DE10035192C1 - Kapazitiver Wegaufnehmer für stromsparende Messgeräte - Google Patents

Abstract

Ein Wegmesssystem weist einen in Form eines Differentialkondensators ausgebildeten kapazitiven Messwertaufnehmer, dessen Teilkondensatoren von der zu bestimmenden Position abhängige Kapazitäten aufweisen, und eine Verarbeitungseinrichtung zur Bestimmung des gesuchten Wegs auf, die bspw. einen Sigma/Delta-Demodulator aufweist. Die Teilkondensatoren werden periodisch mit Binärsignalen angesteuert, wobei die Ansteuersignale des einen Teilkondensators zu denjenigen des anderen Teilkondensators phasenversetzt gesendet werden. Die Verarbeitungseinrichtung bestimmt, welche Ansteuersignale zur Auswertung herangezogen werden sollen. Eine Schaltereinheit lässt innerhalb von mit den Flanken der Ansteuersignale synchronisierten Zeitfenstern die zugehörigen Empfangssignale zu der Verarbeitungseinrichtung durch und blendet alle anderen Signale aus. Das Wegmesssystem ermöglicht geringe Interpolationsfehler bei großen Auflösungen und langen Interpolationsperioden. DOLLAR A Das Wegmessystem kann durch zwei im Wesentlichen voneinander unabhängige, parallel arbeitende Relativ-Messsysteme zu einem Absolut-Wegmesssystem erweitert werden, das die Absolut-Position allein aus den aktuellen Messwerten ermittelt. Der Messbereich kann durch Erweiterung des Wegmesssystems um weitere Relativ-Messsysteme nahezu beliebig vergrößert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Wegmesssystem und insbesondere ein kapazitives Längenmesssystem, mit dem eine Position oder ein Verschiebeweg elektronisch erfasst und angezeigt werden kann.

Aus der EP 0 442 898 B1 ist ein Wegmesssystem be­ kannt, das einen kapazitiven Messwertaufnehmer, der als Differentialkondensator ausgebildet ist, sowie einen Sigma/Delta-Wandler verwendet, der aus einem Integrator und einem Komparator besteht. Der Differentialkondensator weist zwei nebeneinander angeordnete Sendeelektroden und eine gemeinsame Empfangselektrode auf, die im geringen Abstand von den Sendeelektroden, in Bezug auf diese Sen­ deelektroden verschiebbar auf einem Maßstab angeordnet ist. Je nach Verschiebeposition überdeckt die Empfangs­ elektrode die einzelnen Sendeelektroden unterschiedlich stark, was zu Veränderungen der Kapazitäten der Teilkon­ densatoren des Differentialkondensators führt. Diese sind ein Maß für den zu messenden Verschiebeweg.

Zur Bestimmung des Verhältnisses der Teilkapazitäten werden die einzelnen Sendeelektroden des Differentialkon­ densators taktweise mit Ladungspaketen vorbestimmter Größe jedoch unterschiedlicher Polarität gespeist. Es wird ein positives Ladungspaket zu der einen Sendeelektrode gesen­ det, wenn die über die Empfangselektrode zu dem Integrator übertragene und dort integrierte gesamte Ladungsmenge ne­ gativ ist, oder ein negatives Ladungspaket zu der anderen Sendeelektrode, wenn die Gesamtladung positiv ist. Die Anzahl der jeweils gesendeten Pakete wird mit zugehörigen Interpolationszählern erfasst, deren Verhältnis zueinander das gesuchte Verhältnis der Teilkapazitäten wiedergibt.

Zum Messen größerer Längen werden mehrere Sendeelek­ troden in einer Reihe angeordnet. Wird bei der Verschie­ bung der durch ein Paar von Sendeelektroden festgelegte Messbereich verlassen, wird zu dem nächsten Paar gewech­ selt. Die Anzahl und die Richtung der Wechselvorgänge wer­ den mitgezählt und gemeinsam mit den Interpolationszählern zur Bestimmung der zurückgelegten Wegstrecke verwendet.

Das bekannte Wegmesssystem hat sich in der Praxis bewährt. Allerdings werden Störsignale, die von der An­ steuerung der Sendeelektroden, der Anzeige und von sons­ tigen Störquellen herrühren, mit integriert. Sie führen zu Nichtlinearitäten, die sich in Messungenauigkeiten äußern. Außerdem muss eine Speisequelle vorgesehen sein, die zu den ausgewählten Zeitpunkten Ladungspakete bestimmter Po­ larität an den entsprechenden Teilkondensator senden kann.

Aus der DE 197 53 682 A1 ist ein Wegmesssystem be­ kannt, zu dem ein kapazitiver Messwertaufnehmer, der als Differentialkondensator ausgebildet ist, sowie eine An­ steuereinheit gehören, die voneinander phasenverschobene periodische binäre Ansteuersignale erzeugt, mit denen die Teilkondensatoren des Differentialkondensators jeweils gespeist werden. Der Differentialkondensator ist über eine Impedanz-Umwandlungsschaltung an eine Verarbeitungsein­ richtung angeschlossen, die zur Ermittlung des zu messen­ den Weges zwei Abtast-/Halteglieder sowie einen differen­ tiellen Verstärker aufweist. Der Verarbeitungseinrichtung ist eine Schaltereinheit zugeordnet, die Zeitfenster de­ finiert, in denen die Ausgangssignale der Impedanz-Umwand­ lungsschaltung jeweils abgetastet und gehalten werden. Die Zeitfenster werden jeweils während der zugehörigen positi­ ven Ansteuersignale der Ansteuereinrichtung für eine Dauer eingeblendet, die wesentlich kürzer ist als die Dauer der Ansteuersignale.

Davon ausgehend ist Aufgabe der Erfindung, ein ins­ besondere für batteriebetriebene Handgeräte geeignetes Wegmesssystem zu schaffen, das bei möglichst großer Auflö­ sung eine möglichst hohe Messgenauigkeit sicherstellt. Darüber hinaus sollte das Wegmesssystem mit einer einfa­ chen Energieversorgung auskommen können.

Diese Aufgabe wird mit einem Wegmesssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Wegmesssystem weist einen oder mehrere kapazitive Messwertaufnehmer auf, die als Diffe­ rentialkondensatoren ausgebildet sind. Die kapazitive Weg­ messung lässt sich äußerst stromsparend realisieren. Die verwendeten Kapazitäten liegen im pF-Bereich, wodurch die übertragenen Ladungsmengen und die resultierenden Ströme sehr gering sind. Zu jedem Messwertaufnehmer gehören we­ nigstens 2, bspw. 16, Sendeelektroden, die vorzugsweise eine Reihe mit einer konstanten Teilung bilden, sowie eine oder vorzugsweise mehrere, bspw. 64, ebenfalls in Reihe angeordnete Gegenelektroden. Diese sind auf einer Maßver­ körperung, einem Maßstab oder Band den jeweiligen Sendee­ lektroden gegenüber und in geringem, gleichmäßigem Abstand von diesen angeordnet. Die Maßverkörperung ist in Bezug auf die Sendelektroden relativverstellbar, insbesondere verschiebbar gelagert. Es werden somit wenigstens zwei Teilkondensatoren gebildet, wobei sich die Kapazität we­ nigstens eines der Teilkondensatoren wegproportional än­ dert. Eine Ansteuerungseinrichtung wird dazu verwendet, ausgewählte Sendeelektroden zur Erzeugung von Messsignalen einzeln oder gruppenweise zu vorbestimmten Zeitpunkten mit einem Binärsignal zu speisen. Die Ansteuersignale der bei­ den Teilkondensatoren weisen gegeneinander einen festge­ legten Phasenversatz auf, so dass sich die resultierenden Messsignale zeitlich möglichst nicht überlappen. Bei einer Ansteuerung mit Spannungsimpulsen sind die Messsignale im Wesentlichen die übertragenen Stromstöße, die eine La­ dungsmenge (ein Ladungspaket) ergeben. Wenn Stromsignale oder Ladungspakete als Ansteuersignale dienen, werden hin­ gegen Spannungen gemessen. Zweckmäßigerweise ist eine Schaltereinheit mit Schaltern vorgesehen, die für eine vorbestimmte Dauer geschlossen werden, um Zeitfenster zu definieren, in denen ausgewählte Flanken der Ansteuersig­ nale liegen. Innerhalb der Zeitfenster werden die zugehö­ rigen Messsignale zu einer Verarbeitungseinrichtung durch­ gelassen, die diese auswertet und daraus die Teilkapazitä­ ten des Differentialkondensators bestimmt. Aus den Teil­ kapazitäten ermittelt die Verarbeitungseinrichtung den zu messenden Weg.

