DE3013284A1 - Vorrichtung zur messung der relativlage von zwei objekten zueinander durch kapazitaetsaenderung - Google Patents

Vorrichtung zur messung der relativlage von zwei objekten zueinander durch kapazitaetsaenderung

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Description

- ο —
FACOM,
6, Rue Gustave-Eiffel, 91420 Morangis (Frankreich)
Kapazitätsänderung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten zueinander durch Kapazitätsänderung, einerseits mit einem kapazitiven Differenz-Meßwertaufnehmer, bestehend aus mindestens zwei ersten, mechanisch mit dem einen Objekt verbindbaren, leitenden Auflagen und mindestens einer zweiten, mechanisch mit dem anderen Objekt verbindbaren, leitenden Auflage, wobei von der zweiten Auflage mit den ersten Auflagen zwei in Abhängigkeit von der Relativlage der Objekte veränderliche Meßkapazitäten gebildet sind und die Vierte der beiden Meßkapazitäten in einem nur von der Relativlage der Objekte abhängigen Verhältnis zueinander stehen, und andererseits mit einem Kapazitätsmeßkreis zur Bestimmung der Werte der Meßkapazitäten.
Die Messung der Relativlage oder von zeitlichen Veränderungen der Relativlage von zwei Objekten wird seit vielen Jahren für eine Vielzahl von Anwendungsfällen eingesetzt. Den Wert einer aus Elementen guter elektrischer Leitfähigkeit und isolierenden Elementen guter dielektrischer Eigenschaften (z.B. Luft) gebildeten Kapazität kann man unter Zuhilfenahme vergleichsweise einfacher Regeln berechnen und in bezug auf die verschiedensten Umgebungsparameter
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relativ stabil halten. Auf der anderen Seite treten sehr schwierige Probleme auf, wenn man eine solche Kapazität
messen will, und zwar insbesondere wegen der geringen Absolutwerte einer solchen Kapazität. Wenn man sich nun die Aufgabe stellt, die Relativlage von zwei Objekten zu messen und dabei z.B. auf die Verwendung von kapazitiven Meßwertaufnehmern kleiner Abmessungen beschränkt ist (was oft wünschenswert ist), so können die parasitären kapazitiven Elemente des Meßsystems selbst und der Verbindungsleitungen Werte der Kapazität erreichen, die in der Größenordnung der in Funktion der Relativlage der Objekte zu messenden Werte liegen.
Wenn man auch im Labor mit Hilfe von komplizierten und
sperrigen Apparaturen auf diese parasitären Elemente
Rücksicht nehmen und sie aus der Messung eliminieren kann und dadurch gute Erfolge erzielt, so gilt das doch nicht in gleicher Weise für industriemäßige Anwendungen, insbesondere auf dem Gebiet der Automobiltechnik, wo es häufig wünschenswert ist, die Relativlage von zwei Objekten zu messen (z.B. in einer Kraftfahrzeugwerkstatt bei der
Kontrolle der vorderen und hinteren Radaufhängungen eines Kraftfahrzeuges). Im Ergebnis sind also die komplizierten und sperrigen Apparaturen aus den Labors für diese Fälle offensichtlich nicht geeignet.
Ausgehend von dem zuvor erläuterten Stand der Technik
liegt der Erfindung folglich die Aufgabe zugrunde, eine
einfache und kompakte Vorrichtung zur kapazitiven Messung der Relativlage oder der zeitlichen Veränderung der Relativlage von zwei Objekten zu schaffen, die in der Lage
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ist, gleichermaßen genaue Ergebnisse auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen zu liefern.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der in Rede stehenden Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Umschaltmittel zur wahlweisen Verbindung der Meßkapazitäten mit einem Eingang des Kapazitätsmeßkreises vorgesehen sind,derart,daß die Werte der Meßkapazitäten und einer systemeigenen parasitären Kapazität nacheinander meßbar sind. Es ist so also möglich, durch ausgewählte Umschaltungen nacheinander die verschiedenen Werte der Kapazität zu messen und daraus mit einer einfachen Berechnung, die mit Hilfe von elektronischen Schaltungen durchgeführt werden kann, die Kapazitäten zu ermitteln, die der Relativlage der Objekte entsprechen und den Einfluß der parasitären Kapazitäten auszuschließen, die die tatsächlichen Meßwerte verfälschen würden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie besonders bevorzugte Anwendungen dieser Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 16 erläutert.
Im folgenden wird die Erfindung hinsichtlich ihrer Merkmale und Vorteile anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 schematisch in einer vereinfachten Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten zueinander,
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Figur 2 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Mehrfach-Meßwertaufnehmers,
Figur 3 in einer schematischen, perspektivischen Sprengzeichnung ein zweites Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Winkelaufnehmers,
Figur 4 im Vertikalschnitt den Gegenstand nach Figur 3 in zusammengesetzter Form,
Figur 5 schematisch in einer vereinfachten Darstellung eine weiter ausgestaltete Vorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 6 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung und Auswertung,
Figur 7 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten mit einer Mehrzahl von jeweils einzeln einschaltbaren kapazitiven Meßwertaufnehmern und einer einzigen Schaltung zur Bestimmung der Kapazität,
Figur 8 schematisch ein viertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten mit einer Mehrzahl von gleichzeitig eingeschalteten kapazitiven Meßwertaufnehmern,
Figur 9 schematisch ein fünftes, weiter verbessertes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten, bei der die Einrichtung zur Kompensation der parasitären Kapazitäten verbessert ist,
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Figur 10 schematisch in vereinfachter Darstellung ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten mit einer detaillierter dargestellten Auswertungseinheit,
Figur 11 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten innerhalb einer Einrichtung zur Kontrolle der Achsen eines Kraftfahrzeuges und
Figur 12 das Blockschaltbild einer Vorrichtung nach Figur 11.
