung mit einer solchen Skalentafel ist in Fig. 4 dargestellt» Die Gradeinteilungen 41 sind in gleichen Intervallen auf dem Umfang der Skalentafel 1 markiert, um einen Winkel kleiner als den Winkel entsprechend einem Segment der Skala zu erfassen. Die Skalentafel 1 hat ein absolutes Codiermuster 42, welches bei herkömmlichen Absolutcodierern bekannt ist. Das Muster wird verwendet, um Absolutwinkelwerte zu erhalten, die größer sind als der Winkel entsprechend einem Segment. Die Anzahl von Bits ist durch die Menge bestimmt, die notwendig ist, um Winkel mit dem Winkel als eine Einheit zu lesen, welcher einem Segment der Skala 41 mit gleicher Teilung entspricht. Diese Anzahl von Bits ist dreizehn (13) mit den zuvor genannten numerischen Daten des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels.

Das absolute Codiermuster 42 wird durch eine Lichtquelle 4 3 illuminiert und beispielsweise durch eine Photodetektorelernentenreihe 4 4 in graue Kode umgewandelt. Als Resultat wird ein Winkeldata in einen Mikroprozessor 37 mit dem Winkel als Einheit eingegeben, welcher einem Teilungsabschnitt entspricht. Die Winkeldata, die repräsentativ für einen Winkel kleiner als den Winkel sind, der einem Segment entspricht, werden durch die zuvor beschriebene Einrichtung dem Mikroprozessor 37 eingegeben. Beide Winkeldata werden durch den Mikroprozessor 37 behandelt, so daß der Absolutwert der Winkeldrehung der Skalentafel berechnet und angezeigt wird. 35

Ein zweites Beispiel einer Methode zum Erzielen eines Winkels größer als der Winkel entsprechend einem Segment ist eine Methode, bei dem ein Winkelsignal entsprechend einem Teiluhgsabschnitt der Skalentafel und ein Drehrichtungserkennungssignal von einem Zweiphasenimpulsaüsgang erzielt werden, welche beiden Impulsausgänge um 90° phasenverschoben sind. Es handelt sich dabei um Impulse, die auf dem Gebiet der Inkrementdecoder (Stufendecoder) bekannt sind- Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zum Praktizieren dieser Methode. Die Gradeinteilungen auf einer Skalentafel 1 werden durch eine Linse 51 auf Masken 52 und 53 projiziert. Die Phasen der'Masken 52, 53 sind um 90° gegeneinander verschoben (entsprechend einem Viertel (1/4) Segment). Daher schaffen die Lichtaufnahmeelemente 54 und 55 hinter den Masken 52 und 53 Zwei-Phasenausgänge, deren Phasen um 90° · gegeneinander verschoben sind. Wenn diese Ausgänge in eine Wellenform gebracht werden, werden ein Winkelsignal entsprechend einem Segment der Skala und ein Drehrichtungserkennungssignal auf herkömmliche Weise in einem Mikroprozessor eingegeben. Andererseits werden ein Winkelsignal, repräsentativ für einen Winkel kleiner als der Winkel entsprechend einem Segment mit Hilfe der in Fig. 1 dargestellten Anordnung und mit Hilfe der in Fig. 3 dargestellten Anordnung in den Mikroprozessor eingegeben. Der Mikroprozessor berechnet den Drehwinkel der Skalentafel unter Zuhilfenahme der eingegebenen Winkelsignale und zeigt das Resultat an.

