DE2640057B2 - Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen - Google Patents

Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen mit einem Meßfühler, mit zwei von dem Meßfühler gegensinnig beeinflußten Impedanzen und mit wenigstens einem von den Impedanzen beeinflußten Oszillator, wobei der Meßfühler aus einem Differentialkondensator mit zwei festen Elektroden und einer zwischen diesen angeordneten beweglichen Elektrode besteht.
Es ist ein Gerät zum Umwandeln mechanischer Verschiebungen oder Schwingungen in elektrische Strom- oder Spannungswerte bekannt (DE-AS 900), bei welchem ein induktiv auf zwei Schwingkreise einwirkender Meßfühler und ein den Schwingkreisen zugeordneter Oszillator vorgesehen sind. Es wird hier die Phasenverschiebung zwischen den Schwingkreisen und dem Oszillator gemessen. Bei diesem Gerät ergibt sich eine nichtlineare Ausgangscharakteristik und ein vergleichsweise niedriger Wirkungsgrad. Das bekannte Gerät ist zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen wenig geeignet.
Es sind an sich verschiedene kapazitive Einstelleinrichtungen vorgeschlagen worden, die insofern alle einen Mangel aufweisen, als die zwischen gegenüberliegenden Elektroden bestehenden mechanischen Beschränkungen die Endgenauigkeit solcher Einrichtungen stark einschränken. Es hat sich insbesondere gezeigt, daß die Ausgangsspannung, die ein Maß für die Verschiebung gegenüberliegender Elektroden ist, auch durch Spaltänderungen zwischen den Elektroden beeinträchtigt wird. Ein wesentliches zu lösendes Problem ist ferner die Art des zu verwendenden Oszillators und die genaue Steuerung der Oszillatorspannung und der Oszillatorfrequenz gewesen, die für eine gute Endgenauigkeit wesentlich ist Die bekannten Einrichtungen dieser Art haben nicht zufriedenstellend gearbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das einen hohen Wirkungsgrad bei linearer Ausgangscharakteristik aufweist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) ein Paar Oszillatoren sind jeweils mit einer Teilkapazität des Differentialkondensators verbunden,
b) eine Mischstufe ist vorgesehen, welche ein Frequenzdifferenzsignal der beiden Oszillatoren liefert,
c) an den Ausgang der Mischstufe ist ein dieses Frequenzdifferenzsignal umwandelnder Konverter angeschlossen, dessen Ausgangssignal ein Maß der mechanischen Verschiebung darstellt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Das erfindungsgemäße Gerät weist nur einen sehr kleinen Meßfehler auf. Es besitzt ferner einen hohen Wirkungsgrad, wobei Störgrößen vermieden sind. Das Gerät besitzt eine sehr große Empfindlichkeit und eine sehr gute Linearität.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 ein Blockdiagramm, welches die grundsätzliche Anordnung eines erfindungsgemäßen Gerätes zum Messen kleiner Änderungen zeigt,
F i g. 2(a) ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, welches die wesentlichen Teile des Gerätes nach F i g. 1 zeigt,
F i g. 2(b) ein Äquivalentschaltbild eines Quarz-Oszillators nach F i g. 2(a), und
F i g. 3(a) bis 3(c) Blockschaltbilder, welche verschiedene Beispiele des erfindungsgemäßen Gerätes zeigen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 1 dargestellt. Es enthält Fühler 1 und 2, von denen jeder seine elektrische Konstante, wie z. B. seine Kapazität, seine Induktivität oder seinen Widerstand, in Abhängigkeit einer physikalischen Änderung eines zu messenden Gegenstandes ändert. 3 und 4 sind Oszillatorstufen, die jeweils mit den Fühlern 1 und 2 verbunden sind. Jeder Oszillator ändert seine Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von einer Änderung der elektrischen Konstante des zugehörigen Fühlers. Der Fühler 1 oder 2 kann ein Ausgangssignal erzeugen, das eine Änderung einer elektrischen Größe ist, wie z. B. eine Spannung oder ein
Strom. In diesem Falle sollten die Oszillatoren 3 und 4 durch solche ersetzt werden, die in Abhängigkeit von Änderungen einer elektrischen Größe der entsprechenden Fühler arbeiten.
Einer der beiden Fühler 1 und 2 kann fortfallen ( der Fühler 2 in F i g. 1). In diesem Falle hall einer der beiden Oszillatoren 3 und 4 (Oszillator 4 in Fig. 1) seine Ausgangsfrequenz konstant.