Bei der Erfindung kann die Energieversorgung sehr einfach ausgebildet sein. Die Ansteuersignale, die zu dem einen Teilkondensator gesendet werden, können die gleiche Kurvenform aufweisen wie die Ansteuersignale des anderen Teilkondensators. Sie können sogar gleiche Polarität auf­ weisen und gleiche Werte annehmen, so dass sich bspw. po­ sitive oder negative Rechtecksignale als Ansteuersignale besonders eignen. Einfache Batteriezellen können genügen.

Der Phasenversatz und das Zeitfenster sind vorzugs­ weise derart festgelegt, dass innerhalb eines Zeitfensters nur eine ausgewählte Signalflanke beobachtet wird. Wenn der Phasenversatz 90° beträgt, wird zwischen den Flanken der Ansteuersignale der beiden Teilkondensatoren ein äqui­ distanter Abstand von einem Viertel der Taktperiode erhalten. Das Zeitfenster ist kleiner als die Impulsdauer eines Ansteuersignals. Es ist vorteilhaft, wenn das Zeitfenster im Wesentlichen nur den entsprechenden Flankenwechsel um­ fasst, also nur einen Bruchteil der gesamten Signalperiode darstellt. Störsignale beeinflussen folglich nicht während der gesamten Signaldauer die Auswertung, sondern nur kurz­ zeitig, während der Flankenwechsel, bei denen der Stör­ abstand jedoch groß ist. Dies verbessert die Linearität des Messsystems und ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit.

Die Verarbeitungseinrichtung kann einen kapazitiven Sigma/Delta-Wandler enthalten, der im Wesentlichen durch einen Integrator mit einem nachgeschalteten Komparator gebildet ist. Der Integrator integriert die von dem Diffe­ rentialkondensator empfangene Ladung. Der Komparator lie­ fert ein dem Vorzeichen dieser Ladung entsprechendes Aus­ gangssignal, das die nächst auszuwertende Signalflanke bestimmt. Werden bspw. beide Teilkondensatoren mit positi­ ven Rechtecksignalen angesteuert, wird in Abhängigkeit von dem Komparatorausgang entweder die aufsteigende Flanke des Ansteuersignals des einen Teilkondensators oder die um eine halbe Periode versetzte abfallende Flanke des zu dem anderen Teilkondensator gesendeten Ansteuersignals ausge­ wählt. Bei Ansteuersignalen mit unterschiedlicher Polari­ tät werden stets entweder die vorderen oder die hinteren Flanken der Ansteuersignale ausgewertet.

Das Zeitfenster sollte ausreichend groß sein, damit die empfangenen Ladungspakete in einem Integrationskonden­ sator des Integrators unter Berücksichtigung des Innen­ widerstandes der den Integrationskondensator speisenden Quelle nahezu vollständig integriert werden. Es ist vor­ zugsweise größer als die Summe aus der Anstiegszeit der Ansteuersignale und der zehnfachen Zeitkonstante τ = R_iC, wenn R_i den Innenwiderstand der verwendeten Spannungsquelle und C die maximal mögliche Messkapazität kennzeichnet. Andererseits sollte das Zeitfenster möglichst klein sein, also im Wesentlichen nur die Signalflanken erfassen und mit diesen möglichst genau synchronisiert sein, um den Einfluss von Nichtlinearitäten und Störsignalen weitgehend zu begrenzen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ermöglicht die Schaltereinheit es auch, an den Teilkondensatoren eines Differentialkondensators definierte Spannungsverhältnisse zu schaffen. Die Teilkondensatoren werden vor dem Senden eines Ansteuersignals gegensätzlich zueinander polari­ siert, ohne dass die integrierte Gesamtladung verändert wird. Auf diese Weise wird die für eine hohe Messgenau­ igkeit erforderliche Linearität des Messsystems sicher­ gestellt.

Das Messsystem arbeitet synchron, d. h. die Sende- und Messsignale werden vom gleichen Taktgeber gesteuert. Stör­ signale werden somit weitgehend unterdrückt. Der Einfluss von tieffrequenten Störungen, die bspw. von der Ansteue­ rung der Anzeigeeinheit, z. B. einer Flüssigkristallanzeige (LCD), oder von auf dem Maßstab induzierten Störsignalen herrühren können, kann weiter reduziert werden, wenn die Sende- und Messsignale periodisch, nach einer Anzahl von Taktzyklen, vorzugsweise nach jedem Taktzyklus invertiert werden. Zur Realisierung kann bspw. bei der Auswertung periodisch von der einen zu der anderen Flanke der Mess­ signale umgeschaltet werden.

Die Teilung der Gegenelektroden ist proportional zu derjenigen der Sendeelektrodenreihen. Die in Verschiebe­ richtung gemessene Breite der Gegenelektroden entspricht vorteilhafterweise einem ganzzahligen Vielfachen der Brei­ te der Sendeelektroden. Dies ermöglicht große Überde­ ckungsbereiche mit entsprechend großen Teil- oder Mess­ kapazitäten, eine einfache Auswertung und lange Gegenelek­ trodenreihen mit entsprechend großen Messbereichen. Außer­ dem kann jede zweite Gegenelektrode auf Masse gelegt wer­ den, weil mehrere nebeneinander liegende Sendeelektroden­ paare einer aktiven Gegenelektrode zugeordnet werden kön­ nen. Dadurch können noch größere Maßstabsinkremente, d. h. Interpolationsperioden, und somit noch größere absolute Messwege erreicht werden. Es ist aber auch möglich, le­ diglich wenige Gegenelektroden und mehrere Sendeelektroden vorzusehen.

Der Abgriff der auf die Gegenelektroden übertragenen Signale kann über Schleifkontakte oder berührungslos, z. B. über eine kapazitiv mit der Gegenelektrode gekoppelte Emp­ fangselektrode erfolgen. Die Empfangselektrode kann mit der Sendeelektrodenreihe auf einem gemeinsamen Sensorkopf, bspw. parallel zu dieser angeordnet sein. Zur Verhinderung eines Übersprechens ist sie geeignet, bspw. durch einen geerdeten Schirm von den Sendeelektroden isoliert. Verbin­ dungsleitungen müssen nur zu dem Sensorkopf geführt wer­ den. Bewegte Kontakte können entfallen.

Die Bestimmung der Teilkapazitäten erfolgt durch In­ terpolation. Hierzu weist die Verarbeitungseinheit eine Zählereinheit mit zwei Zählern auf, die je nach gewünsch­ ter Auflösung eine Tiefe von 8 bis bspw. 16 Bits, vorzugs­ weise 8, 10 oder 12 Bits, haben können. Es werden ein oder mehrere Impulse an jeden Teilkondensator gesendet und die sich ergebenden Ladungen integriert. Wenn ein Messsignal von einem der Teilkondensatoren ausgewertet wird, wird der zugeordnete Zähler inkrementiert. Derjenige Zähler, der zuerst seinen Maximalwert erreicht, wird als Denominator für die Berechnung des Interpolationswertes verwendet. Der andere Zähler bestimmt den Interpolationswert.

Die Zähler dienen weiter dazu, das anzusteuernde Paar von Sendeelektroden zu bestimmen, das von der Gegenelek­ trode ausreichend überdeckt ist. Geringe Interpolations­ fehler werden erhalten, wenn der Überdeckungsgrad stets in einem vorgegebenen Bereich, bspw. zwischen 1 : 2 und 2 : 1, liegt. Ein Verlassen dieses Bereichs kann dadurch erkannt werden, dass einer der Zähler mehrmals in Folge inkremen­ tiert wird.

