DE19715078A1 - Capacitive displacement and angle measuring method - Google Patents

Capacitive displacement and angle measuring method

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Abstract

The method involves using a capacitive measuring rod (2) with a periodic capacitor structure provided by spaced electrode surfaces in co-operation with a fixed capacitor plate (1). The partial capacitances of the structure vary with the movement of the measuring rod. At least two of the partial capacitances act as functional elements of an electronic differentiator. The partial capacitances are supplied with AC signals of different phases, with the differentiator providing an output signal representing the ratio of the partial capacitances. The phase difference produces an output signal, which depends on the ratio of the partial capacitances.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kapazitiven Weg- und Winkelmes­ sung, wobei an einem beweglichen Maßstab Elektrodenflächen angebracht sind, die gemeinsam mit auf einer feststehenden Platte angeordneten Elektrodenflächen periodische Kondensatorstrukturen bilden, deren Teilka­ pazitäten sich mit der Bewegung des Maßstabes ändern.The invention relates to a method for capacitive displacement and angle measurement solution, with electrode surfaces attached to a movable scale are arranged together on a fixed plate Electrode surfaces form periodic capacitor structures, the partial ca capacities change with the movement of the scale.

Die Erfindung kann vorzugsweise zur inkrementalen Längenmessung genutzt werden. Durch Kopplung von mindestens zwei erfindungsgemäßen Anordnungen zu einem System ist auch eine Anwendung für Absolutmes­ sungen möglich.The invention can preferably be used for incremental length measurement be used. By coupling at least two according to the invention Arrangements to a system is also an application for Absolutmes possible.

Im Stand der Technik sind Verfahren und Anordnungen bekannt, die den zu messenden Bereich kapazitiv strukturieren und mit verschiedenen Verfahren eine Beziehung zwischen der Kapazitäts- und der Weg- bzw. Winkeländerung bei Bewegung des Maßstabes herstellen.In the prior art, methods and arrangements are known that the Structure the area to be measured capacitively and with different Procedure a relationship between the capacity and the path or Change the angle when the scale moves.

Dies geschieht beispielsweise nach DE 34 38 234 A1 durch Verwendung der sich ändernden Kapazitäten als kapazitive Spannungsteiler, die hochfre­ quente Signale modulieren oder nach DE 33 40 782 A1 als Blindwiderstän­ de, die die Phasenlage der elektrischen Signale ändern. This is done, for example, according to DE 34 38 234 A1 by using the changing capacities as capacitive voltage dividers, the high fre modulate quente signals or according to DE 33 40 782 A1 as reactance de, which change the phase position of the electrical signals.  

Im allgemeinen durchlaufen hochfrequente Signale viele Stufen (Modulati­ on, Mischung an der kapazitiven Anordnung, Demodulation, Bewertung) bis eine Maßinformation vorliegt.In general, high-frequency signals pass through many stages (modulati on, mixture of the capacitive arrangement, demodulation, evaluation) until dimension information is available.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß bei der Verschiebung eines Maßstabes bezüglich einer feststehenden Platte auf einfache Weise elektri­ sche Signale entstehen, die mit hoher Genauigkeit ein Maß für die Verschiebung des Maßstabes darstellen.The invention has for its object a method of the beginning to improve the type described so that when moving a Scale with respect to a fixed plate in a simple way electri cal signals are generated which are a measure of the high accuracy Represent displacement of the scale.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die kapazi­ tiven Strukturen der Meßanordnung als Teil eines elektronischen Differen­ zierers geschaltet werden. In die Elektroden der feststehenden Platte werden unmodulierte Signale unterschiedlicher Phasenlage eingespeist, deren Differentiation und Addition an der kapazitiven Anordnung Signale liefert, die nach einer Bewertung eine quantitative Aussage zur Verschie­ bung des Maßstabs ergeben.According to the invention the object is achieved in that the capacitors tive structures of the measuring arrangement as part of an electronic difference be switched. In the electrodes of the fixed plate unmodulated signals of different phase positions are fed in, their differentiation and addition to the capacitive arrangement signals provides a quantitative statement on the diff exercise of scale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the method according to the invention are shown in specified in the subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß unmodulierte Signale, vorzugsweise Sinus- und Dreiecksignale, die nur wenige Stufen bis zur quantitativen Bewertung durchlaufen, verwendet werden. Der Einfluß von Bauelementetoleranzen wird damit verringert. The inventive method is characterized by the advantage that unmodulated signals, preferably sine and triangular signals, only go through a few stages to the quantitative evaluation will. This reduces the influence of component tolerances.  

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß nur das Verhältnis der Teilkapa­ zitäten zueinander, nicht aber deren absoluter Wert Einfluß auf den Meßwert hat.Another advantage of the invention is that only the ratio of the sub-Kapa to each other, but not their absolute value Has measured value.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment explained. In the accompanying drawings:

Fig. 1 die Anordnung der Elektroden bei einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, Fig. 1 shows the arrangement of the electrodes in an inventive measuring arrangement,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zur Einordnung der Meßanordnung in die elektronische Differenzierschaltung und Fig. 2 is a schematic diagram for classifying the measuring arrangement in the electronic differentiating circuit and

Fig. 3 eine verbesserte Elektrodenanordnung zur Erzeugung mehrerer Signale für eine verbesserte Meßwertkorrektur und zur Richtungserken­ nung. Fig. 3 shows an improved electrode arrangement for generating several signals for an improved measurement correction and for direction detection.

