DE19718024C2 - Weg-/Winkelsensor - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Weg-/Winkelsensor,
umfassend eine an einem Träger angeordnete, mit einer
Wechselspannung beaufschlagbare Potentiometerbahn,
eine an dem Träger angeordnete Kollektorbahn, eine
über der Potentiometerbahn verschieblich geführte
erste Sonde und eine elektrisch mit dieser gekoppelte,
über der Kollektorbahn verschieblich geführte zweite
Sonde.
Ein derartiger kapazitätsgekoppelter, berührungsloser
Weg-/Winkelsensor geht beispielsweise aus der
US 5 525 955 hervor.
Solche Weg-/Winkelsensoren werden zum Beispiel in
Hydraulik-Zylindern eingesetzt, um die Position des
Kolbens zu erfassen.
Aus der WO 95/10757 geht ein Wegsensor hervor, bei dem ein
röhrenförmiges Glied aus einem dielektrischen oder nicht
leitenden Material in einem metallischen Gehäuse angeordnet
ist. Vorsprünge sind einstückig mit diesem röhrenförmigen,
nicht leitenden oder dielektrischen Glied verbunden. Zwei
Sonden sind in diesen Vorsprüngen angeordnet.
Aus der DE 44 47 295 A1 geht ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position
eines Körpers durch kapazitive Abtastung hervor, bei dem eine
an einem Spannungsverteilungselement anliegende Versorgungs
spannung so umgeschaltet wird oder die Speisung so mit
phasenverschobenen Spannungen erfolgt, dass sich mindestens
zwei unterschiedliche Versorgungsspannungs-Verteilungsmuster
in zeitlicher Abfolge über den Spannungsteiler ergeben.
Aus der DE 44 47 294 A1 geht ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung einer jeweiligen örtlichen Position
eines Körpers hervor, bei dem ein mindestens in einer Richtung
räumlich ausgedehntes Spannungs(ver)teiler-Element mit einer
Wechselspannung gespeist wird, wobei eine Potentialmeßsonde
entsprechend dem zu erfassenden Weg, des Winkels oder der
Postition geführt und in einem solchen berührungsfreien
Abstand zum Spannungs(ver)teiler-Element gehalten wird, dass
die Potentialmeßsonde je nach er von ihr eingenommenen
Postition unterschiedliche Wechselspannungsamplituden des
Wechselspannungsamplitudenverteilungsmusters durch kapazitive
Einkopplung erfaßt, dabei ist die Potentialmeßsonde mit einer
Potentialkoppelsonde verbunden, die kapazitiv auf eine
Koppelelektrode arbeitet, von welcher der von der
Potentialmeßsonde erfaßte Wechselspannungsamplitudenmeßwert
zur Auswertung übertragen wird.
Bei einem bekannten und in Fig. 3 dargestellten
Wegsensor sind sowohl die Potentiometerbahn 82 als auch
die Kollektorbahn 84 auf beiden Seiten eines Trägers 80
angeordnet, der im wesentlichen eine I-förmige Gestalt
aufweist.
Zwar ist dieser Träger 80 in den meisten Fällen von
einem metallischen Rohr umgeben, welches der Abschir
mung elektromagnetischer Störeinflüsse von außen dient.
Durch diese Abschirmung können jedoch Überkopplungen
zwischen der Potentiometerbahn 82 und der Kollektorbahn
84, die durch ein im wesentlichen dipolartiges elek
trisches Feld E, das sich um die Potentiometerbahn 82
und die Kollektorbahn 84 ausbildet, hervorgerufen
werden (vgl. Fig. 3), nicht vermieden werden.
Auch bei einer beliebigen anderen Anordnung der
Potentiometerbahn 82 und der Kollektorbahn 84, bei
spielsweise bei einer aus der obenerwähnten US 5 525
955 bekannten parallelen Anordnung der Potentiometer
bahn und der Kollektorbahn können elektrische Störfel
der E entstehen, welche die Wirkungsweise des Weg-/
Winkelsensors nachteilig beeinflussen.
Darüber hinaus existieren bei derartigen Weg-/Winkel
sensoren eine Vielzahl von parasitären Kapazitäten und
Verlustwiderständen. In Fig. 4 sind solche parasitären
Impedanzen schematisch schaubildlich dargestellt.
Wie aus Fig. 4 hervorgeht, existieren parasitäre
Kapazitäten Cpm' und Verlustwiderstände Rpm' zwischen
der Potentiometerbahn und der Masse, beispielsweise
einem Gehäuse.
Ferner existieren parasitäre Kapazitäten Ckm' und
Verlustwiderstände Rkm' zwischen der Kollektorbahn und
der Masse.
