DE102004036937A1

DE102004036937A1 - Kapazitives Längen- oder Winkelmesssystem

Info

Publication number: DE102004036937A1
Application number: DE102004036937A
Authority: DE
Inventors: Robert Rohrbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-07-30
Also published as: DE102004036937B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Fehlereinflüssen in einem Längen- oder Winkelmesssystem mit einem kapazitiv arbeitenden Sensor, der eine Ausgangsspannung als Maß für eine gemessene Länge bzw. einen gemessenen Winkel liefert. DOLLAR A Um die im Stand der Technik bekannten Systeme zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der verbesserten Kompensation von systeminhärenten Fehlereinflussgrößen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die folgenden Schritte durchzuführen: DOLLAR A a) Aufnehmen einer Mehrzahl von Einzelsignalgrößen der Ausgangsspannung des Messsystems, wobei die Einzelsignalgrößen mit vordefinierten Ladungsverteilungen an den Kondensatorelementen (beispielsweise -platten) des Systems gewonnen werden, und DOLLAR A b) Berechnen eines fehlerkompensierten Messwerts am Ausgang des Systems mithilfe der aufgenommenen Einzelsignalgrößen.

Description

Die Erfindung betrifft ein kapazitives Längen- oder Winkelmesssystem mit einem beliebigen Differentialkondensatoraufbau als Sensorelement und ein Mess- und Auswerteverfahren zur Fehlerkompensation mit einer Messschaltung und Auswertelogik.

Aufgabe der Erfindung ist es, die im Stand der Technik bekannten Systeme zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der verbesserten Kompensation von systeminhärenten Fehlereinflussgrößen.

Vorteile der Erfindung:

Eine spezielle erfinderische Messschaltung und Auswerteelektronik unterscheidet sich von den bisher bekannten Verfahren durch einen sehr einfachen Aufbau ohne Regelschleifen und spezielle Kompensationsschaltungen.

Der hierin aufgeführte beispielhaft beschriebene, erfindungsgemäße Aufbau ohne Regelschleifen zur Signalnachführung erlaubt gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich höhere Messraten (ca. 1000 – 2000 gegenüber 10 – 30 Messwerte/Sek.) bei gleichzeitig hoher Auflösung und eignet sich daher erstmals auch für dynamische Messaufgaben. Der vereinfachte Aufbau erlaubt zusätzlich eine Kostenreduzierung und einen kompakteren Aufbau.

Das hierin aufgeführte beispielhaft beschriebene, erfindungsgemäße Auswerteverfahren mit 4 Messungen bei unterschiedlicher Ansteuerung spart nicht nur Referenzelemente und Kompensationsschaltungen, sondern kompensiert alle elektronischen Bauteiltoleranzen, Offsetfehler sowie Drifterscheinungen und erreicht somit eine verbesserte Genauigkeit gegenüber den bisher bekannten Systemen wo Offsetfehler nur teilweise kompensiert werden können.

Die Messschaltung und Auswertelogik erlaubt zusätzlich den Anschluss beliebiger Differentialkondensatoraufbauten und gibt somit eine hohe Flexibilität bei der mechanischen Konstruktion des Sensorelementes.

Die folgenden 3 Aufbauten beschreiben die möglichen Differentialkondensatorvarianten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.

Aufbau eines Differentialkondensators mit Abschirmplatte

Die folgende Beschreibung gemäß Stand der Technik dient der Einführung in die Thematik. Sie erläutert die Dimensionierung eines Differentialkondensators nach Aufbau 1 oben.