Anfangs soll zunächst das Ausführungsbeispiel nach Figur erläutert werden, das ein Verständnis der prinzipiellen Grundlage der Erfindung ermöglicht. In Figur 1 sind sehr vereinfacht symbolisch zwei Objekte O-, O2 dargestellt, die relativ zueinander eine Bewegung in Richtung des Pfeiles F auszuführen vermögen. In Wirklichkeit sind die symbolisch dargestellten Objekte O1, O2 feste bzw. bewegliche Elemente eines kapazitiven Meßwertaufnehmers CP, der in Figur 1 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist, und jeweils mechanisch mit Objekten verbunden, die die genannte Relativbewegung auszuführen vermögen.
Eines der Objekte O1 ist hier mit einer leitenden Auflage versehen, wohingegen an dem anderen Objekt O2 zwei leitende Auflagen 2,3 befestigt sind, die Seite an Seite gegenüber der Auflage 1 angeordnet sind. Zwischen den Auflagen 1, 2 und 3 sind so zwei Meßkapazitäten C1, C2 gebildet, die sich in Abhängigkeit von der Relativlage der beiden Ob-
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jekte O1, O2 zueinander verändern und deren Verhältnis C1ZC2 eine Funktion dieser Relativlage ist. Die Auflage ist über eine Verbindungsleitung 4 mit einem Kapazitätsmeßkreis 5 verbunden. Dieses Meßsystem weist gegenüber Masse eine parasitäre Kapazität C auf, deren Wert man berücksichtigen muß, um die Werte der Meßkapazitäten C. und C2 korrekt ermitteln zu können. Selbstverständlich sind die Auflagen 2, 3 voneinander isoliert.
Mißt man die Werte der Meßkapazitäten C1, C2 präzise, so kann man die Relativlage der beiden Objekte O1 und O9 bestimmen. Wählt man z.B. als Null-Stellung die Stellung, in der die erste Auflage 1 symmetrisch in bezug auf eine Mittelebene PM des Meßwertaufnehmers CP angeordnet ist, so kann man einen Zahlenwert für jede beliebige Relativlage der beiden Objekte O1, O2 mit Hilfe der folgenden Formel angeben:
P = C1 " C2 p rel ! ±-
C1 + C2
Hierbei ergeben sich als Extreme für die möglichen Zahlenwerte die Werte +1 bzw. -1. Es ist klar, daß man von diesen Zahlenwerten aus die Veränderung der Relativlage der beiden Objekte O1 und O2 zueinander und so auch die Relativlage selbst ableiten kann.
Wählt man andererseits als Null-Stellung eine der beiden äußersten Positionen, so kann man mit Hilfe der Formel
P = C1 C2 ^rel ! oder -
+C2 C1+ C2
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jede Zwischenstellung zwischen der Nullstellung und dem Wert der anderen äußersten Position berechnen (je nachdem, ob die äußerste Position rechts oder links der Mittelebene PM liegt).
Die Schwierigkeit bei einer genauen Messung der Meßkapazitäten C1 und C2 liegt natürlich in der Anwesenheit der parasitären Kapazität C . Erfindungsgemäß kann die angestrebte genaue Messung durch die schrittweise Bestimmung von drei Kapazitätswerten verwirklicht werden. Dazu weist die gezeigte Vorrichtung Umschaltmittel 6, 7, nämlich zwei Unterbrecher, auf, die jeweils zwischen die leitenden Auflagen 2 bzw. 3 und Masse geschaltet sind. Unter der Voraussetzung, daß die Umschaltmittel 6, 7 ideal arbeiten (d.h. keine weiteren Streukapazitäten aufweisen), kann man daher wie folgt an den Eingang des Kapazitätsmeßkreises 5 anschließen:
1) die parasitäre Kapazität C durch öffnen beider
Ji
Umschaltmittel 6, 7 und
2) C1 +C durch öffnen des Umschaltmittels 7, 3) C2 + Cx durch öffnen des Umschaltmittels 6.
Ausgehend von den so ermittelten Kapazitätswerten, kann man durch einfache Subtraktion von C die Meßkapazitäten C1 und
Ji I
Cp bestimmen.
Das obige Kalkül vernachlässigt die Einflüsse der anderen parasitären Kapazitäten, die von den Teilen der leitenden Auflagen 1, 2, 3, die einander nicht gegenüberliegen, von den Trägern der Auflagen 1, 2, 3, usw. herrühren. Diese
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Einflüsse können dadurch berücksichtigt werden, daß man die erhaltenen Ergebnisse dem Wert der Gesamtkapazität C. , zuordnet, die bei geschlossenen Umschaltmitteln 6, meßbar ist. Diese als Austauschkapazxtät C bezeichnete Kapazität kann geschrieben werden als
Sn= f<C1+Cx> + <C2+Cx> - 2Cx / - i<Ctot+Cx> - Cx/ bzw. einfacher
Cm= C1 + C2 Ctot*
Der Einfluß dieser Kapazität schwankt von einem zum anderen Meßwertaufnehmer CP infolge von Unterschieden in den Dimensionen und den verwendeten Materialien.
Unter Berücksichtigung der Austauschkapazität C ergibt sich der der Relativlage der Objekte O1, O2 entsprechende Zahlenwert (erster Fall des genannten Beispiels) zu
(C1+C) - (C9+C ) - KCm
Prel = — —
(C1+Cx) + (C2+Cx) - 2 Cx-KCm
wobei K eine dem gegebenen Meßwertaufnehmer CP eigene Konstante ist.
Es ist also festzuhalten, daß man die Relativlage oder Veränderungen der Relativlage von zwei Objekten O- und 0~ zueinander mit Hilfe einer Schaltung, wie sie im Prinzip in Figur 1 gezeigt ist, feststellen kann, und zwar unter völliger Ausschaltung der Einflüsse parasitärer Kapazitäten allein durch eine Folge von Messungen mit unterschied-
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lichen Schaltstellungen der Umschaltmittel 6, 7.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen zwei Ausführungsbeispiele von kapazitiven Meßwertaufnehmern, die in der zuvor erläuterten Weise zu gebrauchen sind.