Die Sendeelektroden können zu Gruppen mit mehreren, bspw. 6 Elektroden zusammengefasst werden, die eine ent­ sprechende Anzahl von Ansteuermöglichkeiten bieten. In­ nerhalb des durch die Gruppe festgelegten Bereiches werden das geeignete Elektrodenpaar angesteuert und die Zähler­ stände bestimmt. Die Aneinanderreihung von Sendeelektroden ermöglicht eine Vergrößerung der Maßstabsinkremente.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Wegmesssystem als Absolut-Wegmesssystem ausgebildet, das also zu jedem Zeitpunkt allein ausgehend von den aktuell erfassten Werten die gesuchte Absolutposi­ tion liefert. Ein ständiges Mitlesen während der Verstel­ lung ist ebensowenig erforderlich wie eine Nullpunktein­ stellung nach jedem Einschalten. Die Aktivdauer kann stark reduziert werden, und das Messsystem kann mit niedrigen Taktraten arbeiten und sehr stromsparend ausgelegt sein. Dies macht es für batteriebetriebene Messgeräte besonders geeignet. Außerdem kann die Fehleranfälligkeit weiter re­ duziert werden, weil das Messsystem den Nullpunkt nicht aufgrund zu hoher Verfahrgeschwindigkeit oder wegen Ver­ schmutzungen verliert.

Das erfindungsgemäße Abolut-Wegmesssystem weist we­ nigstens zwei als Differentialkondensatoren ausgebildete kapazitive Messwertaufnehmer auf, die zwei Messsysteme mit unterschiedlichen Teilungen bilden. In beiden Messsystemen werden die Verhältnisse der Teilkapazitäten des jeweiligen Differentialkondensators zueinander bestimmt. Daraus lässt sich die Absolutposition ermitteln.

In einer vorteilhaften, flächensparende Anordnung wird nur eine einzige Empfangselektrode verwendet, die zwischen den Sendeelektrodenreihen des Absolut-Wegmess­ systems, parallel zu diesen angeordnet ist. Die Gegenelek­ troden sind zu einer einzigen Reihe elementweise mitein­ ander verbunden. Die Sendeelektrodenreihen können auch zeitlich alternierend einmal als Sender und nachfolgend als Empfänger für die andere Sendeelektrodenreihe verwen­ det werden. Dies erlaubt größtmögliche Flächenbereiche der Kondensatorplatten auf einer gegebenen Fläche des Sensor­ kopfs und damit gute kapazitive Kopplung.

Einem jeden kapazitiven Messwertaufnehmer kann eine gesonderte Verarbeitungseinheit zugeordnet sein, um eine möglichst synchrone Auswertung vorzunehmen. Der Sigma/Del­ ta-Wandler kann aber von beiden Messwertaufnehmern gemein­ sam benutzt werden, wenn für jeden ein eigener zuschaltba­ rer Integrationskondensator vorgesehen wird. Die erhalte­ nen Relativpositionen werden von einer Verknüpfungseinheit zur Bestimmung der Absolutposition verwendet. Es sind auch Anwendungen möglich, bei denen eine gemeinsame Verarbei­ tungseinheit die Auswertung der Messsignale beider Diffe­ rentialkondensatoren seriell vornimmt. Um Synchronität sicherzustellen, können den einzelnen Differentialkonden­ satoren Ladungszwischenspeicher zugeordnet werden, die mit einem oder mehreren Ladungsimpulsen möglichst synchron geladen werden und deren Ausgangsspannungen nacheinander und langsam ausgewertet werden können.

Das erfindungsgemäße Wegmesssystem ermöglicht die Erfassung relativ großer Messwege bei hohen Auflösungen und geringen Interpolationsfehlern. Erforderlichenfalls kann der Messbereich nahezu beliebig erweitert werden. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, die Breite einer Gegenelektrodenreihe quer zu der Verschieberichtung ab­ schnittsweise zu reduzieren. Die Breite der anderen Gegen­ elektrodenreihe kann gleich bleiben oder sogar abschnitts­ weise vergrößert sein. Auf jeden Fall ergeben sich in je­ dem Abschnitt spezifische Kapazitätsverhältnisse zwischen den Sendeelektrodenreihen und den Gegenelektrodenreihen.

Die zur Auswertung benötigten Schalter, Kondensatoren und Operationsverstärker sind technisch vorteilhaft und kostengünstig in MOS-Standardtechniken realisierbar. Die Zähl-, Vergleichs- und sonstigen Operationen können vor­ teilhafterweise auf einem entsprechend programmierten Mi­ krokontroller oder Prozessor durchgeführt werden, obwohl auch eine schaltungstechnische Realisierung möglich ist.

Die bisherigen Ausführungen betrafen insbesondere ein Längenmesssystem. Das Wegmesssystem ist aber auch zur Win­ kelmessung geeignet. Zu diesem Zweck können die Sendeelek­ troden auf der Außenseite einer kreisförmigen Scheibe aus­ gebildet und die Gegenelektroden auf der Innenseite einer ringförmigen Maßverkörperung, in geringem Abstand von der Scheibe und um ihre Mittelachse drehbar angeordnet sein.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungs­ formen der Erfindung ergeben sich aus Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Wegmesssystem in schema­ tisierter, perspektivische Darstellung,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung des Wegmesssys­ tems nach Fig. 1 unter Veranschaulichung der einzelnen Funktionseinheiten,

Fig. 3 eine Maßverkörperung für das Wegmesssystem nach Fig. 1, in schematisierter Darstellung, in Draufsicht und in einem anderen Maßstab,

Fig. 4 eine erste Anordnung der Sendeelektroden für das Wegmesssystem nach Fig. 1, in schematisierter Darstel­ lung, in Draufsicht,

Fig. 5 eine weitere Anordnung der Sendeelektroden, in schematisierter Draufsicht,

Fig. 6a bis 6d verschiedene Konfigurationen von Elek­ troden des Wegmesssystems nach Fig. 1 und unterschiedliche Ansteuermöglichkeiten, in schematisierter Draufsicht,

Fig. 7 einen Teil einer in dem Wegmesssystem nach Fig. 1 verwendbaren Verarbeitungseinheit mit einem Sigma/Delta-Wandler, als schematisches Blockschaltbild,

Fig. 8 Signale zur Ansteuerung der Sendeelektroden eines Differentialkondensators und das Ausgangssignal des Integrators des Sigma/Delta-Wandlers nach Fig. 6, als schematisches Diagramm,

Fig. 9 einen Ausschnitt einer abgewandelten Form ei­ ner in dem Wegmesssystem nach Fig. 1 verwendbaren Verar­ beitungseinheit, als schematisches Schaltbild,

Fig. 10 einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Verarbeitungseinheit als schematisches Schaltbild,

Fig. 11 ein drittes Messsystem zur Messwegverlänge­ rung, in schematisierter Draufsicht, zur Veranschaulichung des Prinzips, und

Fig. 12 ein vereinfachtes Blockdiagramm zur Verdeut­ lichung der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Absolut-Wegmesssystems mit zwei Relativ-Messsystemen und

Fig. 13 ein vereinfachtes Flußdiagramm zur Ver­ anschaulichung der Bestimmung der gesuchten Position.

In Fig. 1 ist schematisch ein Wegmesssystem 1, ver­ anschaulicht, das Teil eines Längenmessgeräts ist und ei­ nen Sensorkopf 2 sowie eine Maßverkörperung 3, bspw. einen Maßstab, aufweist. Die Maßverkörperung 3 führt im vorlie­ genden Beispiel durch den Sensorkopf 2 hindurch und ist in Bezug auf diesen in der Verschieberichtung V verschiebbar gelagert. Das Wegmesssystem 1 kann z. B. Teil einer Schieb­ lehre sein. In dem Sensorkopf 2 sind aus Fig. 1 nicht er­ sichtliche Messwertaufnehmer angeordnet, die an eine An­ steuerungseinheit 4 und eine Verarbeitungseinheit 5 ange­ schlossen sind. Diese Einheiten 4, 5 können in oder an dem Sensorkopf 2 oder in einer gegebenenfalls gesonderten An­ zeigeeinheit 6 zum Anzeigen der gemessenen Länge vorgese­ hen sein. Elemente zum Ein- und Ausschalten oder sonstigen Bedienen des Messsystems 1 sind in Fig. 1 nicht veran­ schaulicht.