Mechanische Abmessungen der Kondensatorplatten

L₁₂: = Länge einer Einkoppelplatte
B₁₂: = Breite der Einkoppelplatten
D_G: = Plattenabstand
D_B: = Dicke der Abschirmplatte
L: = Messweg = 0,1·L₁₂ bis 0,9·L₁₂ = 0,8·L₁₂

Mechanische Abmessungen der Abschirmplatte

Länge = L₁₂ + Z
Breite = B₁₂ + Überdeckung für Toleranzausgleich

Elektrisch wirksame Abmessungen

L₁₂·B₁₂ = Summe der beiden aktiven Differentialkondensatorflächen (konstant über den Messweg)
± L₁₂·B₁₂ = Änderung der Differenzialkondensatorflächen (über den Messweg L → C₁ von 0 ... L₁ und C₂ von L₂ ... 0)

Formelableitung zur Berechnung der Sensorausgangsspannung U₃ (Stand der Technik):

Ausgangspunkt ist der prinzipielle Aufbau des Differentialkondensators mit Abschirmplatte nach Aufbau 1

1) Durch den Schaltungsaufbau ergibt sich I1 + I2 = I3
2) Durch die synchrone Ansteuerung von C₁ und C₂ ergeben sich die Ladungen I1·tL + I2·tL = I3·tL Q1 + Q2 = Q3
3) Die Ladungen entsprechen Q1 = C1·(U1 – U3) Q2 = C2·(U2 – U3) Q3 = C3·U3
4) Formelumstellung für Messsignal U₃ Q1 + Q2 = Q3 C1·(U1 – U3) + C2·(U2 – U3) = C3·U3 C1·U1 – C1·U3 + C2·U2 – C2·U3 = C3·U3 C1·U1 + C2·U2 = C3·U3 + C1·U3 + C2·U3 C1·U1 + C2·U2 = U3·(C1 + C2 + C3)

Erläuterungen zur Erfindung:

C₁, C₂: = Kapazitäten der beiden Einkoppelplatten zur Messplatte
C₃: = Kondensator C3 oder Kapazität der Messplatte zu einer Abschirmung bzw. plus Kapazität der Messplatte zur Abschirmplatte bei Differentialkondensator gemäß Aufbau 1, oder eine Kombination der einzelnen Kapazitäten
R_sw: = Sperrwiderstand des Schalters
R_v: = Eingangswiderstand des Verstärkers Beide Widerstände sind extrem groß und können daher vernachlässigt werden. Die sehr kurze Messzeit von < 100μsec. verhindert zusätzlich einen Ladungsausgleich über die Widerstände
C_sw: = Eingangskapazität des Schalters
C_v: = Eingangskapazität des Verstärkers

Da die Kondensatoren C₃ und C_v parallel liegen können die Werte für die weiteren Betrachtungen zusammengefasst werden.

Erweiterung der Ausgangsformel zur Berechnung der Sensorspannung U₃.

Die Grundformel

berücksichtigt noch nicht die Kapazitäten und Ladungsinjektionen der Sensor-Elektronikkomponenten und muss daher erweitert werden. Q3 = Q1 + Q2 + Qsw Q3 = U3·Cx = U3·(C3 + Cv) U3·Cx = C1·U1 – C1·U3 + C2·U2 – C2·U3 + Csw·UINJ – Csw·U3 U3·Cx + C1·U3 + C2·U3 + Csw·U3 = C1·U1 + C2·U2 + Csw·UINJ

Die Abkürzung Mw wird im Folgenden für „Messwert" verwendet.

Formelableitung (zur Erfindung gehörig) zur Berechnung des Messsignals U_OUT

1) Sensorausgangsspannung
2) Zur Ausgangsspannung des Sensors (U₃) addiert sich die Offsetspannung U_OFF des Verstärkers.
3) Die Sensorspannung U₃ und die Offsetspannung U_OFF werden von dem Verstärker mit Faktor "v" verstärkt.