In Figur 2 ist das eine Objekt O1 gleichzeitig mit einer Gruppe von leitenden Auflagen 8a, 8b, ... verschiebbar, wogegen das Objekt O„ mechanisch mit zwei Gruppen 9A7 9B von leitenden Auflagen 10a, 10b, ... bzw. 11a, 11b, ... verbunden ist, die mit den leitenden Auflagen 8a, 8b, ... kapazitive Zellen der in Figur 1 gezeigten Art bilden, die zur Bildung der Meßkapazitäten C. , C- parallel geschaltet sind. Die Gruppen 9A, 9B sind beidseits der leitenden Auflagen 8a, 8b angeordnet.
Gemäß Figur 2 dient der dort gezeigte kapazitive Meßwertaufnehmer zur Messung von geradlinigen Verschiebungen. In den Figuren 3 und 4 ist dagegen ein kapazitiver Meßwertaufnehmer gezeigt, der zur Messung von Winkelbewegungen geeignet ist. Dieser Meßwertaufnehmer weist eine erste und eine zweite Isolierstoffscheibe 12 bzw. 13 auf, die beide an dem Objekt O2 befestigt sind. Die Isolierstoffscheiben 12, 13 sind auf den einander zugewandten Seiten mit jeweils einer Gruppe 15A bzw. 14B von leitenden Auflagen 15a - 15d und 16a - 16d versehen. Die leitenden Auflagen 15a - 15d der Gruppen 14A, 14B sind mit einem gemeinsamen Leiter 17, die leitenden Auflagen 16a.·- 16d der Gruppen 14A, 14B mit einem gemeinsamen Leiter 18 verbunden, jeweils kreissektorförmig ausgebildet und auf den Isolierstoff scheiben 12, 13 voneinander isoliert angeordnet. Die
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Isolierstoffscheiben 12, 13 sind mittig mit Bohrungen versehen, durch die ein Zapfen 19 hindurchgreift, der beispielsweise seinerseits in mit dem Objekt C^ verbundenen Lagern 20 gelagert ist. Der Zapfen 19 trägt ein sternförmiges Element 21, das leitende Auflagen 22a - 22d aufweist. Die leitenden Auflagen 22a - 22d wirken mit Paaren angrenzender Auflagen 15a, 16a, 15b, 16b, ... zur Bildung von Kapazitäten zusammen. Durch die passend parallel geschaltete Anordnung wird ein Meßwertaufnehmer mit Meßkapazitäten C, und C2 geschaffen, die zwischen den Leitern 17 und 18 und einem elektrisch mit dem sternförmigen Element 21 verbundenen Leiter 18a vorliegen.
Richtig verstanden, kann man je nach den angestrebten Anwendungsfällen und der Art der Objekte O1 und O~ eine Vielzahl von Varianten der erläuterten Meßwertaufnehmer anwenden, die Anzahl der Auflagen (und somit der Kapazitäten) und/oder den mechanischen Aufbau verändern usw. Grundsätzlich kann man aber sagen, daß eine höhere Anzahl von Auflagen je Längeneinheit (oder Winkeleinheit) zu einer Verengung des Meßbereiches und einer Erhöhung der Meßempfindlichkeit führt.
Die Vorteile der zuvor beschriebenen Vorrichtung sind die folgenden:
a) Die Vorrichtung arbeitet differenziell, d.h. sie ist unempfindlich gegenüber Veränderungen äußerer Parameter, wie z.B. der Elektrizitätskonstante der Isoliernaterialien, den Streukapazitäten, der Empfindlichkeit des Kapazitätsmeßkreises 5 usw.
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— Ιο —
b) Bei einer verdoppelten Vorrichtung (Figur 2, 3, 4) ist die Empfindlichkeit bezüglich der Relativlage in Richtung senkrecht zu den Ebenen der Auflagen (Parallelitätsfehler) gering und die Empfindlichkeit in einer der Ebenen relativ groß. Nimmt man z.B. an, daß ein Parallelitätsfehler vorliegt, der Schwankungen im Abstand der Auflagen voneinander zwischen 1 und 3 zur Folge hat (ein sehr wichtiger Wert), so liegt der Fehler bei der gemessenen Kapazität nur bei etwa 8 %.
c) Die Vorrichtung erlaubt die Messung der Streukapazitäten (C und C) und somit eine Kor λ. m
rungsprozessen abhängigen Flusses.
ten (C und C) und somit eine Korrektur ihres von Alte-λ. m
d) Abgesehen von ihrer notwendigen eigenen Steifheit gibt es keine Einschränkung hinsichtlich der mechanischen Robustheit der einzelnen Elemente des Meßwertaufnehmers, so daß es möglich ist, leichte und schwach gebaute Meßwertaufnehmer zu verwirklichen.
e) Es gibt praktisch keine Einschränkung der Kraftübertragung, weder durch Reibung noch durch Einflüsse externer Kräfte auf den Meßwertaufnehmer, so daß die Vorrichtung nur eine sehr schwache Steuerkraft benötigt, um eine Veränderung der Relativlage nachzuweisen.
f) Die Vorrichtung ist sehr wenig empfindlich gegenüber den Einflüssen störender Elemente magnetischer oder elektrischer Art, sowie auch der meisten anderen Störungen physikalischer Art.