Die meisten Theodoliten verwenden eine diametral entgegengesetzte Lesmethode, um einen Winkellesefehler zu korrigieren, welcher durch Nxchtzusammenfallen des Zentrums der Skalentafel mit dem Zentrum der Drehung der Skalentafel verursacht wird. Fig. 6 zeigt ein Beispiel des den extrem kleinen Winkel erfassenden Abschnittes der Detektion entsprechend der Erfindung, welche so ausgelegt ist, daß diese diametral entgegengesetzte Lesemethode durchgeführt wird. Zwei Vor-

richtungen entsprechend Fig. 1 sind diametral entgegengesetzt zueinander auf beiden Seiten der Skalentafel angeordnet. Die Ausgänge der Liniensensoren werden über einen einen extrem kleinen Winkel erfassenden Kreis 61, welcher nach demselben Prinzip arbeitet wie der Kreis gemäß Fig. 3, einem Mikroprozessor 37 zugeführt. Beispielsweise kann der Kreis 61 im wesentlichen derselbe sein wie der in Fig. 3 dargestellte Kreis. Er umfaßt jedoch einen zweiten Satz von Komponenten 32-36 zum Behandeln eines zweiten Satzes von Signalen des zweiten Liniensensors. So wird der Mikroprozessor so programmiert, daß er die Winkeldrehung der Skalentafel an diametral entgegengesetzt angeordneten Stellen aufnimmt und mittelt diese Winkeldrehungen zum Korrigieren des Winkellesefehlers aufgrund der Exzentrizität der Lagerung der Skalentafel. Diese Methode der Fig. 6 kann' in Kombination mit jeder der zuvor beschriebenen Methoden gemäß Fig. 4 und 5 zum Erfassen eines Winkels verwendet werden, der größer ist als der Winkel entsprechend einem Segment.

Bei der Erfindung wird der extrem kleine Winkel dadurch erfaßt, daß die Lage des Lichtaufnahmeabschnittos erfaßL wird, in der der Zwischenausgang während des Abtastens des Liniensensors auftritt, wobei der Lichtaufnahmeabschnitt dadurch bestimmt wird, daß die Ausgänge der Prüf- und Haltekreise, geeignet zum Prüfen und Halten des Ausganges jedes anderen Lichtaufnahmeabschnittes, verglichen werden, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 3(b) bis 3(e) beschrieben wurde. Wenn daher die Ausgänge der Lichtaufnahmeabschnitte als Daten der Rückbildungsanalyse unterworfen werden, so daß die Zwischenlage statistisch erzielt wird, dann kann die Meßgenauigkeit des extrem kleinen Winkels verbessert werden. Für diesen Zweck wird es bevorzugt, einen A-D-Wandler 39 (Analog-Digital-Wandler) dem Kreis hinzuzufügen, welcher im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben worden ist. In Fig.

erhält der Mikroprozessor 37 vom Liniensensor-Antricbskreis 31 und vom A-D-Wandler 39 Daten, die anzeigen, daß der

i-te Ausgang des Liniensensors 6 ν. ist. Fig. 7 zeigt ein Beispiel solcher Eingangsdaten. In Fig. 7 repräsentiert die horizontale Achse eine Lichtaufnahmeabschnittszahl i und die vertikale Achse einen Ausgang v. des entsprechenden Abschnitts. Um eine Rückbildung der geraden Linien 71 und zu erzielen, und zwar unter der Bedingung, daß die Ausgänge der ungeradzahligen Lichtaufnahmeabschnitte die geraden Linien bilden, werden die folgenden Berechnungen vom Mikroprozessor durchgeführt:

Rückbildungs-gerade Linien durch die ungeradzahligen Daten ν - a₀ + b₀ (i - I₀)

1·. der Durchschnitt der ungeradzahligen Abschnittszahlen 15

a_Q = v_o : der Durchschnitt der ungeradzahligen Lichtaufnahmeabschnittsausgänge

(wobei i eine ungerade Zahl ist)

Rückbildungs-gerade Linie durch geradzahlige Daten ■ ν = a_e + b_e (i - i_e)

i : der Durchschnitt der geradzahligen Lichtaufnahmeabschnittzahlen

a = ν : Durchschnitt der geradzahligen Lichtaufnähmeabschnittsausgänge

b_e ='{SCi - T_e) V₁) / ECi - r_e)²

(wobei i eine gerade Zahl ist) 30

Der Wert von i zwischen den beiden Rückbildungs-gerade Linien ist:

i = (Cb₀T₀ - b_er_e) - Ca₀ - a_e)}/ Cb_{0 f}- b_e).

