DE3401905A1

DE3401905A1 - Messeinrichtung

Info

Publication number: DE3401905A1
Application number: DE19843401905
Authority: DE
Inventors: Walter Ing.(Grad.) 8225 Traunreut Schmitt
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE3401905C2

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 2. Januar 1984 Meßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 32 18 352 ist eine magnetische Meßeinrichtung bekannt, bei der ein magnetisierbarer Maßstab mit einer zahnförmigen Teilung von einer Abtasteinheit mit einem Magneten zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes und einem am Magneten angeordneten Hallelement abgetastet wird, das bei einer Relativbewegung zwischen Maßstab und Abtasteinheit die mit der Teilungsperiode des Maßstabs inhomogene Induktion erfaßt und zwei positionsabhängige periodische gegenphasige Abtastsignale erzeugt, die den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers in einer Auswerteeinrichtung zur Positionswertbestimmung zugeführt werden.

Die Abtastsignale eines solchen Hallelements sind etwas schwierig zu verstärken, da ihre Signalamplituden sehr gering sind (einige Millivolt) und des-

halb für die Signalverstärkung ein nachgeschalteter Differenzverstärker mit hoher Verstärkung und geringer Offsetspannung erforderlich ist; die Gleichspannungsanteile der beiden Abtastsignale bezüglieh eines Bezugspotentials liegen dagegen im Bereich einiger Volt. Diese Gleichspannungsanteile der an den Eingängen des Differenzverstärkers anliegenden Abtastsignale stellen eine sogenannte Gleichtaktspannung dar, die durch die endliche Gleichtaktverstärkung des Differenzverstärkers verstärkt wird und sich auf die Symmetrie des Ausgangssignals des Differenzverstärkers bezüglich des Bezugspotentials nachteilig auswirkt.

Bei einem Differenzverstärker ergibt sich die Ausgangsspannung als Produkt aus der Differenz der beiden Eingangsspannungen und aus einem endlichen Verstärkungsfaktor. Liegen an den beiden Eingängen gleiche Spannungen an, so ist ihre Differenz Null und die Ausgangsspannung müßte ebenfalls Null sein. Dies ist bei einem realen Differenzverstärker jedoch nicht der Fall. In Abhängigkeit von den beiden gleichen Eingangsspannungen, der sogenannten Gleichtaktspannung, tritt eine Ausgangsspannung infolge der endlichen Gleichtaktverstärkung auf.

Diese Gleichtaktverstärkung hat die oben erwähnten nachteiligen Auswirkungen auf die Symmetrie des Ausgangssignals des realen Differenzverstärkers zur Folge, so daß bei der nachfolgenden Auswertung dieses Ausgangssignals fehlerhafte Positionswerte gebildet werden können.

Eine Kompensation der Wirkung dieser konstanten Gleichtaktspannung an den Eingängen des Differenz-

Verstärkers ist im Prinzip durch Abgleichelemente am Differenzverstärker möglich. Bei einem Austausch der Abtasteinheit mit dem Abtastelement liegt aber im allgemeinen eine andere Gleichtaktspannung an den Eingängen des Differenzverstärkers an, so daß eine erneute Kompensation durch die Abgleichelemente nötig ist. Desgleichen ändert sich die Gleichtaktspannung auch bei Änderungen oder Schwankungen der Versorgungsspannung des Hallelements, so daß für eine ausreichende Konstanz der Versorgungsspannung gesorgt werden muß.

Bei einem Hallelement sind die Signalamplituden sehr stark vom Abstand zwischen der Teilung des Maßstabs und dem Hallelement abhängig, so daß eine variable Versorgungsspannung des Hallelements zur Kompensation unterschiedlicher Signalamplituden infolge von Abstandsänderungen wünschenswert ist. Bei einer variablen Versorgungsspannung ändert sich aber - wie oben bereits angegeben - auch die Gleichtaktspannung; eine Variation der Versorgungsspannung des Hallelements für diese Kompensation läßt sich daher nicht ohne weiteres durchführen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Meßeinrichtung der oben genannten Gattung die Bildung derartiger fehlerhafter Positionswerte auszuschließen.

0 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die vorgeschlagene

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Spannungsversorgung des Abtastelements eine Eliminierung der Gleichtaktspannung an den beiden Eingängen des Differenzverstärkers erreicht wird, die durch Änderungen oder Schwankungen der Versorgungsspannung der Spannungsversorgungsquelle oder durch einen Austausch der Abtasteinheit mit dem Abtastelement nicht beeinträchtigt wird, da die Gleichtaktspannung der Abtastsignale des Abtastelements gleich dem Bezugspotential des Differenzverstärkers ist. Es wird somit trotz der endlichen Gleichtaktverstärkung des Differenzverstärkers eine hohe Signalgüte des Ausgangssignals des Differenzverstärkers erzielt, ohne daß an die Stabilität der Spannungsversorgung für das Abtastelement hohe Anforderungen gestellt werden müssen, so daß fehlerhafte Positionswerte nicht mehr gebildet werden können. Zur Kompensation unterschiedlicher Signalamplituden der Abtastsignale des Abtastelements kann die Versorgungsspannung des Abtastelements in weiten Bereichen ohne nachteilige Folgen variiert werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 schematisch eine Seitenansicht

und einen Querschnitt eines Maßstabs und einer Abtasteinheit bei einer Längenmeßeinrichtung und

Figur 2 eine Schaltungsanordnung für ein

Abtastelement dieser Längenmeßeinrichtung .