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Entsprechend den Erläuterungen zu der Vorrichtung nach Figur 1 muß man annehmen, daß die Umschaltmittel 6, 7 keine eigenen Kapazitäten aufweisen. In Wirklichkeit ist das natürlich so nicht der Fall. Figur 5 zeigt daher schematisch eine Vorrichtung, die eine Kompensation des Einflusses von Streukapazitäten C - und C 2 der ümschaltmittel 6 und 7 gewährleistet. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Auflagen der Meßkapazitäten C-, C2, die jeweils mit den Umschaltmitteln 6 bzw. 7 verbunden sind, in gleicher Weise an den Kapazitätsmeßkreis 5 angeschlossen, nämlich über Hilfskapazitäten C^, C., deren andere Klemmen ihrerseits an einem gemeinsamen Verbindungspunkt 23 angeschlossen sind. Im übrigen ist die Verbindungslextung 4, die die Meßkapazitäten C, und C2 mit dem Kapazitätsmeßkreis verbindet, an einen ersten Eingang 24 eines Verstärkers 25 mit einem Verstärkungsfaktor 1 angeschlossen, auf dessen zweiten Eingang 26 der Verbindungspunkt 23 geschaltet ist. Die Verbindungslextung 4 ist außerdem noch an eine Auswertungseinheit 27 angeschlossen, die die Erstellung eines Ergebnisses der Messungen ermöglicht.
Nimmt man zunächst an, daß der Wert der Meßkapazität C1 gemessen werden soll, so ist das Umschaltmittel geschlossen und das Umschaltmittel 7 ist geöffnet. Ohne besondere Vorkehrungen wird man unter diesen Bedingungen die Summe der Kapazitäten C, und C und der Streukapazität C ~ des Umschaltmittels 7 messen. Dank der zuvor erläuterten Vorrichtung schaltet man den Einfluß der Streukapazität C9
aus, denn die am Ausgang des Verstärkers 25 anstehende Spannung (die mit der Spannung auf der Verbindungslextung 4 übereinstimmt) wird auf die leitende Auflage der Meß-
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kapazität C- zurückgekoppelt, die an den festen Kontakt 7a des ümschaltmittels 7 angeschlossen ist. Wählt man für die Hilfskapazität C. ein über dem Wert der Streukapazität C liegenden Wert, so weicht ihr Einfluß vorteilhafterweise nur unwesentlich von dem des Verhältnisses des von den Kapazitäten C. und C 2 gebildeten Spannungsteilers ab. Es ist klar, daß die gleiche Überlegung für den Fall gilt, daß man die Meßkapazität C~ mißt, wobei das Umschaltmittel 6 geöffnet bleibt.
Bei der Messung der parasitären Kapazität C ist der Einfluß der Meßkapazitäten C. und C2 dank der gleichzeitigen Wirkung der beiden Hilfskapazitäten C3 und C. ausgeschaltet. Nimmt als Beispiel an, daß die Streukapazitäten C- und C ~ Werte von 1OpF haben, so ist es vorteilhaft, für die Hilfskapazitäten mindestens Werte von 10000 pF zu wählen. Im übrigen sollte der Wert genügend schwach sein, damit der Verstärker 25 den Strom liefern kann, der über die Hilfskapazitäten C-, und/oder C. fließt, wenn das entsprechende Umschaltmittel 6 bzw. 7 geschlossen ist. Für den Fall, daß die Umschaltmittel 6, 7 aus Elementen mit einem hohen Eigenwiderstand gebildet sind (z.B. Halbleiterunterbrecher) , sollte man auch wegen dieses Eigenwiderstandes Rücksicht auf den Einfluß des über die Hilfskapazitäten C3 und/oder C4 fließenden Stromes nehmen.
In Figur 6 ist eine Vorrichtung ähnlich derjenigen nach Figur 5 gezeigt, bei der aber die Auswertungseinheit 27 detaillierter gezeigt ist. Zunächst ist hier darauf hinzuweisen, daß zur Bestimmung der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Kapazitäten jede bekannte
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klassische Einrichtung dieser Art benutzt werden kann. Vorzugsweise ist jedoch die Auswertungseinheit 27 nach Figur einzusetzen. Die Auswertungseinheit 27 bildet einen Teil der Schaltung eines Schwingkreises 32 und weist zunächst einen Verstärker 28 mit einem hohen Verstärkungsfaktor auf. Der Verstärker 28 weist eine Rückkopplungsschleife
29 aperiodischen Types auf, die aus einem den Ausgang mit einem Eingang des Verstärkers 28 verbindenden Widerstand
30 und einem anderen, den genannten Eingang des Verstärkers 28 mit Masse verbindenden Widerstand 31 besteht.
Außerdem weist der Verstärker 28 eine Gegenkopplungsschleife in Form einer Integrierstufe auf, durch deren Zeitkonstante die Periode der erzeugten Schwingung bestimmt wird. Das resistive Element der Integrationsstufe ist ein Widerstand 33, der zwischen der Verbindungsleitung 4 und dem Ausgang des Verstärkers 28 eingeschaltet ist, während das kapazitive Element abwechselnd durch die Kapazitäten C. bis C- gebildet wird. Somit erscheint am Ausgang des Verstärkers 28 eine periodische Spannung, deren Periode proportional zu der gerade gemessenen Kapazität ist (als Funktion des Schaltzustandes der Umschaltmittel 6, 7, die hier als über Anschlüsse 34, 35 gesteuerte Schalttransistoren ausgebildet sind).
Das periodische Meßsignal wird dann an eine ümsetz- und Anzeigeeinheit 36 weitergeleitet.
Die erläuterte Vorrichtung weist verschiedene Vorteile auf. So weist sie eine gute Linearität auf und ist in der Herstellung äußerst preiswert. Ferner sind keine Präsisionselemente notwendig, wohingegen das in Form einer ver-
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änderlichen Periode auftretende Nutzsignal auf digitale Art und Weise ausgewertet werden kann, z.B. mit Hilfe von klassischen Zählschaltungen.