Darüber hinaus treten parasitäre Kapazitäten Csm und
Verlustwiderstände Rsm zwischen der elektrischen
Koppelleitung der beiden Meßsonden und der Masse auf.
Durch die Anschlußleitungen und die Auswerteelektronik
sind schließlich weitere parasitäre Kapazitäten und
Verlustwiderstände bedingt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Weg-/Winkelsensor der gattungsgemäßen Art derart zu
verbessern, daß sowohl durch elektromagnetische Felder
als auch durch parasitäre Kapazitäten und Verlustwider
stände hervorgerufene Störeinflüsse minimiert werden
und dadurch die Meß-Präzision des Weg-/Winkelsensors
erhöht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Weg-/Winkelsensor der
eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß auf Massepotential liegende Abschirmflächen
vorgesehen sind, welche die Potentiometerbahn, die
Kollektorbahn und die über diesen geführten Sonden
derart umgeben, daß sowohl die Potentiometerbahn
zusammen mit der ihr zugeordneten ersten Sonde als auch
die Kollektorbahn zusammen mit der ihr zugeordneten
zweiten Sonde in jeweils voneinander räumlich getrenn
ten, abgeschirmten Räumen angeordnet sind.
Das Anordnen der Potentiometerbahn zusammen mit der ihr
zugeordneten ersten Sonde sowie der Kollektorbahn
zusammen mit der ihr zugeordneten zweiten Sonde in
räumlich voneinander getrennten, abgeschirmten Räumen
hat den großen Vorteil, daß die Ausbildung von elek
tromagnetischen Feldern zwischen der Potentiometerbahn
und der Kollektorbahn und ein daraus resultierender
Störeinfluß weitestgehend vermieden werden. Vielmehr
entstehen elektromagnetische Felder lediglich noch
innerhalb der beiden voneinander räumlich getrennten,
abgeschirmten Räume, wobei Feldlinien durch die auf
Massepotential liegenden Abschirmflächen auf besonders
vorteilhafte Weise gewissermaßen "abgesaugt" werden.
Rein prinzipiell können die Abschirmflächen auf die
unterschiedlichste Art und Weise ausgebildet und
angeordnet sein. Sie können beispielsweise an dem
Träger befestigt sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform, die sich
insbesondere hinsichtlich der Herstellung des Trägers
und der Abschirmflächen als sehr vorteilhaft erweist,
sieht vor, daß die Abschirmflächen mit dem Träger
einstückig verbunden sind. Auf diese Weise können
Träger und Abschirmflächen in einem Bearbeitungsvor
gang, beispielsweise durch Strangpressen, hergestellt
werden. Darüber hinaus ist auf diese Weise auch
sichergestellt, daß Träger und Abschirmflächen auf dem
gleichen Potential, d. h. dem Massepotential, liegen.
Um insbesondere die sich zwischen der Potentiometerbahn
sowie der Kollektorbahn und dem auf Massepotential
liegenden Träger ausbildenden parasitären Kapazitäten
und Verlustwiderstände zu minimieren, aber auch
hinsichtlich einer einfachen Montage ist bei einer
vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß an dem
Träger benachbart zu den Abschirmflächen in jedem der
abgeschirmten Räume Vorsprünge zur Lagefixierung sowohl
der Potentiometerbahn als auch der Kollektorbahn
ausgebildet sind.
Diese Vorsprünge ermöglichen zum einen eine leichte
Montage der Potentiometerbahn sowie der Kollektorbahn,
zum anderen wird durch sie eine sehr präzise Lagefixie
rung der Potentiometerbahn sowie der Kollektorbahn
erreicht, so daß ein präziser Abstand zwischen den über
der Potentiometerbahn/Kollektorbahn geführten Sonden
und der Potentiometerbahn/Kollektorbahn gegeben ist.
Rein prinzipiell können die Potentiometerbahn und die
Kollektorbahn an den Vorsprüngen auf unterschiedlichste
Art und Weise befestigt werden. Sie könnten beispiels
weise an den Vorsprüngen durch eine Klebeverbindung
befestigt werden.
Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform, die nicht nur
eine einfache Montage ermöglicht, sondern auch Un
ebenheiten der Vorsprünge oder der Kollektor- bzw. der
Potentiometerbahn auszugleichen ermöglicht, sieht vor,
daß die Potentiometerbahn und die Kollektorbahn durch
ein elastisches Rückstellmittel, vorzugsweise eine
Gummischnur, gegen die Vorsprünge gepreßt werden.
