DE2830432A1

DE2830432A1 - Ein kapazitives winkel- oder laengenmessgeraet

Info

Publication number: DE2830432A1
Application number: DE19782830432
Authority: DE
Inventors: Juergen Ing Grad Machate
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1978-07-11
Publication date: 1980-02-14
Also published as: DE2830432C2

Description

Ein kapazitives Winkel- oder Längenmeßgerät.
Die Erfindung betrifft ein kapazitives Winkel- oder ängenmeß= gerät mit geringem Stromverbrauch wie es z.B.in der Ze-ichen-Technik verwendet wird.
Derartige Geräte gestatten das Umsetzen der Zeichenlineal- Be.eg= ungen in digitale elektrische Signale, die mit Hilfe von Anzeige-Einheiten, zB. LCD- oder LED- Anzeigen, dem Benutzer die exakten Koordinaten der Lineale in numerischer Form darstellen. Weiterhin ist es möglich die ermittelten Meßsaten mittels elektronischer Kleinrechner weiter zu verarbeiten um die Koordinaten vorhandener Zeichnungen in einer anderen Zeichnungsebene zu ermitteln.
Werden die Daten einer rechnergesteuerten Datenverarbeitungs-Anlage übermittelt so lassen sich die Zeichnungsunterlagen auf Magnetbändern ablegen.
Meßgeräte die die Koordinaten eines Gegenstandes in elektrische Signale umsetzen arbeiten vorzugsweise inkremental. Die zu messende Strecke wird in kleine, festfelegte Längen- bzw. Winkeleinheiten unterteilt und die Anzahl der während der Koordinatenveränderung ermittelten Längeneinheiten wird gezählt. Die gebräuchlichsten Geräte diesem Art arbeite-n optisch. Eine Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl zu einem Foto-Empfänger, der ein der Licht-Menge propotiorlale-, elektrisches Signal abgibt. Der Lichtstrahl wird durch den, mit dem zu messenden Gegenstand verbundenen, kammförmigen Digitalmaßstab unterbrochen. Es sind weiterhin inkremental- arbeitende Meßgeräte bekannt die den Digital-Maßstab auf magnetischem oder induktivem Wege abtasten. Der Maßstab besteht dann üblicher Weise aus einem Uetallkamm. Die bekannten Meßgeräte mit kapazitivem Maßprinzip verwenden in geringem Abstand zueinander plan angeordnete Scheiben oder Streifen die den Digital-Meßstab in Form flacher, leitender Bahnen (P1423823 F 1273837, b 25j3163J tragen. Eine oder mehere Wechselspannunga-Quellen koppeln auf kapazitive Weise auf einen Empfänger, wobei die Kopplung durch den Digitalmaßstab verändert wird.
Meßgeräte mit dem optischerr Meßprinzip benötigen auch bei gepulstem Betrieb der Lichtquelle einen vergleichsweise großen Strom. Sie sind außerdem anfällig gegen Verschmutzungen. Den Nachteil des hohen Stromverbrauches weisen auch magnetische oder induktive Meßverfahren auf. Magnetische Sensoren, wie Feldplatten und Hallsonden erfordern einen zusätzlichen Aufwand zum Ausgleich der Temperatur-Abhängigkeit. Die bekannten Meßgeräte mit kapa= zitivem Meßverfahren erfordern eine exakte Reinhaltung des relativ geringen Abstandes zwischen den beiden Geberplatinen. Sie erfodern deshalb einen hohen aufwand in der Mechanik.
Der Erfindung liegt die aufgabe zu Grunde einen mit geringen Aufwand zu erstellenden Geber der eingangs genannten Gattung zu o realisieren, der zudem mit geringem Strmverbrauch arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst.