Der prinzipielle Aufbau des Wegmesssystems 1 ergibt sich insbesondere aus Fig. 2. Das Wegmesssystem 1 ist im vorliegenden Beispiel ein Absolut-Wegmesssystem, das die aktuelle Position unmittelbar und allein aus den momenta­ nen Messwerten bestimmt. Es weist hierzu einen ersten ka­ pazitiven Messwertaufnehmer 7a sowie einen zweiten kapazi­ tiven Messwertaufnehmer 7b auf, der in Fig. 2 durch ein Ersatzschaltbild angedeutet ist. Die Messwertaufnehmer 7a, 7b sind jeweils durch eine Reihe 8a, 8b von als Sendeelek­ troden dienenden Kapazitätsbelägen, durch zugehörige Rei­ hen 9a, 9b von Gegenelektroden sowie eine Empfangselek­ trode 10a, 10b gebildet. Wenn lediglich ein kapazitiver Messwertaufnehmer 7a bzw. 7b vorgesehen ist, wird ein Relativ-Messsystem gebildet, das die Position auf inkre­ mentelle Weise bestimmt. Die Beschreibungen gelten aber entsprechend.

Die Sendelektrodenreihen 8a, 8b sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Fläche 11 des Sensorkopfs 2, in der Ver­ schieberichtung V parallel zueinander angeordnet, wie dies in Fig. 4 veranschaulicht ist. Jede Reihe 8a, 8b enthält mehrere, bspw. 2 bis 16, rechteckförmige Sendeelektroden 12a, 12b. Die Sendeelektroden 12a sind in Richtung V schmäler als die Sendeelektroden 12b. Quer dazu sind deren Ausmaße vorzugsweise gleich. Die Sendeelektroden sind über Versorgungsleitungen 13a, 13b an die Ansteuerungseinheit 4 angeschlossen, von der sie Ansteuersignale empfangen.

Die Reihen 9a, 9b mit mehreren Gegenelektroden 14a, 14b sind auf einer Seite der Maßverkörperung 3 angeordnet, die der Fläche 11 des Sensorkopfs 2 zugewandt ist. Zwi­ schen den Sendeelektroden 12a, 12b und den Gegenelektroden 14a, 14b ist ein im Vergleich zu deren Breite geringer Spalt oder Abstand 15 festgelegt. Das Teilungsverhältnis der Reihen 9a, 9b entspricht demjenigen der Sendeelektro­ denreihen 8a, 8b, die Breite der Gegenelektroden 14a, 14b ist aber um ein Vielfaches größer als diejenige der Sen­ deelektroden 12a, 12b. Außerdem ist die Anzahl der Gegen­ elektroden 14a, 14b, die die maximale Messlänge definiert, wesentlich größer als die der Sendeelektroden 12a, 12b.

Die von den Sendeelektroden 12a, 12b auf die Gegen­ elektroden 14a, 14b übertragenen Signale werden kapazitiv auf die Empfangselektroden 10a, 10b zurückgekoppelt. Vor­ teilhafterweise können dadurch bewegte Kontakte vermieden werden. In dem Beispiel gemäß Fig. 4 ist eine einzige Emp­ fangselektrode 10 vorgesehen, die zwischen den Sendeelek­ trodenreihen 8a, 8b, parallel zu diesen und über deren gesamte Länge verläuft. Die Gegenelektroden 14a, 14b sind in Querrichtung jeweils paarweise miteinander verbunden oder durch Kondensatorbeläge 14 gebildet, die die Form zweier aneinander stoßender, etwas gegeneinander versetz­ ter Rechtecke aufweisen. Die Struktur der Gegenelektroden 14 ist insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich.

Die Ansteuerungseinheit 4 weist im Wesentlichen einen Taktgeber 16 und eine Versorgungseinheit 17 auf, die aus­ gehend von den Taktimpulsen des Taktgebers 16 die Ansteu­ ersignale generiert. Die Taktrate liegt vorzugsweise in dem Bereich zwischen 10 kHz und 300 kHz.

Die Ansteuerung der Sendeelektroden 12a, 12b wird anhand der Fig. 6a bis 6d erläutert. In Fig. 6a ist sche­ matisch ein Paar Sendeelektroden 12, das eine Sendeelek­ trodenreihe 8a bzw. 8b darstellen soll, sowie eine reprä­ sentative Gegenelektrode 14 veranschaulicht. Die Empfangs­ elektrode ist hier nicht veranschaulicht. Die Gegenelek­ trode 14 hat im Vergleich zu den Sendeelektroden 12 die doppelte Breite. In der in Fig. 6a gezeigten ersten Posi­ tion P1 überdeckt die Gegenelektrode 14 die linke Sendee­ lektrode 12 vollständig und bildet mit dieser einen Teil­ kondensator C1 eines Differentialkondensators 18. Die in Fig. 6a rechte Sendeelektrode 12 wird nur etwa zur Hälfte überdeckt, wodurch ein Teilkondensator C2 gebildet wird. Das Kapazitätsverhältnis C1/C2 beträgt 2 : 1. Beim Verfahren der Gegenelektrode 14 wird zunächst die Teilkapazität C2 wegproportional vergrößert bis beide Sendeelektroden 12a, 12b vollständig überdeckt sind. Eine weitere Verschiebung bewirkt eine Verminderung der Teilkapazität C1 bei gleich­ bleibender Teilkapazität C2. In der in Fig. 6a gezeigten zweiten Position P2 beträgt das Kapazitätsverhältnis C1/C2 in etwa 1 : 2. Das Paar von Sendeelektroden 12 wird von der Versorgungseinheit 17 periodisch angesteuert.

Sind, wie bspw. in Fig. 6b veranschaulicht, mehrere Sendeelektroden 12 in einer Reihe angeordnet und wird die Gegenelektrode 14 weiter in Richtung V verschoben, ist es wegen der erforderlichen Messgenauigkeit vorteilhaft, zum nächsten Paar von Sendeelektroden zu wechseln. Dann werden die in der Mitte liegenden mit C1 und C2 bezeichneten Sen­ deelektroden 12 angesteuert. Die Kennzeichnung "0" bedeu­ tet, dass diese Sendeelektroden entweder kein Signal oder Ladungspakete mit alternierendem Vorzeichen empfangen, so dass sich die zugehörigen Ladungen insgesamt ausgleichen. Jedesmal wenn sich das Kapazitätsverhältnis C1/C2 durch Positionsänderung aus dem Bereich 2 : 1 bis 1 : 2 bewegt, wird zum nächsten Sendeelektrodenpaar weitergeschaltet. Es wäre auch möglich, einen Bereich zwischen 0 : 1 und 1 : 0 zu wählen und stets zum übernächsten Elektrodenpaar zu wechseln. Die erste Vorgabe ergibt jedoch kürzere Wandlungszeiten und geringere Interpolationsfehler.

Bei einer Gruppe von sechs Sendeelektroden 12 kann die Gegenelektrode 14 so breit wie drei Sendeelektroden 12 ausgeführt sein. Jeweils eine und die übernächste Sendee­ lektrode 12 bilden das aktive Elektrodenpaar. In Fig. 6c oben ist dies durch die erste Ansteuermöglichkeit veran­ schaulicht. Fig. 6c unten zeigt die letzte Ansteuermög­ lichkeit, bei der die in Verschieberichtung V zweite Sen­ deelektrode 12 mit einem Element 14 der Gegenelektroden­ reihe 9 den Teilkondensator C2 und die letzte Sendeelek­ trode 12 mit dem übernächsten Element der Gegenelektroden­ reihe 9 den Teilkondensator C1 bildet. Die dazwischenlie­ gende, strichpunktiert angedeutete Gegenelektrode 14 wird bei der Messung nicht benötigt. Im Allgemeinen wird des­ halb jedes zweite Element der Gegenelektrodenreihe 9a, 9b auf Masse gelegt oder entfernt. Eine Gruppe von 6 Sendeelektroden ergibt einen Messweg von insgesamt sechs Elek­ trodenbreiten, in der Praxis also ungefähr 5 mm.

