CH651136A5

CH651136A5 - Kapazitives laengen- und winkelmessverfahren.

Info

Publication number: CH651136A5
Application number: CH8609/80A
Authority: CH
Inventors: Hans Ulrich Meyer
Original assignee: Hans Ulrich Meyer
Priority date: 1980-11-21
Filing date: 1980-11-21
Publication date: 1985-08-30
Also published as: EP0053091B1; HK81889A; JPH0241685B2; US4437055A; DE3174201D1; JPS57114805A; EP0053091A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein kapazitives Längen- an drei Wechselspannungen angeschlossen, wobei eine ein-

und Winkelmessverfahren, bei welchem zumindest zwei hin- zelne Geberelektrode, normalerweise die, welche sich zu-

tereinander gereihte Geberelektroden und mindestens eine nächst in der Mitte befindet, an eine Wechselspannung Vx an-

den Geberelektroden gegenüberliegende, parallel zu diesen geschlossen ist, während die auf der einen Seite liegenden verschiebbare Empfangselektrode gebraucht werden, wobei 65 Elektroden an eine Wechselspannung konstanter Amplitude die Geberelektroden beziehungsweise an eine erste V j und àn Vi, und diejenigen auf der andern Seite liegenden an eine eine zweite V2 Wechselspannung angeschlossen werden, und Wechselspannung V2 angeschlossen sind, wobei V1 und V2 die wobei diese erste und zweite Wechselspannung konstante gleiche Frequenz, aber entgegengesetzte Phasenlage aufwei-

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sen. Vx ist veränderlich, zum Beispiel in ihrer Amplitude. troden, da die Ausdehnung der letzteren nur etwa die Hälfte Schreibt man nun vor, dass die Summe der Wechselströme ihres Mittenabstandes beträgt. Die Elektrode 18 hat deshalb auf der Empfangerelektrode gleich Null sein soll, so wird man keinen Einfluss auf die Empfangselektroden, so dass nur die feststellen, dass bei einer relativen Verschiebung (X) der Emp- Elektrode 14 gegenüber einer Empfangselektrode an Vx ange-fangselektrode zu den Geberelektroden die Spannung Vx li- 5 schlössen ist. Fig. 3 zeigt ferner, dass sich die linearen Kennlinear mit der Verschiebung X ändert und dass sie über einen nien benachbarter Elektroden genau folgen, so dass die Mes-Verschiebeweg, welcher genau dem Elektroden-Mittenab- sung über den ganzen Verschiebebereich linear ist und der stand (L) entspricht, von der Amplitude V, durch Null, weil Zählerstand also ein lineares Mass der Verschiebung wie-ja eine Phasenumkehr eintritt, auf die Aplitude V2 übergeht. dergibt.

Die Randbedingungen des Interpolations-Intervalls sind also i0 Um die ganze Elektronik leicht integrieren zu können, ist genau definiert: sie sind erfüllt, wenn die auf der Empfänger- es wünschenswert, die linearen Funktionen, insbesondere den elektrode erregte Wechselspannung für Vx = Vb bezw. Vx = analog/digital-Wandler, auf das mindeste zu reduzieren. Dies

V2, zu Null wird. Ist dies der Fall, wird durch elektronische ist zum Beispiel der Fall, wenn man, statt die Amplitude Ii-

Mittel die Geberelektorden-Zuteilung um eine Elektrode wei- near mit der Verschiebung zu ändern, mit einem variablen ter geschaltet. Hat man mehrere Emfpangselektroden, und 15 Taktverhältnis, welches mit der Verschiebung linear ändert,

kommen auf den Mittenabstand zwischen letzteren je N Ge- Vx abwechselnd Vi oder V2 gleichsetzt. Fig. 5 zeigt die ent-

berelektroden, wird die Geberelektroden-Zuteilung über N sprechende Modulationsfunktion für eine Verschiebung kon-

Schritte eine periodische Funktion der Lage sein. stanter Geschwindigkeit.Mit einem Tiefpass versehen, wird

Fig. 2 zeigt das Blockschema einer dazu verwendbaren diese Anordnung einer linearen Aplitudenmodulation gleich-

Elektronik. Das von der Empfangselektrode (20) aufgenom- 20 wertig.

mene Signal wird vom Verstärker (21) verstärkt und auf nie- Eine weitere Art der Erzeugung eines linearen Überganges dere Impedanz gebracht, durch einen, von einem Oszillator zeigt Fig. 6. Hier ändert sich das Signal so, dass sich nach

(23) getakteten Synchrondemodulator (22) demoduliert und Snychrondemodulation und Filterung mit einem Tiefpass ein in einem Komparator (24) auf einen digitalen Pegel gebracht, linearer Übergang ergibt. Im gezeigten Beispiel von Fig. 6 ist welcher seinerseits den auf/ab-Eingang eines binären Zählers 25 Vx' gleichwertig mit + 0,5 V,, Vx" mit Null und Vx mit — 0,5