In Fig. 1 ist eine mögliche Elektrodenanordnung dargestellt. Die feste Platte 1 trägt die abwechselnd angeordneten Elektroden E1n und E2n, die in der dargestellten Weise zu den Versorgungselektroden E1 und E2 verbunden werden. Diese Elektroden bilden mit den Elektroden E3nn bzw. E4n des beweglichen Maßstabs 2, der sich in geringem Abstand zu der festen Platte in der angegebenen Richtung x bewegen läßt, Kondensatoren, deren Kapazität sich bei Bewegung des Maßstabes periodisch ändert. Wenn z. B. der aus E1 und E3 gebildete Kondensator C1 größer wird, wird der aus E2 und E3 gebildete Kondensator C2 kleiner und umgekehrt. Der Raster der Elektroden ist entsprechend der gewünschten Auflösung zu wählen. In Fig. 1 sind die Elektroden E3n und E4n zu den Empfangselektroden E3 und E4 verbunden, was für die Darstellung des Prinzips günstig ist. Um Elektrodenabführungen vom beweglichen Maßstab 2 zu vermeiden, ist es jedoch zweckmäßig, die Elektroden E3n und E4n des beweglichen Maßstabes 2 zu vergrößern und die Verbindung über zusätzlich auf der festen Platte 1 angeordnete Sammelelektroden zu realisieren, wie das auch in den oben zitierten Schriften erfolgt.In Fig. 1 shows a possible electrode assembly is shown. The fixed plate 1 carries the alternating electrodes E 1n and E 2n , which are connected in the manner shown to the supply electrodes E 1 and E 2 . These electrodes form with the electrodes E 3n n and E 4n of the movable scale 2, which can be moved at a short distance from the fixed plate in the indicated direction x, capacitors, the capacitance of which changes periodically when the scale is moved. If e.g. B. the capacitor C 1 formed from E 1 and E 3 becomes larger, the capacitor C 2 formed from E 2 and E 3 becomes smaller and vice versa. The grid of the electrodes has to be chosen according to the desired resolution. In Fig. 1, the electrodes E 3n and E 4n are connected to the receiving electrodes E 3 and E 4 , which is favorable for the representation of the principle. In order to avoid electrode discharges from the movable scale 2, however, it is expedient to enlarge the electrodes E 3n and E 4n of the movable scale 2 and to realize the connection via additional electrodes arranged on the fixed plate 1 , as is also the case in the documents cited above he follows.

In Fig. 2 ist die Zusammenschaltung der oben beschriebenen variablen Kondensatoren mit Operationsverstärkern zu Differenzierern OV1 und OV2 dargestellt. An die Elektroden E1 und E2 sind die im Generator 3 erzeugten Wechselsignale e1 und e2, die in einer festen Phasenbeziehung zueinander stehen (zweckmäßigerweise 90°), angeschlossen.In Fig. 2 the interconnection of the above-described variable capacitors with operational amplifiers to differentiators OV 1 and OV 2 is shown. The alternating signals e 1 and e 2 generated in the generator 3 , which are in a fixed phase relationship to one another (expediently 90 °), are connected to the electrodes E 1 and E 2 .

An den Ausgängen O1 bzw. O2 der Differenzierer OV1 bzw. OV2 erscheint eine entsprechend der Größe der Teilkondensatoren und der Differentita­ tion der Eingangssignale gebildete Spannung nach der Beziehung
At the outputs O 1 and O 2 of the differentiators OV 1 and OV 2 , a voltage appears according to the size of the partial capacitors and the differentita tion of the input signals according to the relationship

eo = -Ro.(C1.de1/dt + C2.de2/dt).e o = -R o . (C 1 .de 1 / dt + C 2 .de 2 / dt).

Durch geeignete Wahl der Ansteuersignale kann man Ausgangssignale erreichen, die eine einfache Bewertung erlauben. Output signals can be selected by suitable selection of the control signals achieve that allow easy evaluation.  

Bei Ansteuerung der Versorgungselektroden mit Sinus/Cosinus-Signalen erscheinen an den Ausgängen der Differenzierer Sinus-Signale, deren Phasenlage vom Verhältnis der Teilkapazitäten C1 und C2 und damit von der Position des Maßstabes abhängig ist und somit eine Interpolation inner­ halb des Rasters erlaubt.When the supply electrodes are controlled with sine / cosine signals, sine signals appear at the outputs of the differentiators, the phase position of which depends on the ratio of the partial capacitances C 1 and C 2 and thus on the position of the scale and thus allows interpolation within the grid.