Formel für Messsignal U_OUT

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung für die Aufnahme von Einzelsignalgrößen als Messwerte/Kalibrierungswerte für die Fehlerkompensation und die nachfolgende erfindungsgemäße beispielhafte Auswertelogik für die Fehlerkompensation, siehe auch 9 und Aufbau 1:
Die Messwertaufnahme erfolgt in 4 Schritten, wobei Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen injiziert werden (Injektion). Die 4 Einzelmesswerte werden anschließend zur Kompensation von Fehlern miteinander verrechnet.
1. Messung

U1 geht von Gnd auf V_cc (U1 = V_cc)
U2 geht von Gnd auf V_cc (U2 = V_cc)

2. Messung

U1 geht von V_cc auf Gnd (U1 = –V_cc)
U2 geht von V_cc auf Gnd (U2 = –V_cc)

3. Messung

U1 geht von Gnd auf V_cc (U1 = V_cc)
U2 geht von V_cc auf Gnd (U2 = –V_cc)

4. Messung

U1 geht von V_cc auf Gnd (U1 = –V_cc)
U2 geht von Gnd auf V_cc (U2 = V_cc)

Verrechnung der vier Messwerte zur Kompensation der Fehlereinflussgrößen
1.) Berechnung des Sensor-Referenzwertes
Die Messwerte U_outMW1 und U_outMW2 wurden jeweils durch die Summe von C₁ + C₂ erzeugt. Die beiden Ladungen für U_outMW1 und U_outMW2 wurden dabei mit unterschiedlichem Vorzeichen (pos. und neg. Spannungen) geladen. Bei der Subtraktion der beiden Werte kompensieren sich alle Offsetgrößen und die Signalspannungen von C₁ + C₂ addieren sich. Bedingt durch den Sensoraufbau ist die Summe von C₁ + C₂ unabhängig von der Messposition immer gleich und kann als Referenzgröße zur Normierung des eigentlichen Messwertes (Differenzwert.) benutzt werden.
Anmerkung bezüglich einer Variante: 9 zeigt einen Prozessor, der die A/D gewandelten Werte verarbeitet hinsichtlich Fehlerkompensation. Es wird angemerkt, dass der Prozessor nur optional vorhanden ist. Stattdessen könnte die Referenzspannung Uref ebenso an den Referenzeingang des A/D Wandlers angelegt werden. Die Systematik der erfinderischen Verfahren bleibt dabei erhalten.
2.) Berechnung des Sensor-Differenzwertes
Die Messwerte U_outMW3 und U_outMW4 wurden jeweils durch die Differenz von C₁ – C₂ erzeugt. Die beiden Ladungen für U_outMW3 und U_outMW4 wurden dabei mit unterschiedlichen Vorzeichen (pos. und neg. Spannungen) geladen. Bei der Subtraktion der beiden Werte kompensieren sich alle Offsetgrößen und die Signalspannungen von C₁ – C₂ addieren sich.
Bedingt durch den Sensoraufbau ist die Änderung der Differenz von C₁ – C₂ über den Messweg im mittleren Verschiebebereich linear und liefert den eigentlichen Messwert.
Anmerkung bezüglich einer Variante: 9 zeigt einen Prozessor, der die A/D gewandelten Werte verarbeitet hinsichtlich Fehlerkompensation. Es wird angemerkt, dass der Prozessor nur optional vorhanden ist. Stattdessen könnte die Differenzspannung U Diff an den Messeingang des A/D Wandlers angelegt werden, während die Referenzspannung U Ref an den Referenzeingang des A(D Wandlers angelegt wird. Die Systematik der erfinderischen Verfahren bleibt dabei erhalten.
3.) Berechnung des normierten Messsignals
Die Berechnung des normierten Messsignals erfolgt durch Division des Differenzwertes durch den Sensor-Referenzwert. Durch diese Normierung kompensieren sich alle Fehlereinflüsse, die das Messergebnis beeinflussen können.
Anmerkung
Zu Vermeidung von Linearitätsfehlern, bedingt durch den nicht linearen Feldlinienverlauf an den Plattenrändern wird C₁ und C₂ nur im Bereich von 0,1 ... 0,9 variiert.
Daraus ergibt sich ein M_NORM = –0.8 ... 0.8
Fehlerkompensation
Durch die Verknüpfung der 4 Messsignale mit anschließender Normierung kompensieren sich alle Fehlereinflüsse im Messsystem wie z.B.