_ ₈ _ 3AO1905

In Figur 1 ist schcmatisch eine magnetische Längenmeßeinrichtung in einer Seitenansicht und in einem Querschnitt dargestellt, bei der ein Maßstab M aus einem magnetisch leitendem Material an einem Maschinenschlitten S einer nicht gezeigten Bearbeitungsmaschine befestigt ist. Der Maßstab M weist auf seiner Oberfläche eine zahnförmige Teilung T in Form von Stegen ST und Lücken L auf, die abwechselnd aufeinander folgen und die gleiche Breite haben. Die Teilung T besitzt eine Teilungsperiode P, die sich aus einer Breite eines Steges ST und einer Breite einer Lücke L in Meßrichtung (Pfeilrichtung) zusammensetzt.

Die Teilung T des Maßstabs M wird von einer Abtasteinheit A abgetastet, die mit einem nicht dargestellten Maschinenbett der Bearbeitungsmaschine verbunden ist. Die Abtasteinheit A weist einen Permanentmagneten PM zur Erzeugung eines magnetischen Gleich-

feldes auf, der in einem bestimmten parallelen Abstand zur Teilungsfläche des Maßstabs M bei einer Relativbewegung zwischen dem Maschinenschlitten S und dem Maschinenbett geführt ist. An der der Teilungsfläche des Maßstabs M zugewandten Oberfläche des Permanentmagneten PM ist ein Abtastelement in Form eines Hallelements H befestigt, das die infolge der zahnförmigen Teilung T mit der Teilungsperiode P des Maßstabs M inhomogene Induktion erfaßt und zwei positionsabhängige periodische gegenphasige Abtastsignale S., S_ erzeugt.

Nach Figur 2 werden diese Abtastsignale S , S_ an den Ausgängen H., Η_ des Hallelements H über Widerstände R., R₂ den beiden Eingängen D., D₂ eines

Differenzverstärkers D in einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung W zugeführt, dessen Ausgangssignal S am Ausgang D in der Auswerteein-

a a

richtung W zur Bestimmung der Positionswerte der Relativlage des Maschinenschlittens S und des Maschinenbetts weiterverarbeitet wird. Der Ausgang D des Differenzverstärkers D ist über einen Wider-

ei

stand R_ mit seinem invertierenden Eingang D. rückgekoppelt, während sein nichtinvertierender Eingang Ο» über einen Widerstand R. mit einem Bezugspotential N verbunden ist, das üblicherweise Null sein kann. Zur Spannungsversorgung des Hallelements H ist eine Spannungsquelle Q vorgesehen, die mit den beiden Eingängen E₁, E„ des Hallelements H verbunden ist.

Da die Signalamplituden der Abtastsignale S , S des Hallelements H sehr gering sind - sie liegen in der Größenordnung von Millivolt -, muß der Differenzverstärker D eine große Verstärkung und eine geringe Offsetspannung aufweisen. Die durch die Gleichspannungsanteile der beiden Abtastsignale S., S an den Eingängen D , Ό des Differenzverstärkers D anliegende Gleichtaktspannung wird durch die endliche Gleichtaktverstärkung des Differenzverstärkers D verstärkt und wirkt sich auf die Symmetrie des Ausgangssignals

S des Differenzverstärkers D und damit auf die a

Genauigkeit der ermittelten Positionswerte nachteilig aus.
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Zur Eliminierung der Gleichtaktspannung an den Eingängen D₁, D^ des Differenzverstärkers D ist erfindungsgemäß die Spannungsquelle Q mit einem ersten Ausgang A₁ einmal direkt mit dem ersten Ein-

gang E und zum anderen über einen Umkehrverstärker V mit dem zweiten Eingang E„ des Hallelements H verbunden; den Eingängen E₁, E- des Hallelements H sind Vorwiderstände R^₁ , R„~ vorgeschaltet. Der Ausgang A₁ der Spannungsquelle Q ist über einen Widerstand R₅ mit dem invertierenden Eingang V₁ des Umkehrverstärkers V verbunden. Der Ausgang V

des Umkehrverstärkers V ist über einen Widerstand R,- mit dem invertierenden Eingang V₁ gegengekoppelt, während der nichtinvertierende Eingang V„ mit dem Bezugspotential N verbunden ist; der zweite Ausgang A~ der Spannungsquelle Q ist ebenfalls mit dem Bezugspotential· N verbunden.