(25) steuert. Der Zähleingang des Zählers (25) ist der Einfach- V], also + 0,5 V2. In diesem Fall hat man nicht mehr einen heit der Darstellung halber auch an den Oszillator (23) ange- stetigen Übergang, sondern eine Anzahl linear verteilter Zwi-

schlossen. Der Stand des Zählers (25) ist ein direktes Mass für schenwerte, welche aber eine lineare Stufung des Signals erge-

die relative Lage der Elektroden, wie aus folgendem ersieht- ben, die sich ohne weiteres ausfiltern lässt, so dass man wieder lieh wird. Die niederwertigen Ausgänge des Zählers (25) steu- 30 eine lineare Kennlinie erreicht. Eine dazu passende Schaltung ern einen digitalen/analog-Wandler (26), welcher die Modu- zeigt Fig. 7. Hier wird statt einem aufwärts/abwärts-Zähler,

lationsspannung für die mit der Verschiebung linearen Am- der immer der Verschiebung folgt, ein aufwärts-Zähler (71),

plitudenänderung liefert. Diese Modulationsspannung, sowie der fortlaufend zählt, gebraucht, d.h. die Geberelektroden-

die höherwertigen Ausgänge des Zählers, werden einem Zuteilung folgt einer fiktiven Bewegung der Empfangselek-

Funktions-Generator (27) zugeführt, welcher N (hier 8) Aus- 35 troden, mit einer der Zählerfrequenz proportionalen Ge-

gänge (31 bis 38) besitzt. Die vom Funktionsgenerator (27) schwindigkeit. Der Funktionsgenerator (72) erzeugt dem als Funktion der Zählerlage, folglich der Verschiebung, er- Zählerstand entsprechend die Rechteckwellen V2, V2 und die zeugten Ausgangs-Wellenformen zeigt Fig. 3. Jeder dieser Übergangswellen Vx wie in Fig. 6 gezeigt, und führt sie in

Ausgänge wird über einen am Oszillator (23) angeschlossenen richtiger Sequenz den verschiedenen Elektroden 11 bis 18 zu.

Modulator (28) den Elektrodengruppen zugeführt. Die sich 40 Fig. 8 zeigt das demodulierte Signal (V22), welches noch daraus an einer Elektrode ergebende Wellenform, bei einer eine durch die diskreten Stufungen der Übergangs-Wellen-

Verschiebung mit konstanter Geschwindigkeit betrachtet, form von Vx verursachte Restwelligkeit aufweist. Nach dem zeigt Fig. 4. Aus der Fig. 3 ersieht man, dass für eine gegebene Tiefpass (70) ändert sich jedoch die Spannung (V70) um den

Verschiebung L bei zwei von den 8 Elektroden sich die Modu- Nulldurchgangs-Bereich in linearer Weise, so dass auch hier lationsspannung stetig ändert. (Elektroden 14 und 18). Die « ein linearer Zusammenhang zwischen dem Zeitpunkt des

Elektrode 14 befindet sich gegenüber einer Emfpangselek- Nulldurchganges, also dem Zählerstand in diesem Moment,

trode, die andere dagegen liegt zwischen zwei Empfangselek- und der Verschiebung X besteht.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE Amplitude, gleiche Frequenz und entgegengesetzte Phase be-

1. Kapazitives Längen- und Winkelmessverfahren, bei sitzen.

welchem zumindest zwei hintereinander gereihte Geberelek- Nach dem CH-Patent Nr. 539 837 ist ein Verfahren betroden (10) und mindestens eine den Geberelektroden gegen- kannt geworden, bei welchem die Bestimmung der Verschie-überliegende, parallel zu diesen verschiebbare Empfangselek- 5 bung kapazitiver Elemente zueinander dadurch erreicht wird,, trode (20) gebraucht werden, wobei die Geberelektroden (10) dass der Verschiebeweg in aufeinanderfolgende kapazitive beziehungsweise an eine erste Vj und an eine zweite V2 Wech- Einzelelemente aufgeteilt wird, welche nacheinander abgeta-selspannung angeschlossen werden, und wobei diese erste und stet werden. Es ist dabei möglich, über den Verschiebeweg ei-zweite Wechselspannung konstante Amplitude, gleiche Fre- nes einzelnen Elements genau lineare Verschiebespannungen quenz und entgegengesetzte Phase besitzen, dadurch gekenn- i0 zu erhalten. Ein Nachteil der Anordnung besteht aber darin, zeichnet, dass die einer Empfangselektrode (20) gegenüberlie- dass es schwierig ist, den Messvorgang so einzustellen, dass genden Gaberelektroden (10) in zwei Gruppen gekoppelt wer- bei der Aneinanderreihung der einzelnen Messelemente, resp. den, die beziehungsweise an die erste Vj und zweite V2 Wech- deren Spannungen, keine Sprungfehler entstehen, welche auf selspannung angeschlossen werden, und welche durch eine durch zufällige Teilungsfehler des Elektrodenmusters bedingt Geberelektrode (10) getrennt sind, die an eine zwischen der er- 15 sind.