Um parasitäre Kapazitäten zwischen den beiden vonein
ander getrennten Bereichen einer auf an sich bekannte
Weise durch gesteuertes Abfräsen eines Teils der
Widerstandsbahn linearisierten Potentiometerbahn
auszuschließen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der
über dem Linearisierbereich der Potentiometerbahn
angeordnete Vorsprung den Linearisierbereich der Poten
tiometerbahn überdeckt. Es versteht sich, daß der
Träger hierbei auf einem definierten Spannungspotential
liegt.
Hinsichtlich der Ausbildung der Abschirmflächen wurden
bislang keine näheren Angaben gemacht. Rein prinzipiell
können die Abschirmflächen jede beliebige Gestalt
aufweisen, beispielsweise eine ebene, eine abgewinkelte
oder eine beliebig gekrümmte Gestalt.
Bei einer insbesondere auch hinsichtlich der Stabilität
des Weg-/Winkelsensors vorteilhaften Ausführungsform
ist vorgesehen, daß die Abschirmflächen zu jeweils der
Potentiometerbahn und der Kollektorbahn hin im wesent
lichen kreisförmig gebogen sind und daß zwischen
jeweils zwei sich unmittelbar gegenüberliegenden
Abschirmflächen wenigstens eine Öffnung für die Führung
und elektrische Kontaktierung der Sonden vorgesehen
ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen
stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne
rischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine geschnittene Darstellung eines er
sten Ausführungsbeispiels eines erfin
dungsgemäßen Weg-/Winkelsensors unter
Weglassung der Sonden;
Fig. 2a, b schematisch die unabhängige Linearität
über der Position bei dem in Fig. 1
dargestellten erfindungsgemäßen Weg-
/Winkelsensor (a) und bei dem in Fig. 3
dargestellten, aus dem Stand der Tech
nik bekannten Weg-/Winkelsensor (b);
Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines aus dem
Stand der Technik bekannten Weg-/Win
kelsensors unter Weglassung der Sonden
und
Fig. 4 schematisch schaubildlich die Darstel
lung der parasitären Kapazitäten und
Verlustwiderstände, die prinzipiell bei
Weg-/Winkelsensoren auftreten können.
Ein Ausführungsbeispiel eines Weg-/Winkelsensors,
dargestellt in Fig. 1, umfaßt einen als Ganzen mit 10
bezeichneten Träger, an welchem eine Potentiometerbahn
20 und eine Kollektorbahn 30 angeordnet sind.
Einstückig mit dem Träger 10 verbunden sind Abschirm
flächen 11, 12, welche die Potentiometerbahn 20
überdecken, sowie Abschirmflächen 13, 14, welche die
Kollektorbahn 30 überdecken. Diese Abschirmflächen 11,
12, 13, 14 sind kreisförmig in Richtung jeweils der
Potentiometerbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 gebogen,
wobei zwischen den Abschirmflächen 11, 12, die der
Potentiometerbahn 20 gegenüberliegen, und zwischen den
Abschirmflächen 13, 14, die der Kollektorbahn 30
gegenüberliegen, jeweils eine Öffnung 15, 16 vorgesehen
ist für die Führung und die elektrische Kontaktierung
der der Potentiometerbahn zugeordneten ersten Sonde
(nicht dargestellt) bzw. der der Kollektorbahn 30
zugeordneten zweiten Sonde (nicht dargestellt). Die
Sonden werden im vorliegenden Fall senkrecht zur
Blattebene über der Potentiometer-/Kollektorbahn (20,
30) bewegt.
Sowohl die Potentiometerbahn 20 und die ihr zugeordnete
erste Sonde, als auch die Kollektorbahn 30 und die ihr
zugeordnete zweite Sonde sind durch die Ausbildung der
Abschirmflächen 11, 12 bzw. 13, 14 in jeweils vonein
ander räumlich getrennten abgeschirmten Räumen 22 bzw.
32 angeordnet.
Da die Abschirmflächen 11, 12, 13, 14 zusammen mit dem
Träger 10 auf Massepotential liegen, werden elektrische
Feldlinien, die von der Potentiometerbahn 20 oder von
der Kollektorbahn 30 ausgehen, von den ihnen jeweils
benachbart angeordneten, auf Masse liegenden Abschirm
flächen 11, 12 bzw. 13, 14 gewissermaßen "abgesaugt",
wobei bei dieser Anordnung das naturgesetzliche Prinzip
ausgenutzt wird, daß Feldlinien auf leitenden Flächen
(hier den Abschirmflächen 11, 12, 13, 14) senkrecht
enden.