Von diesem Wert i wird der Zwischenabschnitt der Ausgänge des Prüf- und Haltekreises zum Prüfen und Halten des Aus-

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ganges jeden anderen Lichtäufnahmeabschnittes durch einen statistischen Prozeß erzielt. Daher kann der extrem kleine Winkel mit höherer Genauigkeit erfaßt werden. Die statistische Rückbildungsanalyse kann dazu verwendet werden, die Detektion auf der Basis des Ausganges des Impulsgenerators 34 zu ergänzen oder zu ersetzen. Bei der Rückbildungsanalyse können die Daten, wenn dies gewünscht wird, die Kurven in andere Gebilde als in eine gerade Linie rückbilden.

Im- allgemeinen ist es erwünscht, nicht nur die horizontalen Winkel sondern ebenso die vertikalen Winkel mit einer Winkelmeßvorrichtung, wie einem Theodoliten, zu messen. Die Winkelmeßvorrichtung gemäß dieser Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist sowohl für das Messen von horizontalen als auch von vertikalen Winkeln anwendbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in ihrer Konstruktion einfach. Ein Einstellen zwischen den Komponenten kann leicht und genau vorgenommen werden. Mit dieser Vorrichtung können Winkel mit hoher Genauigkeit unabhängig von der Veränderung der Lichtdichte der Lichtquelle gemessen werden. So ist die Winkelmeßvorrichtung gemäß der Erfindung in vielen praktischen Fällen wirksam anwendbar.

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HOFFMANN · EITIJS & PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR-INCE₁HOFFMANN(IJSO-Wi)₁PIPL-ING₁W-EITLE . DR.RER.NAT.K.HOFFMANN ■ DIPl.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · OR₁ RER. NAT. B, HANSEN ARABELLASTRASSt 4 · D-8000 MONCH EN 81 . TELEFON (08?) 911087 · TELEX 05-2961» (PATH E)

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Asahi Kogaku Kogyo Kabushiki Kaisha,
Tokyo / Japan

Winkelmeßvorrichtung mit einem Liniensensor

Ansprüche

C 1 .) Winkelmeßvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Skalentafel (1) mit einer Skala, die aus transparenten Abschnitten (1.-W) und opaken Abschnitten (T-B) besteht, welche alternierend in gleichen Intervallen in Form eines Kreises angeordnet sind, durch eine Lichtquelle (3) zum Illuminieren der auf der Skalen tafel befindlichen Skala, einen Liniensensor (6), umfassend eine Vielzahl von Lichtaufnahmeabschnitten (6-1, 6-2 ... 6-22), eine Projektionslinse (5) zum Projizieren der Skala der Skalentafel auf solch eine Weise, daß die Skala im wesentlichen, aber nicht genau die gleiche Teilung aufweist wie die Lichtaufnahmeabschnitte der Lichtsensoreinrichtung, einen Behandlungskreis zum Erfassen eines Drehwinkels der Skalentafel durch Ausgänge dos Liniensensors, wobei der Drehwinkel wesentlich kleiner als das gleichwinklige Intervall ist und durch einen