In Figur 7 ist eine Vorrichtung gezeigt, die aus der in Figur 6 gezeigten Vorrichtung abgeleitet ist und bei der man die Meßsignale mehrerer Meßwertaufnehmer einzeln nacheinander auswerten kann. In Figur 7 sind zunächst drei Meßwertaufnehmer 37, 37A, 37B mit den zugehörigen Schaltungen gezeigt. Die Meßwertaufnehmer 37, 37A, 37B weisen jeweils Meß- bzw. Hilfskapazitäten C1 bis C4 auf, einen Verstärker 25 sowie Umschaltmittel· 6, 7. Die Ausgänge der Meßwertaufnehmer 37, 37A, 37B sind jeweils an Verstärker 28, 28A, 28B angeschlossen, die der gemeinsamen Rückkopplungsschleife 29 zugeordnet sind, die ihrerseits aus den Widerständen 30 und 31 besteht. Die Gegenkopplungsschleife der Verstärker 28, 28A, 28B werden jeweils von Widerständen 33, 33A, 33B sowie den Verstärkern 25 md Kapazitäten C1 bis C, der einzelnen Meßwertaufnehmer 37, 37A, 37B gebildet. Weiterhin ist ein Impedanzwandler 38 mit Verstärkungsfaktor 1 zwischen den Verbindungspunkt der Widerstände 33, 33A, 33B und den Ausgang einer Auswahllogik 39 geschaltet. Die Auswahllogik 39 leitet die von den Verstärkern 28, 28A, 28B herrührenden Meßsignaie einzeln nacheinander der Umsetz- und Anzeigeeinheit 36 zu.
Die Auswahllogik 39 weist Gatter (ET) 40, 4OA, 4OB auf, die von einem Steuer- und Auswahlkreis 41 her betätigt werden. Der Steuer- und Auswahlkreis 41 ist an die Steuerungseingänge sämtlicher Umschaltmittel 6, 7 der
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Meßwertaufnehmer 37, 37A, 37B angeschlossen, so daß diese synchron mit der Betätigung der entsprechenden Gatter (ET) 40, 4OA, 4OB schaltbar sind. Die Ausgänge der Gatter (ET) 40, 4OA, 4OB sind gemeinsam mit einem Gatter (OU) 42 verbunden, über das das jeweilige Meßsignal der Umsetz- und Anzeigeeinheit 36 übermittelt wird. In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten gezeigt, bei der mehrere kapazitive Meßwertaufnehmer CP , CP. der in Verbindung mit Figur 1 erläuterten Art vorgesehen, zusammen montiert und an eine gemeinsame Auswertungseinheit 27 der in Verbindung mit Figur 6 erläuterten Art angeschlossen sind.
Auch hier weist der Meßwertaufnehmer CP Meßkapazitäten
C- , C2a und Hilfskapazitäten C- , C. sowie über An-Schlüsse 34a, 35a angesteuerte Umschaltmittel 6a und 7a auf. Die entsprechenden Bezugszeichen mit Index "b" sind für CPb eingesetzt. Hier ist aber, im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Figur 7 auch der Verstärker 25 bei den Meßwertaufnehmern CP , CP, gemeinsam. Mit dieser Vorrichtung kann man nun auf ein entsprechendes Schalten der Umschaltmittel 6a, 7a, 6b, 7b hin eine Messung der Relativlage von zwei Paaren von Objekten unter Verwendung nur einer Auswertungseinheit 27 erhalten.
Die Vorrichtung nach Figur 8 hat den beachtlichen Vorteil, daß ein und dieselbe Auswertungseinheit 27 ohne weitere Veränderungen für alle Kapazitäten (zu messende und parasitäre) der Meßwertaufnehmer Verwendung findet. Die mit diesem einzigen Schaltkreis erhaltenen Werte hängen also miteinander zusammen und es lassen sich sehr verläßliche differenzielle Messungen verwirklichen.
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Figur 9 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung nach Figur 5, bei der man den Kompromiß vermeiden kann, den man dort hinsichtlich der Auswahl der Werte der Hilfskapazitäten C3, C, eingehen mußte. In diesem Fall ist jede Hilfskapazität C3 bzw. C^ in Reihe mit weiteren Umschaltmitteln 43 bzw. 44 (vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt) geschaltet, deren Steuerelektroden über Inverter 45 bzw. 46 mit den Anschlüssen 34 bzw. 35 verbunden sind. Dank dieser Schaltungsvariante sind die Hilfskapazitäten C-, bzw. C, dann wirkungslos, wenn die entsprechenden Umschaltmittel 6, 7 geschlossen sind. Dadurch ist die Auswahl der Hilfskapazitäten C,, C. nicht mehr gegenüber hohen Werten der Kapazität beschränkt.
Aus dem Ausführungsbeispiel nach Figur 10 ergibt sich eine mögliche Ausführung der Umsetz- und Anzeigeeinheit 36 (s. Huch Figur 6 - 8). In diesem Blockschaltbild ist schematisch ein Meßwertaufnehmersystem 47 gezeigt, wie es z.B. in Figur 6 näher erläutert ist. Ein Ausgang 48 des dem Meßwertaufnehmersystem 47 zugehörigen Verstärkers 28 ist angegeben. Die Umsetz- und Anzeigeeinheit 36 weist zunächst einen Steuerungsblock 49 auf, der dazu dient, alle anderen Elemente der Umsetz- und Anzeigeeinheit 36 zu betätigen und deren Funktionen zu koordinieren. Außerdem werden von dem Steuerungsblock 49 aus die Umschaltmittel 6,7 des Meßwertaufnehmersystems 47 geschaltet, wozu der Steuerungsblock 49 mit den Anschlüssen 34, 35 verbunden ist.