Durch die Ausbildung der beiden räumlich voneinander
getrennten abgeschirmten Räume 22, 32, in denen jeweils
die Potentiometerbahn 20 zusammen mit der ihr zugeord
neten Sonde sowie die Kollektorbahn 30 zusammen mit der
ihr zugeordneten Sonde angeordnet sind, wird eine von
einem elektrischen Feld hervorgerufene Störung, wie sie
bei aus dem Stand der Technik bekannten Weg-/Winkelsen
soren auftritt und im Zusammenhang mit Fig. 3 weiter
oben beschrieben wurde, weitestgehend vermieden.
Elektrische Felder können durch die Ausbildung der
Abschirmflächen 11, 12, 13, 14 jeweils nur in den
beiden räumlich voneinander getrennten, abgeschirmten
Räumen 22, 32 entstehen. Die in diesen beiden Räumen
entstehenden Felder können jedoch nicht in Wechselwir
kung zueinander treten.
Durch diese Anordnung der Abschirmflächen 11, 12, 13,
14 werden daher durch elektrische Felder hervorgerufene
parasitäre Kapazitäten Cpk' und Verlustwiderstände Rpk'
(vgl. Fig. 4) zwischen der Potentiometerbahn und der
Kollektorbahn vermieden, da solche elektrischen Felder
gar nicht erst entstehen können.
Benachbart zu den Abschirmflächen 11, 12 bzw. 13, 14
sind an dem Träger Vorsprünge 24, 25 bzw. 34, 35
angeordnet, an welchen die Potentiometerbahn 20 bzw.
die Kollektorbahn 30 zur Anlage kommen.
Sowohl die Potentiometerbahn 20 als auch die Kollektor
bahn 30 werden an den jeweils ihnen zugeordneten Vor
sprüngen 24, 25 bzw. 34, 35 dabei durch z. B. jeweils
eine Gummischnur 26, 36 angedrückt, die in einer für sie vor
gesehenen Ausnehmung 16 bzw. 17 in dem Träger 10
zwischen der Potentiometerbahn 20 und der die Aus
nehmung 16 begrenzenden Fläche des Trägers 10 bzw.
zwischen der Kollektorbahn 30 und der die Ausnehmung 17
begrenzenden Fläche angeordnet sind. Durch diese
elastische Anordnung werden Unebenheiten der Vorsprünge
24, 25, 34, 35 und/oder der Potentiometerbahn 20 bzw.
der Kollektorbahn 30 ausgeglichen. Dabei ist zu
beachten, daß ein in Fig. 1 dargestellter Träger
durchaus eine Länge von 1000 mm und mehr aufweisen
kann, so daß sich Unebenheiten erheblich auswirken
können.
Durch die Vorsprünge 24, 25, an denen die Potentiome
terbahn 20 zur Anlage kommt, sowie die Vorsprünge 34,
35, an denen die Kollektorbahn 30 zur Anlage kommt,
wird ein präzises Positionieren der Potentiometerbahn
20 bzw. der Kollektorbahn 30 ermöglicht. Durch diese
Vorsprünge wird insbesondere auch sichergestellt, daß
der Abstand zwischen der jeweils über der Potentiome
terbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30 geführten Sonde
und der Potentiometerbahn 20 bzw. der Kollektorbahn 30
konstant gehalten wird. Die Länge eines der über der
Potentiometerbahn 20 liegenden Vorsprünge ist dabei so
gewählt, daß der Linearisierungsbereich 21 der Poten
tiometerbahn 20 durch den Vorsprung 25 überdeckt wird.
Der Vorsprung 25 liegt zusammen mit dem Träger 10 auf
einem definierten Spannungspotential, beispielsweise
dem Massepotential. Hierdurch werden parasitäre
Kapazitäten zwischen den beiden voneinander getrennten
Bereichen einer auf an sich bekannte Weise durch
gesteuertes Abfräsen eines Teils der Widerstandsbahn
linearisierten Potentiometerbahn verhindert.
Durch diese Ausbildung des Weg-/Winkelsensors werden
auch parasitäre Kapazitäten Cpm' und Verlustwiderstände
Rpm' zwischen der Potentiometerbahn 20 und dem Massepo
tential sowie parasitäre Kapazitäten Ckm' und Ver
lustwiderstände Rkm' zwischen der Kollektorbahn 30 und
dem Massepotential minimiert.
In Fig. 2a ist die unabhängige Linearität über der
Position eines in Fig. 1 dargestellten Wegsensors
dargestellt.
