DE2830432C2

DE2830432C2 - Meßvorrichtung für Längen- oder Winkelmessung

Info

Publication number: DE2830432C2
Application number: DE2830432A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Ing.(grad.) 8019 Ebersberg Machate
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1978-07-11
Publication date: 1982-04-22
Also published as: DE2830432A1

Description

elektrisch nicht leitenden Grundkörper 1, auf dem zwei elektrisch leitende, kammartige Anformungen besitzende Leiterbahnen 2 und 3 aufgebracht sind, die den Digitalmaßstab bilden. Auf die in Transportrichtung verlaufenden Leiterbahnen 2, 3 koppeln die beiden Einkoppeiektroden 4 und 5 die an den Klemmen 10 und 11 zugeführte Wechselspannung. In geringem Abstand und planparallel zu den Leiterbahnen sind zwei Auskoppelelektroden 6 und 7 mit Klemmen 9 und 8 angeordnet. Die Auskoppelelektroden sind geringfügig breiter als die Anformungen einer Leiterbahn. Die Leiterbahnen 2 und 3 bilden mit ihren Anformungen und den Auskoppelelektroden 6 und 7 Auskoppelkondensatoren Cib und Cx, bzw. Cn und Cn. Der Abstand einer Seitenkante einer Anformung der einen Leiterbahn zur entsprechenden Seitenkante der nächsten Anformung der gleichen Leiterbahn ist mit a bezeichnet Der Abstand der Flächenmitte der Auskoppelelektrode 6 zu der der Auskoppelelektrode 7 ist kleiner als a, im Ausführungsbeispiel ³Aa. Die gegeneinander unverschieblichen Auskoppelelektroden sind relativ gegenüber dem Grundkörper 1 verschiebbar angeordnet.

Das elektrische Prinzipschaltbild ist in Fig. 2 dargestellt Ein Oszillator 12 erzeugt zwei (optimal um 90°) phasenverschobene Wechselspannungen, die zwei Phasenschiebern 13 und 14 zugeführt werden, deren Ausgangsspannung liegt an den Klemmen 10 und 11 an. Aus den beiden phasenverschobenen Wechselspannungen wird ferner durch Oberlagerung an zwei Kondensatoren Co eine Referenzspannung Uq erzeugt

Die Leiterbahnen 2 und 3 bilden zusammen mit den Einkoppelelektroden 4 und 5 die Einkoppelkondensatoren Ct2 und C53. Die Leiterbahnen 2 und 3 bilden ferner mit den Auskoppelelektroden 6 und 7 die Auskcppel-Kondensatoren Gs, Cn, C», Cn. Dies ergibt sich daraus, daß die beiden Auskoppelelektroden nicht voll auf zwei aufeinanderfolgende Anformungen der Leiterbahnen 2 und 3, sondern im Regelfall nur teilweise über diesen Anformungen stehen. In der F i g. 1 ist als Sonderfall die Möglichkeit dargestellt, daß die Auskoppelelektrode 7 voll über einer Anformung, die Auskoppelelektrode 6 je zur Hälfte über den beiden benachbarten Anformungen steht. Aufgrund der gewählten Abstandsverhältnisse ist die nachfolged beschriebene Auswertung erst möglich.

Je nach der relativen Stellung der Auskoppelelektroden 6 und 7 über den Anformungen weisen die Kondensatoren C26, Ge und Cn. Cn unterschiedliche Kapazitätswerte auf und die Spannungen t/2 und U\ zn deren Ausgangsklemmen 9 und 8 erhalten den in F i g. 3 dargestellten Verlauf hinsichtlich ihrer Amplitude und ihrer zusätzlichen Phasenverschiebung Δφη und Δφ\. Amplitude und Phasenverschiebung schwanken also zwischen einem Maximal- und einem Minimalwert bei Relativverschiebung von Grundkörper 1 und Aaskoppelelektroden 6 und 7. Bei den gewählten Phasenver-Schiebungen der Spannungen am Ausgang der Phasenschieber 13 und T4 ergeben sich, wie aus Fig.3 ersichtlich, geringe Schwankungen der Amplitude, aber noch ausreichend große Schwankungen der Phasenverschiebung. Darin ist begründet die geringe Anfälligkeit der Meßanordnung bei Kippen der Auskoppelelektroden 6 und 7 gegenüber dem Grundkörper 1.