sten V] und zweiten V2 derart variierende dritte Wechselspan- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nach-nung Vx gelegt wird, dass diese dritte variierende Wechsel- teil zu beheben, indem sie, bei Beibehaltung der linearen In-spannung Vx ein Mass der Verschiebung bildet, wenn das auf terpolationseigenschaften, die Übergangsfehler von einem Inder Empfangselektrode erregte Signal zu Null wird, wobei die terpolationselement zum anderen auf einfache Weise ausKapazitäten der genannten Gruppen gegenüber der Emp- 20 schaltet.

fangselektrode (20) über einen Weg von mindestens einem Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass

Geberelektrode-Abstand L in linearer Funktion zu der Ver- die einer Empfangselektrode gegenüberliegenden Geberelek-

schiebung stehen. troden in zwei Gruppen gekoppelt werden, die beziehungs-
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, weise an die erste V1 und zwei te V2 Wechselspannung ange-dass die Amplitude der dritten Wechselspannung Vx der Ver- 25 schlössen werden, und welche durch eine Geberelektorde ge-schiebung entsprechend, von der Amplitude der ersten Wech- trennt sind, die an eine zwischen der ersten V j und zweiten V2 selspannung V1 über Null zur Amplitude der zweiten Wech- derart variierende dritte Wechselspannung Vx gelegt wird, selspannung V2 übergeht. dass diese dritte variierende Wechselspannung Vx ein Mass
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch der Verschiebung bildet, wenn das auf der Empfangselek-gekennzeichnet, dass die erste und zweite Wechselspannung 30 trode erregte Signal zu Null wird, wobei die Kapazitäten der V1 und V2 komplementäre Rechteckspannungen sind, und genannten Gruppen gegenüber der Empfangselektrode über dass die dritte Wechselspannung Vx auch eine Rechteckspan- einen Weg von mindestens einem Geberelektroden-Abstand nung ist, welche graduell oder in diskreten Inkrementen von L in linearer Funktion zu der Verschiebung stehen.

der ersten Wechselspannung V1 zur zweiten V2 übergeht. Der Vorteil dieser Massnahmen besteht darin, dass an den
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch 35 Übergangspunkten zwischen zwei benachbarten Interpola-gekennzeichnet, dass, wenn die dritte Wechselspannung Vx tions-Intervallen die Spannung Vx, je nach Verschiebungs-der ersten Wechselspannung V1 resp. der zweiten Wechsel- richtung, den Spannungen V1 oder V2 identisch wird, so dass Spannung V2 identisch wird, die Geberelektroden-Zuteilung bei Beibehaltung der hohen Interpolations-Linearität, wie um eine Elektrode weiter geschoben wird. weiter dargelegt, problemlose Übergänge zwischen benach-
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch 40 barten Interpolationsintervallen gesichert sind, gekennzeichnet, dass die Zuteilung der Geberelektroden und Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Ausführung die dritte Wechselspannung Vx fortlaufend so verändert wer- der erfindungsgemässen kapazitiven Messverfahrens sind in den, dass sie einer fiktiven Verschiebung konstanter Ge- den Figuren 1 bis 8 dargestellt. Es zeigen:

schwindigkeit entsprechen und somit der Zeitpunkt der Null- Fig. 1 eine allgemeine Prinzipanordnung der Elektroden,

Durchgänge der Wechselsapnnung auf der Emfpangselek- 45 Fig. 2 ein Beispiel einer zugehörigen Elektronik,

trode zum Mass der Verschiebung wird. Fig. 3 die Amplitudenverläufe der Schaltung nach Fig. 2
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch als Funktion der Verschiebung X,

gekennzeichnet, dass der Null-Durchgang der Wechselspan- Fig. 4 die an einer Elektrode der Schaltung nach Fig. 2 an-

nung auf der Empfangselektrode (20) durch einen Synchron- stehende Spannung bei einer Verschiebung konstanter Ge-

detektor (22) mit nachgeschaltetem Komparator (24) ermit- so schwindigkeit als Funktion der Zeit,

telt wird. Fig. 5 eine weitere Möglichkeit der Modulation der Span-
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, nung Vx zur Erzeugung einer linearen Interpolation,

dass der dritten Wechselspannung Vx nur diskrete Zwischen- Fig. 6 eine mögliche Art, in diskreten Phasensprüngen die werte zugeteilt werden, und dass die daraus an der Empfangs- Spannung Vx in Wellenform von Vj zu V2 zu bringen, elektrode (20) entstehende Welligkeit höherer Frequenz durch 55 Fig. 7 ein Beispiel einer Elektronik, bei welcher der Zeiteinen zwischen Synchrondetektor (22) und Komparator ge- punkt des Nulldurchganges ein Mass der Verschiebung ist, schalteten Tiefpass (70) ausgefiltert wird. Fig. 8 die Form des demodulierten Empfängersignales in der Elektronik nach Fig. 7.

— Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die einer einzelnen Emp-

60 fangselektrode (20) gegenüberliegenden Geberelektroden (10)