Die Oszillatoren 3 und 4 sind bezüglich ihres Frequenzganges, ihrer Driftcharakteristik usw. gleich. Wenn infolgedessen zwei einander in ihrer charakteristischen Änderung gleiche Impulse den Oszillatoren 3 und 4 jeweils zugeführt werden, werden die Ausgangsfrequenzen dieser Oszillatoren mit gleicher Geschwindigkeit oder durch die gleiche Frequenz geändert. Die Ausgangsfrequenzen der Oszillatoren 3 und 4 werden einer Mischstufe 5 zugeführt, in welcher diese Frequenzen gemischt werden, um ein Schwebungsfrequenzsignal zu erzeugen. Dieses Schwebungsfrequenzsignal wird in eine Spannung oder in einen Impuls umgewandelt, und zwar durch einen Konverter 6, wodurch analoge oder digitale Meßdaten / erhalten werden.
Die Übertragung der Signale zwischen den verschiedenen Stufen des Gerätes wird mit Hilfe von Drahtleitungen bewirkt, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, oder es erfolgt die Übertragung auf drahtlosem Wege, wie es später beschrieben wird.
Wenn angenommen wird, daß die Oszillatorstufen 3 und 4 Frequenzen F)o und F20 aufweisen, kann die Zwischenfrequenz oder Schwebungsfrequenz (f) durch die folgende Gleichung (1) dargestellt werden:
./' - F1,, - F20.
Wenn der Fühler 2 nicht betätigt wird, so daß die Schwingungsfrequenz F2o unverändert gehalten wird, daß heißt, wenn nur der Fühler 1 betätigt wird, um eine physikalische Änderung der zu untersuchenden Substanz zu messen, wird die Schwingungsfrequenz Fio der Oszillatorstufe 3 auf eine Schwingungsfrequenz F11 geändert, die durch die folgende Gleichung (2) dargestellt werden kann:
F11 = F10 4- AF1,
= (F10 - F20) + A F10
= / + A F10 .
Es wird auf diese Weise der Wert der Frequenzänderung ό F1O in bezug auf die Differenz der Frequenzen der beiden Oszillatorstufen erhalten.
Wenn die Kreiskonstanten und dergleichen jeder Oszillatorstufe sich ändern, wird ihre Schwingungsfrequenz S geändert, oder sie verschiebt sich mit einer Frequenzänderungsgeschwindigkeit ε (im folgenden als Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit ε bezeichnet) in eine Schwingungsfrequenz F". Da die beiden Osziilatorstufen in ihrer Arbeitscharakteristik gleich sind, sind die Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeiten ε im wesentlichen gleich, und es kann die Frequenz F'durch die folgende Gleichung (4) dargestellt werden:
Hier bedeutet ö die Frequenzänderungsgeschwindigkeit aufgrund der Messung der physikalischen Änderung und infolgedessen ist δ F1O der Wert der Frequenzänderung der Schwingungsfrequenz F1O.
Wenn angenommen wird, daß die Frequenzen F20 und F1 \ eine Zwischenfrequenz Z1 hervorrufen, so ist:
Wenn die Frequenz F10 in die Frequenz Fu mit der κι Frequenzänderungsgeschwindigkeit ό geändert wird aufgrund der physikalischen Änderung des zu messenden Gegenstandes, wie es vorher beschrieben wurde, so ist:
F11
F11 = F10(I + A).
Wenn in dem Falle, in dem die Frequenz Fn mit der Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit ε geändert wird, die resultierende Frequenz mit Fj1, bezeichnet 2» wird, dann ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (5):
Fu, "F11 -»F,,. = F11(I 4- ,)
= F11, (1 + A)( 1+0
= F11, 4- F1,,; 4- F111(I 4- Λ), .
id In dieser Gleichung ist der Gesamtwert der Frequenzänderungen durch die zweiten und dritten Gieder dargestellt, und der Wert der Frequenzänderung aufgrund der Verschiebung (im folgenden als Wert der Fehlerfrequenzänderung bezeichnet) ist durch das dritte
j-, Glied
F10 (1 + A); .
Wenn in dem Falle, in dem die Schwingungsfrequenz einer der beiden Oszillatorstufen (Oszillatorstufe 4 in F i g. 1) eine Frequenzänderung mit der Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit ε erhält (anstelle einer Frequenzänderung mit der Frequenzänderungsgeschwindigkeit δ), wird das Ausgangsergebnis mit C j bezeichnet, und es ist dann:
F2,, -» F20- = F20 Il + ;).