Die erzielbaren Vorteile bestehen in der einfachen Herstellung solcher Meßgeräte bei vergleichsweise hoher Auflösung der Meß= gröIJe, zB. des Winkels eines Zeichenkopfes. Der Digitalmaisstab wird durch übliche Ätztechniken wie bei gedruckten Schaltungen oder durch das Aufdrucken leitender Pasten hergestellt. Die Mechanik ist einfach da lediglich im Bereich der Empfänger-Elektroden eine genauere Einhaltung des Abstandes erforderlich ist, Das Kapazitive Meßprinzip ermöglicht eine optimale Anpassung an MOS- Schaltkreise. Die Einheit arbeitet mit sehr kleinen r Stömen weshalb sie sich für den Betrieb mit Batterien gut eignet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel an Hand der Figureni...3 beschrieben.
Figur 1 zeigt die Änordnung des Digitalmaßstabes mit den Ein-und Auskoppelkondensatoren.
Figur2 stellt das elektrische Prinzipschaltbild der Meßanordnung dar.
Figur3 zeigt den Phasen- und Amplitudenverlauf der Spannungen an den beiden Empfängerelektroden in Abhängigkeit des Weges s des Digitalmaßstabes.
Wie aus Fig.1 zu ersehen ist besteht der, hier geradlinig aus= geführte Digitalmaßstab aus einem elektrisch nicht leitenden Basismaterial 1 auf dem zwei elektrisch leitende, kamuförmige Leiterbahnen 2 und 3 aufgebracht sind, die den Digitalmaßstab bilden. Auf die in Transportrichtung verlaufenden, die Zähne des Kamm-Musters verbindenden Bahnen des Maßstabes koppeln die beiden Sendeelektroden 4 und 5. Die Sendeelektroden koppeln von der Ober- und der Unterseite auf die zugehörigen Leiterbahnteile von 2 und 3. In geringem Abs£'and und planparallel zu den Leiter-Bahnen sind zwei Empfängerelektroden 8 und 9 angeordnet. Sie sind zea geringfügig breiter als die Breite eines Zahnes des Digital-Maßstabes. Das elektrische Prinzipschaltbild nach Fig.3 zeigt einen Oszillator 12 , der zwei Phasenschiebeglieder 13 und 14 speist. Die Phasenschiebeglieder speisen die beiden Sendee lektroden 4 und S, die mit den zugehörigen Leiterbahnen 2und 3 die Ein= koppelkondensatoren 042 und C53 bilden Die Leiterbahnen 2 und 3 bilden mit ihren zahnförmigen teilen und den Auskoppelelektroden 6 und 7 die Auskoppelkondensatoren C26 und C36 bzw. C27 und C37.
Je nach der Relativstellung des Digitalmaßstabes zu den stationären Empfängerelektroden weisen die Kondensatoren C26, C27, C36 und C37 unterschiedliche Kapazitätswerte auf die zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert schwanken, Die an die Eingänge der hochohmigen Verstärker 15.1 und 15.2 gelieferten Meßspannungen Ul und U2 haben einen, wie in Fig.3 gezeigten , Spannung und Phasenverlauf in Abhängigkeit des Weges s des Digitalmaßstaßes.
Der relative Phasenwinkel und die Spannungsamplitude nehmen Werte zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert an. Das Verhältnis der beiden Extremwerte wird durch die Phasenverschieb= ung zwischen den Speisespannungen bestimmt. Ein optimales Ergebnis wird erzielt wenn die Phasendifferenz etwa 90° beträgt da dann die Amplitudenschwankungen noch hinreichend gering sind und die erreichbaren Phasenabweichungen +#γ und -bt noch ausreichend groß sind. Die verstärkten Meßspannungen U1 und U2 werden in den Schaltungen 16.1 und 16.2 zu Rechteck-Signalen umgeformt, die der elektronischen Auswerteschaltung, 17 zugeführt werden. Die Auswerteschaltung bewertet die Phasendif ferenz der beiden verstärkten Meßspannungen zu der Referenzspan= nung Uo. Bei Phasendifferenz null zwischen Uo und U1 wird der inhalt eines Zählers um einen Schritt erhöht oder um einen Schritt erniedrigt je nach Phasendifferenz zwischen den Spannungen U0 und U2. Mit Hilfe der Spannung U2 wird somit die Bewegungs = richtung des Maßstaßes bewertet. Um eine noch feinere Auflösung der Meßgröße zu erreichen wird der Bereich zwischen den Maximal werten der Phasenwinkeldifferenz +#γmax und -#γmax in zehn Stufen unterteilt, die dem Nonius eines mechanischen Meßgerätes, z.B.
