[发明专利]角度测量设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定旋转角的角度测量设备和角度测量方法。

背景技术

角度编码器例如绝对和增量角度编码器已用于机床、驱动技术、汽车电子设备等中的角度测量。角度编码器通常由圆盘组成，当某种读数头(reading head)用于检测圆盘的旋转时，圆盘是部分半透明的或反射的，提供角位移(angular displacement)的测量。

例如，在角度编码器中，照明单元用于照亮部分半透明的圆盘，而在圆盘的相对侧上，布置有读数头例如光电二极管。因此，照明单元所发射的光通过部分圆盘的角位移来调节，因为光被透射，或不依赖于部分圆盘与读数头的相对位置。

角度编码器常常可用于测量角速度。在这里，可使用具有用于透射光的一个开口的圆盘和圆盘下的光电二极管，且必须确定当圆盘旋转时光在确定时间间隔内例如在一秒内多长时间射到光电二极管上一次。

进一步地，角度本身能以一种精度被测量，取决于圆盘上半透明和不透明部分的精确放置、读数位置的数量和读数的内插精度。

读数头例如光电二极管将调制光信号转换成电测量信号。为了增加测量的精度并减小在部分圆盘上的不精确分度和偏心率的影响，即，旋转轴不与圆盘的中心相交，可使用两个读数头且系统可被校准。

角度编码器的简单设计包括具有用于光透射的两个开口的圆盘，其相对于光敏区枢轴转动地布置，使得在每个旋转角处，来自两个开口的两个光束在光敏区上是可检测的。通过移动在光敏区上测量的两个光束点之间的连接线，可计算部分圆盘相对于光敏区的旋转。因此，在不透明和半透明部分内的圆盘的精确分度是不必要的，且偏心率的影响也被抑制。这样的角度编码器例如在US 2005/0072912中被描述。

然而，在本例中，角分辨率被限制，因而不适合于测地设备，因为光敏区的仅几个光电传感器用于实际测量，且光电传感器及其在光敏区上的位置的不精确性导致在角度确定中的误差。进一步地，对于每个不同的角位置，使用不同的光电传感器，其可在敏感度上不同，且其相对于彼此的位置可能不是精确地已知的。

方向和角度的确定在测量仪器例如测速仪或全站仪(total station)或视频全站仪中也具有重要性，其中期望以高精度和速度自动检测旋转角。

发明内容

因此期望提供一种角度测量设备和角度测量方法，其用于提高角度测量的精度，并实现小的、紧凑的、高度精确和便宜的角度测量设备。

根据实施方式，角度测量设备包括：包含多个光敏像素的成像单元；用于照亮成像单元的至少一部分的照明单元；面向成像单元并具有不同光学特性的周期性图案的图案构件，图案构件围绕旋转轴枢轴转动地布置并被设置成由照明单元照亮，以将图案构件的图像投影到成像单元上；以及角度确定单元，其根据在从投影图像产生的波形的相位和相应于参考位置的参考相位值之间的相移，来确定图案构件相对于成像单元上的参考位置的旋转角，其中波形由光敏像素的测量值构成。因此，通过将图案构件的周期性图案的图像投影在成像单元上，以简单的光学布置可获得精确的旋转角。特别是，周期性图案在成像单元的光敏像素上再现，且基于周期性图案的波形从多个像素获得。因此，由于几个测量结果的平均，用于获得波形并计算相移的大量像素导致角度测量误差的减少。进一步地，具有总是相同的像素的成像单元的较大部分的使用只导致与旋转角无关的恒定误差，且在校准或后处理中可容易对付该误差。此外，因为小尺寸的周期性图案构件可用于在小面积上在成像单元上提供大量测量值，可实现小的、紧凑的和便宜的角度测量设备。

根据有利的例子，例如在以前的时间点或以前的旋转角处，从由光敏像素的测量值所构成的以前获得的波形，导出参考相位值。因此，可用与本波形的相位相同的方法来计算以前获得的波形的参考相位值，使得测量误差对这两个确定是相同的，并因此抵消，以便能以高精度确定相对相移。

根据另一有利的例子，至少一个波形由在围绕旋转轴的圆周方向上的光敏像素序列的测量值构成。因此，通过将在图案构件上以环形形状形成的周期性图案投影在成像单元上，也可通过分析在绕着旋转轴的圆周方向上的测量值而从具有到旋转轴的所有相同径向距离的光敏像素的测量值获得相同的周期性。

根据另一有利的例子，角度确定单元适合于将周期性形状拟合到至少一个波形的测量值，以获得至少一个波形的近似，从而获得相移。因此，相位可容易通过拟合从波形的近似提取，因为周期性图案的周期性是预先知道的，以便能以对拟合参数的某些限制执行与波形的拟合，简化并加速了拟合程序。