Die Umsetz- und Anzeigeeinheit 36 weist weiter einen Zeitgeberoszillator 50 auf, der mit einer relativ hohen, mit
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Ct O —
Sicherheit über den im kapazitiven Meßwertaufnehmersystem 47 erzeugbaren Frequenzen liegenden Frequenz schwingt. Das Ausgangssignal des Zeitgeberoszillators 50 wird gleichzeitig den ersten Eingängen von zwei Eingangsgattern (ET) 51, 52 zugeführt. Die Öffnung der Eingangsgatter (ET) 51 und wird vom Steuerungsblock 49 her bewirkt, der zu diesem Zweck mit zweiten Eingängen der Eingangsgatter (ET) 51 und 52 verbunden ist. Die Ausgänge der Eingangsgatter (ET) 51 und 52 sind jeweils mit einem Zählereingang eines Zählers 53 bzw. 54 verbunden, die außerdem über je einen weiteren Steuereingang 55 bzw. 56 mit dem Steuerungsblock 49 verbunden sind. Der Zähler 53 ist schließlich noch an eine Anzeige 57 angeschlossen, die ebenfalls außerdem mit dem Steuerungsblock 49 verbunden ist.
Angenommen, man möchte auf der Anzeige 57 den prozentualen Wert einer vorgegebenen Veränderung der Relativlage von zwei Objekten O.. und O- mit Rücksicht auf einen eingenommenen Gesamtbereich, insbesondere mit Rücksicht auf einen Extremwert dieses Bereiches, bestimmen, so arbeitet die in Figur 10 gezeigte Vorrichtung folgendermaßen:
Während der Funktion werden sämtliche Schaltvorgänge von dem Steuerungsblock 49 aus gesteuert. Folglich wird zunächst die parasitäre Kapazität C durch öffnen der beiden Umschaltmittel 6, 7 des Meßwertaufnehmersystems 47 gemessen, was das Auftreten eines Meßsignales am Ausgang 48 zur Folge hat, dessen Periode eine Funktion des Uertes der parasitären Kapazität C ist. Der Zeitgeberoszillator 50 erzeugt seine Impulse, die Eingangsgatter 51, 52 sind geöffnet und die Zähler 53, 54 zählen jeweils entsprechend dem Wert der parasitären Kapazität C abwärts.
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Anschließend wird die Messung der Kapazität C1 + C über die Umschaltmittel 6, 7 gesteuert und die Zähler 53, 54 werden durch entsprechende Aktivierung der Eingangsgatter 51, 52 dazu veranlaßt, den Wert dieser Kapazität zu speiehern, wobei somit ihr jeweiliger Zählerstand den Wert der Meßkapazität C, nicht überschreitet.
Daraufhin wird die Messung der parasitären Kapazität C wiederholt und ihr Wert durch alleiniges öffnen des Eingangsgatters (ET) 52 nur vom Zählerstand des Zählers 54 abgezogen, so daß dieser danach den Wert C1 - C gespeichert hat. Des weiteren wird nun vom Steuerungsblock 49 die Messung der Kapazität C0 + C bewirkt, deren Wert in Form von Impulsen des Zeitgeberoszillators 50 gleichfalls im Speicher 54 abgespeichert wird.
Am Ende dieser Folge von Schritten entspricht der Zählerstand des Zählers 53 dem Wert der Meßkapazität C1 und der des Zählers 54 dem Wert der Kapazität C1 +C2.
Die Folge von Schritten wird dann nachfolgend in mehrfachen Wiederholungen durchlaufen, bis man einen vorgegebenen Wert im Zähler 54 erhält. Die Anzahl der Folgen von Schritten sollte so groß sein, daß der Einfluß eines Fehlers in einer Folge von Schritten in bezug auf das Endergebnis vernachlässigbar klein ist. Aus der erläuterten Wiederholung der Folge von Schritten ergibt sich endgültig ein dem Wert der Meßkapazität C1 entsprechender, auf den Wert von 100 % geeichter Zählerstand im Zähler 53, der nun an die Anzeige 75 weitergegeben werden kann.
Die Figuren 11 und 12 zeigen eine weitere, lediglich ein
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Ausführungsbeispiel darstellende Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objekten. In dem hier gewählten Ausführungsbeispiel geht es um eine Kontrolle der Achsen eines Kraftfahrzeuges und, genauer, um eine Kontrolle der Parallelität und der Mantel der Räder jeder Achse, sowie der Winkel für Nachlauf, Vorspur und Sturz, alles grundsätzlich in der Automobiltechnik wohl bekannte Spezialmessungen.
Im Rahmen einer derartigen Kontrolle hat die in Rede stehende Vorrichtung die Aufgabe, die Winkelwerte oder andere der genannten Parameter anzuzeigen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Schaltung nach Figur 7 verwendet, wobei Figur 12 eine die Vorrichtung nach Figur 7 wiedergebende schematische Darstellung ist, bei der die gleichen Bezugszeichen wie dort verwendet sind, jedoch um die Buchstaben D und G ergänzt, durch die die rechte bzw. die linke Seite des zu kontrollierenden Fahrzeuges identifiziert wird. In Figur 11 ist allerdings nur die linke Seite gezeigt.
Im gezeigten Fall sind die Objekte O. und O3, mit denen die beiden Gruppen von kapazitiven Meßwertaufnehmern 37-G, 37A-G, 37-D, 37A-D verbunden sind, von dem zu kontrollierenden Rad bzw. von einem Pendel 58 gebildet (Figur 11). Die genaue Ausführung der kapazitiven Meßwertaufnehmer in Figur 11 entspricht der in den Figuren 3 und 4 gezeigten, wobei hier das Pendel 58 an das sternförmige Element 21 angeschlossen ist. Dieses behält dauernd eine feste Stellung in bezug auf die Vertikale, während die anderen Elemente von den zu messenden Winkelwerten des Rades abhängige
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Winkelstellungen einnehmen. Wie sich an und für sich versteht, sind die Winkel-Meßwertaufnehmer 37-G, 37A-G in einem Gehäuse angeordnet, das mit Hilfe einer Befestigung 60 vorübergehend an dem zu kontrollierenden Rad befestigt werden kann. Die Meßwertaufnehmer 37-G, 37A-G sind so angeordnet, daß sie in vertikalen, im rechten Winkel (90°) zu-einander liegenden Ebenen zu messen vermögen. Das bedeutet mit anderen Worten, daß die Achsen ihrer sternförmigen Elemente 21 im rechten Winkel (90°) zueinander stehen.