einer Schiebelehre, entsprechen. In bekannter Weise wird mit Hilfe eines zusätzlichen Oszillators der zeitliche Abstand der Anstiegflanke der Meßspannung Ul und der Anstiegsflanke der Referenzspannung UC durch Auszählen gemessen und in Relation zur Periodendauer der Referenzspannung gesetzt. Die Meßergebnisse des Phasennulldurchgangs-Zählers und des Phasendifferenz-Zählers werden mittels der Anzeige 18 dargestellt, Das Meßergebnis kann ebenso an datenverarbeitende Geräte übergeben werden.
Ein besonderer Vorteil der oben beschriebenen Anordnung und des zugehörigen Meßverfahrens besteht darin, daß die zur Auswertung benutzte Phasendifferenz sowohl vom Absolutwert der Kondensatoren C26 und C36 bzw, C27 und C37 als auch von der Amplitude der Speise= spannungen unabhängig ist und nur von dem Verhältnis der Kapazitäten bestimmt wird. Deshalb wirkt sich eine Veränderung des Abstandes der Empfängerelektroden von den Leiterbahnen des Digitalmaßstaßes zunächst nicht auf das Meßergebnis aus. Die Anforderungen an die Genauigkeit der mechanischen Führung sind deshalb im Meßbereich vergleichsweise gering. Im Bereich der Einkoppelektroden sind noch größere Abweicbungen zuläßig da sie als Differenzkondensatore ausgebildet sind und somit die Amplitude der eingespeisten Wechsel spannung auch bei tagenveränderungen ausreichend konstant bleibt.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: 1.Kapazitives Winkel- oder Längenmeßgerät,dessen Generator zwei gegeneinander phasenverschobene, frequenzgliche Sinusspannungen erzeugt,die kapazitiv auf den,die Grobe der Winkel- oder Längenschritte bestimmenden, Digitalmaßstab koppeln und das zwei Empfängerelektroden aufweist entsprechend der relativen Stellung des Digitalmaßstabes zu den Empfängerelektroden,gleich= zeitig, unterschiedliche kapazitive Kopplungen mit beiden Leiterbahnen des Maßstabes bilden und das weiterhin eine elek= tronische Auswerteschaltung besitzt, die die durch die Empfänger= elektroden ausgekoppelten Spannungen auf- Grund ihrer Phasen= verschiebung auswertet,dadurch gekennzeichnet# daß die Gegen= elektroden der Einkoppelkondensatoren und die Gegenelektroden der Äuskoppelkondensatoren eine mechanische.Einheit bilden,die somit die kontaktlose Messung der.Winkel- oder Längenschritte ermöglicht.
2.Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet,daß die beiden elektrisch isolierten fleiterbahnen des Maßstabe-s kammförmig ausgebildet sind, wobei die einzelnen Zähne ineinandergreifen und daß die Empfängerelektroden so in einem Abstand über den ineinandergreifenden leiterbahnen angeordnet sind, daß sie gleichzeitig mit beiden leiterbahnen veränderliche, kapazitive Kopplungen bilden, wobei durch eine Veränderung des- Abstandes keine Änderung des Verhältnisses der Kopplungen auftritt und somit auch die Phasenverschiebung der ausgekoppelten Spannung gleich bleibt.
3.Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die vom Generator gespeisten Einkoppelelektroden die auf dem Digital= maßstab abgeordneten zugehörigen Gegenelektroden u-förmig umschließen und somit Differenzialkondensatoren bilden.