In hochohmigen Verstärkern 15.1 und 15,2 v/erden die Spannungen U\ und Ut verstärkt und anschließend in Impulsformen 16.1 und 16.2 zu Rechteck-Signalen umgeformt, die einer elektronischen Auswerteschaltung 17 zugeführt werden. Die Auswerteschaltung bewertet die Phasendifferenz der beiden verstärkten Meßspannungen zu der Referenzspannung Uo. Bei Phasendifferenz null zwischen t/o und U\ wird der Inhalt eines Zählers um einen Schritt erhöht oder um einen Schritt erniedrigt je nach Phasendifferenz zwischen den Spannungen t/o und Ui. Mit Hilfe der Spannung U> wird somit die Bewegungsrichtung des Maßstabes bewertet. Um eine noch feinere Auflösung der Meßgröße zu erreichen, wird der Bereich zwischen den Maximalweiten der Phasenwinkeldifferenz +..->> max und — Δφ max in zehn Stuten unterteilt, die de.η Nonius eines mechanischen Meßgerätes, z. B. einer Schiebelehre, entsprechen. In bekannter Weise wird mit Hilfe eines zusätzlichen, wesentlich höherfrequenten Oszillators der -eitliche Abstand der Anstiegsflanke der Meßspannung U\ und der Anstiegsflanke der Referenzspannung i/o durch Auszählen gemessen und in Relation zur Periodendauer der Referenzspannung gesetzt. Die Meßergebnisse des Phasennulldurchgar.gs-Zählers und des Phasendifferenz-Zählers in der Auswerteschaltung 17 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 benützte Phasendifferenz sowohl vom Absolutwert der Kapazitäten der Kondensatoren Ge und Cv, bzw. Cn und Cn als auch von der Amplitude der Speisespannungen unabhängig ist und nur von dem Verhältnis der Kapazitäten bestimmt wird. Deshalb wirkt sich eine Veränderung des Abstandes der Auskoppelelektroden von den Leiterbahnen des Digitalmaßstabes zunächst nicht auf das Meßergebnis aus. Die Anforderungen an die Genauigkeit der mechanischen Führung sind deshalb im Meßbereich vergleichsweise gering. Im Bereich der Einkoppelelektroden sind noch größere Abweichungen zulässig, da sie als Differenzkondensatoren ausgebildet sind und somit die Amplitude der eingespeisten Wechselspannung auch bei Lagenveränderungen ausreichend konstant bleibt. Die Meßgenauigkeit ist durch das Verhällnis der Fiequenzen der beiden Oszillatoren be.tknmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßvorrichtung für Längen- oder Winkelmessung mit einem Grundkörper mit mehreren gegeneinander isolierten elektrischen Leiterbahnen, wobei jede Leiterbahn in regelmäßigen Abständen gleich breite flächenhafte Anformungen besitzt und die Anformungen einer Leiterbahn gegenüber den Anformungen der benachbarten Leiterbahn um gleiche Abstände seitlich verschoben sind, wobei ein Oszillator zur Erzeugung mehrerer gegeneinander pahsenverschobener frequenzgleicher Wechselspannungspotentiale für die Leiterbahnen vorgesehen ist und wobei relativ gegenüber dem Grundkörper bewegliche, kapazitiv wirkende Auskoppel-Elektroden vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß kapazitiv wirkende Einkoppel-Elektroden (4, 5) vorgesehen sind, daß die Auskoppel-Elektroden (6, 7) in Bewegungsrichtung geringfügig weiter als die Anformungen der Leiterbahnen (2, 3) sind und der Abstand ihrer Flächenmitten kleiner kt als der Abstand einander entsprechender Seitenkanten zweier Anformungen der gleichen Leiterbahn, und daß weiterhin eine Auswerteschaltung (17) zum digitalen Phasenvergleich der Ausgangsspannungen (U\, Ui) der Auskoppel-Elek troden (6, 7) mit einer Referenzspannung (Uo) vorgesehen ist.

2. Meß-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (2, 3) mit ihren Anformungen kammartig ineinander greifen.

3. Meß-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeLnnet, daß die Einkoppel-Elektroden (4,5) U-förmig ausgebildet und \ α den Grundkörper (1) herumgezogen sind.

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Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für Längen- oder Winkelmessung wie sie z. B. in der Zeichen-Technik Anwendung finden kann.