Um nun eine geometrische Koordination einerseits zwischen der Vorderachse und der Hinterachse eines Fahrzeuges andererseits zwischen den Rädern der linken und der rechten Seite zu erzielen, weist die Vorrichtung nach den Figuren 11 und 12 des weiteren eine Beleuchtungseinrichtung 61 auf, ^eren einer Teil sich in einem Gehäuse 62 befindet, das über einen Tragarm 63 mit dem Gehäuse 59 verbunden ist. Der andere Teil dieser Beleuchtungseinrichtung 61, symmetrisch mit dem ersten Teil und in Figur 11 nicht dargestellt, ist entsprechend mit dem (gleichfalls nicht gezeigten) Gehäuse 59 auf der rechten Seite des Fahrzeuges verbunden.
Das Gehäuse 62 weist ein erstes optisches System 64 auf, das ein von einer beweglichen Lichtquelle 66 herrührendes Strahlenbündel nach hinten durch eine Optik 65 hindurchwirft. Die bewegliche Lichtquelle 66 ist auf der Abtriebswelle eines Hilfsantriebes 67 montiert, wobei die Winkel- ' stellung der Abtriebswelle in bezug auf das Gehäuse 62 durch den kapazitiven Meßwertaufnehmer 37B-G feststellbar ist. Dieses optische System wirkt mit einem (nicht
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dargestellten) fotoelektrischen Meßpunkt zusammen, der an dem entsprechenden hinteren Rad befestigt ist. Mit Hilfe des Meßpunktes und des Meßwertaufnehmers 37B-G ist eine Hilfskonstruktion geschaffen, die dahingehend wirkt, daß das Strahlenbündel in einer Richtung gehalten wird, in der es den genannten Meßpunkt auch tatsächlich trifft.
Das Gehäuse 62 beherbergt noch ein zweites optisches System 68, das mit dem optischen System in dem symmetrisch auf der anderen Seite des Fahrzeuges angeordneten Gehäuse zusammenwirkt. Das Strahlenbündel dieses optischen Systems 68 wird von einer beweglichen Lichtquelle 69 erzeugt, die auf der Abtriebswelle eines Hilfsantriebes 70 montiert ist. Die Winkelstellung dieser Abtriebswelle in bezug auf das Gehäuse 62 wird durch einen kapazitiven Meβwertaufnehmer 37C-G festgestellt. Das von der Lichtquelle 69 ausgesandte Strahlenbündel durchläuft eine Optik 71 und wird auf das entsprechend angeordnete System auf der anderen Seite des Fahrzeuges geworfen. Jenes System weist anstatt einer Lichtquelle einen beweglichen fotoelektri-0 sehen Empfänger auf. Dadurch ist eine geometrische Kopplung der rechten und linken Seiten der gesamten Einrichtung erreichbar.
Nach dem in Figur 12 gezeigten Blockschaltbild werden die von den zwei Gruppen von je vier Meßwertaufnehmern 37G, .... 37D, .... ausgesandten Meßsignale jeweils über Schwingkreise 27-39 an einen beiden Gruppen gemeinsamen Periodenmeßkreis 72 übermittelt, dem allerdings eine Auswahllogik 73 für rechts bzw. links vorgeschaltet ist.
Die Gesamtheit der Schaltvorgänge wird hier von einem
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Mikroprozessor 74 aus gesteuert, durch den vollständig die oben erläuterte Berechnung für die im einzelnen passende Übertragung der Meßergebnisse auf die verschiedenen Anzeigen gewährleistet ist. Dabei können z.B. Anzeigen vorgesehen sein für (jeweils rechts und links) den Wert des Mantels eines Rades (75, 76), des Vorspurwinkels (77, 78), des Nachlaufwinkels (79, 80), des Sturzwinkels (81, 82) und der Parallelität (83, 84).
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Claims (16)

  1. Ansprüche
    ζ 1.)Vorrichtung zur Messung der Relativlage von zwei Objek- —^ ten zueinander durch Kapazitätsänderung, einerseits mit einem kapazitiven Differenz-Meßwertaufnehmer, bestehend aus mindestens zwei ersten, mechanisch mit dem einen Objekt verbindbaren, leitenden Auflagen und mindestens einer zweiten, mechanisch mit dem anderen Objekt verbindbaren, leitenden Auflage, wobei von der zweiten Auflage mit den ersten Auflagen zwei in Abhängigkeit von der Relativlage der Objekte veränderliche Meßkapazitäten gebildet sind und wobei die Werte der beiden Meßkapazitäten in einem nur von der Relativlage der Objekte abhängigen Verhältnis zueinander stehen, und andererseits mit einem Kapazxtätsmeßkreis zur Bestimmung der Werte der Meßkapazitäten, dadurch gekennzeichnet, daß Umschaltmittel (6, 7) zur selektiven Verbindung der Meßkapazitäten (C. , C2)
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    mit einem Eingang des Kapazitätsmeßkrexses (5) vorgesehen sind, derart,daß die Werte der Meßkapazitäten (C.., C2) und einer systemeigenen parasitären Kapazität (C ) nacheinander meßbar sind.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Umschaltmittel (6, 7) jeweils in Reihe mit den Meßkapazitäten (C.., C3) geschaltete Unterbrecher vorgesehen sind und daß die Meßkapazitäten (C1, C2) zwischen die Umschaltmittel (6, 7) und den Eingang des Kapazitätsmeßkrexses (5) geschaltet sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kapazitätsmeßkreis (5) zum Ausgleich der Einflüsse von Streukapazitäten (C * , C 2) der Ümschaltmittel (6, 7) zwei Hilfskapazitäten (C3, C4) aufweist, daß die Hilfskapazitäten (C~, C.) einerseits jeweils an die Verbindungspunkte zwischen einem der Umschaltmittel (6, 7) und einer Meßkapazität (C-, C2) und andererseits an den Ausgang eines Verstärkers (25) mit einem Verstärkungsfaktor von Eins angeschlossen sind und daß ein Eingang (24) des Verstärkers (25) mit dem Eingang einer Auswertungsexnheit (27) verbunden ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilf skapazitäten (C.,, C.) jeweils in Reihe mit weiteren Umschaltmitteln (43, 44) geschaltet sind und daß die weiteren Umschaltmittel (43, 44) gleichzeitig mit, aber entgegengesetzt zu den entsprechenden Umschaltmitteln (6,'7) der Meßkapazitäten (C1, C2) schaltbar sind.