■jo Wenn dieses in Gleichung (1) eingesetzt wird, dann ergibt sich:
= IF10(I 4- A) - F20](I 4- ;) = (F10 - F20 4- AF111)(I 4- ;) ··■ ./' = ./' + Fwf> + (F111A 4- A),-.
In dieser Gleichung (7) stellen die zweiten und dritten Glieder den Gesamtwert der Frequenzänderungen dar, während das dritte Glied den Wert der Fehlerfrequenzb5 änderung darstellt.
Nun wird der Fall, in welchem der Wert der Frequenzänderung aufgrund der physikalischen Änderung mit einem einzigen Oszillator gemessen wird, mit
dem Fall verglichen, in welchem sie mit zwei Oszillatoren gemessen wird, wobei der Wert der Fehlerfrequenzänderung in Betracht gezogen wird.
Das Ausgangsergebnis in dem vorher beschriebenen Fall kann dargestellt werden durch Gleichung (6):
+ Λ)
während das Ausgangsergebnis im letzteren Fall durch die Gleichung (7) dargestellt werden kann:
Wenn die Wirkung der Fehlerfrequenzänderungsgeschwindigkeit auf das Ausgangsergebnis, das in beiden Fällen gleich ist, eliminiert wird und nur das Verhältnis der Ausgangsfrequenzen in jedem Fall betrachtet wird, so ist im vorigen Falle
Flt-IFW = 1 + Λ
und im letzteren Falle
f'lf =
Fw f
■ Λ .
(8)
(9)
Wie sich aus dem Vergleich dieser Gleichungen (8) und (9) ergibt, ist das Verhältnis der Ausgangsfrequenzen im letzteren Falle Fio//-mal so groß wie dasjenige im vorigen Fall. Es kann also mit einem Paar Oszillatorstufen die physikalische Änderung des zu messenden Gegenstandes deutlicher und genauer gemessen werden. Somit ist im vorigen Falle die Konstruktion des Gerätes verhältnismäßig einfach, während im letzteren Falle bei Verwendung eines Paares von Oszillatoren zur Erzeugung von Schwebungsfrequenzen der Wirkungsgrad des Gerätes verbessert werden kann.
Ein Beispiel der Anordnung von wesentlichen Teilen in dem in Fig. 1 gezeigten Gerät, ist in Fig.2 (a) dargestellt. In diesem Beispiel besitzen die Oszillatorstufen 3 und 4 Quarzoszillatoren X\ und X2 zur Erzeugung von Ausgangssignalen, die jeweils im Frequenzgang stabil sind.
Das Ersatzschaltbild jedes Quarzoszillators, wie es in F i g. 2(b) gezeigt ist, enthält eine Reihenschaltung eines Widerstandes R, einer Induktivität L und einer Kapazität C, und es ist eine Kapazität Q der Reihenschaltung parallelgeschaltet. Die Schwingungsfrequenz des Quarzoszillators kann dadurch geändert werden, daß eine Kapazität in Reihe oder parallel zu den Klemmen P1 und P2 des Ersatzschaltbildes geschaltet wird.
Die in Fig. 2(a) gezeigte Schaltung enthält ferner Kapazitäten, die aus Leiterplatten 11, 12 und 13 bestehen. Diese Kapazitäten werden verwendet, um die Schwingungsfrequenzen der Quarzoszillatoren X\ und λ'; zu ändern. In dem Falle jedoch, in welchem es gefordert wird, physikalische Größen, wie Licht, Wärme, Druck, Konzentration und Dichte anstelle von mechanischen Abmessungsänderungen zu messen, kann es manchmal schwierig sein, diese Größen unmittelbar als Kapazitätsänderung zu messen. Diese Schwierigkeiten können überwunden werden durch Umwandlung der physikalischen Größen in Kapazitätsänderungen.
Die Leiterplatten 11 und 12 sind mechanisch festgelegt, während die Leiterplatte 13 beweglich gelagert ist, so daß sie durch die Bewegung eines zu messenden Gegenstandes bewegt werden kann. Wenn beispielsweise die bewegliche Leiterplatte 13 nach abwärts bewegt wird (wie in Fig. 2(a) gezeigt), und zwar in Abhängigkeit von der Bewegung des Gegenstands, so w'rd der Abstand zwischen der beweglichen Leiterplatte 13 und der oberen festen Leiterplatte 11 vergrößert, während der Abstand zwischen der beweglichen Leiterplatte 13 und der unteren feststehenden Leiterplatte verringert wird. Als Ergebnis wird die Kapazität parallel zum Quarzoszillator X\ verringert, wodurch die Schwingungsfrequenz dieses Oszillators erhöht wird, während die Kapazität parallel zum Quarzoszillator Xi vergrößert und damit die Schwingungsfrequenz dieses Oszillators verringert wird. Entsprechend nehmen die Ausgangsfrequenzen der Oszillatoren 3 und 4 zu bzw. ab, wodurch die Ausgangsfrequenz der Mischstufe (Fig. 1) ansteigt. Wenn umgekehrt die bewegliche Leiterplatte 13 nach aufwärts bewegt wird, nimmt die Frequenz der Mischstufe 5 ab.