Auf diese Weise können auch größere Gruppen und somit weitere Messwege gebildet werden, wobei die Anzahl der zwischen den Teilkondensatoren C1 und C2 liegenden nicht angesteuerten Sendeelektroden 12 entsprechend erhöht wird. Außerdem können mehrere solche Gruppen aneinandergereiht und Sendeelektroden bestimmter Ordnungszahl aller Gruppen gemeinsam angesteuert werden, wie dies bspw. aus Fig. 6c unten hervorgeht. Alle gleichzeitig angesteuerten Sendee­ lektroden definieren dann die entsprechende Teilkapazität C1 bzw. C2 des Differentialkondensators 18.

Wenn 8 oder mehr Sendeelektroden eine Gruppe bilden, können auch zwei oder mehrere nebeneinanderliegende Sen­ deelektroden 12 zusammengefasst und gemeinsam angesteuert werden (Fig. 6d). Es gibt vielfältige Möglichkeiten der Anordnung und Ansteuerung der Sendeelektroden 12a, 12b.

Wie bereits angedeutet, wird das gesuchte Kapazitäts­ verhältnis C1/C2 mittels einer Interpolationsmethode be­ stimmt, wozu die Verarbeitungseinheit 5 vorgesehen ist. Zu der Verarbeitungseinheit 5 gehört eine Sigma/Delta-Wand­ lungseinheit 21, eine Schaltereinheit 22, eine Zählerein­ heit 23 sowie eine Auswertelogik oder -einheit 24.

Der in Fig. 7 veranschaulichte Sigma/Delta-Wandler 21 ist eine Analogschaltung, die im Wesentlichen aus einem Integrator 26, dessen Eingang über einen Schalter S1 der Schaltereinheit 22 mit der Empfangelektrode 10 verbunden ist, sowie einem an dem Ausgang des Integrators 26 ange­ schlossenen Komparator 27 besteht. Der Integrator ist in der gewohnten Weise durch einen Operationsverstärker 28 und einen Integrationskondensator C3 gebildet, der in dem Rückkopplungspfad des Integrators 26 angeordnet ist. Der Eingang und der Ausgang des Integrators 26 sind über Kon­ densatoren C4, C5 jeweils an Masse angeschlossen, die im Vergleich zu dem Integrationskondensator C3 nur geringe Kapazitäten haben und zur Entstörung der durch die Schal­ tereinheit 22 verursachten Ladungen dienen.

Die Schaltereinheit 22 weist zwei weitere Schalter S2 und S3 auf. Der Schalter S3 ist in der Rückkopplungslei­ tung des Integrators 26 in Reihe zu dem Integrationskon­ densator C3 angeordnet. Der Schalter S2 ist parallel dazu geschaltet und ermöglicht ein Kurzschließen des Eingangs mit dem Ausgang des Integrators 26.

Der Ausgang des Komparators 27 ist über eine Kipp­ stufe 29, insbesondere ein D-Flipflop, mit der Zählerein­ heit 23 und ggfs. der Auswerteeinheit 24 verbunden. Die Zählereinheit 23 weist pro kapazitiven Meßwertaufnehmer 7a, 7b zwei Zähler auf, die die Anzahl der über die ein­ zelnen Teilkondensatoren C1, C2 übertragenen und inte­ grierten Stromstöße bzw. Ladungspakete n1, n2 zählen, so­ wie einen Zähler z, der die ermittelte Paar-Kombination der Sendeelektroden 12a, 12b innerhalb der Gruppe angibt. Die Zähler n1, n2 bestimmen die Auflösung, die fast belie­ big groß wählbar ist. Im Allgemeinen ist für Echtzeitan­ wendungen mit geringer Verarbeitungszeit und hoher Genau­ igkeit eine Auflösung zwischen 256 (8 Bit) bis 4096 (12 Bit) geeignet.

Die Funktionsweise des insoweit beschriebenen Weg­ messsystem wird anhand Fig. 8 im Zusammenhang mit Fig. 13 beschrieben, in der das Ablaufprogramm zur Positionsbestimmung veranschaulicht ist. Das erfindungsgemäße Weg­ messsystem funktioniert wie folgt:

Sofern ein Relativ-Messsystem verwendet wird, muss dieses vor der Messung in die Ausgangsposition verfahren werden, um definierte Anfangsbedingungen zu erhalten. Das Wegmesssystem 1 wird eingeschaltet, und die Zähler n1, n2 und z werden initialisiert. Danach kann die Maßverkörpe­ rung 3 in Bezug auf den Sensorkopf 2 in die zu bestimmende Position verschoben werden. Bei der Ausführungsform als Absolut-Wegmesssystem kann die Maßverkörperung 3 verfahren werden, bevor das Wegmesssystems 1 eingeschaltet und die Zähler n1, n2, z initialisiert werden.

Danach wird ein erstes Paar von Sendelektroden 12a der Reihe 9a angesteuert (Block 41 in Fig. 13), das die entsprechenden Teilkondensatoren C1, C2 des Differential­ kondensators 18 bildet. Wie aus Fig. 8 insbesondere her­ vorgeht, werden die Teilkondensatoren C1, C2 mit periodi­ schen, positiven Rechteckimpulsen angesteuert, wobei die Ansteuersignale des Teilkondensators C2 (C2-Signale) den­ jenigen des Teilkondensators C1 (C1-Signale) mit einem Phasenversatz von 90° nacheilen. Die Ansteuersignale er­ zeugen auf der Empfangsseite Stromstöße oder Ladungspakete unterschiedlicher Polarität, die im Wesentlichen mit den Flankenwechseln zusammenfallen und die zu dem Integrator durchgelassen und dort integriert werden, wenn die Schal­ ter S1 und S3 geschlossen sind. Wie in Fig. 8 veranschau­ licht, werden die Schalter S1 und S3 im möglichst nachfol­ genden Takt bspw. bei der aufsteigenden Flanke des C1-Sig­ nals geschlossen, wenn der Komparatorausgang, also die in dem Integrationskondensator C3 integrierte gesamte La­ dungsmenge negativ ist oder während der abfallenden Flanke des C2-Signals, wenn die Gesamtladung, also der Komparatorausgang positiv ist (Block 42 in Fig. 13). Es wird also ein entsprechendes positives oder negatives Ladungspaket empfangen und aufsummiert (Blöcke 43a, b in Fig. 13).

Die Schalter S1, S3 bleiben nur für eine vorbestimmte Dauer T geschlossen, um Zeitfenster 33 zu definieren (Fig. 8), in denen ausgewählte Flanken der Ansteuersignale lie­ gen. Der Phasenversatz, das Zeitfenster 33 und seine Dauer T sind derart festgelegt, dass innerhalb eines Zeitfens­ ters 33 nur eine ausgewählte Signalflanke liegt und das Zeitfenster 33 im Wesentlichen nur den Flankenwechsel um­ fasst. Je kleiner das Zeitfenster 33 ist und je genauer es mit den Signalflanken der Ansteuersignale synchronisiert ist, desto stärker kann der Einfluss von statischen Stö­ rungen und von Störsignalen herrührenden Unlinearitäten reduziert werden. Höherfrequente Störungen, z. B. von außen über die Maßverkörperung 3 eingebrachte elektrostatische Entladungen oder sich im Dielektrikum der Maßstabsabdec­ kung aufgrund von mechanischen Erschütterungen bewegende Ladungen, können wirksam unterdrückt werden. Die Festle­ gung des Zeitfensters 33 hat also für die Messgenauigkeit oder sogar für die Funktionalität des Wegmesssystems grundlegende Bedeutung.