1. Versorgungsspannungsschwankungen
2. Bauteiltoleranzen und Drifterscheinungen von – C₃ bedingt durch Dielektrikumsschwankungen zu Abschirmungen und insbesondere beim Differentialkondensatoraufbau 1 durch mechanische Toleranzen und Führungsspiel der beweglichen Abschirmplatte – Bauteilbedingte Streuungen und Spannungs sowie Temperatureinflüsse von C_sw und C_v – Alle Offsetspannungen und Offsetschwankungen der Verstärker und des A/D-Wandlers – Alle Eingangsströme und Eingangsstromschwankungen der Verstärker und des A/D-Wandlers – Alle Verstärkungs- und Driftfehler bei den Verstärkern
3. Es wird keine präzise Referenzspannung für den A/D-Wandler benötigt

Berechnung des absoluten Messwertes L

L: = Messweg (Länge der Einkoppelfläche von C₁)
L₁₂: = Länge einer Einkoppelplatte von C₁ und C₂
B₁₂: = Plattenbreite von C₁ und C₂
ε₀·ε_r: = Dielektrikumkonstante von C₁ und C₂
D_G: = Plattenabstand von C₁ und C₂

Zusammenfassend ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindung ein kapazitives Längen- oder Winkelmesssystem als Beispiel dargestellt, mit Differentialkondensator, 3 Schaltern zur Erzeugung von Ladungskombinationen am Differentialkondensator zur Bestimmung der Plattenverschiebung und einem Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz sowie einem A/D-Wandler mit Prozessor zur Signalauswertung und Messwertberechnung.
Das erfinderische Prinzip enthält folgende Merkmale:
Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung zur Kompensation von Fehlereinflüssen in einem Längen- oder Winkelmesssystem mit einem kapazitiv arbeitenden Sensor, der eine Ausgangsspannung als Maß für eine gemessene Länge bzw. einen gemessenen Winkel liefert, mit den Schritten:

a) Aufnehmen einer Mehrzahl von Einzelsignalgrößen (U_outMW1, U_outMW2, U_outMW3, U_outMW4,) > der Ausgangsspannung des Messsystems, wobei die Einzelsignalgrößen mit vordefinierten Ladungsverteilungen an den Kondensatorplatten des Systems gewonnen werden,
b) Berechnen eines fehlerkompensierten Messwerts am Ausgang des Systems mithilfe der aufgenommenen Einzelsignalgrößen.

Variationen:
Der angesprochene Fachmann wird erkennen, dass das dem gezeigten Ausführungsbeispiel zugrunde liegende erfinderische Prinzip Raum lässt für diverse Abwandlungen. Es kann auch für Winkelmessungen und als absolutes Messsystem zur Lage- oder Positionsbestimmung von Gegenständen eingesetzt werden.
Prinzipiell gelten die oben beschriebenen Formeln für solche Geometrien der ladungstragenden, kapazitätsbildenden (C1, C2) Teile wie Kondensatorplatten, – röhren, Kreissektoren, die die Eigenschaft besitzen, – vgl. oben unter 1. und 2. – dass:

1) sich bei der Subtraktion der beiden Werte C1 und C2 alle Offsetgrößen kompensieren und die Signalspannungen von C₁ + C₂ sich addieren. Bedingt durch den Sensoraufbau ist dann die Summe von C₁ + C₂ unabhängig von der Messposition immer gleich und kann als Referenzgröße zur Nor mierung des eigentlichen Messwertes (Differenzwert) benutzt werden: und/oder
2) sich bei der Subtraktion der beiden Werte alle Offsetgrößen kompensieren und sich die Signalspannungen von C₁ – C₂ addieren.

