DE3734715A1 - Kapazitiver abstandssensor - Google Patents
Kapazitiver abstandssensorInfo
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- G—PHYSICS
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
- G01B7/023—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring distance between sensor and object
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
- G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
- G01D5/24—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying capacitance
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Abstandssensor zum
Messen der Distanz zwischen dem Sensor und einer meist
ebenen, im allgemeinen (aber nicht notwendig) leitfähigen
Fläche.
Derartige Sensoren sind seit langem Stand der Technik und
bestehen typisch aus einer aktiven Meßfläche, die zusammen
mit der anzumessenden Fläche einen Kondensator bildet,
dessen Kapazität oder eine damit zusammenhängende Größe als
Meßwert verwendet wird. Die Kapazität ist proportional zur
dielektrischen Konstante des Mediums zwischen den beiden
Flächen.
Manchmal sind derartige Sensoren mit ein oder zwei
Schirmringen umgeben, welche zur Störunterdrückung dienen.
Der äußere Ring wird meist auf Nullpotential gelegt, der
innere Ring (sofern vorhanden), über einen Entkoppelverstärker
der Verstärkung V=1 auf das Potential der aktiven
Meßfläche getrieben. Dieser innere Schirm wird üblicherweise
als Schutzring, getriebener Schirm oder Guard bezeichnet.
Es existiert eine Vielzahl angewendeter elektronischer
Meßverfahren zur Auswertung der gewünschten Größe
(Abstand).
Die Anwendung dieses Meßprinzips hat den schwerwiegenden
Nachteil, daß die Anwesenheit des Mediums zwischen den
Meßflächen infolge der Inkonstanz dieses Mediums zu Meß
wertverfälschungen führt, die Qualität und Präzision der
Messung nur unter kontrollierten atmosphärischen Bedingungen
erlauben.
Als Ursachen der Inkonstanz des Mediums ist häufig zu
beobachten:
Druck, Temperatur, Feuchte, Öldunst, Staub und andere.
Druck, Temperatur, Feuchte, Öldunst, Staub und andere.
Diese Störungsursachen zu beseitigen und einen universell
störungsarm einsetzbaren Sensor zu gestalten, war das Ziel.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in
einem Sensor mindestens 2 aktive Meßflächen verwendet
werden, die i. A. sowohl unterschiedlichen Abstand von der
anzumessenden Fläche A haben, als auch unterschiedliche
Flächengrößen aufweisen (Fig. 1), so daß entweder durch
eine geeignete Auswerteschaltung oder durch Berechnung die
Inkonstanz des Mediums zu beseitigen ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist der Abstand x₁₀ doppelt so groß
wie der Abstand x₂₀ und die Fläche A₁ doppelt so groß wie
die Fläche A₂. Dies hat zur Folge, daß bei Verwendung einer
Auswerteelektronik nach P 35 16 162.0 infolge Bildung von
(C₁-C₂)/(C₁+C₂) sich eine Ausgangsspannung ergibt, entsprechend
da
ist, ergibt sich
d. h. ähnlich wie in einer Brückenschaltung fallen fast alle
Störglieder heraus. Dies bedeutet eine Beseitigung der
Empfindlichkeit gegen Schwankungen der dielektrischen Konstante.
Dies kann natürlich genauso erreicht werden, indem
z. B. C₁ und C₂ einzeln gemessen werden und - bei bekanntem
x₁₀ und x₂₀ und ε₀ sowie A₁ und A₂ - die Größen ε und Δ x
berechnet werden.
Infolge der hohen Stabilitätsanforderungen, die an den
Abstand der Flächen A₁ und A₂ voneinander gestellt werden
müssen, ist eine Ausführung in Form von partiell metallisierter
Keramik sinnvoll.
Eine typische Ausführungsform für einen Meßbereich Δ x Max =
10 µm hat einen Wert x₂₀=1/2 · x₁₀=100 µm,
Flächengrößen von A₂=1/2 A₁ von 1/2 bis 1 cm² und eine
typische Auflösung von 10-3 µm. Für Abstände, die größer
sind als die kleinste typische Flächenabmessung, läßt sich
das Meßprinzip ebenfalls einsetzen, jedoch gilt dann die
formelmäßige Abhängigkeit nicht mehr, es verbleibt aber die
Möglichkeit einer empirischen Kalibrierung.
Sinnvollerweise sollte eine Ausgestaltung für hohe Ansprüche jede
der aktiven Flächen A₁ und A₂ mit einem Schirmring (N) umgeben,
welcher auf Nullpotential liegt (Fig. 2). Bei höchsten Ansprüchen
sollten zusätzlich Schutzringe (G) die aktiven Flächen umgeben.
Fig. 3.
Aus den Grundformen der Fig. 1 bis 3 lassen sich zwanglos eine
Reihe weiterer Ausgestaltungen herleiten, in denen dieselben
Grundsätze der Abschirmung gelten wie die in Fig. 2 und 3
skizziert sind.
Fig. 4 zeigt die Verwendung von rechteckigen Flächen, welche bei
einer quaderförmigen Ausgestaltung des Sensors günstig sind.
Aus Symmetriegründen wird die Fläche A₁ in zwei gleich große
Anteile aufgeteilt. Diese Maßnahme führt genau wie die ringförmige
Gestalt der Fläche A₁ in Fig. 1 zu einem wesentlich besseren
Verhalten des Sensors bei Verkippen, d. h. wenn sich nicht nur der
Abstand zur anzumessenden Fläche ändert, sondern auch der Winkel.