Derartige Geräte gestatten das Umsetzen der Zeichenlineal-Bewegungen in digitale, elektrische Signale, die mit Hilfe von Anzeige-Einheiten, z. B. LCD- oder LED-Anzeigen, dem Benutzer die exakten Koordinaten der Lineale in numerischer Form darstellen. Weiterhin ist es möglich, die ermittelten Meßdaten mittels elektronischer Kleinrechner weiter zu verarbeiten, um die Koordinaten vorhandener Zeichnungen in einer anderen Zeichnungsebene zu ermitteln. Werden die Daten einer rechnergesteuerten Datenverarbeilungs-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 Sitrecke wird in kleine, festgelegte Längen- bzw. Winkeleinheiten unterteilt und die Anzahl der während der Koordinatenveränderung ermittelten Längeneinheiten wird gezählt. Die gebräuchlichsten Geräte dieser Art arbeiten optisch. Eine Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl zu einem Foto-Empfänger, der ein der Lichtmenge proportionales, elektrisches Signal abgibt, Der Lichtstrahl wird durch den, mit dem zu messenden Gegenstand verbundenen, kammföfmigen Digitalmaßstab unterbrochen, Es sind Weiterhin inkremental arbeitende Meßgeräte bekannt, die den Digitai-Maßstab auf magnetischem oder induktivem Wege abtasten. Der Maßstab besteht dann üblicherweise aus einem Metallkamm. Die bekannten Meßgeräte mit kapazitivem Meßprinzip verwenden in geringem Abstand zueinander plan angeordnete Scheiben oder Streifen, die den Digital-Maßstab in Form flacher, leitender Bahnen (DE-PS 14 23 823, DE-PS 12 73 837, DE-OS 25 23 163) tragen. Eine oder mehrere Wechselspannungsquellen koppeln auf kapazitive Weise auf einen Empfänger, wobei die Kopplung durch den Digitalmaßstab verändert wird.

Aus DE-OS 22 17 183 ist eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher ein Grundkörper mit Leiterbahnen vorgesehen ist, welche letztere in gleichmäßigen Abständen flächenhafte Anformungen besitzen, die kammartig ineinandergreifen. Es werden ferner insgesamt vier phasenverschobene Spannungen erzeugt, die an die Leiterbahnen des Grundkörpers sowie an Auskoppelelektroden eines auf dem Grundkörper verschieblichen Gleitstücks gegeben werden. Die Amplituden dieser Spannungen sind abhängig von der relativen Stellung des Gleitstücks zu dem Grundkörper. Die Nulldurchgänge dieser Spannungen werden gezählt und in einem Vorwärts-Rückwärtszähler gegeben, der eine Grobanzeige in Millimetern ermöglicht.

Aus der US-PS 32 21 256 ist ferner eine ähnliche Anordnung bekannt, bei welcher mehrere Auskoppelelektroden hintereinander geschaltet auf dem Gleitstück angeordnet sind. Die Abstände der Auskoppelelektroden sind die gleichen wie die der Anformungen der Leiterplatten. Mit dieser Anordnung sind nur die Amplitudenänderungen beim Oberfahren jeder Anfo.--mung auswertbar. Die Signale der Auskoppelelektroden werden dabei seriell addiert. Die Anordnung ist empfindlich gegen Abstandsänderung des Gleitstücks gegenüber dem Grundkörper durch Verkanten und besitzt ein geringes Auflösungsvermögen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Meßvorrichtung zu schaffen, die ein sehr hohes Auflösungsvermögen besitzt bei sehr geringer Empfindlichkeit gegen Störungen (Verschmutzung, Verkanten), einen geringen Stromverbrauch aufweist und einen ortsungebundenen Betrieb ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Der Grundkörper des Digitalmaßstabes wird durch übliche Ätztechniken wie bei gedruckten Schaltungen oder durch das Aufdrucken leitender Pasten hergestellt. Die Mechanik ist einfach, da lediglich im Bereich der Auskoppelelektroden eine genauere Einhaltung des Abstandes erforderlich ist. Das kapazitive Meßprinzip ermöglicht eine optimale Anpassung an MOS-Schaltkreise. Die Einheit arbeitet mit sehr kleinen Strömen, weshalb sie sich für den Betrieb mit Batterien gut eignet. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der F i g. 1 bis 3 beschrieben.

F i g. 1 zeigt den Grundkörper des Digitalmaßstabes mit den Ein- und Auskoppelelektroden.

Fig. 2 stellt das elektrische Prinzipschaltbild der Meßanordnung dar.

Fig,3 zeigt den Phasen- und Amplitudenverlauf der Spannungen an den beiden Aüsköppelelektroden in Abhängigkeil des Weges s der Auskoppelelektroden relativ zum Grundkörper,

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, besteht der hier geradlinig ausgeführte Digitalmaßstab aus einem