DE3020411A1

DE3020411A1 - Kapazitive vorrichtung zur messung von verschiebungen

Info

Publication number: DE3020411A1
Application number: DE19803020411
Authority: DE
Inventors: Hans Ulrich St.Sulpice Waadt Meyer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-05-27
Filing date: 1980-05-27
Publication date: 1981-12-24
Also published as: GB2078966B; CH643652A5; JPS5761914A; JPH0136563B2; US4449179A; GB2078966A; DE3020411C2; FR2483603A1; FR2483603B1

Description

Hans Ulrich MEYER

Kapazitive Vorrichtung zur I^v;f ssung von Vorschiebungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine kapazitive Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen, bestellend einerseits aus einem Massstab, anderseits aus einen mit einer Anzahl Geberelektroden und mindestens einer Empfängerelektrodρ versehenen Messwertaufnehmer.

Bekannte kapazitive Vorrichtungen ditser Art bestehen aus einem Masstab, worauf sich eine Keihe von Elektroden befinden, und aus einem Messwertaufnehmer, bestehend aus einer oder mehreren Elektroden, dessen Lage durch Messung der einfachen oder differentiellen Kapazität bestimmt werden kann. Allen diesen Vorrichtungen gemeinsam ist das Bestreben, einen grb'paeren Messbereich in kleinere Teilbereiche zu unterteilen, so darf? Übertragungsfehler, verursacht durch mangelnde Genauigkeit der Übertragungsfunktion, die Messgenauigkeit nicht, wesentlich verschlechtern, z.B. gäbe ein Übertragurifsf ehler von 1 Promille über 1 Keter einen Messfehler von 1 Millimeter; wird aber der Flasrtab so gebaut, dass kapazitiv nur über Teilbereiche von 1 Millimeter gemessen wird, so ist der von der Übertragung hervorgerufen^ Γ-'essfehler nur 1 Mikrometer, Um einzelne Teilungsfehler auszuraitteln, werden darum auch mehrere aufeinanderfolgende Teilbereiche gleichzeitig erfasst, d.h., die zu messende Kapazität oder Differentialkapazität besteht dann aus mehreren aufeinanderfoldenden Teilkapazitäten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art so zu gestalten, dass; der Kapstab so einfach wie möglich zu fertigen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäfsn dadurch gelöst, dass der Massstab ein in regelmässigen Abständen (T) mit öffnungen versehenes leitendes Band ist, und dass diesr r· Rand durch den Messwertaufnehmer so hindurchgeführt, wir-i, dfjt'n die öffnungen zusammen mit

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den Elektroden des Messwertaufnehmers einen aus mehreren Teilkondensatoren bestehenden Differentialkondensator bilden, welcher durch die Lage des als Blende wirkenden Bandes variierbar ist.

Der Vorteil dieser Massnahmen liegt darin, dass ein solcher Massstab sehr einfach herzustellen ist, und dass er aus nur einem Werkstoff besteht, und somit gute messtechnische Eigenschaften gewährleistet sind. Kin weiterer Vorteil ist, dass das Band innerhalb der elastischen Grenze leicht dehnbar ist und eine mechanische Justierung des Masses möglich macht. Das Band kann zudem auf null Potential (Masse) sein und benötigt somit keine elektrischen Anschlüsse.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist in den Fig. 1 bis 6 dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 den I^asstab und den Messwertaufnehmer in perspektiver Darstellung _t

Fig. 2 den Masstab und den Messwertaufnehmer im Schnitt quer zur Messrichtung,

Fig. 3 den Mesnwertaufnehmer im Längsschnitt, so dass die Geberelektrodenfläche sichtbar ist,

Fig. 4 den Messwertaufnehmer im Längsschnitt, so dass die Empfängerelektrodenfläche sichtbar ist.

Fig. 5 eine nchematische Darstellung der Elektrodenkonfiguration,

Fig. 6 einen mit einem Dielektrikum ausgefüllten Masstab im Längsschnitt.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, besteht die Vorrichtung aus