Mit den Zählern n1 und n2 wird die Anzahl der ausge­ werteten C1- bzw. C2-Signale gezählt (Blöcke 43a, b in Fig. 13). Bevor das jeweils nächste Signal gesendet wird, kön­ nen die Schalter S1 und S2 geschlossen und S3 geöffnet werden. Da der Eingang des Integrators 26 sich auf virtu­ eller Masse befindet, kann ein Ladungsstrom abfließen, und die Teilkondensatoren C1 und C2 werden im gegensätzlichen Sinne polarisiert, ohne dass sich die Ladung des Integra­ tionskondensators C3 verändert. Diese Maßnahme verbessert die Linearität des Wegmesssystems 1.

Liegt das angesteuerte Paar von Sendelektroden 12a außerhalb des bevorzugten Bereichs von bspw. 1 : 2 bis 2 : 1 wird das entsprechende nächste Paar angesteuert. Ein er­ forderlicher Wechsel des Sendeelektroden-Paars wird bspw. dadurch detektiert, dass mehrmals hintereinander Ladungs­ pakete desselben Teilkondensators C1 bzw. C2 integriert werden. Hierzu werden, wie Fig. 13 veranschaulicht, zu­ sätzlichen Zähler 21 und 22 verwendet, die die Anzahl nacheinander integrierter Ladungspakete zählen (Blöcke 43a, b in Fig. 13). Erreicht einer der Zähler 21 oder 22 den Wert 4 (oder 3), muss zum nächsten Elektrodenpaar ge­ wechselt werden (Blöcke 44a, b in Fig. 13). In diesem Fall werden der Zähler z inkrementiert bzw. dekrementiert, die Zähler n1 und n2 zurückgesetzt und der Integrationskonden­ sator C3 entleert (Schalter S2, S3 geschlossen), vgl. Blö­ cke 45a, b in Fig. 13.

Erreicht einer der Zähler n1, n2 einen durch die ge­ wünschte Auflösung festgelegten Wert (Blöcke 46a, b in Fig. 13), so entspricht der Wert des anderen Zählers n1 bzw. n2, der den Endwert nicht erreicht, dem Interpolationswert innerhalb des Elektrodenpaares. Damit ist das Kapazitäts­ verhältnis C1/C2 in dem zu dem Messaufnehmer 7a gehörenden Bezugssystem bestimmt. Bei einem Relativ-Messsystem kann aus den Zählerständen n1, n2 und z die genaue Position der Maßverkörperung 3 wie folgt bestimmt werden (Block 47 in Fig. 13):

Position = n1 - n2 + z × Auflösung.

Sofern ein Absolut-Messsystem 1 und nur eine einzige Verarbeitungseinrichtung 5 vorgesehen ist, wird der Mess­ zyklus nachfolgend mit dem Messwertaufnehmer 7b wiederholt und auch hierzu das Kapazitätsverhältnis C1/C2, also die Zähler n1, n2 und z bestimmt. Sind die Kapazitätsverhält­ nisse C1/C2, d. h. die zugehörigen Zähler n1, n2 und z, beider Relativ-Messsysteme bestimmt, ermittelt eine Ver­ knüpfungseinheit 30 daraus die Absolutposition. Dies ist in Fig. 12 vereinfacht veranschaulicht. Zur Bestimmung der Absolutposition kann die Verknüpfungseinheit 30 bspw. den eineindeutige Zusammenhang zwischen der Differenz der Ka­ pazitätsverhältnisse C1/C2 der beiden Relativ-Messsysteme und der Verschiebung nutzen.

Die bei serieller Verarbeitung der Messwerte insbe­ sondere bei hohen Verfahrengeschwindigkeiten störenden Laufzeitverschiebungen können vermieden werden, wenn für jedes Relativ-Messsystem eine eigene Verarbeitungseinheit 5 vorgesehen wird. Dann kann die Wandlung nahezu synchron erfolgen. Vorteilhafterweise genügt ein einziger Sigma/Delta-Wandler 21, wenn der Integrator 26, wie in Fig. 7 gezeigt, mit einem weiteren, über einen Schalter S3b zuschaltbaren Integrationskondensator C3b versehen wird. Zwischen den Integrationskondensatoren C3 bzw. C3b wird bei der Messung ständig hin und her geschaltet, um synchron zu wandeln. Vor jeder Integration können die Schalter S1 und S2 geschlossen sowie S3 und S3b geöffnet werden, um eine gegebenenfalls noch in den Zuleitungen vorhandene Ladung abzuleiten, so dass nur die zu dem glei­ chen Messwertaufnehmer 7a bzw. 7b gehörende Ladung in den zugehörigen Integrationskondensator C3 bzw. C3b gelangt.

In den Fig. 5 und 9 bis 11 sind weitere vorteilhafte Modifizierungen der Erfindung veranschaulicht. Soweit Übereinstimmungen mit dem vorstehend beschriebenen Weg­ messsystem in Bau und/oder Funktion bestehen, wird unter Zugrundelegung gleicher Bezugszeichen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform der Verarbeitungs­ einheit 5 mit einem Sigma/Delta-Wandler 21, dem vier La­ dungszwischenspeicher 31a, 32a, 31b, 32b vorgeschaltet sind. Die Ladungszwischenspeicher 31a, 32a sind den Teil­ kondensatoren C1 bzw. C2 des ersten Messwertaufnehmers 7a und die Ladungsspeicher 31b, 31b denen des zweiten Mess­ wertaufnehmers 7b zugeordnet. Die Ladungsspeicher 31a, 32a, 31b, 32b sind untereinder gleich, als herkömmliche Abtast-Halte-Glieder (Sample & Hold - Glieder) mit jeweils einem Operationsverstärker 32 und einem zugehörigen Lade­ kondensator C6 ausgebildet. Die Ladekondensatoren C6 wer­ den möglichst synchron mit 1 bis 4, oder sogar bis zu etwa 16 Ladungsimpulsen des zugeordneten Teilkondensators C1 bzw. C2 geladen. Die hierbei verwendeten Schalter S4 und S5 sind im Wesentlichen kurze Zeit vor bis kurz nach der entsprechenden Signalflanke geschlossen, um zu verhindern, dass Störsignale während der gesamten Impulsdauer inte­ griert werden. Zusätzliche Schalter S6 dienen der Entla­ dung der Kondensatoren C6 sowie der Polarisierung der Teilkondensatoren C1 und C2 vor dem Empfang eines Ladungs­ impulses. Über einen Schalter S7 am Ausgang eines jeden Ladungsspeichers 31a, 32a, 31b, 32b und einen gemeinsamen Koppelkondensator C7 kann eine Verbindung zu der Auswerte­ einheit 24 geschaffen werden. Sind die Ladungsspeicher 31a, 32a, 31b, 32b aufgeladen, so ist deren Ausgangsspan­ nung proportional zu der Größe des jeweiligen Teilkonden­ sators C1 bzw. C2 eines zugeordneten Messwertaufnehmers. Diese Spannungen können folglich nachträglich und langsam ausgewertet werden. Vorteilhafterweise wird dadurch eine gute synchrone Positionserfassung mit nur einer Verarbei­ tungseinheit 5 ermöglicht.

