DE3734715A1 - Kapazitiver abstandssensor - Google Patents

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.

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.