[发明专利]用于角度测量设备的角度测量方法和校准方法以及角度测量设备

说明书

本发明涉及一种根据权利要求1和11的前序部分的用于角度测量设备的校准方法和角度测量方法，以及一种根据权利要求15的前序部分的用于执行该方法的计算机程序产品和一种根据权利要求14的前序部分的角度测量设备，以及借助其可以补偿多个系统性测量误差。

角度测量系统多年以来以各种实施形式而公开。角度测量系统如应用在各种测量设备例如大地测量设备、坐标测量设备或机器人中，也应用在机器制造和设备制造中。在其应用中，任务是确定在两个相对彼此在一个自由度上可转动的子系统之间的角度偏差或相应地由此导出的变量譬如速度或加速度。

例如，这种角度测量系统用于坐标测量设备，譬如应用在关节杆中，用于确定在各个关节中的角位置，根据角位置随后计算安置在臂端部上的扫描元件的空间位置。

这样的角度测量器也安装在侧地测量设备譬如经纬仪中，借助其执行各种测量任务譬如确定水平角度和垂直角度。

同样，这样的角度测量系统可应用在设备和机器中，以便检测机器部件譬如驱动装置、枢转头、节流阀、转动台等等的位置。在此所检测的位置可以用作测量目的的位置值，或也用于通过具有位置调节回路的驱动装置来定位部件。

角度测量系统由两个可在一个自由度上彼此相对运动的子系统构建。第一子系统带有位置编码，其由安置在第二子系统上的读取头完全或部分检测。分析单元通过分析读取头的信号因此可以确定两个子系统彼此间的位置。如果位置编码是绝对编码，则至少分区段地可以确定两个子系统彼此间的唯一的角位置值。通常在此情况下，编码表用于将位置编码转换成角位置值。

多个目前可供使用的角度测量系统包含多个读取头，其用以以提高的测量精度来确定角位置值，其方式是例如通过对各个角位置值求平均值而减小非系统性误差譬如信号噪声。在其他应用中，多个读取头也可以用于通过冗余而避免带有误差的测量值。

由出现的多个误差的系统性特性所限，这些误差通过这样的平均并未充分地校正。尤其是关于整转为谐波的误差，具体而言，低阶的谐波误差（如其例如在转动传感器的情况下由于偏心、轴承误差、码分割误差等等而形成）在实践中通常是整个误差的大部分。因此，特别有兴趣检测其并且相应地校正测量值。为此，已知了校准角度测量器的各种可能性。

为了校准高精度的角度测量设备，需要最高精度的校准装置，其精度必须明显高于待校准的受检物的精度。因此，这样的装置在制造方面相当复杂并且因此成本高昂。通常，校准过程也与非常高的时间开销和人工开销相联系。因此尝试使该过程尽可能地自动化并且取消昂贵的装置。

因此，在EP 0 440 833B1公开文献中描述了一种角度测量设备，其中借助多个读取头根据离散递归计算检测并且校正系统性故障。在此情况下，为了完全修正在整个测量范围上由于递增编码而造成的误差，需要大量读取头、或必须借助外部参考系来工作，该参考系从外部规定已知的位置。在实践中，这种递归计算由于误差传播和始终存在的噪声成分所限，也立刻遇到在可达到的精度方面的极限。

在DE 11 2006 003 663T5中公开了将角度误差展开成傅里叶级数，该傅里叶级数特别适于描述和修正转动传感器在360°的整个测量范围上的谐波误差。借助在此所使用的各个分开的读取头可以精确地确定更高阶次的谐波角度误差。由于在使用傅里叶分析的情况下并不足以精确确定分开的读取头覆盖的小角度的低阶次谐波，所以首先通过对子系统彼此间预确定的外部定位也可实现精确确定低阶次误差。例如，在尽可能对置的位置上的测量有利于借助傅里叶分解来确定第1阶次谐波，这是因为由此该第1阶次谐波大部分可确定并且因此也可以以相应的良好信噪比来确定（参见后续的等式1）。然而为此在该公开内容中，外部参考是必须的，其将传感器定位在预先确定的位置中，以便也能够以足够的精度确定低阶次谐波。

EP 1 944 582A1示出了一种方法，其为了借助探测器装置来确定对角度测量器中的偏心率的至少一个影响量而对位置进行分析，其中该探测器装置由四个光学探测器元件、一个可旋转的转动体构成，该旋转体具有多个围绕图案中心设置的图案元件，所述图案元件至少部分成像到探测器装置上，并且该方法确定了图案中心相对于探测器装置的探测器中心的偏心率。在此所使用的对四个探测器的布置是对称的，其中探测器沿着转动体的圆周均匀地分开，由此例如不能确定四次谐波。

DE 103 57 602A1同样描述一种角度传感器，其中在外部预先确定的角位置上的校准过程期间，确定测量值与外部预先确定的角位置之差，并且展开成傅里叶级数。级数系数被存储，并且已经存储的系数此后用于修正测量值。在此情况下也可以仅借助外部参考来校准。