Soll die Kippempfindlichkeit weiter reduziert werden, ist eine
Ausführung wie Fig. 5 günstig, welche 3 Teilflächen A₂ und 2
Teilflächen A₁ aufweist.
Bei einer Herstellung aus metallisiertem Glas, Keramik oder
Kunststoff werden dabei die Flächen günstig nur als dünne
Schichten aufgebracht und die zugehörigen elektrischen Verbindungen
auf die Seitenfläche des Sensors in bekannten Techniken
strukturiert.
Genauso kann aber auch in konventioneller Aufbautechnik aus
metallischen Stäben und nichtleitenden Zwischenlagen der Sensor
zu einem Block verklebt werden und die Verdrahtung konventionell
erfolgen.
Fig. 6, 7, 8 zeigen Ausgestaltungen ohne Stufen zwischen den
Flächen A₁ und A₂, der mittlere Abstand zwischen A₁ und A₂ wird
durch die Form des Sensors erzeugt.
Analog zur Ausgestaltung von Fig. 6 auf einem Zylinderabschnitt
oder Fig. 8 auf einem Dachkant lassen sich Ausgestaltungen in
Form von Kugel, Kegel oder ähnlichen Formkörpern realisieren.
Claims (7)
1. Kapazitiver Abstandssensor, bestehend aus mindestens 2
aktiven Meßflächen, gekennzeichnet durch unterschiedlichen
Abstand der beiden Meßflächen von der anzumessenden Fläche.
2. Kapazitiver Abstandssensor in Form zweier ebener Flächen,
gekennzeichnet durch einen Abstand der ebenen Flächen
voneinander, gleich dem Abstand der vorderen Fläche zur
anzumessenden Fläche.
3. Kapazitiver Abstandssensor in Form zweier Flächen,
gekennzeichnet dadurch, daß das Produkt aus Flächengröße
und Abstand zur anzumessenden Fläche für beide Flächen
gleich groß ist.
4. Kapazitiver Abstandssensor in Form teilweise metallisierter
nichtleitender Tragstrukturen mit mindestens 2
aktiven Flächen, gekennzeichnet durch eine Gestalt der
Flächen in Form von Ausschnitten oder Abschnitten aus
Kegeln, Kugeln, Zylindern, Dachkanten, auch in deformierter
Gestalt oder Kombination miteinander.
5. Kapazitiver Abstandssensor, bestehend aus mindestens 3
aktiven Flächen unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen
Abstands von der anzumessenden Meßfläche, gekennzeichnet
durch Abstands- mal Flächen-Produkte von 1 : 1 : ? und
Parallelschaltung der dichtesten mit der entferntesten
Fläche.
6. Kapazitiver Abstandssensor, gekennzeichnet durch je eine
leitfähige Fläche oder Linie auf Nullpotential, teilweise
oder ganz geschlossen, vorzugsweise um alle vorhandenen
Flächen.
7. Kapazitiver Abstandssensor, gekennzeichnet
durch 2 oder 3 leitfähige Flächen oder Linien, welche
vorzugsweise jede aktive Meßfläche möglichst vollständig
umschließen, und die Fläche oder Linie in unmittelbarer
Nachbarschaft der aktiven Fläche über einen Entkoppelverstärker
auf das gleiche Potential wie die aktive Fläche
treibend und die daran anschließende Fläche vorzugsweise
auf Null-Potential.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873734715 DE3734715A1 (de) | 1987-10-14 | 1987-10-14 | Kapazitiver abstandssensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19873734715 DE3734715A1 (de) | 1987-10-14 | 1987-10-14 | Kapazitiver abstandssensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3734715A1 true DE3734715A1 (de) | 1989-04-27 |
Family
ID=6338277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19873734715 Withdrawn DE3734715A1 (de) | 1987-10-14 | 1987-10-14 | Kapazitiver abstandssensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3734715A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19547313A1 (de) * | 1995-12-18 | 1997-06-19 | Forsch Kraftfahrwesen Und Fahr | Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Abstandes bzw. der Bewegung zwischen zwei durch eine Dichtung getrennten Maschinenteilen |
DE102004010764A1 (de) * | 2004-03-05 | 2005-09-22 | Daimlerchrysler Ag | Insassenschutzvorrichtung mit einem verfahrbaren Polsterelement |
DE102016012089A1 (de) | 2016-10-05 | 2018-04-05 | André Schleicher | Dreifach differenzielles kapazitives Mehrachs-Abstands-Messsystem |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE3138273A1 (de) * | 1980-09-26 | 1982-10-21 | Hiroomi Yamakitamachi Kanagawa Ogasawara | Beruehrungsfreies mikroverschiebungs-messgeraet |
DE3242621A1 (de) * | 1982-11-18 | 1984-05-24 | Stefan 8026 Irschenhausen Reich | Kapazitiver annaeherungsmelder |
DE3518187C1 (de) * | 1985-05-21 | 1986-07-31 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 8000 München | Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung der Lage eines Objektes, insbesondere der Schwingungen eines vibrierenden Objektes |
DE8619005U1 (de) * | 1986-07-16 | 1986-08-28 | SIE Sensorik Industrie-Elektronik GmbH, 6806 Viernheim | Kapazitiver Annäherungssensor |
-
1987
- 1987-10-14 DE DE19873734715 patent/DE3734715A1/de not_active Withdrawn
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DE102016012089A1 (de) | 2016-10-05 | 2018-04-05 | André Schleicher | Dreifach differenzielles kapazitives Mehrachs-Abstands-Messsystem |
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Legal Events
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