Anzeigeabschnitt (38) zum Anzeigen eines Ausganges des Behandlungskreises.
2. Vorrichtung nach·Anspruch 1, dadurch. g e k e η η zeichnet/ daß die Liniensensoreinrichtung (6) einen ersten Liniensensor und einen zweiten Liniensensor umfaßt, von denen jeder eine Vielzahl von Lichtaufnahmeabschnitten aufweist und daß die Projektionslinseneinrichtung eine erste Projektionslinse zum Projizieren der Skala eines ersten Abschnittes der Skalentafel auf den ersten Liniensensor und eine zweite Projektionslinse zum gleichzeitigen Projizieren der Skala von einem zweiten Abschnitt der Skalentafel auf den zweiten Liniensensor umfaßt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch _g e k e η η zeichnet, daß die Lichtquelleneinrichtung eine erste und eine zweite Lichtquelle zum Illuminieren der beiden Abschnitte der Skalentafel umfaßt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte der Skalentafel im wesentlichen diametral entgegengesetzt liegende Abschnitte der Skalentafel sind.-
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η. zeichnet, daß eine Groberfassungseinrichtung zum Erfassen des Drehwinkels der Skalentafel mit einer Auflösung größer als oder gleich dem gleichwinkligen Intervall vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Groberfassungseinrichtung ein codiertes Muster (42) umfaßt, welches auf der Skalentafel in vorbestimmten Winkelintervallen angeordnet ist,

welche Intervalle größer oder gleich den gleichwinkligen Intervallen sind und daß eine Einrichtung zum Erfassen des codierten Musters vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Groberfassungeinrichtung umfaßt:

zwei Masken (52, 53) mit Skalen, deren Phasen relativ zueinander durch einen Winkel verschoben sind, der einem Viertel (1/4) Segment der Skala auf der Skalentafcl entspricht und deren Skalen hinsichtlich der Winkelteilung gleich der Skala auf der Skalentafel ist; Grob-Lichtaufnahmeelemente (54, 55) hinter jeder der Masken, wobei die Grob-Lichtaufnahmeelemente jeweilige Ausgangssignale mit Phasen vorsehen, die durch einen Winkel verschoben sind, welcher einem Viertel eines Segmentes der Skala entspricht; und einen Signalverstärkerkreis zum Verstärken und Vergleichen der Ausgänge jedes der Grob-Lichtaufnahmeelemente, um dadurch einen Drehwinkel der Skalentafel zu erfassen, welcher gleich oder größer dem gleichwinkligen Intervall ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Liniensensoreinrichtung-Lichtaufnahmeabschnitte durch konsekutive ganze Zahlen i bezeichnet sind und daß jeder Abschnitt ein Ausgangssignal ν. erzeugt, wobei der Behandlungskreis eine Minimumdifferenz zwischen den konsekutiven Ausgangs-Signalen ν^ und v. + 1 erfaßt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Behandlungskreis umfaßt:

eine Einrichtung zum Abtasten der Liniensensoreinrichtung-Lichtaufnahmeabschnitte zum Erzeugen einer Reihe von Ausgangssignalen v^;
eine Prüf- und Hälteeinrichtung, welche jedes andere der Signale v. hält, um ein erstes Vergleichssignal zu erzeugen und zum Halten der Signale v. zwischen den genannten anderen Signalen zum Erzeugen eines zweiten Vergleichssignals; und
eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der beiden Vergleichssignale und zum Erzeugen eines Erfassungssignals (Detektionssignal) in Erwiderung auf einen Wechsel in der Polarität des dazwischenliegenden Unterschiedes.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß die Einrichtung zum Abtasten eine Abtastimpulskette erzeugt und daß der Behandlungskreis weiterhin eine Zähleinrichtung (36) zum Zählen der Impulse - in der Abtastimpulskette während des Abtastens umfaßt, bis das Detektionssignal erzeugt wird, wobei der Zählweft in der Zähleinrichtung zum Zeitpunkt des genannten Detektionssignals einen Drehwinkel· repräsentiert, welcher kleiner ist als das gl·eichwinklige Intervall.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k en η -

zeichnet, daß der Behandlungskreis zum Berechnen eines Drehwinkels der Skalentafel· (1) einen Mikroprozessor (37) umfaßt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η zeichnet, daß weiterhin ein Anaiog-Digital·- Wandler (39) vorgesehen ist, um einen Ausgang des Liniensensors einer Analog-Digital·-Wandl·ung zu unterziehen, wobei der Mikroprozessor statistisch den Ausgang des Anaiog-Digital-Wandlers anal·ysiert, um den Drehwinkel· zu bestimmen.