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einem in genauen Abständen (T) mit rechteckigen Öffnungen 11 versehenen leitenden Band 10 und aus einem Hesswertaufnehmer 20, welcher eine mit Geberelektroden versehene Fläche 21 und eine dazu parallele, mit einer Empfängerelektrode versehene Fläche 28 besitzt, Das Band 10 wird durch den Luftspalt zwischen den beiden Elektrodenflächen 21 und 28 hindurchgeführt. Die Geberelektrodenfläche, welche in Fig. 3 gezeigt ist, enthält ein ganzzahliges Mehrfaches von 2N Elektroden. In dem abgebildeten Fall ist 2N=4. Der Mittenabstand dieser Elektroden 22, 23, 24, ist T/2N, hier also T/4, so dass auf einen Mittenabstand T der Öffnungen 11 des Bandes 10 je 2N, also 4 Elektroden kommen. Die Elektroden werden nun durch elektronische Mittel über Sammelleitungen 27 so angeschlossen, dass jeweils N, hier 2 Elektroden elektrisch gesehen die eine Platte eines Differentialkondensators und die N nächsten Elektroden die zweite Platte dieses Differentialkondensators bilden. Die gemeinsame Platte des Different ialkondensators ist der Teil einer Empfangselektrode 29» der sich gegenüber der entsprechenden öffnung 11 des Bandes 10 befindet, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Also bilden die Elektroden des Messwertaufnehmers 20 zusammen mit den Offnungen 11 im Band 10 eine Reihe gleichlaufender Differentialkondensatoren, die elektrisch zu einem einzigen Dxfferentialkondensator zusammengeschlossen sind. Man sieht, dass die Änderung der Differentialkapazität der Verschiebung des Bandes proportionalist. Verschiebt sich nun das Band 10 über ein gewisses Mass, so wird durch elektrische Mittel die Zuteilung der Geberelektroden um eine Elektrode verschoben. Verschiedene elektrische Kreise sind zur Messung geeignet, z.B. könnte die Anordnung nach der deutschen Patentschrift Nr. 22 18 824 verwendet werden. Die Messung der Differentialkapazität gibt also das feine Mass, und sobald dieses über einen Grenzwert geht, wird die Zuteilung in der Bewegungsrichtung verschoben, so dass die Platten, die aus N Elektroden bestehen, elektrisch gesehen den Öffnungen 11 des Bandes 10 in Inkrementen von T/2N, also hier T/4 folgen, was das grobe

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Mass ergibt. Das exakte Mass ist die Summe des feinen und des groben Masses.

Bis jetzt wurde der Fall der beiden Offnungen 11 des Bandes 10, die über den Enden der Geberelektrodenreihe liegen, und welche nur teilweise von den Geberelektroden bedeckt sind, ausser acht gelassen. Aus den Fig. 3 und 4 wird aber ersichtlich, dass die Summe der Teilkapazitäten an diesen beiden Offnungen genau den Teilkapazitäten einer einzelnen Öffnung zwischendrin entspricht. Anders gesagt, werden die Fehler, die an einem Ende des Bandes entstehen, durch die Fehler am anderen Snde kompensiert, und dies unter einer der folgenden Voraussetzungen:

- Die Empfangselektrode 29 ist kürzer als die Reihe der Geberelektroden und hat eine Länge gleich einem ganzzahligen Mehrfachen des Offnungsmittenabstandes T.

oder :

- Die Empfangselektrode 29 ist gleich lang oder länger als die Reihe der Geberelektroden; dann muss die Länge der Reihe der Geberelektroden gleich einem ganzzahligen Mehrfachen des Offnungsmittenabstandes T sein.

In beiden Fällen ist es dazu wünschenswert, um Randeffekte sowie externe Einstreuungen zu vermeiden, die Elektroden, wie in Fig. und 4 gezeigt, mit einer auf null Potential liegenden Fläche 26 zu umgeben.

Um zu vermeiden, dass Unreinheiten sich in den Offnungen des Bandes 10 festsetzen und um das Band mechanisch und chemisch zu schützen, ist es möglich, dieses mit einer Schutzschicht 12 mit guten dielektrischen Eigenschaften (z.B. Teflon ) zu überziehen, wie in Fig. 6 dargestellt. Prinzipiell wird dadurch an der Funktion nichts geändert.

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Claims

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(3es Herrn
Hans Ulrich MEYER öt.-bulpice (Waodt, Schweiz)

Ansprüche :

l) Kapazitive Vorrichtung zur Messung von Verschiebungen, bestehend einerseits aus einem Masstab, anderseits aus einem mit einer Reihe Geberelektroden und mindestens einer Empfängerelektrode versehenen Messwertaufnehmer, dadurch g e k e η η zeichnet , dass der Masstab ein in regelmässigen Abständen (T) mit Offnungen versehener Körper ist, und dass dieses Band durch den Messwertaufnehmer so hindurchgeführt wird, dass die Öffnungen zusammen mit den besagten Elektroden einen aus mehreren Teilkondensatoren bestehenden Differentialkondensator

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bilden, welcher durch die Lage des als Blende wirkenden Bandes variierbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, dass die öffnungen im Band sowie die Elektroden defi Messwertaufnehmers rechteckiger Form sind, so dass ein lineares Verhältnis zwischen der Verschiebung und der Änderung der Differentiellen Kapazität entsteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , dass die Offnungen des Körpers mit einem Dielektrikum ausgefüllt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch L, dadurch g e k e η η zeichnet , dass der leitende Körper durch ein elastisches Band gebildet ist und Mittel vorhanden sind, um das Band zu strekken.
5. Vorrichtung nach den Anbrüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Länge der Empfangselektrode in der Bewegungsrichtung ein ganzzahliges Mehrfaches vom Offnungsnittenabstand (T) ist.

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