Vom Ausgang A₁ der Spannungsquelle Q liegen am Eingang E₁ des Hallelements H die Versorgungsspannung U₁ und am Eingang E„ die invertierte Versorgungsspannung U„ an. Da das Verhältnis der Versorgungsspannungen U₁, U„ gleich dem Verhältnis der Wider- stände R₁-, R, des Umkehrverstärkers V, also U. /U^ D b I Z

= R^/Rp. ist, bewirkt der Umkehrverstärker V mit der Verstärkung ν = -Rg/R-, daß die Gleichtaktspannung der Abtastsignale S₁, S des Hallelements H gleich dem Bezugspotential N des Differenzverstärkers D ist und somit die Gleichtaktspannung an den Eingängen D , D des Differenzverstärkers D Null wird; die vorhandene Gleichtaktverstärkung des realen Differenzverstärkers D hat somit keinen

Einfluß auf die Symmetrie des Ausgangssignals S

des Differenzverstärkers D.

Die Vorwiderstände R_v1, R^- an den Eingängen E₁, E_ des Hallelements H dienen dazu, das Verhältnis U./U der Versorgungsspannungen des Hallelements H

von Exemplarstreuungen derartiger Abtastelemente H unabhängig zu machen, indem sie die Wirkung der Toleranzen der Innenwiderstände des Hallelements H reduzieren, so daß ein problemloses Austauschen der Abtastelemente H ermöglicht wird.

Haben die Vorwiderstände R .. und R^₂ an den Eingängen E , E des Hallelements H den gleichen Wert

I ^

(R .J=R^₂) und die Widerstände R₅, R_g des Umkehr-Verstärkers V den gleichen Wert (R =R_), so wird eine Symmetrisierung der Versorgungsspannungen U , U₂ an den Eingängen E., E„ des Hallelements H erreicht, da die Versorgungsspannung U₃ = U₁ wird; diese Symmetrisierung besitzt den Vorteil einer geringen Störempfindlichkeit der Schaltungsanordnung gegen äußere Felder.

Die Spannungsquelle Q kann durch eine Gleichspannungsquelle oder durch eine Wechselspannungsquelle gebildet sein. Bei Vorsehen einer Wechselspannungsquelle Q kann der Umkehrverstärker V aus einem Transformator bestehen.

Das Abtastelement H kann auch durch ein induktives, kapazitives oder resistives Element gebildet sein, die vorzugsweise in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Bei einem resistiven Abtastelement kann in der Brückenschaltung beispielsweise wenigstens ein Dehnungsmeßstreifen vorgesehen sein.

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Claims

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH 2. Januar 1984

Ansprüche

ι 1.J Meßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der eine Meßteilung von einer Abtasteinheit mittels wenigstens eines Abtastelements abgetastet wird, das eine eigene Spannungs-Versorgung aufweist und dessen wenigstens eines Abtastsignal einem Verstärker einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung der Gleichtaktspannung an dem wenigstens einen Eingang (D₁, O₀) des Verstärkers (D) der erste Eingang (E ) des Abtastelements (H) mit einer von einem ersten Ausgang (A₁) einer Spannungsquelle (Q) gelieferten Versorgungsspannung (U₁) und der zweite Eingang (E ) des Abtastelements (H) mit einer vom gleichen Ausgang (A ) der Spannungsquelle (Q) gelieferten invertierten Versorgungsspannung (U₃) beaufschlagt sind und daß die Spannungsquelle (Q) und der Verstärker (D) an das gleiche Bezugspotential (N) angeschlossen sind.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgang (A₁) der Spannungsquelle (Q) einmal direkt mit dem ersten Eingang (E₁) und zum anderen über einen Umkehrverstärker

(V) mit dem zweiten Eingang (E_) des Abtastelements (H) verbunden ist und daß der zweite Ausgang (A_) der Spannungsquelle (Q) an das Bezugspotential (N) angeschlossen ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ausgang (A₁) der Spannungs-

quelle (Q) über einen Widerstand (R₅) mit dem invertierenden Eingang (V.) des Umkehrverstärkers (V) verbunden ist, daß der Ausgang (V ) des Um-

Cl

kehrverstärkers (V) mit dem invertierenden Eingang (V₁) über einen Widerstand (R,) gegengekoppelt ist und daß der nichtinvertierende Eingang ( mit dem Bezugspotential (N) verbunden ist.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastsignale (S₁, S_) des Abtastelements (H) über Widerstände (R₁, R„) den Eingängen (D₁, D) des Differenzverstärkers (D) zugeführt sind, daß der invertierende Eingang (D₁) über einen Widerstand (R_) mit dem Ausgang (D ) rückgekoppelt ist und daß der nichtinvera

tierende Eingang (D₃) über einen Widerstand (R.) mit dem Bezugspotential (N) verbunden ist.
5. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umkehrverstärker (V) durch einen Transformator gebildet ist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (H) aus einem magnetischen, einem induktiven, einem kapazitiven oder aus einem resistiven Element besteht.
7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (H) aus einem Hallelement besteht.
8. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (H) aus einer Brückenschaltung besteht.
9. Meßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung wenigstens einen Dehnungsmeßstreifen aufweist.

1O. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen (E₁, E) des Abtastelements (H) jeweils ein Vorwiderstand (R_V1/ ^v2^ vorgeschaltet ist.