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  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ümschaltmittel (6, 7 bzw. 43, 44) durch Halbleiterelemente, wie z.B. Schalttransistoren, gebildet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinheit (27) einen Verstärker (28) mit einem hohen Verstärkungsfaktor aufweist, daß der Ausgang des Verstärkers (28) zur Bildung eines Schwingkreises (32) über den kapazitiven Meßwertaufnehmer auf seinen Eingang geschaltet ist und daß von dem Schwingkreis (32) ein als Funktion des gemessenen Wertes der Kapazität in seiner Periode veränderliches Meßsignal abgebbar und einer Umsetz- und Anzeigeeinheit
    (36) zuführbar ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kapazitive Meßwertaufnehmer (37, 37A, 37B) vorgesehen sind, mit jeweils einem Verstärker (25) mit
    Eins
    einem Verstärkungsfaktor von/versehen und gemeinsam auf den Verstärker (28) mit einem hohen Verstärkungsfaktor geschaltet sind, und daß ein Steuer- und Auswahlkreis (41) zur selektiven Übertragung der Meßwerte der Meßwertaufnehmer (37, 37A, 37B) an die Umsetz- und Anzeigeeinheit (36) vorgesehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kapazitive Meßwertaufnehmer (CP , CP, ) vor-
    el JD
    gesehen und gemeinsam auf nur einen Verstärker (25) mit
    Eins
    einem Verstärkungsfaktor von/sowie einen Verstärker (28) mit einem hohen Verstärkungsfaktor geschaltet sind.
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  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetz- und Anzeigeeinheit (36) einen Zeitgeberoszillator (50), zwei Zähler (53, 54) und eine Logikschaltung (49, 51, 52) aufweist, daß die von dem Zeitgeberoszillator (50) erzeugten Impulse mittels der Logikschaltung (49, 51, 52) in Abhängigkeit von der den Werten der Meßkapazitäten (C.., C2) und der parasitären Kapazität (C ) entsprechenden Periodendauer einzeln den Zählern (53, 54) zuführbar sind, daß die Logikschaltung (49, 51, 52) so ausgebildet ist, daß der Zählerstand der Zähler (53, 54) entsprechend dem Wert der Summe der Meßkapazitäten (C. , C-) und der parasitären Kapazität (C ) erhöhbar und entsprechend dem Wert der parasitären Kapazität (C ) allein verminderbar ist und daß der eine Zähler (53) mit einer Anzeige (57) verbunden ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetz- und Anzeigeeinheit (36) einen Mikroprozessor (74) aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Meßwertaufnehmer mindestens zwei Gruppen (9A, 9B bzw. 14A, 14B) von ersten leitenden Auflagen (10a, 11a, 10b, 11b bzw. 15a--15d, 16a - 16d) und eine Gruppe von zweiten leitenden Auflagen (8a, 8b, ... bzw. 22a - 22d) aufweist, daß die zweiten leitenden Auflagen (8a, 8b, ... bzw. 22a 22d) jeweils zwei benachbarten Paaren von ersten leitenden Auflagen (10a, 11a, 10b, 11b bzw. 15a - 15d, 16a - 16d) zugeordnet sind und daß die Gruppen (9A, 9B bzw. 14A, 14B) von ersten leitenden Auflagen (10a,
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    11a, 10b, 11b bzw. 15a - 15d, 16a - 16d) beidseits der zweiten leitenden Auflagen (8a, 8b, ... bzw. 22a - 22d) angeordnet und in benachbarten Ebenen relativ zueinander verschiebbar sind.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten leitenden Auflagen (10a, 11a, 10b, 11b bzw. 15a - 15d, 16a - 16d) und die zweiten leitenden Auflagen (8a, 8b, ... bzw. 22a - 22d) jeweils gruppenweise so angeordnet sind, daß sie eine gerade Linie bilden und entsprechend einer geradlinigen Bewegung relativ zueinander verschiebbar sind.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten leitenden Auflagen (10a, 11a, 10b, 11b bzw. 15a - 15d, 16a - 16d) und die zweiten leitenden Auflagen (8a, 8b, ... bzw. 22a - 22d) jeweils gruppenweise auf miteinander koaxialen Kreisen angeordnet und entsprechend einer Schwenkbewegung um die gemeinsame Achse der Kreise relativ zueinander verschiebbar sind.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Objekte (O.. oder O3) eine pendeiförmige Schwingmasse ist.
  15. 15. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 in einer Einrichtung zur Kontrolle der geometrischen Abmessungen der Achsen eines Kraftfahrzeuges.
  16. 16. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10 und Anspruch 14 in einer Einrichtung zur Kontrolle der geometrischen Abmessungen der Achsen eines Kraftfahrzeuges.
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