Erfolgt die Ansteuerung durch Dreieck-Signale, erscheinen an den Ausgän­ gen Treppenkurven, die nach entsprechender mathematischer Behandlung über die Phasenverschiebung der Grundschwingung die Position des Maßstabes liefern. Da die Frequenz der Grundschwingung bekannt ist, können die Treppenkurven auch durch Filterschaltungen ausgewertet werden.If control is by triangle signals, the outputs appear gene staircase curves after appropriate mathematical treatment the position of the Deliver scale. Since the frequency of the fundamental is known, the stair curves can also be evaluated by filter circuits will.

Bei der im Beispiel gewählten gleichmäßigen Anordnung der Elektroden E3 und E4 erhält man zwei Ausgangssignale die über gewisse Symmetrieeigen­ schaften verfügen. Zur Maßbestimmung wäre die Auswertung eines Signa­ les ausreichend. Durch gemeinsame Auswertung beider Signale erhält man verbesserte Meßwerte (Ausgleich von Maßstabsungenauigkeiten und Verunreinigungen des Maßstabes).With the uniform arrangement of the electrodes E 3 and E 4 chosen in the example, two output signals are obtained which have certain symmetry properties. The evaluation of a signal would be sufficient to determine the dimensions. By jointly evaluating both signals, improved measured values are obtained (compensation of scale inaccuracies and contamination of the scale).

Durch zusätzliche Elektroden E5 und E6, die zu E3 und E4 versetzt angeord­ net sind (Fig. 3), können weitere Signale erzeugt werden, die zur Richtungserkennung (Bewegungsrichtung des Maßstabes) und zu einer verbesserten Meßwertkorrektur genutzt werden können (Ausgleich von Verkippungen des Maßstabes bezüglich der festen Platte).Additional electrodes E 5 and E 6 , which are offset from E 3 and E 4 ( FIG. 3), can be used to generate further signals which can be used for direction detection (direction of movement of the scale) and for an improved measured value correction (compensation tilting of the scale with respect to the fixed plate).

Der Grad der möglichen Auflösung der Maßstabsposition innerhalb eines Rasters der Kondensatorstruktur wird wesentlich bestimmt von der Präzi­ sion des Maßstabes 2 und der Ansteuersignale. The degree of possible resolution of the scale position within a The grid of the capacitor structure is essentially determined by the precision sion of scale 2 and the control signals.  

Wenn die gewünschte Meßlänge das Rastermaß der Kondensatorstruktur übersteigt, sind die Perioden des Meßsignales auszuwerten (inkrementale Messung).If the desired measuring length is the grid dimension of the capacitor structure exceeds the periods of the measurement signal (incremental Measurement).

Zur Realisierung einer Absolutmessung sind auf dem Maßstab weitere Kondensatorstrukturen mit entsprechend größerem Raster so anzuordnen, daß sich die Meßlänge als eine Kombination der Meßergebnisse der einzel­ nen Strukturen ergibt.To realize an absolute measurement, there are more on the scale Arrange capacitor structures with a correspondingly larger grid so that the measuring length as a combination of the measurement results of the individual structures.

Claims (6)

1. Verfahren zur kapazitiven Weg- und Winkelmessung, wobei an einem beweglichen Maßstab Elektrodenflächen angebracht sind, die gemeinsam mit auf einer feststehenden Platte angeordneten Elektrodenflächen periodi­ sche Kondensatorstrukturen bilden, deren Teilkapazitäten sich mit der Bewegung des Maßstabes ändern, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens zwei Teilkapazitäten als funktionsbestimmendes Element eines elektronischen Differenzierers geschaltet werden, die Teilkapazitäten mit Wechselsignalen unterschiedlicher Phasenlage gespeist werden und der Differenzierer ein Signal abgibt, das im wesentlichen vom Verhältnis der Teilkapazitäten abhängt.1. A method for capacitive displacement and angle measurement, electrode surfaces being attached to a movable scale, which periodically form capacitor structures together with electrode surfaces arranged on a fixed plate, the partial capacitances of which change with the movement of the scale, characterized in that at least two Partial capacitances are switched as the function-determining element of an electronic differentiator, the partial capacitances are fed with alternating signals of different phase positions and the differentiator emits a signal which essentially depends on the ratio of the partial capacitances. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen­ lage des Ausgangssignals des Differenzierers als Maß für die Verschiebung des Maßstabes verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the phases location of the output signal of the differentiator as a measure of the shift the scale is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Differenzierer eingesetzt wird, der ein zum Signal des ersten Diffe­ renzierers ähnliches zweites Signal liefert.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a second differentiator is used, one for the signal of the first dif renzierers delivers similar second signal. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch weitere Kondenatorflächen und weitere Differenzierer zusätzliche Signale gewonnen werden, die zur Erkennung der Bewegungsrichtung des Maßstabs und für verbesserte Meßwertkorrek­ turverfahren genutzt werden können.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized by additional condenser surfaces and further  Differentiators additional signals are obtained for detection the direction of movement of the scale and for improved measured value correction can be used. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung Sinus- oder Dreiecksignale verwen­ det werden.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized that use sine or triangular signals for control be det. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spuren mit Kondensatorstrukturen unterschiedlichen Rasters kombiniert werden.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized characterized in that at least two tracks with capacitor structures different grids can be combined.
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