Bedingt durch den Sensoraufbau ist dann die Änderung der Differenz von C₁ – C₂ über den Messweg im mittleren Verschiebebereich linear und liefert den eigentlichen Messwert.
Weiter können beispielsweise die Schalter S1, S2, in 9 auch als einfache Treiberlogik implementiert sein.
Weiter kann auch die weiter oben beispielhaft beschriebene Einzelsignalgrößenaufnahme in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, statt 1,2,3,4, die Reihenfolge 3,4,2,1, oder andere Folgen, solange die oben einzustellenden Werte für U1 und U2 jeweils paarweise erhalten bleiben: Für U1/U2 gilt dann: Vcc/Vcc oder Gnd/Gnd, Vcc/Gnd, oder Gnd/Vcc.
Ähnliches gilt natürlich für entgegengesetzt gerichtete Polaritäten, wie -Vcc/Gnd oder relativ zu einem anderen Bezugspotential. Natürlich können anstelle der Platten auch andere geometrische Formen der Kondensatorelemente, zum Beispiel zylindrische Teile, verwendet werden, wie sie im Stand der Technik für Differentialkondensatoren bekannt sind.
Weiter kann das erfinderische Verfahren auch ohne Prozessor durchgeführt werden, wie weiter oben bereits angemerkt, da der A/D Wandier die Meß- und Referenzgrößen gemäß den angegebenen Formeln maßstabsgetreu in digitale Werte abbildet.
Schließlich kann das erfinderische verfahren auch ohne einige Merkmale des bevorzugten Ausführungsbeispiels auskommen. Beispielsweise kann die Berechnung des unter 2. oben beschriebenen Sensor-Differenzwertes erfolgen, ohne dass die unter oben 1. beschriebene Berechnung des Sensor-Referenzweres durchgeführt wird. Dabei ergibt sich ein Teilerfolg, nämlich der, dass sich durch die Differenzbildung C1 – C2 doppelt große Signalwerte ergeben, mit einem besseren Signal/Rauschverhältnis und dass alle Offsetgrößen als Fehlerquellen wegfallen.
Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.

Claims

Verfahren zur Kompensation von Fehlereinflüssen in einem Längen- oder Winkelmesssystem mit einem kapazitiv arbeitenden Sensor, der eine Ausgangsspannung als Maß für eine gemessene Länge bzw. einen gemessenen Winkel liefert, gekennzeichnet durch die Schritte: a) Aufnehmen einer Mehrzahl von Einzelsignalgrößen der Ausgangsspannung des Messsystems, wobei die Einzelsignalgrößen mit vordefinierten Ladungsverteilungen an den Kondensatorelementen (beispielsweise -platten) des Systems gewonnen werden, b) Berechnen eines fehlerkompensierten Messwerts am Ausgang des Systems mithilfe der aufgenommenen Einzelsignalgrößen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein fehlerkompensierter Messwert mit U diff = U_outMw3 – U_outMw4 aus den Einzelsignalgrößen (U_outMW1, U_{out MW2}, U_outMW3, U_outMW4), wie auf Seite 7/13 der Beschreibung definiert, oder einem Äquivalent davon, berechnet wird.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei ein fehlerkompensierter und normierter Messwert mit M_Norm – U_diff/U_REF, wie auf Seite 8/13 und 9/13 der Beschreibung definiert, oder einem Äquivalent davon berechnet wird.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei ein fehlerkompensierter, normierter und absoluter Messwert L mit: L = (M_Norm + 1)·L12/2 berechnet wird, und L12 die Länge eines Einkoppelelementes, darstellt, wie auf Seite 11/13 der Beschreibung definiert, oder einem Äquivalent davon.
Längen- oder Winkelmesssystem mit einem kapazitiv arbeitenden Sensor, einem Analog/Digitalwandler und einer eingebauten Logik, die die Schritte des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche vor der Ausgabe eines Messwertes durchführt.
Längen- oder Winkelmesssystem gemäß vorstehendem Anspruch, bei dem als ladungstragende, einkoppelnde Kondensatorelemente Platten oder zylindrische Teile verwendet werden.
Längen- oder Winkelmesssystem gemäß vorstehendem Anspruch 5, bei dem ladungstragende, einkoppelnde Kondensatorelemente zum Zwecke einer Winkelmessung in Form von Kreissektorabschnitten gebildet sind.