Die mit I dargestellte Kurve entspricht dem Lineari
tätsverlauf in Abhängigkeit von der Position der Sonden
des Wegsensors ohne ein diesen umgebendes metallisches
Rohr. Der mit II bezeichnete Verlauf entspricht einer
Linearitätsmessung in Abhängigkeit von der Position der
Sonden des in einem potentialfreien Rohr angeordneten
Wegsensors. Der mit III über der Position der Sonden
dargestellte Linearitätsverlauf entspricht demjenigen
des in einem auf Massepotential liegenden Rohr angeord
neten Wegsensors.
In Fig. 2b ist auf entsprechende Weise der Linearitäts
verlauf über der Position bei einem Wegsensor, wie er
in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, gezeigt. Die in
Fig. 2b dargestellten Messungen sind unter den gleichen
Meßbedingungen vorgenommen worden, wie die in Fig. 2a
dargestellten Messungen. Die Meßkurvenverläufe sind in
entsprechender Weise wie in Fig. 2a bezeichnet.
Eine Gegenüberstellung der Fig. 2a und der Fig. 2b
zeigt, daß bei dem in Fig. 1 dargestellten Wegsensor
eine sehr gute Linearität unabhängig von der Anordnung
und den Umgebungsbedingungen des Wegsensors gegeben
ist, wohingegen sich bei dem Wegsensor, dessen Lineari
tätsverlauf in Fig. 2b dargestellt ist, ein wesentlich
schlechterer Linearitätsverlauf über der Position
ergibt, der insbesondere auch von der Anordnung und den
Umgebungsbedingungen des Wegsensors abhängig ist.
So ist beispielsweise bei dem in Fig. 2b dargestellten
Verlauf ein besonders unlinearer Verlauf gegeben, wenn
der Wegsensor in einem potentialfreien Rohr angeordnet
ist. Derartige Einflüsse spielen bei dem in Fig. 1
dargestellten Wegsensor, dessen Linearitätsverlauf in
Fig. 2a dargestellt ist, keine Rolle.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß sich bei
dem in Fig. 1 dargestellten Wegsensor eine von den
Meßbedingungen, der Anordnung des Wegsensors und den
Umgebungsbedingungen unabhängige Verbesserung der
Linearität ergibt.
Claims (6)
1. Weg-/Winkelsensor, umfassend eine an einem
Träger (10) angeordnete, mit einer Wechsel
spannung beaufschlagte Potentiometerbahn (20),
eine an dem Träger (10) angeordnete Kollektorbahn
(30), eine über der Potentiometerbahn (20)
verschieblich geführte erste Sonde und eine
elektrisch mit dieser gekoppelte, über der
Kollektorbahn verschieblich geführte zweite
Sonde, dadurch gekennzeichnet, daß auf
Massepotential liegende Abschirmflächen (11, 12,
13, 14) vorgesehen sind, welche die Potentio
meterbahn (20), die Kollektorbahn (30) und die
über diesen geführten Sonden derart umgeben, daß
sowohl die Potentiometerbahn (20) zusammen mit
der ihr zugeordneten ersten Sonde, als auch die
Kollektorbahn (30) zusammen mit der ihr zugeord
neten zweiten Sonde in jeweils voneinander räum
lich getrennten, abgeschirmten Räumen (22, 32)
angeordnet sind.
2. Weg-/Winkelsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abschirmflächen (11, 12,
13, 14) mit dem Träger (10) einstückig verbunden
sind.
3. Weg-/Winkelsensor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß an dem Träger (10)
benachbart zu den Abschirmflächen (11, 12, 13,
14) in jedem der beiden abgeschirmten Räume (22,
32) Vorsprünge (24, 25, 34, 35) zur Lagefixierung
der Potentiometerbahn (20) bzw. der Kollektorbahn
(30) ausgebildet sind.
4. Weg-/Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentio
meterbahn (20) und die Kollektorbahn (30) jeweils
durch elastische Rückstellmittel, vorzugsweise
Gummischnüre (26, 36), gegen die Vorsprünge (24,
25, 34, 35) gedrückt werden.
5. Weg-/Winkelsensor nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der über dem Linea
risierbereich der Potentiometerbahn (20) ange
ordnete Vorsprung (25) den Linearisierbereich
(21) der Potentiometerbahn (20) überdeckt.
6. Weg-/Winkelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirm
flächen (11, 12, 13, 14) zu jeweils der
Potentiometerbahn (20) und der Kollektorbahn (30)
hin im wesentlichen kreisförmig gebogen sind, und
daß zwischen jeweils zwei sich unmittelbar gegen
überliegenden Abschirmflächen (11, 12; 13, 14)
jeweils wenigstens eine Öffnung (15; 16) für die
Führung und elektrische Kontaktierung der Sonden
vorgesehen ist.
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