2» Die Bewegung der beweglichen Leiterplatte 13 kann entweder durch Biegen oder Verschwenken der Platte 13 selbst erreicht werden, oder sie kann begleitet sein von einer Schwingung oder einer Rotation, oder sie kann auch durch Schwingung oder Rotation bewirkt
2) werden. Wenn die feststehende Leiterplatte 11 bzw. 12 und die bewegliche Leiterplatte 13 miteinander ausgetauscht werden oder wenn eine der feststehenden Leiterplatten 11 und 12 entfernt wird, so kann die Ausgangsfrequenz einer der Oszillatorstufen 3 und 4
in fest sein oder unverändert gehalten werden.
Die F i g. 3(a) bis 3(c) zeigen drahtlose Übertragungssysteme für die Übertragung der Ausgangsfrequenzsignale der Oszillatorstufen 3 und 4. Es wird darauf hingewiesen, daß verschiedene Vorrichtungen für die
jj Hochfrequenzverstärkung, die Modulation, die Demodulation usw., die üblicherweise in einem drahtlosen Übertragungssystem verwendet werden, in den F i g. 3(a) bis 3(c) der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Wenn infolgedessen in den F i g. 3(a), 3(b) und 3(c)
4(i die Antennen unmittelbar miteinander verbunden werden, können die drahtlosen Übertragungssysteme in Drahtübertragungssysteme umgewandelt werden. Der gestrichelte Pfeil neben jedem Oszillator 4 soll bedeuten, daß die Frequenz eines der Oszillatoren 3 und
4"> 4 (Oszillator 4 in den F i g. 3(a) bis 3(c) veränderbar oder fest ist.
In der Schaltung nach Fig.3(a) wird das Ausgangssignal der Oszillatorstufe 3 der Mischstufe durch die Antennen auf drahtlosem Wege übertragen, und es wire
,ο dann mit dem Ausgangssignal der Oszillatorstufe 4 ir der Mischstufe 5 gemischt. Das resultierende Ausgangs signal der Mischstufe 5 wird dem Konverter 6 zugeführt um ein Meßergebnis (f)zu erhalten.
In der Schaltung nach Fig.3 (b) werden di<
->■■> Ausgangssignale der Oszillatorstufen 3 und 4 in dei Mischstufe 5 gemischt, und es wird das Ausgangssigna der Mischstufe 5 zu dem Konverter 6 auf drahtlosen Wege übertragen, um ein Meßergebnis (f)zu erhalten.
In der Schaltung nach Fig.3 (c) werden dii
no Ausgangssignale der Oszillatorstufen 3 und 4 getrenn auf drahtlosem Wege zur Mischstufe 5 übertragen, um es wird das resultierende Ausgangssignal der Mischstufi 5 dem Konverter 6 zugeführt, um ein Meßergebnis (f)z\ erhalten.
iv, In der Schaltung nach F i g. 3 arbeiten die Oszillatorei 3 und 4 in Verbindung mit den beiden veränderbare! Kapazitäten, die durch die feststehenden Leiterplatte! 11 und 12 und die bewegliche Leiterplatte 13 gcbildc
werden, wodurch die Ausgangsfrequenzen in unterschiedlicher Weise geändert werden. Dann werden die beiden Ausgangsfrequenzen durch die Mischstufe 5 gemischt, um so ein Differenzsignal zu bilden. Die Änderung in der Frequenz dieses Differenzsignals ist über einen gewissen Frequenzbereich linear.
Wenn also eine Verschiebung des Gegenstandes stattfindet, welcher die bewegliche Leiterplatte 13 betätigt, wird das Signal, dessen Frequenz in Abhängigkeit von dem Wert dieser Verschiebung verändert wird, durch die Mischstufe 5 ausgegeben.
Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, wird bei der vorliegenden Erfindung die Schwingungsfrequenz der Oszillatorstufen geändert, und es werden die Ausgangssignale von zwei Oszillatorstufen gemischt, um ein Schwebungs-Frequenzsignal zu erzeugen. Somit, wird die Meßgenauigkeit vergrößert durch Verwendung der Hochfrequenzoszillatoren, und es wird das leicht zu behandelnde Niederfrequenzsignal als Ausgangssignal erhalten. Durch geeignete Auswahl der Arbeitscharakteristiken der beiden Oszillatorstufen ist es möglich, die Wirkung der Frequenzverschiebung im wesentlichen auszuschalten und ein Gerät zum Messen kleiner Änderungen zu erhalten, das eine ausgezeichnete Linearität aufweist. Wenn erforderlich, ist es möglich, einen Arbeitskreis wegzulassen und dadurch das Gerät in ein Gerät zum Messen kleiner Änderungen umzuwandeln, das nicht lineare Ausgangscharakteristiken besitzt.
Außerdem kann der Meßfehler beträchtlich verringert werden durch die Verwendung der Oszillatoren, deren Charakteristiken einander gleich sind.
Wenn die Kapazität aus wenigstens einem Paai feststehender Platten und wenigstens einer beweglicher Platte besteht, und zwar in solcher Weise, daß eine feststehende Platte und die bewegliche Platte mit einen· 5 Oszillator verbunden sind, während die andere feststehende Platte und die bewegliche Platte mit dem anderer Oszillator verbunden sind, besitzt das Gerät zui Messung einer kleinen Änderung eine viel größere Empfindlichkeit und eine bessere Linearität als eir
ίο solches Gerät, in welchem eine Kapazität und eir Oszillator kombiniert sind.
In dem Fall, in dem die Ausgangssignale dei Oszillatoren drahtlos übertragen werden, können dei das Signal messende Abschnitt und der das Signa behandelnde Abschnitt drahtlos miteinander gekoppel werden.
Die Verwendung einer Modulation in der drahtloset Übertragung ist erfolgreich zur Verhinderung vor Signalindifferenzen.
Wenn der Ausgang des Gerätes in Analogdate: umgewandelt wird, kann er mit einem üblicher Meßgerät wiedergegeben werden. Wenn der Ausgang einer Digital-Umwandlung unterbrochen wird, kann ei leicht mit Hilfe eines Digitalcomputers verarbeite werden, der umfassender angewendet wird als eir Analog-Computer. In bezug auf diese Digital-Umwand lung benötigt das bekannte Gerät zum Messen einei kleinen Änderung einen teuren Analog-Digital-Konver ter, um ein Digitalsignal zu erhalten, da es eir
jo Analog-Ausgangssignal liefert. Demgegenüber benötig das erfindungsgemäße Gerät keinen Analog-Digital Konverter.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen mit einem Meßfühler, mit zwei von '> dem Meßfühler gegensinnig beeinflußten Impedanzen und mit wenigstens einem von den Impedanzen beeinflußten Oszillator, wobei der Meßfühler aus einem Differentialkondensator mit zwei festen Elektroden und einer zwischen diesen angeordneten ι ο beweglichen Elektrode besteht, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) ein Paar Oszillatoren (3,4) sind jeweils mit einer Teilkapazität (13, 11; 13, 12) des Differentialkondensators (11,12,13) verbunden, ι ri
b) eine Mischstufe ist vorgesehen, welche ein Frequenzdifferenzsignal der beiden Oszillatoren (3,4) liefert,
c) an den Ausgang der Mischstufe (5) ist ein dieses Frequenzdifferenzsignal umwandelnder Kon- :o verter (6) angeschlossen, dessen Ausgangssignal ein Maß der mechanischen Verschiebung darstellt.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorstufen (3, 4) bezüglich der 2> Arbeitscharakteristik gleich sind.
3. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorstufe (3, 4), die Mischstufe (5) und der Konverter (6) durch Signalübertragungswe- w ge miteinander verbunden sind, von denen wenigstens einer ein drahtloser Signalübertragungsweg ist.
4. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem drahtlosen Signalübertragungsweg Ji Modulations- und Demodulationsstufen enthalten sind.
5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstufe (5) eine rr.it dem Ausgang der Oszillatorstufe (3, 4) und eine mit dem Eingang des Konverters (6) verbundene Antennenstufe enthält.
6. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter als Frequenz-Analog-Wandler ausgebildet ist. "Ti
7. Gerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter als Frequenz-Digital-Wandler ausgebildet ist.
DE2640057A 1975-09-10 1976-09-06 Gerät zum Messen kleiner mechanischer Verschiebungen Expired DE2640057C3 (de)

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