Zur Erhöhung des Störabstands können die Sende- und Messsignale periodisch, bspw. bei jedem zweiten Zyklus invertiert werden. Dadurch wird die Energie tieffrequenter Störungen, wie sie bspw. von der Ansteuerung der Anzeige­ einheit 6 herrühren oder infolge mechanischer Erschütte­ rung durch im Dielektrikum der Maßstabsabdeckung enthalte­ ne elektrische Ladungen verursacht werden können, in dem Integrator 26 weitgehend annuliert. Eine Inversion der Ansteuersignale kann durch die Versorgungseinheit 17, bspw. unter Verwendung eines Exklusiv-Oder-Gatters, reali­ siert werden. Es kann auch nach jedem zweiten Taktzyklus ein Flankenwechsel bei der Auswertung vorgenommen werden. Eine zur Demodulation geeignete Integratorschaltung ist in Fig. 10 veranschaulicht. In dieser sind an den Verbin­ dungspunkt des Schalters S2 mit dem Integrationskondensa­ tor C3 ein zusätzlicher Schalter S8 und an den Verbin­ dungspunkt des Schalters S3 mit dem Integrationskondensa­ tor C3 ein weiterer Schalter S9 angeschlossen, die jeweils mit dem Ausgang des Integrators 26 verbunden sind. Der Integrationskondensator C3 wird bei geschlossenen Schal­ tern S3 und S8 in dem bisherigen Sinne aufgeladen. Bei invertierten Sende- bzw. Messsignalen werden stattdessen die Schalter S2 und S9 geschlossen, um den Integrations­ kondensator C3 umzudrehen, d. h. im umgekehrten Sinne auf­ zuladen. Der Betrag der integrierten Gesamtladung wird also stets richtig verändert. Selbstverständlich muss bei dieser Maßnahme der Komparatorausgang periodisch mit in­ vertiert werden.

Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Ausbildung der kapazi­ tiven Messwertaufnehmer 7a, 7b, wobei die Struktur der Gegenelektroden 14a, 14b der in Fig. 3 gleichen kann. Wie Fig. 5 veranschaulicht, kann auf eine Empfangselektrode 10 verzichtet werden, wenn die Sendeelektroden 12a und 12b zwischen Sende- und Empfangsbetrieb umgeschaltet werden können. Die Elektroden 12a werden als Empfangselektroden verwendet, wenn die Sendeelektroden 12b im Sendemodus sind und umgekehrt. Auf diese Weise können auf einer gegebenen Fläche des Sensorkopfs 2 größtmögliche Elektrodenflächen bei zwei parallelen Relativ-Messsystemen geschaffen wer­ den, was ein gutes Verhältnis zwischen Nutz- und Störsig­ nalen sowie geringe Interpolationsfehler ergibt. Die An­ forderungen hinsichtlich des Eigenrauschens in der Aus­ werteelektronik und die Anfälligkeit auf störende elektri­ sche Fremdsignale nehmen dadurch ab.

Wenn die Sendeelektrodenreihen 8a, 8b aus 1 bis meh­ reren Gruppen von bspw. 6 Sendeelektroden mit einem Mess­ weg von ungefähr 5 mm bestehen (vgl. Fig. 6c) und sich die Periodenlängen der Maßverkörperung 3 um 1/64 unterschei­ den, beträgt der maximaler Messweg ca. 320 mm. Durch eine in der Fig. 11 veranschaulichte Variante der Maßverkörpe­ rung 3 können die beiden insofern beschriebenen parallelen Relativ-Messsysteme um ein weiteres Messsystem erweitert und die Messweite kann nahezu beliebig vergrößert werden.

Wie in Fig. 11 prinziphaft gezeigt, ist die Breite der einen Reihe 9a mit Gegenelektroden 14a quer zur Ver­ schieberichtung V abschnittsweise verringert. Die Breite der anderen Reihe 9b bleibt unverändert. In der Stellung gern. Fig. 11 kommt es lediglich zu einer Teilüberdeckung der Sendeelektroden 12a durch die Gegenelektroden 14a. In dem Abschnitt links von der in Fig. 11 erkennbaren Stufe 34 werden die Sendeelektroden 12a vollständig überdeckt. Es können mehrere solche Abschnitte vorgesehen werden. Bei zwei bis vier Abschnitten wird der Messbereich auf über 500 mm bzw. Im erweitert. Die Abstufungen werden vorzugs­ weise vor der ersten Inbetriebnahme in der Verarbeitungs­ einheit 5 gespeichert. Ebenso werden die Kapazitätswerte C1, C2 oder deren Verhältnis C1/C2 abgespeichert, die bei vollständiger Überdeckung, bspw. im ersten Abschnitt er­ halten werden, wenn alle Sendeelektroden 12a bzw. 12b par­ allel angesteuert werden.

Bei einer Messung wird zunächst die Position in der oben beschrieben Weise ermittelt. Anschließend werden nacheinander alle Sendeelektroden 12a bzw. 12b angesteuert und die jeweiligen Teilkapazitäten bzw. deren Verhältnisse bestimmt, wobei hierzu eine kleinere Auflösung, bspw. zwi­ schen 4 Bit (16) und 8 Bit (256) genügt. Durch Vergleich der ermittelten Werte mit den gespeicherten wird der akti­ ve Abschnitt und daraus die Absolutposition bestimmt. Al­ ternativ können lediglich die bei der vorherigen Messung der Position anhand der ersten beiden Messsysteme verwen­ deten Sendeelektroden, die in der Verschieberichtung über deren gesamte Breite überdeckt werden, für die dritte Mes­ sung herangezogen werden.

Ein Wegmesssystem 1 weist einen in Form eines Diffe­ rentialkondensators 18 ausgebildeten kapazitiven Messwert­ aufnehmer 7a, 7b, dessen Teilkondensatoren C1, C2 von der zu bestimmenden Position abhängige Kapazitäten aufweisen, und eine Verarbeitungseinrichtung 5 zur Bestimmung des gesuchten Wegs auf, die bspw. einen Sigma/Delta-Demodula­ tor aufweist. Die Teilkondensatoren C1, C2 werden peri­ odisch mit Binärsignalen angesteuert, wobei die Ansteuer­ signale des einen Teilkondensators C1 zu denjenigen des anderen Teilkondensators C2 phasenversetzt gesendet wer­ den. Die Verarbeitungseinrichtung 5 bestimmt, welche An­ steuersignale zur Auswertung herangezogen werden sollen. Eine Schaltereinheit 22 lässt innerhalb von mit den Flan­ ken der Ansteuersignale synchronisierten Zeitfenstern die zugehörigen Empfangssignale zu der Verarbeitungseinrich­ tung 5 durch und blendet alle anderen Signale aus. Das Wegmesssystem 1 ermöglicht geringe Interpolationsfehler bei großen Auflösungen und langen Interpolationsperioden.

Das Wegmesssystem 1 kann durch zwei im Wesentlichen voneinander unabhängige, parallel arbeitende Relativ-Mess­ systeme zu einem Absolut-Wegmesssystem erweitert werden, das die Absolut-Position allein aus den aktuellen Mess­ werten ermittelt. Der Messbereich kann durch Erweiterung des Wegmesssystems 1 um weitere Relativ-Messsysteme nahezu beliebig vergrößert werden.

Claims (29)

1. Kapazitives Wegmesssystem (1) insbesondere für Längenmessgeräte,
mit wenigstens einem kapazitiven Messwertaufnehmer (7a, 7b), der als Differentialkondensator (18) ausgebildet ist und zu dem wenigstens zwei Sendeelektroden (12a, 12b) und eine oder mehrere Gegenelektroden (14a, 14b) gehören, die den jeweiligen Sendeelektroden (12a, 12b) gegenüber, von diesen beabstandet und in Bezug auf diese relativver­ stellbar angeordnet sind, so dass wenigstens zwei Teil­ kondensatoren (C1, C2) gebildet sind, wobei sich die Kapa­ zität wenigstens eines Teilkondensators (C1, C2) wegpro­ portional ändert,
mit einer Ansteuerungseinheit (4), die dazu einge­ richtet ist, ausgewählte Sendeelektroden (12a, 12b), die die Teilkondensatoren (C1, C2) des Differentialkondensa­ tors (18) bilden, zur Erzeugung von Messsignalen zu vorbe­ stimmten Zeitpunkten mit binären Ansteuersignalen zu spei­ sen, die aufsteigende und abfallende Flanken aufweisen, wobei die Ansteuersignale der beiden Teilkondensatoren (C1, C2) gegeneinander einen festgelegten Phasenversatz aufweisen,
mit einer Verarbeitungseinrichtung (5), die die Mess­ signale zur Bestimmung der Teilkapazitäten (C1, C2) des Differentialkondensators (18) auswertet, um daraus den zu messenden Weg zu ermitteln, und
mit einer Schaltereinheit (22), die dazu eingerichtet ist, Zeitfenster zu definieren, in denen ausgewählte Flan­ ken der Ansteuersignale liegen, so dass die zugehörigen Messsignale durchgelassen werden, um von der Verarbei­ tungseinrichtung (5) ausgewertet zu werden.

2. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Ansteuersignale im Wesentlichen Recht­ ecksignale sind und dass der Phasenversatz zwischen den Ansteuersignalen so groß ist, dass innerhalb eines Zeit­ fensters nur eine ausgewählte Signalflanke beobachtet wird.

3. Wegmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Phasenversatz im Wesentlichen 90° beträgt.

4. Wegmesssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuersignale des einen Teil­ kondensators (C1, C2) die gleiche Kurvenform und die glei­ che Polarität haben wie die Ansteuersignale des anderen Teilkondensators.

5. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Verarbeitungseinrichtung (5) einen Sigma/Delta-Wandler (21) aufweist, zu dem ein Integrator (26), der die über den Differentialkondensator (18) über­ tragene Ladung integriert, sowie ein Komparator (27) gehö­ ren, der das Vorzeichen der gesamten integrierten Ladungs­ menge ausgibt.

6. Wegmesssystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schaltereinheit (22) in Abhängigkeit von dem Ausgang des Komparators (27) ein Messsignal von dem einen oder dem anderen Teilkondensator (C1, C2) des Differentialkondensators (18) durchlässt.

7. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Zeitfenster kleiner ist als die Impuls­ dauer eines Ansteuersignals.

8. Wegmesssystem nach Anspruch 5 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Zeitfenster ausreichend groß bemes­ sen ist, um die empfangenen Ladungspakete in einem Inte­ grationskondensator (C3) des Integrators (26) unter Be­ rücksichtigung des Innenwiderstandes der den Integrations­ kondensator (C3) speisenden Quelle nahezu vollständig zu integrieren.

9. Wegmesssystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Zeitfenster größer als die Summe aus der Anstiegszeit und der zehnfachen Zeitkonstante (τ) ge­ wählt ist, die als Produkt aus dem Innenwiderstand der verwendeten Spannungsquelle und der maximalen Teilkapazi­ tät (C1, C2) definiert ist.

10. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schaltereinheit (22) vor dem Senden eines jeden Ansteuersignals definierte Spannungsverhält­ nisse an den Teilkondensatoren (C1, C2) schafft.

11. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schaltereinheit (22) Schalter (S8, S9) zur Eliminierung tieffrequenter Störungen während der Aus­ wertung aufweist.

12. Wegmesssystem nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Eliminierung der Störungen bei der Aus­ wertung periodische Flankenwechsel vorgenommen werden.

13. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mehrere in wenigstens einer Reihe (8a, 8b) angeordnete Sendeelektroden (12a, 12b) vorgesehen sind.

14. Wegmesssystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Breite der Gegenelektroden (14a, 14b), gemessen in einer Verschieberichtung (V), einem ganzzah­ ligen Vielfachen der Breite der Sendeelektroden (12a, 12b) entspricht und dass vorzugsweise eine aus mehreren Gegen­ elektroden (14a, 14b) gebildete Reihe (9a, 9b) in der Ver­ schieberichtung (V) ein Vielfaches der Länge der Sendee­ lektrodenreihe (8a, 8b) aufweist.

15. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jede zweite Gegenelektrode (14a, 14b) auf Masse liegt oder entfernt worden ist.

16. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Abgriff der Messsignale berührungslos erfolgt.

17. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Messung mehrere Einzelimpulse an jeden Teilkondensator (C1, C2) gesendet werden und dass die sich ergebenden Ladungspakete aufsummiert werden, wobei die Bestimmung der Teilkapazitäten (C1, C2) durch Interpolati­ on erfolgt.

18. Wegmesssystem nach Anspruch 17, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Verarbeitungseinheit (5) eine Zähler­ einheit (23) aufweist, die zwei Zähler (n1, n2) zum Auf­ summieren der Anzahl der über die jeweiligen Teilkondensa­ toren (C1, C2) übertragenen und integrierten Ladungspakete enthält.

19. Wegmesssystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Ansteuerungseinheit (4) ausgehend von den Zählerständen (n1, n2) das anzusteuernde Paar von Sen­ deelektroden (12a, 12b) bestimmt, damit das Verhältnis der Teilkapazitäten (C1, C2) zueinander in einem vorgegebenen Bereich, vorzugsweise innerhalb von 1 : 2 bis 2 : 1, liegt.

20. Wegmesssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sendeelektroden (12a, 12b) zu Gruppen mit einer Anzahl von Elektroden, vorzugsweise 6 Elektro­ den, zusammengefasst werden, die eine entsprechende Anzahl von Ansteuermöglichkeiten bieten.

21. Wegmesssystem nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegmesssystem (1) als Absolut-Wegmesssystem ausgebildet ist, das wenigs­ tens zwei als Differentialkondensatoren (18) ausgebildete kapazitive Messwertaufnehmer (7a, 7b) aufweist, zu denen Sendeelektrodenreihen (8a, 8b), die jeweils eine konstan­ te, voneinander verschiedene Teilung aufweisen, sowie zu­ geordnete Gegenelektronenreihen (9a, 9b) gehören, wobei die Verarbeitungseinrichtung (5) aus den Verhältnissen der Teilkapazitäten (C1, C2) der einzelnen Differentialkonden­ satoren (18) einen Absolutwert für den zu messenden Absolut-Weg bestimmt.

22. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sendeelektrodenreihen (8a, 8b) in einer gemeinsamen Ebene, parallel zueinander verlaufen und dass die Gegenelektroden (14a, 14b) auf einer gemeinsamen, den Sendeelektroden (12a, 12b) zugewandten Fläche einer Maß­ verkörperung (3) angeordnet sind.

23. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass lediglich eine Empfangselektrode (10) vor­ gesehen ist, die zwischen den Sendeelektrodenreihen (8a, 8b) angeordnet ist und parallel zu diesen verläuft und dass die einzelnen Elemente der Gegenelektroden (14a, 14b) miteinander verbunden sind.

24. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei zweireihiger Sendeelektrodenanordnung die Reihen (8a, 8b) der Sendeelektroden abwechselnd als Empfangselektroden geschaltet sind.

25. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass jedem Differentialkondensator (18) eine gesonderte Verarbeitungseinheit (5) zur Bestimmung der jeweiligen Relativverstellungen zugeordnet ist und dass eine Verknüpfungseinheit (30) zur Bestimmung der Absolut­ position aus den beiden Relativpositionen vorgesehen ist.

26. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass den beiden Differentialkondensatoren (18) eine gemeinsame Wandlungseinheit (21) zugeordnet ist, wo­ bei die beiden Systeme einen eigenen zuschaltbaren Inte­ grationskondensator (C3, C3b) aufweisen.

27. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass für die Differentialkondensatoren (18) La­ dungszwischenspeicher (31a, 31b, 32a, 32b) vorgesehen sind, die mit einem oder mehreren Ladungsimpulsen mög­ lichst synchron geladen werden und deren Ausgangsspannun­ gen später von einer gemeinsamen Verarbeitungseinrichtung (5) seriell ausgewertet werden.

28. Wegmesssystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Erweiterung des Messbereichs ein weite­ res Messsystem vorgesehen ist.

29. Wegmesssystem nach Anspruch 28, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Breite einer Reihe (9a, 9b) mit Gegen­ elektroden (14, 14a, 14b) quer zu einer Verschieberichtung (V) abschnittsweise reduziert ist, während die Breite der anderen Gegenelektrodenreihe gleich bleibt oder ab­ schnittsweise vergrößert ist, so dass in jedem Abschnitt spezifische Kapazitätsverhältnisse zwischen den Sendeelek­ trodenreihen (8a, 8b) und den Gegenelektrodenreihen (9a, 9b) gegeben sind.